Донбаська державна машинобудівна академія

Пиц Ярослав Євгенович

УДК 621.774.7

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ ТОВСТОСТІННИХ ВИРОБІВ ІЗ ТРУБ РОТАЦІЙНОЮ ОБКАТКОЮ ІНСТРУМЕНТОМ ТЕРТЯ

Спеціальність 05.03. 05 - Процеси та машини обробки тиском

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Краматорськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор, КАПОРОВИЧ Володимир Георгійович, Донбаська державна машинобудівна академія.

Офіційні опоненти:

· доктор технічних наук, професор ДОРОШКО Володимир Іванович, Східноукраїнський державний університет, професор кафедри машини та технологія обробки металів тиском;

· кандидат технічних наук, доцент ДІАМАНТОПУЛО Костянтин Костянтинович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри ковальсько-штампувального виробництва.

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра обробки металів тиском, м. Київ.

Захист відбудеться "24" травня 2001 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105. 01 по захисту дисертацій в Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий "23" квітня 2001 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.105. 01, к.т.н., доц. Сатонін О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Можливість виготовлення заготовок, наближених за своєю геометричною формою і розмірами до готового виробу, визначає ефективність та рівень виробництва у машинобудуванні. Забезпечення комплексу вимог до геометричних параметрів заготовок можливо при широкому використанні порожнистих виробів, отриманих пластичним деформуванням.

Актуальність теми. Основною задачею виробництва є зниження собівартості виготовлення заготовок за рахунок максимально можливого наближення їхньої форми і розмірів до кінцевих геометричних характеристик готової деталі, що особливо актуально для масового, крупносерійного і серійного виробництва, у тому числі при виготовленні товстостінних виробів із труб типу балонів різної ємності і форми, а також деталей їм подібних. Удосконалення виробництва таких деталей зв'язано з комплексною констуркторсько-технологічною розробкою конструкції виробу і технології його одержання, що базується на технологічному процесі одержання герметичного днища і горловини на кінцях трубчастої заготовки.

Відомі методи одержання горловин на кінцях трубчастих заготовок, такі як обтиск, ротаційне штампування, кування в підкладних штампах і ряд інших, неефективні для заготовок балонів і аналогічних їм деталей через низьку продуктивність, високу матеріалоємність процесів або через обмежені технологічні можливості методу. Гаряче ротаційне обкатування інструментом тертя, у порівнянні з іншими способами, має високу продуктивність, порівняно невелику силу деформування що дозволяє одержати заготовку максимально наближену за формою і розмірами до готового виробу.

Процес гарячого ротаційного обкатування трубчастих заготовок інструментом тертя вивчено з погляду визначення енергосилових параметрів при одержанні на відносно тонкостінних трубчастих заготовках днищ, переходів і горловин відносно малого діаметра. Розроблено основи проектування технологічного процесу, формуючого інструмента та обладнання, але питання ротаційного обкатування товстостінних трубчастих заготовок, необхідність додаткового набору металу при одержані товстостінних горловин, вивчено не досить повно. Не достатньо вивчено вплив особливостей нагрівання і розподілу температури по товщині стінки заготовки перед деформуванням і в ході його на характер формозміни, енергосилові параметри і час процесу ротаційного обкатування. Відзначене, поряд із широкою номенклатурою товстостінних виробів, вимагає розробки математичних моделей, що зв'язують геометричні характеристики одержуваних виробів з технологічними й енергосиловими параметрами процесу, конструктивними особливостями деформуючого інструмента і розподілом температурних полів у заготовці в результаті нагрівання й у ході деформування. Необхідно врахувати вплив кінематичних параметрів і часу процесу на розподіл температурних полів і температуру закінчення обкатування, що дозволить прогнозувати результати ротаційного обкатування товстостінних виробів і дати обґрунтовані рекомендації з керування ними.

Таким чином, актуальним є проведення подальших, спрямованих на удосконалення технології виробництва, досліджень процесу ротаційного обкатування товстостінних виробів із труб інструментом тертя, у тому числі, процесу одержання товстостінних горловин на трубах, заготовок балонів високого тиску зокрема.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до тематичних планів ДММА 1986-2001 р.р. у рамках комплексних науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт, а також госпрозрахункових науково-дослідних робіт, у тому числі з Макіївським заводом протипожежного шахтного устаткування “Факіл” (Номера державної реєстрації звітів по НДР 0187.0008721, 0196U021062, 0198U004174).

