Помощь студентам в учебе
Повышение точности определения энергосиловых параметров процесса прессования за счет анализа деформационных свойств материалов
|
Обозначения и сокращения 3
Введение 4
1 Анализ известных методик расчета силовых параметров процесса
прессования полых профилей 8
1.1 Систематизация научно-технической информации об усилии
прессования 8
1.2 Сравнение расчетных и экспериментальных данных по усилиям
прессования 17
1.3 Способы исследования деформационных свойств 19
1.4 Выводы по главе 1 25
2 Исследование влияния геометрических параметров прессового
инструмента на силовые параметры процесса 27
2.1 Компьютерное моделирование влияния геометрических
параметров инструмента на усилие прессования 27
2.2 Физическое моделирование влияния геометрических параметров
инструмента на усилие прессования 32
2.3 Опытно-промышленное опробование пресс-шайб и матриц
измененной конструкции 37
2.3.1 Производство опытно-промышленной партии
горячепрессованных труб с использованием пресс-шайбы измененной конструкции 37
2.3.2 Производство опытно-промышленной партии
горячепрессованных труб с использованием матрицы измененной конструкции 41
2.4 Выводы по главе 2 47
3 Исследование деформационной способности сталей и сплавов,
применяемых при производстве горячепрессованных труб 48
3.1 Исследование деформационной способности коррозионностойкой
хромистой нержавеющей стали 48
3.2 Исследование деформационной способности хромоникелевого
труднодеформируемого сплава 51
3.3 Исследование деформационной способности титанового сплава.... 59
3.4 Выводы по главе 3 69
Заключение 70
Список использованных источников 72
Список трудов автора работы 76
Приложение А (обязательное). Акт о проделанной работе 80
Приложение Б (обязательное). Акт о проделанной работе 83
Приложение В (обязательное). Акт о проделанной работе 87
Введение 4
1 Анализ известных методик расчета силовых параметров процесса
прессования полых профилей 8
1.1 Систематизация научно-технической информации об усилии
прессования 8
1.2 Сравнение расчетных и экспериментальных данных по усилиям
прессования 17
1.3 Способы исследования деформационных свойств 19
1.4 Выводы по главе 1 25
2 Исследование влияния геометрических параметров прессового
инструмента на силовые параметры процесса 27
2.1 Компьютерное моделирование влияния геометрических
параметров инструмента на усилие прессования 27
2.2 Физическое моделирование влияния геометрических параметров
инструмента на усилие прессования 32
2.3 Опытно-промышленное опробование пресс-шайб и матриц
измененной конструкции 37
2.3.1 Производство опытно-промышленной партии
горячепрессованных труб с использованием пресс-шайбы измененной конструкции 37
2.3.2 Производство опытно-промышленной партии
горячепрессованных труб с использованием матрицы измененной конструкции 41
2.4 Выводы по главе 2 47
3 Исследование деформационной способности сталей и сплавов,
применяемых при производстве горячепрессованных труб 48
3.1 Исследование деформационной способности коррозионностойкой
хромистой нержавеющей стали 48
3.2 Исследование деформационной способности хромоникелевого
труднодеформируемого сплава 51
3.3 Исследование деформационной способности титанового сплава.... 59
3.4 Выводы по главе 3 69
Заключение 70
Список использованных источников 72
Список трудов автора работы 76
Приложение А (обязательное). Акт о проделанной работе 80
Приложение Б (обязательное). Акт о проделанной работе 83
Приложение В (обязательное). Акт о проделанной работе 87
Актуальность работы. В настоящее время наблюдается значительный рост потребления трубной продукции [1] ведущими, с точки зрения вклада во внутренний валовый продукт, отраслями отечественной промышленности. Всестороннее научно-техническое развитие нефтяной, газовой и энергетической отраслей, диктует новые, все более жесткие требования к трубной продукции [2]. В первую очередь, это связано с возникновением потребности в трубах со специальными свойствами - с максимально возможной способностью противостоять коррозионному разрушению под действием агрессивных коррозионных сред, со способностью труб выдерживать тяжелые условия эксплуатации в целом и т.д. В связи с этим до сих пор является актуальной задача по разработке и освоению технологии производства труб из новых сталей и сплавов.
