РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РОЛИКОВОГО ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ НА ДЛИННОЙ ОПРАВКЕ С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТОЧНОСТИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные положения диссертации
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные положения диссертации
Актуальность темы диссертации. Развитие таких отраслей промышленности, как транспортное и энергетическое машиностроение, атомная техника, судостроение и др., предъявляет повышенные требования к качеству холоднодеформированных труб, в том числе к их точности. Классическими способами холодной деформации являются волочение через стационарные волоки и холодная валковая и роликовая прокатка. Комбинацией этих способов обеспечивается довольно широкий сортамент холоднодеформированных труб и высокое их качество. Однако классические способы имеют ряд общеизвестных недостатков: при волочении велика вероятность образования рисок, а холодная прокатка отличается высокой энергоемкостью, малой производительностью, сложностью настройки станов и изготовления инструмента, а также ограниченностью сортамента прокатываемых труб. Поэтому актуальной является задача разработки и исследования новых или комбинированных способов холодной деформации труб.
Настоящая работа посвящена исследованию точности труб, получаемых роликовым волочением на длинной оправке. Этот способ имеет ряд преимуществ: малая энергоемкость при использовании неприводных роликов; исключение образования рисок на поверхности из-за уменьшения скольжения по инструменту; более высокая производительность; низкая вероятность адгезии на контактных поверхностях роликов и трубы; простота конструкции по сравнению со станами холодной прокатки.
Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной научно-технической целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», по государственному контракту № 02.740.11.0152 «Разработка новой комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения».
Цель работы состоит в разработке математической модели роликового волочения труб на длинной оправке и технологических рекомендаций по его применению для получения труб заданного уровня точности.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель процесса волочения труб в неприводных роликах на длинной оправке;
2. С помощью математической модели изучить закономерности изменения разностенности труб в зависимости от технологических параметров;
3. Разработать конструкцию роликовой волоки для волочения труб повышенной точности с минимальным скольжением;
4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному использованию роликового волочения труб.
Научная новизна исследования:
1. С помощью метода конечных элементов построена математическая модель процесса роликового волочения труб на длинной оправке, в том числе модель формоизменения поперечного сечения трубы и изменения разностенности.
2. В результате математического моделирования изучены закономерности изменения разностенности труб в зависимости от технологических параметров: калибровка инструмента, коэффициент вытяжки, исходная разностенность и тонкостенность трубы, марка материала трубы, ориентация профиля трубы.
Достоверность. Научные результаты и выводы получены на основе теоретических исследований, выполненных с применением фундаментальных положений теории обработки металлов давлением, механики сплошных сред, в частности, метода конечных элементов и пакета прикладных программ □ЕКЖМ-ЗО. Они не противоречат существующей и полученной автором экспериментальной информации. Адекватность полученных регрессионных моделей проверена современными методами математической статистики.
Практическая значимость:
1. Разработаны инженерные методики определения рациональных технологических параметров роликового волочения для получения труб заданного уровня точности.
2. Предложена конструкция роликовой волоки с разрезными роликами, обеспечивающая минимальное скольжение на поверхности контакта с трубой.
3. Разработаны технологические предложения по применению роликового волочения при производстве нержавеющих труб.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на III Региональной научно-технической конференции «Образование и производство - 2009», Верхняя Салда, 2009; VI Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», Пенза, 2010; XVIII Международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники, Екатеринбург, 2010; IV Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа изложена на 162 страницах, включая 24 таблицы, 74 рисунка, и список использованных источников из 167 наименований.
Настоящая работа посвящена исследованию точности труб, получаемых роликовым волочением на длинной оправке. Этот способ имеет ряд преимуществ: малая энергоемкость при использовании неприводных роликов; исключение образования рисок на поверхности из-за уменьшения скольжения по инструменту; более высокая производительность; низкая вероятность адгезии на контактных поверхностях роликов и трубы; простота конструкции по сравнению со станами холодной прокатки.
Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной научно-технической целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», по государственному контракту № 02.740.11.0152 «Разработка новой комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения».