Мета і задачі досліджень. Підвищення ефективності виробництва товстостінних виробів із труб, зниження металоємкості продукції на основі розвитку математичних моделей процесу обкатування, удосконалення технології й устаткування для ротаційного обкатування інструментом тертя.

Поставлена мета передбачає рішення наступних задач:

· оцінка технологічних можливостей ротаційного обкатування для деформування товстостінних трубчастих заготовок і одержання товстостінних горловин на трубах, що розширюють область застосування ротаційного обкатування інструментом тертя;

· визначення раціонального виду і режимів нагрівання, енергосилових параметрів і часу деформування при виробництві товстостінних виробів, у тому числі товстостінних горловин на сталевих трубах;

· створення методів розрахунків температурних полів товстостінних трубчастих заготовок з урахуванням виду нагрівання й особливостей розподілу температури в ході ротаційного обкатування;

· розробка математичної моделі по прогнозуванню геометричних характеристик одержуваних виробів, деформацій і енергосилових параметрів при ротаційному обкатуванні товстостінних виробів із труб;

· удосконалення конструкції інструмента тертя стосовно до умов, у тому числі теплових, ротаційного обкатування товстостінних виробів;

· використання результатів досліджень при удосконалюванні промислових технологій одержання товстостінних виробів із труб;

Об'єкт дослідження: гаряче ротаційне обкатування інструментом тертя.

Предмет дослідження: технологічний процес ротаційного обкатування товстостінних виробів із труб, у тому числі виробів з товстостінними горловинами.

Методи дослідження: енергетичний метод і метод еквівалентних джерел використані для теоретичного аналізу умов ротаційного обкатування товстостінних виробів із труб; методи подоби і планування експерименту використані для одержання детермінованих математичних моделей енергосилових параметрів і пошарових деформацій при обкатуванні; для обробки експериментальних даних використані методи регресивного аналізу і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором запропоновані такі нові наукові положення:

· розширено технологічні можливості процесу ротаційного обкатування за рахунок виготовлення товстостінних виробів із труб у діапазоні відносної товщини стінки S0/D0=0,08-0,16, у тому числі виробів з товстостінними горловинами діаметром dГ і ,4D0;

· запропоновано методику розрахунку температурних полів у товстостінних трубчастих заготовках, що враховує нерівномірність розподілу температури на початку обкатування, втрати і генерацію тепла в ході деформування, показано, що вибір виду, режимів нагрівання і часу деформування повинні бути погоджені з особливостями розподілу температури і температурним балансом у ході ротаційного обкатування;

· розроблено математичні моделі, що представляють детерміновані оцінки показників кінцевої формозміни й енергосилових параметрів при ротаційному обкатуванні інструментом тертя товстостінних трубчастих заготовок, чисельна реалізація яких дає можливість прогнозувати параметри процесу і виробів, у тому числі балонів високого тиску з товстостінною горловиною;

· запропоновано новий спосіб обкатування, який забезпечує заданий розподіл температур у заготовці при нагріванні й деформуванні та дозволяє підвищити експлуатаційні характеристики виробів з товстостінними горловинами, а також формуючий інструмент, форма робочої поверхні якого забезпечує заданий набір металу у горловину при формозмінюванні та інструмент з пристроями для управління відводом тепла, забезпечуючий необхідний розподіл температур по товщині стінки трубчатої заготовки.

Практичне значення отриманих результатів. Дослідження технологічних можливостей одержання товстостінних виробів із труб гарячим ротаційним обкатуванням інструментом тертя визначили граничні показники кінцевої формозміни, що дозволяють розширити область застосування даної технології. Отримано формули, призначені для інженерних розрахунків при проектуванні технологічного процесу ротаційного обкатування товстостінних виробів і горловин, інструмента й устаткування для його реалізації. Чисельна реалізація розроблених моделей дозволила оцінити очікувані варіації розмірів одержуваних виробів, вибрати раціональні значення геометричних параметрів інструмента, технологічних режимів, часу нагріву та процесу і сформулювати вихідні вимоги до заготовки, що забезпечують обкатування шуканого виробу. Проведені дослідження дозволили розробити методики й алгоритми розрахунку режимів гарячого обкатування заготовок балонів з товстостінними горловинами. Результати досліджень впроваджені у виробництво при виготовленні балонів високого тиску на Макіївському заводі “Факіл”, що дозволило знизити матеріалоємність у 1,5 рази, трудомісткість у 3 рази. При цьому балони високого тиску, одержувані за розробленою технологією мають довговічність у 1,5-2 рази більшу.

