ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА СОСТОЯНИЕ КАНАЛА КАПИЛЛЯРНЫХ МЕДНЫХ ТРУБ
|
Актуальность работы
Благодаря высокой теплопроводности медные трубы используют для переноса тепла в устройствах теплопередачи. Основной областью применения медных капиллярных труб является холодильная техника. Стабильность работы рефрижераторных устройств определяется пропускной способностью капиллярных труб. Состояние шероховатости полости трубы и загрязнение внутренней поверхности посторонними частицами являются основными факторами, влияющими на обеспечение необходимой пропускной способности.
Получение труб с низким уровнем загрязненности внутреннего канала является одной из проблем, с которой нередко сталкиваются производители продукции для холодильной техники. Фактические значения загрязненности зачастую превышают в 2-4 раза требования нормативной документации. Удаление шлама из канала труб снижает производительность работы и требует дополнительных затрат.
Вторым по значимости параметром качества медных капиллярных труб является пропускная способность. Для существующего уровня производства характерны постоянные колебания этой величины. Несмотря на усилия многих поколений исследователей, причины колебания пропускной способности остались слабо изученными, они не классифицированы, что не позволяет принимать адекватные меры по стабилизации этого параметра качества.
Эти обстоятельства приводят к выводу об актуальности работы, направлен-ной на изучение зависимости между технологическими параметрами и показателями качества капиллярных труб.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:
- Федеральная целевая программа «Научные и педагогические кадры инновационной России» Министерства образования РФ, государственный контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0537;
- НИР № 51264/Н.977.210.059/12 от 08 июня 2012 г. «Исследование режимов производства изделий и условий функционирования инструмента для их обработки с целью изыскания путей совершенствования технологии» по этапу 3 «Исследование и совершенствование технологии изготовления медных капиллярных труб»;
- программа поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации про-граммы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договору № 1.2.1.5./43 от 01.07.2012 г).
Цель и задачи исследований
Целью данного исследования является изучение влияния технологических параметров, в том числе производственных, на состояние канала капиллярных труб.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
1. Проанализировать производственные данные о параметрах качества капиллярных труб с целью установления их взаимосвязи.
2. Выявить параметры, влияющие на загрязненность канала труб и его пропускную способность.
3. Определить термодеформационное состояние в процессе волочения труб методом конечных элементов.
4. По результатам проведенной работы выработать предложения по совершенствованию технологии производства, направленные на улучшение качества продукции.
Научная новизна полученных результатов
В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- определение напряженно-деформированного состояния и формоизменения при волочении особотолстостенных труб с учетом влияния термообработки и противонатяжения;
- закономерности изменения качества поверхности в различных видах обработки металлов давлением;
- формирование и обоснование гипотезы деструкции внутренней поверхности капиллярных труб при волочении;
- изучение структуры медных капиллярных труб с позиции проявления водородной болезни.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах математического моделирования волочения особотолстостенных труб, которые расширяют знания об этом процессе деформации: расчет напряженно-деформируемого состояния и тепловых полей, определение формоизменения труб. Предложены и обоснованы гипотезы о причинах образования медной пыли внутри канала капиллярных труб.
Практическая значимость работы состоит в рекомендациях для применения на предприятиях, обрабатывающих трубы из меди и медных сплавов, в том числе ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов», ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов», «ЗАО «Кольчугцветмет». Ожидается также повышение качества продукции у потребителей капиллярных труб, находящихся как на территории Российской Федерации, так и за ее пределами: ЗАО «Индезит Интернэшнл», КЗХ «Бирюса», ЗАО «Атлант» и других крупных производителей холодильной техники. Предлагаемые рациональные технические решения изложены в главе 4.
Методология и методы исследования
Работа выполнена с использованием основных законов механики деформации сплошных сред, с применением универсальных методик и методов исследований: экспериментальные исследования, методы статистического анализа, компьютерное моделирование методом конечных элементов в системах DEFORM и ABAQUS.
Положения, выносимые на защиту:
- Установление связей между пропускной способностью капиллярных медных труб и факторами, сопровождающими их производство: маркой металла, геометрическими параметрами, режимами деформации и термической обработки.