Цель работы состоит в разработке математической модели роликового волочения труб на длинной оправке и технологических рекомендаций по его применению для получения труб заданного уровня точности.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель процесса волочения труб в неприводных роликах на длинной оправке;
2. С помощью математической модели изучить закономерности изменения разностенности труб в зависимости от технологических параметров;
3. Разработать конструкцию роликовой волоки для волочения труб повышенной точности с минимальным скольжением;
4. Подготовить научно-обоснованные рекомендации по промышленному использованию роликового волочения труб.
Научная новизна исследования:
1. С помощью метода конечных элементов построена математическая модель процесса роликового волочения труб на длинной оправке, в том числе модель формоизменения поперечного сечения трубы и изменения разностенности.
2. В результате математического моделирования изучены закономерности изменения разностенности труб в зависимости от технологических параметров: калибровка инструмента, коэффициент вытяжки, исходная разностенность и тонкостенность трубы, марка материала трубы, ориентация профиля трубы.
Достоверность. Научные результаты и выводы получены на основе теоретических исследований, выполненных с применением фундаментальных положений теории обработки металлов давлением, механики сплошных сред, в частности, метода конечных элементов и пакета прикладных программ □ЕКЖМ-ЗО. Они не противоречат существующей и полученной автором экспериментальной информации. Адекватность полученных регрессионных моделей проверена современными методами математической статистики.
Практическая значимость:
1. Разработаны инженерные методики определения рациональных технологических параметров роликового волочения для получения труб заданного уровня точности.
2. Предложена конструкция роликовой волоки с разрезными роликами, обеспечивающая минимальное скольжение на поверхности контакта с трубой.
3. Разработаны технологические предложения по применению роликового волочения при производстве нержавеющих труб.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на III Региональной научно-технической конференции «Образование и производство - 2009», Верхняя Салда, 2009; VI Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», Пенза, 2010; XVIII Международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники, Екатеринбург, 2010; IV Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа изложена на 162 страницах, включая 24 таблицы, 74 рисунка, и список использованных источников из 167 наименований.
1. Разработана трехмерная конечно-элементная математическая модель роликового волочения труб на длинной оправке и реализована с помощью пакета программ ВЕРОКМ-ЗВ. Отличительной особенностью модели является возможность задания эксцентричной разностенности исходной заготовки с дальнейшим изучением механизмов ее исправления или наведения и оценки точности получаемых труб.
2. С помощью математической модели и аппарата метода планирования вычислительного эксперимента выявлены следующие закономерности изменения эксцентричной разностенности труб:
- из исследуемых факторов статистически значимыми оказались
коэффициенты развалки калибра, вытяжки и коэффициент трения, а также исходная разностенность трубы; коэффициенты тонкостенности и интенсивности упрочнения материала оказались незначимы;
- при волочении через одну роликовую волоку снижение разностенности происходит при снижении коэффициента вытяжки до 2 и увеличении коэффициента развалки калибра до 0,05; наведение разностенности происходит за счет затекания металла в зоны выпусков с ростом коэффициента вытяжки и коэффициенте развалки калибра, меньшем 0,04...0,05.
- при волочении через две последовательно установленные волоки наименьшая разностенность достигается при коэффициенте вытяжки во второй волоке 2 и минимальном трении (у=0,1), а также при оптимальном значении коэффициента развалки калибра от 0,02 до 0,025;
- во время волочения в первой волоке наблюдается неравномерность распределения напряжений и деформаций по сечению трубы: их рост наблюдается в утолщенной зоне проталкиваемой эксцентричной трубы, а снижение - в утоненной части сечения;
- при деформировании трубы во второй роликовой волоке происходит более равномерное распределение напряжений и деформаций, с их небольшим ростом на участках соприкосновения роликов и трубы;
- калибровкой в третьей волоке с коэффициентом развалки не более 0,01 можно получать трубы с разностенностью не более 2%, для этого коэффициент вытяжки должен быть не более 1,1;
- закономерности реализованы в виде регрессионных зависимостей, проверена их адекватность по критерию Фишера.
