ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА 10
1.1. Методы получения труб большого диаметра 10
1.2 Оборудование, технологический инструмент и исследования кинематики процесса предварительной формовки заготовки 14
1.3. Энергосиловые параметры процесса предварительной формовки 19
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 23
2. КИНЕМАТИКА ПРОЦЕССА ФОРМОВКИ 24
Введение 24
2.1 Характеристики начального положения пуансона и роликов коромысел 27
2.2 Характеристики конечного положения пуансона и роликов коромысел 29
2.3 Кинематические характеристики нулевой фазы формовки 30
2.4 Кинематические характеристики I фазы формовки 31
2.5 Кинематические характеристики II фазы формовки 32
2.6 Кинематика положений прессовой формовки с учетом податливости формуемой
заготовки 35
2.7 Определение параметров настройки инструмента 42
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 46
3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ФОРМОВКИ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА И
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ФОРМУЕМЫХ ТРУБ 48
Введение 48
3.1. Разработка параметров инструмента управляемой геометрии для предварительной
формовки 49
3.1.1 Назначение и область применения разрабатываемого изделия 50
3.1.2 Описание и обоснование выбранной конструкции 51
3.2. Уравнения кинематики положений для второй фазы формовки предложенным
инструментом 54
3.3. Определение параметров настройки технологического инструмента для двухрадиусного пуансона 56
3.4. Особенности нагружения технологического инструмента 59
3.5. Методика определения влияния пружинения на качество формовки 65
3.5.1. Однорадиусный пуансон 65
3.5.2. Двухрадиусный пуансон 67
3.6. Определение напряженно - деформированного состояния и геометрических
характеристик формуемых труб методом конечных элементов 72
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 82
4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ФОРМОВКИ ТРУБ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СБОРНОГО ПУАНСОНА 83
4.1. Оснастка для экспериментального определения нагрузок и методика выполнения замеров 84
4.1.1 Система выполнения замеров 84
4.1.2 Структура и функциональные компоненты системы измерений 85
4.2. Конструктивные особенности лабораторного оборудования для исследования процесса предварительной формовки с использованием кулисного механизма в качестве внешнего деформирующего инструмента 87
4.3 Определение параметров физической модели для предварительной формовки труб с
применением теории подобия 91
4.4 Влияние параметров настройки и размеров технологического инструмента на
кинематические и размерные характеристики штампуемых заготовок 93
4.4.1 Методика определения кинематических характеристик процесса формовки 93
4.4.2 Методика определения геометрических параметров заготовок 99
4.4.3 Влияние начального угла разворота коромысел на геометрические параметры 104
4.4.4 Влияние расстояния между осями качания коромысел кулисного механизма на
геометрические параметры 106
4.4.5 Влияние ширины и формы поперечного сечения пуансона на геометрию заготовок108
4.5 Влияние параметров настройки и размеров технологического инструмента на усилия формовки 110
4.5.1 Влияние начального угла разворота коромысел на максимальные усилия формовки 111
4.5.2 Влияние ширины пуансона и расстояния между осями качания коромысел кулисного
механизма на максимальные усилия формовки 112
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ - Акт внедрения результатов НИР
Производство прямошовных труб большого диаметра, используемых для трубопроводного транспорта, является важной задачей. В связи с необходимостью прокладки глубоководных трубопроводов требуется производство труб с повышенными механическими свойствами металла и увеличенной толщиной стенки, что требует совершенствования технологии и инструмента для обеспечения требуемого качества, как при предварительной формовке заготовок труб, так и на стадии окончательной формовки. Кроме этого формовка труб, отвечающих вышеуказанным параметрам, приводит к возрастанию нагрузок, действующих на прессовое оборудование и технологический инструмент, что приводит к простоям при ремонте и снижению производительности трубоформовочных станов.
Одним из показателей качества при формовке является пружинение заготовки. Для управления этим явлением требуется разработка методик расчета параметров настройки оборудования и процесса гибки на прессах с использованием математического моделирования, а также разработка технологического инструмента для снижения пружинения и уменьшения парка формующего инструмента.
Актуальность
Трубоэлектросварочные агрегаты труб большого диаметра предназначены для производства широкого ассортимента прямошовных труб для трубопроводного транспорта. Отличительной особенностью таких агрегатов является поэтапная формовка заготовки с последующей сваркой и отделкой готовой трубы. Одним из наиболее производительных методов изготовления трубной заготовки под сварку является иОЕ-процесс, предварительная формовка при котором в значительной мере определяет окончательное качество готовых труб. Постоянно возрастающие требования повышения класса прочности материала труб и увеличения толщины стенки сопровождаются при их производстве необходимостью расширения технологических возможностей оборудования и поиска новых путей управления процессом деформации на базе новых знаний. Этим определяется актуальность теоретических и экспериментальных исследований особенностей процесса и возможностей основного оборудования в изменяющихся условиях производства на существующем оборудовании.
