Исследование и совершенствование процесса и инструмента для оправочного волочения труб с переменной толщиной стенки : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.02.09

Актуальность работы. Металлоизделия, обеспечивающие лучшее
соотношение экономического эффекта от их применения к стоимости производства и эксплуатации, отвечают современным требованиям энерго- и ресурсосбережения. К числу подобных изделий относятся профильные трубы, имеющие некруглое поперечное сечение и обладающие пониженной металлоемкостью, рациональной формой, изготовленные из материалов, отвечающих требованиям их эксплуатации. Применение таких труб в отраслях общего машиностроения, металлургии, атомном машиностроении, теплоэнергетике, строительстве и других обеспечивает получение значительного технического и экономического эффекта.
Из всего многообразия профильных труб в работе рассмотрены такие, которые имеют переменную по сечению толщину стенки, а само сечение содержит внутри или снаружи правильный многоугольник или сложную, криволинейную форму. Они могут быть получены путем одно- или многопроходного оправочного волочения в профильной волоке или на профильной оправке.
В связи с отмеченными условиями этого процесса возникают следующие основные его особенности: сложный характер течения металла с утонением или утолщением элементов поперечного сечения профиля. Возникающее при таком процессе повышенное сопротивление течению в направлении ребер многоугольного профиля, либо по выступам криволинейного профиля, значительное давление на волочильный инструмент и рост сил трения приводит к увеличению усилия волочения.
Проведенный обзор показал, что имеющиеся в настоящее время теоретические и экспериментальные исследования касаются производства точных сплошных профилей. Имеются лишь отдельные разработки, посвященные определению размеров заготовки для производства многогранных труб переменного поперечного сечения. Калибровка рабочего инструмента производится на основе простых геометрических соотношений, содержащих лишь размеры заготовки и готовой трубы и не учитывающих особенности течения металла.
4
Задачи разработки системы автоматизированного расчета параметров труб по переходам волочения, в том числе и для изготовления труб с криволинейным профилем, определения течения металла при волочении в профильном инструменте, построения рациональной формы его рабочего канала, определения давления на инструмент, формоизменения при профилировании, напряженно-деформированного состояния и поврежденности металла практически не исследованы. Отсутствует методика определения усилия волочения рассматриваемых труб. Решение указанных вопросов определяет актуальность работы.
Степень разработанности темы исследования. Процесс получения профильных труб путем деформации гладкой трубной заготовки известен достаточно давно, и рассматривался в работах В.Л. Колмогорова, А.А. Богатова, В.И. Соколовского, И.Л. Перлина, М.З. Ерманка. Из рассмотренных работ, посвященных изучению процессов волочения профильных труб следует отметить работы С. В. Паршина, Н. В. Семеновой, Р. А. Окулова, Е. В. Шоковой. Эти работы касаются исследования формоизменения и напряженно – деформированного состояния профильных труб, которые могут быть получены волочением без оправки путем изгиба стенки. А. И. Дорохов занимался изучением процесса изготовления профильных труб с переменной толщиной стенки и предложил метод определения размеров заготовки, а В. Н. Данченко, В. В. Сергеев, Э. В. Никулин разработали методику определения параметров технологического инструмента для труб, имеющих поперечное сечение в виде правильных многоугольников.
Следует отметить, что получение труб с переменной толщиной стенки в значительной мере отличается от такового для труб с постоянной толщиной стенки, в частности, наличием повышенных величин деформации в зонах утонения и утолщения профиля. Процесс недостаточно исследован в аспектах определения параметров напряженно – деформированного состояния, поврежденности металла, точности геометрических размеров готового профиля (а именно влияния на последнюю размеров трубной заготовки). Развитие теории профилирования труб с переменной толщиной стенки характеризуется переходом от определения отдельных параметров процесса к созданию расчетной и исследовательской модели процесса, позволяющей
5

определить комплекс параметров процесса, инструмента, заготовки, а также свойства готовой трубы.
Цель работы – исследование и совершенствование процесса и рабочего инструмента для оправочного волочения труб с переменной по периметру толщиной стенки, выдача рекомендаций по рациональному ведению технологии и применению необходимых машин.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать геометрические и конечно-элементные модели очага деформации при волочении профильных ТПТС на профильной оправке или в профильной волоке, в том числе и при многопереходных процессах. Разработать с использованием этих моделей метод определения калибровки профильных волок и оправок.
2. Разработать автоматизированную систему определения размеров заготовки, позволяющую учитывать форму и размеры готовой трубы, выбирать эти размеры с учетом существующих ГОСТов на круглые трубы, либо производить заготовительное волочение с целью получения необходимых размеров заготовки. Такие расчеты необходимо выполнять как для ТПТС, имеющих в составе поперечного сечения правильные многоугольники, так и имеющие криволинейный профиль.
3. Провести исследования, включающие определение напряженно- деформированного состояния материала трубы в очаге деформации, поврежденность металла и энергосиловые параметры процесса. Определить влияние параметров процесса волочения и конфигурации готовой трубы, параметров заготовки и величины коэффициента трения на форму готовой трубы, в частности на заполнение углов сечения.
4. Провести экспериментальное исследование, в частности оценку адекватности процесса профилирования труб на основе исследования микроструктуры исходных протянутых труб и определения деформированного состояния, разработать рекомендации по совершенствованию процессов профилирования ТПТС и выбору параметров инструмента и оборудования.
Научная новизна работы заключается в разработке комплексной модели процессов оправочного волочения профильных труб с переменной
6