Особистий внесок здобувача. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором дисертації проведені планування і виконання експериментів, розроблені методики і програмні засоби, проведено моделювання процесу нагрівання й охолодження, розроблено експериментальне оснащення, виконано аналіз і узагальнення отриманих результатів, прийнята участь у удосконаленні технології й устаткування, а також у впровадженні отриманих результатів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на республіканській науково-технічній конференції “Високоефективні локальні методи обробки металів тиском”, м. Краматорськ, 1984 р.; на науково-практичній конференції “Економія матеріальних трудових і фінансових ресурсів шляхом застосування у виробництво порошкової металургії, прогресивних матеріалів, високоефективного устаткування і безвідходної технології”, м. Кишинів, 1984 р.; на республіканській науково-технічній конференції “Прогресивні процеси обробки металів тиском”, м. Мінськ, БПІ, 1985 р.; на зональній науково-технічній конференції “Методи підвищення продуктивності і якості обробки деталей на устаткуванні автоматизованих виробництв”, м. Андропов, 1985 р.; на всесоюзному науково-технічному семінарі “Удосконалення ковальських машин ударної дії”, м. Ворошиловград, 1985 р.; на науково-технічній конференції “Енергозберігаюча технологія виробництва прокату”, м. Донецьк, 1987 р.; на науково-технічній конференції “Резерви прискорення оптимізації інтенсивної технології в ковальсько-штампувальному виробництві”, м. Челябінськ, 1987 р.; на науково-технічній конференції “Прогресивні технологічні процеси виготовлення деталей типу труб із застосуванням обробки металів тиском”, м. Іжевськ, 1988 р.; на міжвузівській науково-технологічній конференції молодих вчених і фахівців “Проблеми техніки, технології й економії машинобудівного виробництва”, м. Краматорськ, 1996 р.; на науково-технічній конференції “Проблеми розвитку наукомістких і маловідходних процесів обробки металів тиском”, м. Краматорськ, 1997 р.; на всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні”, м. Краматорськ, 1998 р.; на всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні”, м. Краматорськ, 1999 р.; на всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології і устаткування обробки тиском у машинобудуванні і металургії”, м. Краматорськ, 2000 р.; на міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів і устаткування виробництва й обробки металопродукції для металургії і машинобудування”, м. Слов'янськ – Краматорськ, 2000 р.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 20 друкованих роботах, з них 8 у спеціалізованих виданнях, включених у перелік ВАК, а також у 3 авторських посвідченнях на винахід, у тому числі у 1 патенті України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і 6 додатків. Повний обсяг роботи - 291 сторінка, в тому числі 140 сторінок основного тексту. Робота містить 81 малюнок, 16 таблиць та список використаних джерел з 165 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтована актуальність роботи, позначені мета і задачі досліджень, освітлені наукові і практичні результати, а також положення, що виносяться на захист.

АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ В ОБЛАСТІ ОДЕРЖАННЯ ПОРОЖНОСТНИХ ВИРОБІВ І ОСОБЛИВОСТЕЙ НАГРІВАННЯ ПРИ РОТАЦІЙНОМУ ОБКАТУВАННІ

1

У машинобудуванні порожностні вісесиметричні вироби, такі як балони високого тиску, різні ємкості, деталі гідроциліндрів (корпуси та штоки), перехідні муфти, фланці, ролики стрічкових конвеєрів та інші виготовляють різними способами: литтям, механічною обробкою, гарячим штампуванням, застосуванням сполучення штампування зі зварюванням. Для виготовлення зазначених і подібних їм виробів використовують також гаряче ротаційне обкатування трубчастих заготовок, яка дозволяє одержувати значний техніко-економічний ефект і успішно конкурує не тільки з механічною обробкою, але в ряді випадків і з процесами кування й об'ємного штампування.

Аналіз літератури показав досить докладне вивчання процесу обкатування днищ і горловини на одношпиндельних і роторних обкатних машинах, як з поворотним, так і з тангенціальним інструментом. Однак дослідження не поширюються на обкатування труб, що мають товщину стінки в діапазоні відносної товщини S0/D0 ,08-0,16. Відсутні досить точні методики визначення енергосилових параметрів процесу і напружено-деформованого стану при обкатуванні таких труб. У розглянутих роботах прийнята схема деформації, яка не враховує товщину стінки заготовки і подовження утворюючої в процесі обкатування. Не враховується нерівномірність розподілу температур і течії металу по товщині стінки заготовки. Правомірність використання відомих методик визначення сил при обкатуванні товстостінних трубчастих заготовок у жодній із робіт не розглянута.