3. Проведение роликового волочения с рекомендованными технологическими режимами позволяет получать трубы с разностенностью не выше 10% при исходной разностенности 30%.
4. Вычислительные эксперименты показали, что энергоемкость волочения через роликовые волоки в 1,2 - 1,5 меньше, чем при длиннооправочном волочении через стационарные волоки.
5. Разработана и оформлена заявкой на изобретение конструкция роликовой волоки, которая обладает повышенной жесткостью, позволяет осуществить точное регулирование положения роликов и снижение распорных усилий, а также позволяет осуществить выравнивание скорости течения металла и окружной скорости роликов, что приводит к повышению качества изготовляемых труб.
6. Разработаны технологические предложения по совершенствованию маршрутов изготовления авиационных труб с применением роликового волочения из стали марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 19277 применительно к цеху В- 3 ОАО «Синарский трубный завод». Предложенная схема производства позволяет получать трубы обычного качества с разностенностью 9-12% и трубы повышенного качества изготовления с разностенностью до 2%. Для предложенных маршрутов проведена оценка накопленной поврежденности, которая не превысила 0,25, что не вызывает снижения эксплуатационных свойств труб.
2. С помощью математической модели и аппарата метода планирования вычислительного эксперимента выявлены следующие закономерности изменения эксцентричной разностенности труб:
- из исследуемых факторов статистически значимыми оказались
коэффициенты развалки калибра, вытяжки и коэффициент трения, а также исходная разностенность трубы; коэффициенты тонкостенности и интенсивности упрочнения материала оказались незначимы;
- при волочении через одну роликовую волоку снижение разностенности происходит при снижении коэффициента вытяжки до 2 и увеличении коэффициента развалки калибра до 0,05; наведение разностенности происходит за счет затекания металла в зоны выпусков с ростом коэффициента вытяжки и коэффициенте развалки калибра, меньшем 0,04...0,05.
- при волочении через две последовательно установленные волоки наименьшая разностенность достигается при коэффициенте вытяжки во второй волоке 2 и минимальном трении (у=0,1), а также при оптимальном значении коэффициента развалки калибра от 0,02 до 0,025;
- во время волочения в первой волоке наблюдается неравномерность распределения напряжений и деформаций по сечению трубы: их рост наблюдается в утолщенной зоне проталкиваемой эксцентричной трубы, а снижение - в утоненной части сечения;
- при деформировании трубы во второй роликовой волоке происходит более равномерное распределение напряжений и деформаций, с их небольшим ростом на участках соприкосновения роликов и трубы;
- калибровкой в третьей волоке с коэффициентом развалки не более 0,01 можно получать трубы с разностенностью не более 2%, для этого коэффициент вытяжки должен быть не более 1,1;
- закономерности реализованы в виде регрессионных зависимостей, проверена их адекватность по критерию Фишера.
3. Проведение роликового волочения с рекомендованными технологическими режимами позволяет получать трубы с разностенностью не выше 10% при исходной разностенности 30%.
4. Вычислительные эксперименты показали, что энергоемкость волочения через роликовые волоки в 1,2 - 1,5 меньше, чем при длиннооправочном волочении через стационарные волоки.
5. Разработана и оформлена заявкой на изобретение конструкция роликовой волоки, которая обладает повышенной жесткостью, позволяет осуществить точное регулирование положения роликов и снижение распорных усилий, а также позволяет осуществить выравнивание скорости течения металла и окружной скорости роликов, что приводит к повышению качества изготовляемых труб.
6. Разработаны технологические предложения по совершенствованию маршрутов изготовления авиационных труб с применением роликового волочения из стали марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 19277 применительно к цеху В- 3 ОАО «Синарский трубный завод». Предложенная схема производства позволяет получать трубы обычного качества с разностенностью 9-12% и трубы повышенного качества изготовления с разностенностью до 2%. Для предложенных маршрутов проведена оценка накопленной поврежденности, которая не превысила 0,25, что не вызывает снижения эксплуатационных свойств труб.