толщиной стенки, включающей создание геометрической и конечно- элементной моделей, учитывающих упрочения металла и контактное трение, которые позволили находить: форму и размеры заготовки на промежуточных переходах и калибровку рабочего инструмента, новые зависимости для энергосиловых параметров процесса, напряженно – деформированного состояния, контактного давления металла на инструмент и поврежденности металла в очаге деформации, предложить на этой основе рекомендации по совершенствованию процессов деформации и выбору оборудования.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Создана комплексная модель процессов оправочного волочения профильных труб, имеющих переменную по сечению толщину стенки, и на этой основе найдены новые зависимости энергосиловых параметров процесса и локальных характеристик напряженно – деформированного состояния металла в очаге деформации.
2. Разработана автоматизированная система, позволяющая при заданных размерах готовых труб определять необходимые параметры трубной заготовки на промежуточных переходах
3. Разработаны рекомендации по ведению технологического процесса профилирования, использование которых позволяет получать трубы заданной геометрии, а поврежденность металла будет находиться в допустимых пределах.
4. Разработаны предложения по построению рационального профиля рабочего инструмента, совершенствованию технологии и выбору состава оборудования, позволяющих повысить эффективность их использования.
Методология и методы диссертационного исследования.
Для достижения поставленной цели было использовано сочетание теоретических, вычислительных и экспериментальных методов исследования. Экспериментальное исследование процесса профилирования проводили на испытательной машине ИР5113-100 в лаборатории УрИ ГПС МЧС РФ, измерение размеров профильных труб и волок в УрФУ им. Б.Н. Ельцина (координатно – измерительная машина Global Performance), изучение микрошлифов труб в лаборатории ИМаш УрО РАН.
7

Построение калибровки рабочего инструмента и расчет параметров заготовки на промежуточных переходах волочения основаны на применении принципа наименьшего действия и реализовано на основе компьютерной геометрии.
Комплексная модель процесса, содержащая геометрические и математические модели реализована в лицензионной версии программы ANSYS, основанной на методе конечных элементов. Построение геометрических моделей очага деформации осуществлялось в лицензионной CAD системе трехмерного твердотельного моделирования Компас 3D.
Математическая модель основана на полной системе уравнений теории пластичности. Математическая модель определения энергосиловых параметров процесса волочения получена на основе основополагающего принципа теории пластичности – баланса мощностей в очаге деформации.
Обработка и анализ экспериментальных данных проводилась с помощью методов математической статистики. Результаты теоретических исследований согласуются с данными экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
1. Постановка задач теоретического и экспериментального исследований, позволяющих определить конфигурацию рабочего канала волок и профиль оправок, в том числе при многопереходных процессах, энергосиловые параметры, распределение показателей напряженно-деформированного состояния и поврежденность металла, а также пути совершенствования процесса профилирования.
2. Методика построения комплексной модели очага деформации, учитывающая особенности геометрии, силовых условий и течения металла в процессе профилирования при соблюдении условия безобрывности труб и создания на этом основании необходимой конфигурации профильных волок и оправок.
3. Разработка автоматизированной системы расчета необходимых параметров заготовки на промежуточных переходах при заданных размерах готовых труб с учетом ограничений на допустимую степень деформации и позволяющую рассчитывать, как одно-, так и многопереходные процессы волочения.
8

4. Методика оперативного построения линий тока металла и эквипотенциалей для одно- и многопереходного волочения профильных труб, позволяющую находить калибровку рабочего инструмента при использовании профильной волоки или оправки.
5. Результаты теоретических исследований влияния параметров процесса на формоизменение металла в очаге деформации, контактное давление на инструмент, напряженно-деформированное состояние и поврежденность металла.
6. Результаты экспериментальных исследований профилирования труб с переменной толщиной стенки, включающие натурное моделирование с целью оценки адекватности принятых теоретических моделей и определения микроструктуры образцов для установления интенсивности деформации.
7. Создание рекомендаций по совершенствованию процесса изготовления профильных труб и определению конфигурации рабочего инструмента при одно- и многопроходном волочении, а также выбору оборудования, позволяющего повысить эффективность процесса.
Степень достоверности результатов, полученных в работе, подтверждается применением современных методов исследования и большим объемом экспериментального материала, обработанного с использованием методов математической статистики. Положения и выводы по работе не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2013), II Международной заочной научно-практической конференции «Автоматизированное проектирование в машиностроении» (Новокузнецк, 2014), Международной научно-практической конференции «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (Екатеринбург, 2015), IV Международной молодежной научной конференции «ФТИ-2017», (Екатеринбург, 2017), XI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) AS’2017 «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2017).