Поза увагою дослідників виявилися питання впливу виду нагріву та розподілу температурних полів у товстостінній трубчастій заготовці на характер формозміни і вплив власне процесу обкатування на температурний баланс заготовки. Не визначена можливість керування характером формозміни за допомогою впливу на температурне поле заготовки в ході ротаційного обкатування. Не вивчено вплив нагрівання і температурного балансу трубчастої заготовки на енергосилові параметри процесу обкатування як з якісної (спосіб нагрівання), так і з кількісної сторони (час нагрівання та процесу, температура початку і кінця обкатування, та інші).

Дослідження виробництва горловин на трубах сконцентровані у діапазоні горловин малого діаметру, де товщина стінки горловини виходить “природним” шляхом. Не вирішене питання для горловин що вимагають додаткового набору металу. Спроба виготовлення балонів з горловинами у діапазоні відносних діаметрів dГ/D0 = ,4-0,6 і відносною товщиною стінки SГ/S0 і , виявились невдалими.

Аналіз стану позначив три групи питань, актуальних для одержання товстостінних виробів із труб ротаційним обкатуванням інструментом тертя. Перша – питання технології. Аналіз процесу формозміни ротаційним обкатування з погляду розширення границь його використання, у тому числі для виробів з товстостінних труб і з товстостінними елементами конструкції. Друга – питання нагрівання і розподілу температури. Аналіз температурних полів, що виникають у заготовці в результаті нагрівання і їхньої зміни в ході деформування. Третя – питання якісної оцінки формоутворення товстостінних виробів, одержання достовірних даних про вплив параметрів устаткування, інструмента й умов, ротаційного обкатування, у тому числі теплових, на енергосилові параметри процесу і геометрію одержуваних виробів.

Рішення цих питань присвячена подана робота, впровадження якої дозволить розширити технологічні можливості процесу ротаційного обкатування, поліпшити міцностні характеристики заготовок і готових виробів, підвищити ефективність виробництва у цілому.

ВИБІР НАПРЯМКУ І МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

Подана робота висвітлює питання виготовлення ротаційним обкатуванням товстостінних виробів із труб, як одержуваних з товстостінної заготовки (S0/D0 і ,1), так і маючих товстостінний елемент у тонкостінній конструкції. Необхідність таких досліджень виникла при розробці і впровадженні технології виробництва балонів високого тиску, штоків і корпусів гідроциліндрів, роликів стрічкових конвеєрів і деталей їм подібних.

Складний характер деформування при ротаційному обкатуванні трубчастих заготовок інструментом тертя, велика кількість істотно впливаючих факторів і степенів свободи у деформуємого метала не дозволяє вирішити класичними методами задачу кінцевої формозміни. Детерміновані математичні моделі процесу, які зв'язують номінальні розміри та форму виробів з параметрами нагріву, максимальними значеннями силових параметрів та геометрією інструмента, отримані з використанням сполучення методів подоби та планування експерименту.

Температурний баланс нагрітого металу впливає на характер його течії у ході деформування, величину енергосилових і кінематичних параметрів процесу, а також на експлуатаційні властивості готового виробу, отриманого ротаційним обкатуванням. Теоретичний аналіз температурного поля трубчастої заготовки, яка деформується інструментом тертя, виконано з використанням методу еквівалентних джерел. Вважали, що у результаті роботи деформування усередині металу діє рівномірно розподілене джерело тепла постійної потужності W, на границі між інструментом та заготовкою – джерело тепла постійної потужності Y, що є результатом роботи сил контактного тертя. Рівняння енергетичного балансу визначено на основі закону збереження енергії, за умов рівності роботи зовнішніх джерел АВН роботі внутрішніх, витрачених на деформування АД і контактне тертя АТ, сил під час обкатування. Експериментальні дослідження нагрівання заготовки і температурних полів у ході ротаційного обкатування, проведені в лабораторно-промислових умовах в два етапи. На першому виявляли температурні поля на кінець нагріву трубчатих заготовок з різною товщиною стінки, без деформування. На другому – температурні поля з урахуванням втрат тепла і його додаткової генерації в ході деформування.