Практика многолетнего развития отечественной трубной отрасли [3], показывает, что применяя новую марку стали или сплава, удается достичь предъявляемых к трубной продукции уникальных требований к механическим свойствам, коррозионно- и жаростойкости и др. Как правило, указанные свойства достижимы только при использовании сталей и сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, и как следствие, высоким уровнем значений сопротивления горячей пластической деформации. Применение высокопроизводительного метода обработки металлов давлением - прокатки, в этом случае нецелесообразно, а в большинстве случаев и невозможно. Поэтому достаточно широкое распространение получил процесс прессования, который является рациональным при изготовлении небольших партий труб.
Действующее прессовое оборудование трубных цехов, предназначенное для прессования стальных труб, в большинстве своем, проектировалось и вводилось в эксплуатацию во второй половине ХХ века. На тот момент, начинал распространяться процесс Юджина-Сежурне, т.е. прессование стальных труб с применением стеклосмазочных материалов. Как правило, обрабатываемые металлы и сплавы при этом ограничивались углеродистыми, низколегированными конструкционными или нержавеющими сталями с относительно невысокими значениями сопротивления горячей пластической деформации. Однако в настоящее время, марочный сортамент производимых труб существенное расширился. Имеется спрос на горячепрессованные трубы из малопластичных и труднодеформируемых марок стали и сплавов. При их деформировании возникают повышенные нагрузки на прессовое оборудование, что ограничивает марочный сортамент прессуемых труб. Поэтому актуальность настоящей работы вытекает из двух основных ответвлений проблемы современного трубопрессового производства при освоении технологии производства труб из новых материалов:
1. Корректность расчета силовых параметров процесса прессования, а следовательно, достоверность данных о пластических свойствах обрабатываемого материала при деформационных условиях (скорость деформации, температура деформации, схема напряженно-деформированного состояния), имеющих высокую степень сходимости с фактическими и рациональность применения способов их определения, возможности интенсификации способов получения данных о деформационных свойствах, диджитализация и стремление к портативности исследовательского оборудования.
2. Обеспечение технической возможности изготовления
«проблематичных» типоразмеров труб из материалов с малой пластичностью на действующем прессовом оборудовании трубных цехов.
Целью работы является создание методики расчета силовых параметров процесса прессования, обеспечивающих наиболее высокую сходимость с фактическими значениями и как следствие расширение сортамента, за счет анализа деформационных свойств материалов и уточнении меры влияния различных технологических факторов на усилие прессования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
1. Провести анализ известных методик расчета силовых параметров процесса прессования и факторов, оказывающих влияние на их значение.
2. Проанализировать известные способы определения деформационных свойств сталей и сплавов.
3. Провести комплексную оценку влияния технологических параметров процесса на усилие прессования.
4. Провести исследование деформационных свойств сталей и сплавов, используемых для изготовления горячепрессованных труб, в том числе, определить характер влияния термомеханических параметров на деформационный разогрев при прессовании.
5. Уточнить методику расчета энергосиловых параметров за счет полученных новых данных о деформационных свойствах материалов.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей упрочнения / разупрочнения, деформационного разогрева материалов трубного производства в зависимости от термомеханических параметров, и их учета при расчете силовых параметров процесса прессования труб.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Математическое описание характера упрочнения / разупрочнения сталей и сплавов в определенных термомеханических условиях позволяет максимально приблизить расчетное значение сопротивления деформации к фактическому при прессовании труб. В свою очередь, уточненные данные о деформационных свойствах сталей и сплавов позволяют повысить точность определения силовых параметров при прессовании, следовательно, снизить риски связанные с последствиями превышения усилия прессования, нерациональной профилировкой инструмента и прочие.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.
Для исследования процесса прессования труб и при исследовании характера влияния термомеханических параметров на деформационные свойства сталей и сплавов использовалось математическое и физическое моделирование.
Личный вклад автора заключается в:
1. Проведении анализа различных зависимостей для расчета усилия прессования.
2. Проведении комплексной оценки (компьютерное моделирование, экспериментальное исследование) влияния геометрии прессового инструмента на силовые параметры процесса.
3. Обработке и анализе результатов ряда исследований деформационных свойств сталей и сплавов, применяемых в трубном производстве.
Апробация работы
Основные результаты исследований опубликованы в ряде научнотехнических изданий и обсуждались на нескольких конференциях различного уровня: «VII, VIII, IX, X научная конференция аспирантов и докторантов ЮУрГУ» (г. Челябинск, 2015, 2016, 2017, 2018 г.); «I, II молодежная научнопрактическая конференция «Инновационные процесса обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (г.