Степень разработанности проблемы
Формовке трубной заготовки для труб большого диаметра посвящено много работ. Развитию теории и совершенствованию технологии формовки этих труб посвящены работы Ю.М. Матвеева, Ю.Ф. Шевакина, А.П. Коликова, В.М. Друяна, А.П. Чекмарева, Е.А. Попова, С.В. Самусева, Е.Н. Мошнина, Н.В. Розова, В.Я. Осадчего, А.В. Выдрина, В.Н. Данченко, В.Г. Зимовца и других. Освещение развития и современного состояния мирового производства труб выполняется в работах [12,13,69]. Анализ опубликованных работ показывает, что предварительная формовка заготовки труб большого диаметра на прессах с кулисным механизмом не нашла достаточного отражения. В этой связи требуется определение кинематики процесса и нагрузок, действующих при формовке с кулисным механизмом, разработка рекомендаций по совершенствованию этого процесса и оборудования направленных на повышения качества формообразования труб большого диаметра, расширение технологических возможностей процесса, повышение работоспособности и надежности оборудования.
Цели и задачи работы
Повышение качества формуемых труб большого диаметра, сокращение парка технологического инструмента, снижение нагрузок на оборудование путем исследования процесса предварительной формовки труб большого диаметра и разработки нового технологического инструмента с переменной и настраиваемой геометрией.
Научная новизна работы
1. Разработана оригинальная математическая модель расчета кинематики многозвенного кулисного механизма с изменяющейся структурой и с промежуточным упругопластичным звеном переменной длины. Определены параметры настройки инструмента, обеспечивающие рациональное значение установочных настраиваемых размеров.
2. Предложен способ двухрадиусной формовки, расширяющий возможности реализации влияния параметров настройки оборудования и инструмента на конечную форму труб, получаемых на прессе предварительной формовки с механизмом кулисного типа.
3. Получены зависимости, определяющие величину хорды пружинения. Разработан программный комплекс, позволяющий в диалоговом режиме выполнять многовариантные расчеты пружинения формуемой заготовки.
4. На базе разработанной методики на специально спроектированном и изготовленном лабораторном аналоге пресса предварительной формовки. выполнена видеорегистрация кинематических характеристик относительного положения технологического инструмента и заготовки совмещенная с компьютерной записью перемещения пуансона и тензометрической регистрацией нагрузок.
Теоретическая и практическая значимость
Результаты, полученные в данной работе, дополняют имеющиеся теоретические основы процесса гибки. Разработана оригинальная математическая модель кинематики формуемой заготовки и формующего инструмента с различной геометрией: с постоянной кривизной профиля пуансона и с переменной настраиваемой кривизной. На основе выполненных теоретических исследований предложен инструмент, защищенный патентом РФ на полезную модель № 124600. С учетом выполненных исследований получены и переданы на трубопрокатный завод техническая документация и рекомендации по настройке и совершенствованию конструкции технологического инструмента. Новая конструкция пуансона с переменной геометрией позволяет управлять пружинением формуемой заготовки и, следовательно, качеством труб, а также обеспечивает снижение нагрузки на оборудование. Предложенная конструкция сборного инструмента принята к внедрению в цехе №6 ОАО «ЧТПЗ».
Методология и методы исследования
В работе применялись классические методы теории механизмов и машин, аналитические методах кинематического и силового анализа механизмов.
Были применены такие физические методы исследования, как тензометрия, регистрация динамических характеристик движения металла.
При экспериментальном исследовании использовался метод подобия для перенесения результатов лабораторного физического эксперимента на производственный промышленный стан.
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель связной кинематики относительного поведения заготовки и формующего инструмента с различной геометрией: с постоянной кривизной профиля пуансона и с переменной настраиваемой кривизной.
2. Математическая модель расчета хорды пружинения с учетом упругопластического поворота участков деформируемой заготовки, не контактирующих с пуансоном.
3. Особенности контактного нагружения инструмента для однорадиусного и двухрадиусного пуансонов.
4. Рекомендации по совершенствованию конструкции пуансона пресса предварительной формовки, защищенные патентом на полезную модель.