Експериментальні дослідження енергосилових параметрів проведені на лабораторній обкатній машині, яка обладнана допоміжним устаткуванням та контрольно-вимірювальною апаратурою. Результати експериментальних вимірів і тарировки оброблені методами математичної статистики.

Рівнобіжне виконання теоретичних і експериментальних досліджень дозволило розробити практичні рекомендації і забезпечило впровадження процесу у виробництво. Застосовуване експериментальне устаткування дозволяє одержати достовірну і відтворюєму надалі інформацію про хід процесу ротаційного обкатування, погрішність отриманих результатів задовольняє сучасним вимогам.

ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ УМОВ РОТАЦІЙНОГО ОБКАТУВАННЯ ТОВСТОСТІННИХ ВИРОБІВ ІЗ ТРУБ

Деформація товстостінної труби обкатуванням сполучена з труднощами технологічного характеру, викликаними нерівномірністю пластичних властивостей нагрітого металу по товщині стінки труби. Ця нерівномірність - наслідок особливостей як самого процесу обкатування (однобічне, несиметричне навантаження і дуже значний вплив тертя), так і нерівномірності нагрівання труби перед деформацією. При непрямому, від поверхні, нагріванні під обкатування, зовнішнішари металу більш нагріті, більш пластичні і деформуються інтенсивніше внутрішніх шарів.

Теплові процеси в заготовке з моменту закінчення нагрівання до закінчення обкатування залежать від втрат тепла через конвекцію, контактний теплообмін і теплопередачу від нагрітої до не нагрітої частини заготовки та випромінювання у навколишнє середовище. Температура підвищується за рахунок генерації тепла в результаті роботи, затрачуваної на деформацію і тертя між заготовкою й інструментом (рис.1). На етапі обкатування втрати і генерація тепла відбуваються одночасно. Рівняння температурного балансу має вигляд:

Тi+1 Тi DТПiТДiТТР, де Тi - температура заготовки на початку i-го обороту; DТПi - втрати тепла протягом i-го обороту; DТДi - зміна температури за рахунок енергії деформації на i-м обороті заготовки DТТРi- зміна температури за рахунок роботи сил тертя на i-м обороті заготовки. Втрати тепла обчислювали, використовуючи балан-

сове рівняння тепла. Вплив деформування і тертя на температурне поле заготовки виявляли, розглянув краєву задачу теплопровідності. Із диференціального рівняння теплопровідності одержали залежність для виявлення безрозмірного часу обкатування:

(1)

де t - безрозмірний час обкатування (критерій Фур'є); U1-U4, A,A1-A4, L1, h1-h4 - постійні:

; ;

Ві – критерій Біо (співвідношення теплового опору тіла і середовища); Кі – критерій Кірпичьова (“температурний” критерій зовнішнього тертя); Ро – критерій Померанцева (“температурний” критерій роботи деформування); K – коефіцієнт товстостінності; QС, Q,t), QП (t) - безрозмірні температура середовища, шукана функція температури і температура поверхні:

; (2)

; (3)

x - безрозмірна поточна координата; b - границя розділу між прогрітою і непрогрітою зонами:

; (4)

¦(t) - функція зв'язку:

(5)

Трансцендентне співвідношення (1) дозволяє обчислити функцію розподілу температури поверхні QП(t) у будь-який момент часу t. Підставляючи отримане значення QП(t) у співвідношення (4) і з огляду на рівність (5) функція розподілу температур Q(x,t) обчислюється по формулі (2). Розрахунок за запропонованими залежностями можливий, якщо оцінити виділення тепла в результаті роботи, спрямованої на подолання сил тертя і сумарного виділення тепла від роботи деформації. Проаналізувавши особливості зони деформації, побудували рівняння енергетичного балансу ротаційного обкатування товстостінних труб і запропонували аналітичні співвідношення для визначення його складових.

Чисельна реалізація методик розрахунку температурного поля товстостінної трубчастої заготовки, враховуючих рекомендації по оцінці генерації тепла робіт деформування та тертя, а також теплових втрат при ротаційному обкатуванні проведені на ПЕОМ (програми TERMK і TEPGO). Зміна температури при охолодженні на повітрі й обкатуванні, зафіксована оптичним пірометром, ідентична характеру теоретичних кривих, що доводить адекватність прийнятої схеми розрахунку.