- Доказательство наличия взаимосвязи между параметрами шероховатости канала капиллярных медных труб и параметрами холодной деформации.
- Обнаружение физического феномена, сопровождающего процесс термомеханической обработки медных капиллярных труб в виде водородной болезни, проявляющейся на микроуровне и приводящей к появлению каналов, заполненных водой, оказывающих влияние на деформацию поверхностного слоя и приводящих к его деструкции.
Степень достоверности полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, методов исследования операций, современных математических моделей оправочного волочения и средств компьютерного моделирования. Достоверность подтверждается сходимостью расчетных данных с результатами промышленных и лабораторных экспериментов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на 18 международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (г. Екатеринбург, 2010), региональной н/т конференции «Образование и производство - 2010», (Верхняя Салда, 2010), региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2011), 5 международном научно-практическом семинаре «Уральская школа по обработке металлов давлением им. А.Ф.Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении» (Екатеринбург, 2011), 12 международной н/т уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург, 2011), I Всероссийской научно-практической конференции TIM’2012 (Екатеринбург, 2012), 1 международной конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012), 6 международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2012), Х1У международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and produc¬tion engineering» (Польша, Ченстохова, 2013), международной научно-практической конференции «Создание высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического комплекса (Верхняя Пышма, 2013).
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 15 печатных трудах и тезисах докладов, три из них - из перечня изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из 4 глав, трех приложений, списка условных обозначений и списка литературных источников в составе 77 наименований, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка и 12 таблиц.
Благодаря высокой теплопроводности медные трубы используют для переноса тепла в устройствах теплопередачи. Основной областью применения медных капиллярных труб является холодильная техника. Стабильность работы рефрижераторных устройств определяется пропускной способностью капиллярных труб. Состояние шероховатости полости трубы и загрязнение внутренней поверхности посторонними частицами являются основными факторами, влияющими на обеспечение необходимой пропускной способности.
Получение труб с низким уровнем загрязненности внутреннего канала является одной из проблем, с которой нередко сталкиваются производители продукции для холодильной техники. Фактические значения загрязненности зачастую превышают в 2-4 раза требования нормативной документации. Удаление шлама из канала труб снижает производительность работы и требует дополнительных затрат.
Вторым по значимости параметром качества медных капиллярных труб является пропускная способность. Для существующего уровня производства характерны постоянные колебания этой величины. Несмотря на усилия многих поколений исследователей, причины колебания пропускной способности остались слабо изученными, они не классифицированы, что не позволяет принимать адекватные меры по стабилизации этого параметра качества.
Эти обстоятельства приводят к выводу об актуальности работы, направлен-ной на изучение зависимости между технологическими параметрами и показателями качества капиллярных труб.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:
- Федеральная целевая программа «Научные и педагогические кадры инновационной России» Министерства образования РФ, государственный контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0537;
- НИР № 51264/Н.977.210.059/12 от 08 июня 2012 г. «Исследование режимов производства изделий и условий функционирования инструмента для их обработки с целью изыскания путей совершенствования технологии» по этапу 3 «Исследование и совершенствование технологии изготовления медных капиллярных труб»;
- программа поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации про-граммы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договору № 1.2.1.5./43 от 01.07.2012 г).
Цель и задачи исследований
Целью данного исследования является изучение влияния технологических параметров, в том числе производственных, на состояние канала капиллярных труб.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
1. Проанализировать производственные данные о параметрах качества капиллярных труб с целью установления их взаимосвязи.
2. Выявить параметры, влияющие на загрязненность канала труб и его пропускную способность.
3. Определить термодеформационное состояние в процессе волочения труб методом конечных элементов.
4. По результатам проведенной работы выработать предложения по совершенствованию технологии производства, направленные на улучшение качества продукции.