5. Разработка методики экспериментального исследования с использованием видеорегистрации кинематических характеристик относительного положения технологического инструмента и заготовки, совмещенной с тензометрической регистрацией нагрузок.
6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния параметров настройки прессовой оснастки для получения заданных размеров и формы U-образного изделия с учетом пружинения.
Степень достоверности и апробация результатов
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
• VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» Пенза, 2009г;
• XIX Международной научно-технической конференции «Трубы-2011» Челябинск, 2010 г;
• XVII Уральской международной конференции молодых ученых Екатеринбург, 2010г;
• VI Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. Профессора А.Ф.Головина» Екатеринбург, 2012г;
• VIII International Conference «Strategy of Quality in Industry and Education» Варна, Болгария, 2012г;
• Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» Санкт-Петербург, 2013г;
• VII Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» Екатеринбург, 2014г;
• Международной научно-практической конференции «Развитие машиностроения, транспорта, технологических машин и оборудования в условиях рыночной экономики» Екатеринбург, 2014г.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается использованием фундаментальных методов теоретической и прикладной механики, теории обработки металлов давлением и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условия.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 128 страницах, содержит 13 таблиц, 82 рисунка, библиографический список из 84 наименований.
1. На основании исследования сложного устройства для взаимного перемещения деформирующего инструмента предварительной прессовой формовки И-образной заготовки при производстве сварных прямошовных труб большого диаметра на базе ИОЕ-процесса впервые разработана оригинальная математическая модель и программа расчета кинематики многозвенного кулисного механизма с изменяющейся структурой и с промежуточным упруго-пластичным звеном переменной длины, позволяющая определять закон изменения координат взаимодействия трубодеформирующего инструмента с прессуемым изделием в течение всего цикла формовки пуансонами постоянной и переменной кривизны их профиля. Установлено, что цикл предварительной формовки состоит из трех фаз: гибка листа на дальних роликах неподвижных коромысел; формовка листа двумя роликами; формовка листа дальним роликом с передачей (замыканием) усилия формовки от пуансона на ближний ролик через формуемый металл. Получена связь координат взаимно подвижных элементов технологического инструмента с учетом упругопластического состояния формуемой заготовки.
2. Предложен и передан в производство сборный пуансон с настраиваемой геометрией профиля (Патент РФ № 124600), усовершенствованная конструкция которого дает возможность расширить диапазон настройки оборудования для управления геометрией формируемой заготовки и повышения точности ее формы и размеров.
3. Получены расчетные зависимости, разработаны математические модели и компьютерные программы расчетов, позволяющие определять максимальные значения хорды изделия с учетом поворота на угол пружинения участков заготовки, выходящих за пределы крайних линий контакта с пуансоном, а также рассчитывать распределение усилий, действующих на инструмент при кулисной формовке при пуансонах постоянной и переменной кривизны в зависимости от положения деформирующих инструментов и в функции от конструктивных параметров их настройки. Найдены зависимости, устанавливающие связь установочных настраиваемых размеров формовочного инструмента с угловым положением коромысла при заданных ограничениях, исключающих опасность выхода дальнего ролика качающегося коромысла в заключительной стадии за пределы кромки обечайки.
4. Экспериментальные исследования и сопоставление их результатов с расчетными показателями на базе созданных математических моделей ввиду больших временных и вариативных затрат выполнены на лабораторной установке, включающей вертикальный пресс усилием 1МН и оснастку, полностью масштабно имитирующую производственное оборудование. В ходе лабораторных испытаний применен вновь предложенный пуансон с изменяемой геометрией по ширине (размер Рп) и по профилю (одно и двухрадиусный). Полученные результаты лабораторных исследований распространены на реальный производственный процесс с использованием методов теории подобия. Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условия. Сравнение результатов физического и математического моделирования на базе предложенных расчетных зависимостей показали, что отличие измеренных значений хорды отличаются от расчетных не более, чем на 5%, а максимальные значения усилий, действующих на опоры коромысел и шток пуансона, находятся в доверительном интервале ± 6%.
5. Опытная проверка подтвердила расчетные значения и основные тенденции влияния варьируемых параметров на процесс формовки, включая параметры предложенного пуансона с изменяемой геометрией по ширине (размер Рп) и по профилю (одно и двух-радиусный), изменение расстояния - 2е между осями вращения двуплечих коромысел, исходные размеры и механические характеристики деформируемого листа.
6. Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение нагрузочной способности пресса предварительной формовки с целью производства труб большого диаметра с повышенными значениями толщин стенок и механических характеристик их материалов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