Магнитогорск, 2016, 2017 г.); «ТРУБЫ-2014», «ТРУБЫ-2016» (г.
Челябинск).
Публикации
Вопросы, рассматриваемые в научно-квалификационной работе частично опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 7 патентов РФ на изобретение и 5 свидетельств на программу для ЭВМ и БД. Список публикаций автора работы представлен на странице 76.
Практика многолетнего развития отечественной трубной отрасли [3], показывает, что применяя новую марку стали или сплава, удается достичь предъявляемых к трубной продукции уникальных требований к механическим свойствам, коррозионно- и жаростойкости и др. Как правило, указанные свойства достижимы только при использовании сталей и сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, и как следствие, высоким уровнем значений сопротивления горячей пластической деформации. Применение высокопроизводительного метода обработки металлов давлением - прокатки, в этом случае нецелесообразно, а в большинстве случаев и невозможно. Поэтому достаточно широкое распространение получил процесс прессования, который является рациональным при изготовлении небольших партий труб.
Действующее прессовое оборудование трубных цехов, предназначенное для прессования стальных труб, в большинстве своем, проектировалось и вводилось в эксплуатацию во второй половине ХХ века. На тот момент, начинал распространяться процесс Юджина-Сежурне, т.е. прессование стальных труб с применением стеклосмазочных материалов. Как правило, обрабатываемые металлы и сплавы при этом ограничивались углеродистыми, низколегированными конструкционными или нержавеющими сталями с относительно невысокими значениями сопротивления горячей пластической деформации. Однако в настоящее время, марочный сортамент производимых труб существенное расширился. Имеется спрос на горячепрессованные трубы из малопластичных и труднодеформируемых марок стали и сплавов. При их деформировании возникают повышенные нагрузки на прессовое оборудование, что ограничивает марочный сортамент прессуемых труб. Поэтому актуальность настоящей работы вытекает из двух основных ответвлений проблемы современного трубопрессового производства при освоении технологии производства труб из новых материалов:
1. Корректность расчета силовых параметров процесса прессования, а следовательно, достоверность данных о пластических свойствах обрабатываемого материала при деформационных условиях (скорость деформации, температура деформации, схема напряженно-деформированного состояния), имеющих высокую степень сходимости с фактическими и рациональность применения способов их определения, возможности интенсификации способов получения данных о деформационных свойствах, диджитализация и стремление к портативности исследовательского оборудования.
2. Обеспечение технической возможности изготовления
«проблематичных» типоразмеров труб из материалов с малой пластичностью на действующем прессовом оборудовании трубных цехов.
Целью работы является создание методики расчета силовых параметров процесса прессования, обеспечивающих наиболее высокую сходимость с фактическими значениями и как следствие расширение сортамента, за счет анализа деформационных свойств материалов и уточнении меры влияния различных технологических факторов на усилие прессования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
1. Провести анализ известных методик расчета силовых параметров процесса прессования и факторов, оказывающих влияние на их значение.
2. Проанализировать известные способы определения деформационных свойств сталей и сплавов.
3. Провести комплексную оценку влияния технологических параметров процесса на усилие прессования.
4. Провести исследование деформационных свойств сталей и сплавов, используемых для изготовления горячепрессованных труб, в том числе, определить характер влияния термомеханических параметров на деформационный разогрев при прессовании.
5. Уточнить методику расчета энергосиловых параметров за счет полученных новых данных о деформационных свойствах материалов.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей упрочнения / разупрочнения, деформационного разогрева материалов трубного производства в зависимости от термомеханических параметров, и их учета при расчете силовых параметров процесса прессования труб.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Математическое описание характера упрочнения / разупрочнения сталей и сплавов в определенных термомеханических условиях позволяет максимально приблизить расчетное значение сопротивления деформации к фактическому при прессовании труб. В свою очередь, уточненные данные о деформационных свойствах сталей и сплавов позволяют повысить точность определения силовых параметров при прессовании, следовательно, снизить риски связанные с последствиями превышения усилия прессования, нерациональной профилировкой инструмента и прочие.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.
Для исследования процесса прессования труб и при исследовании характера влияния термомеханических параметров на деформационные свойства сталей и сплавов использовалось математическое и физическое моделирование.