Научная новизна полученных результатов
В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- определение напряженно-деформированного состояния и формоизменения при волочении особотолстостенных труб с учетом влияния термообработки и противонатяжения;
- закономерности изменения качества поверхности в различных видах обработки металлов давлением;
- формирование и обоснование гипотезы деструкции внутренней поверхности капиллярных труб при волочении;
- изучение структуры медных капиллярных труб с позиции проявления водородной болезни.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах математического моделирования волочения особотолстостенных труб, которые расширяют знания об этом процессе деформации: расчет напряженно-деформируемого состояния и тепловых полей, определение формоизменения труб. Предложены и обоснованы гипотезы о причинах образования медной пыли внутри канала капиллярных труб.
Практическая значимость работы состоит в рекомендациях для применения на предприятиях, обрабатывающих трубы из меди и медных сплавов, в том числе ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов», ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов», «ЗАО «Кольчугцветмет». Ожидается также повышение качества продукции у потребителей капиллярных труб, находящихся как на территории Российской Федерации, так и за ее пределами: ЗАО «Индезит Интернэшнл», КЗХ «Бирюса», ЗАО «Атлант» и других крупных производителей холодильной техники. Предлагаемые рациональные технические решения изложены в главе 4.
Методология и методы исследования
Работа выполнена с использованием основных законов механики деформации сплошных сред, с применением универсальных методик и методов исследований: экспериментальные исследования, методы статистического анализа, компьютерное моделирование методом конечных элементов в системах DEFORM и ABAQUS.
Положения, выносимые на защиту:
- Установление связей между пропускной способностью капиллярных медных труб и факторами, сопровождающими их производство: маркой металла, геометрическими параметрами, режимами деформации и термической обработки.
- Доказательство наличия взаимосвязи между параметрами шероховатости канала капиллярных медных труб и параметрами холодной деформации.
- Обнаружение физического феномена, сопровождающего процесс термомеханической обработки медных капиллярных труб в виде водородной болезни, проявляющейся на микроуровне и приводящей к появлению каналов, заполненных водой, оказывающих влияние на деформацию поверхностного слоя и приводящих к его деструкции.
Степень достоверности полученных научных результатов и выводов диссертации обоснована использованием статистических методов обработки опытных данных, применением основных положений механики деформируемого тела, методов исследования операций, современных математических моделей оправочного волочения и средств компьютерного моделирования. Достоверность подтверждается сходимостью расчетных данных с результатами промышленных и лабораторных экспериментов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на 18 международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (г. Екатеринбург, 2010), региональной н/т конференции «Образование и производство - 2010», (Верхняя Салда, 2010), региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2011), 5 международном научно-практическом семинаре «Уральская школа по обработке металлов давлением им. А.Ф.Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении» (Екатеринбург, 2011), 12 международной н/т уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург, 2011), I Всероссийской научно-практической конференции TIM’2012 (Екатеринбург, 2012), 1 международной конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012), 6 международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф.Головина, Екатеринбург, 2012), Х1У международной научной конференции «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and produc¬tion engineering» (Польша, Ченстохова, 2013), международной научно-практической конференции «Создание высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического комплекса (Верхняя Пышма, 2013).
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 15 печатных трудах и тезисах докладов, три из них - из перечня изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из 4 глав, трех приложений, списка условных обозначений и списка литературных источников в составе 77 наименований, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка и 12 таблиц.
В результате проведения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. На основе статистического анализа производственных показателей по параметрам качества капиллярных труб выявлены типоразмеры труб, для которых существует наибольшая опасность отклонений по параметрам качества канала. К ним относятся трубы, изготавливаемые из меди с расширенными полями допуска по химическому составу, трубы, имеющие меньший внутренний диаметр, а также трубы, подвергнутые термической обработке.
2. Установлено, что процесс производства капиллярных труб характеризуется накоплением сверхвысоких деформаций, оцениваемых относительным обжатием на уровне 99,998 %, при этом уровень холодной деформации без отжига оценивается относительным обжатием на уровне 99%, что приводит к сильному влиянию деформационного воздействия на структуру металла.