Личный вклад автора заключается в:
1. Проведении анализа различных зависимостей для расчета усилия прессования.
2. Проведении комплексной оценки (компьютерное моделирование, экспериментальное исследование) влияния геометрии прессового инструмента на силовые параметры процесса.
3. Обработке и анализе результатов ряда исследований деформационных свойств сталей и сплавов, применяемых в трубном производстве.
Апробация работы
Основные результаты исследований опубликованы в ряде научнотехнических изданий и обсуждались на нескольких конференциях различного уровня: «VII, VIII, IX, X научная конференция аспирантов и докторантов ЮУрГУ» (г. Челябинск, 2015, 2016, 2017, 2018 г.); «I, II молодежная научнопрактическая конференция «Инновационные процесса обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (г.
Магнитогорск, 2016, 2017 г.); «ТРУБЫ-2014», «ТРУБЫ-2016» (г.
Челябинск).
Публикации
Вопросы, рассматриваемые в научно-квалификационной работе частично опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 7 патентов РФ на изобретение и 5 свидетельств на программу для ЭВМ и БД. Список публикаций автора работы представлен на странице 76.
В результате выполнения научно-квалификационной работы при достижении ее цели получены следующие результаты:
- проанализированы факторы, оказывающие влияние на усилие
прессования, выявлены основные из них;
- проведен анализ известных формул для определения усилия прессования с целью подтверждения меры влияния основных факторов на усилие прессования, представлено сравнение расчетных и экспериментальных значений усилия прессования для проанализированных зависимостей;
- освящен вопрос применения различного оборудования для исследования деформационных свойств сталей и сплавов.
С целью подтверждения влияния геометрических параметров очага деформации на усилие прессования, выполнено комплексное исследование новых конструкций прессового инструмента, применение которых возможно в промышленных условиях. Установлено что изменение геометрических характеристик деформационной зоны влечет за собой изменение усилия прессования. как в пиковой стадии так и в установившейся стадии процесса. Таким образом, при последующей разработке новой зависимости для определения усилия прессования следует учесть указанное выше.
В качестве примера приведено экспериментальное исследование деформационных свойств трех различных по классу материалов, применяемых в трубном производстве: нержавеющей хромистой стали, хромоникелевого и титанового сплава. В зависимости от класса материала различны особенности деформирования и влияния деформационных условий на напряжение текучести.
Для завершения работы по подготовке диссертации на соискание степени кандидата технических наук необходимо провести ряд теоретических и экспериментальных исследований:
- выполнить теоретическое описание влияния геометрических параметров очага деформации на усилие прессования;
- на примере рассмотренных сталей и сплавов определить математически описать влияние скорости деформации на интенсивность упрочнения при деформации;
- разработать методику определения усилия прессования, учитывающую реальные деформационные условия.
- проанализированы факторы, оказывающие влияние на усилие
прессования, выявлены основные из них;
- проведен анализ известных формул для определения усилия прессования с целью подтверждения меры влияния основных факторов на усилие прессования, представлено сравнение расчетных и экспериментальных значений усилия прессования для проанализированных зависимостей;
- освящен вопрос применения различного оборудования для исследования деформационных свойств сталей и сплавов.
С целью подтверждения влияния геометрических параметров очага деформации на усилие прессования, выполнено комплексное исследование новых конструкций прессового инструмента, применение которых возможно в промышленных условиях. Установлено что изменение геометрических характеристик деформационной зоны влечет за собой изменение усилия прессования. как в пиковой стадии так и в установившейся стадии процесса. Таким образом, при последующей разработке новой зависимости для определения усилия прессования следует учесть указанное выше.
В качестве примера приведено экспериментальное исследование деформационных свойств трех различных по классу материалов, применяемых в трубном производстве: нержавеющей хромистой стали, хромоникелевого и титанового сплава. В зависимости от класса материала различны особенности деформирования и влияния деформационных условий на напряжение текучести.
Для завершения работы по подготовке диссертации на соискание степени кандидата технических наук необходимо провести ряд теоретических и экспериментальных исследований:
- выполнить теоретическое описание влияния геометрических параметров очага деформации на усилие прессования;
- на примере рассмотренных сталей и сплавов определить математически описать влияние скорости деформации на интенсивность упрочнения при деформации;
- разработать методику определения усилия прессования, учитывающую реальные деформационные условия.