3. С учетом перехода по маршруту волочения капиллярных труб из состояния тонкостенных труб к состоянию толстостенных труб выполнены расчеты деформированного состояния и выявлено, что при таком переходе изменяется соотношение между тангенциальными и радиальными деформациями, причем радиальные деформации начинают превалировать над тангенциальными деформациями вблизи канала трубы. Эти данные подтверждены результатами выполненного текстурного анализа.
4. Показано, что на соотношениях компонентов тензора деформаций при деформации толстостенных труб сказывается наличие промежуточного отжига.
5. Показано, что при пластической деформации величина микронеровностей канала труб в зоне безоправочного волочения нарастает, причем в особенности при переходе от горячепрессованного состояния к деформированному в первом проходе волочения.
6. Выполнены расчеты деформаций и температур при волочении капиллярной трубы, которые показали неравномерность распределения этих факторов и создания условий для возникновения феномена поверхностно-деформационного износа, который объясняет повышение загрязненности канала труб при интенсивных деформациях.
7. Изучено состояние канала капиллярных труб с позиции проявления водородной болезни и показана возможность ухудшения состояния поверхности за счет присутствия и развития пор внутри металла и их формоизменения при де-формации.
8. Рассчитано формоизменение и напряженное состояние при волочении капиллярных медных труб с противонатяжением, его результаты показали сильное влияние этого фактора на пропускную способность.
9. Изучена топография поверхности самоустанавливающихся оправок, применяемых при волочении, и сделан вывод о необходимости улучшения этого показателя для повышения качества канала капиллярных труб.
10. По результатам проведенной работы разработаны предложения по совершенствованию технологии производства, направленные на улучшение качества продукции. Предложения приняты для реализации ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» (имеется акт внедрения).
1. На основе статистического анализа производственных показателей по параметрам качества капиллярных труб выявлены типоразмеры труб, для которых существует наибольшая опасность отклонений по параметрам качества канала. К ним относятся трубы, изготавливаемые из меди с расширенными полями допуска по химическому составу, трубы, имеющие меньший внутренний диаметр, а также трубы, подвергнутые термической обработке.
2. Установлено, что процесс производства капиллярных труб характеризуется накоплением сверхвысоких деформаций, оцениваемых относительным обжатием на уровне 99,998 %, при этом уровень холодной деформации без отжига оценивается относительным обжатием на уровне 99%, что приводит к сильному влиянию деформационного воздействия на структуру металла.
3. С учетом перехода по маршруту волочения капиллярных труб из состояния тонкостенных труб к состоянию толстостенных труб выполнены расчеты деформированного состояния и выявлено, что при таком переходе изменяется соотношение между тангенциальными и радиальными деформациями, причем радиальные деформации начинают превалировать над тангенциальными деформациями вблизи канала трубы. Эти данные подтверждены результатами выполненного текстурного анализа.
4. Показано, что на соотношениях компонентов тензора деформаций при деформации толстостенных труб сказывается наличие промежуточного отжига.
5. Показано, что при пластической деформации величина микронеровностей канала труб в зоне безоправочного волочения нарастает, причем в особенности при переходе от горячепрессованного состояния к деформированному в первом проходе волочения.
6. Выполнены расчеты деформаций и температур при волочении капиллярной трубы, которые показали неравномерность распределения этих факторов и создания условий для возникновения феномена поверхностно-деформационного износа, который объясняет повышение загрязненности канала труб при интенсивных деформациях.
7. Изучено состояние канала капиллярных труб с позиции проявления водородной болезни и показана возможность ухудшения состояния поверхности за счет присутствия и развития пор внутри металла и их формоизменения при де-формации.
8. Рассчитано формоизменение и напряженное состояние при волочении капиллярных медных труб с противонатяжением, его результаты показали сильное влияние этого фактора на пропускную способность.
9. Изучена топография поверхности самоустанавливающихся оправок, применяемых при волочении, и сделан вывод о необходимости улучшения этого показателя для повышения качества канала капиллярных труб.
10. По результатам проведенной работы разработаны предложения по совершенствованию технологии производства, направленные на улучшение качества продукции. Предложения приняты для реализации ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» (имеется акт внедрения).