Розроблена методика та алгоритм розрахунку температурних полів труби в ході деформації, дозволяють визначати кінематичні параметри і час процесу, при яких температура заготовки, що обкатується, знаходиться в межах заданого інтервалу температур.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ РОТАЦІЙНОГО ОБКАТУВАНЯ ТОВСТОСТІННИХ ВИРОБІВ ІЗ ТРУБ

Експериментальні дослідження мали на меті підтвердження результатів теоретичного аналізу, зокрема теплового стану при обкатуванні, і визначення детермінованих моделей процесу, одержання товстостінних виробів із труб ротаційним обкатуванням.

Найбільший інтерес для дослідження температурних полів у ході нагріву СВЧ представляє вплив співвідношення товщини стінки S0 і глибини проникнення струму DГ. У цьому зв'язку досліджували трубчасті заготовоки з співвідношенням S0/DГ=(1,5;1,12;0,7;0,5), виготовлені із середньовуглецевої сталі, у стінці яких зачеканювали спаї термопар. З отриманих термограм видно, що максимальна температура наприкінці періоду нагрівання СВЧ знаходиться усередині стінки труби та на її внутрішній поверхні. При нагріванні труби із стінкою товщиною S0 і ,5DГ спостерігається два перепади температур: між шаром з максимальною температурою і зовнішньою поверхнею і тим же шаром і внутрішньою поверхнею труби. Максимальна температура знаходиться всередині стінки труби. При S0Г утворюється один перепад температур з максимальною температурою на внутрішній поверхні труби. Час нагрівання труби до заданої температури залежить тільки від потужності, переданої у заготовку. Встановлено ріст абсолютної температури при обкатуванні (у порівнянні з температурою без деформування), який для заготовок, нагрітих до верхнього рівня кувальної температури, склав 140-180 °С, а для заготовок, нагрітих до нижнього рівня склала 80-100 °С (більша цифра відповідає заготовці з більшою вихідною товщиною стінки), що підтверджує результати теоретичного аналізу.

Застосування теорії подоби і розмірностей дозволило одержати критериальні рівняння, що зв'язують пошарові деформації й енергосилові параметри процесу з геометричними параметрами вихідної заготовки, механічними властивостями матеріалу, температурою обкатування і режимами, у тому числі і часом деформування. У ході експерименту значення параметрів варіювалися в наступних інтервалах: відносна товщина стінки 0,08 Ј S0/D0 Ј ,16; температура нагрівання 1123°К Т °K; виліт заготовки 2S0 < B S0; довжина ділянки, що нагрівається, 1,1B lН ,58B; швидкість інструмента 8 мм/с ЈVИ Ј  мм/с; коефіцієнт тертя 0,182 m ,289; кут підйому утворюючої 0,349 j ,524; довжина інструмента 150 мм LИ  мм; температура плавлення матеріалу заготовок ТS °К, напруга плинності sS=28 МПа (при Т °К); діаметр заготовки D0 ,9 мм; кутова швидкість обертання заготовки w ,54 с-1. Експериментальні дослідження пошарових деформацій металу й енергосилових параметрів обкатування здійснювали рівнобіжно. Виміри обробленні методом математичної статистики при рівномірному дублюванні і рандомізації дослідів. У ході статистичної обробки однорідність дисперсій перевіряли використовуючи G-критерій Кохрена, довірчі інтервали коефіцієнтів регресії розраховували за допомогою коефіцієнта Стьюдента, а гіпотезу адекватності оцінювали, використовуючи критерій Фішера. Детерміновані залежності досліджуваних критеріїв від вище зазначених параметрів мають вид:

де DSl /S0, DSb /S0 – відносні пошарові деформації, радіальна і торцева відповідно; Px, Py, Pz, W – радіальна, тангенціальна, осьова сили і потужність обкатування.

Порівняння результатів чисельної реалізації й експериментальних даних показали ідентичність характеру їхньої зміни, що дозволяє говорити про адекватне відображення отриманими залежностями реального процесу ротаційного обкатування товстостінних труб. Показано, що ротаційне обкатування підвищує температуру зовнішньої поверхні деформуємої ділянки на (0,05-0,1) ТS. Генерація тепла, локалізуючись біля зовнішньої поверхні, зростає з ростом відносної товщини стінки труби і зростає з ростом температури початку обкатування для труб з рівною відносною товщиною стінки. Деформації шарів локалізуються у зовнішній поверхні труби і зростають зі збільшенням абсолютних значень початкової товщини. Зменшення початкової температури обкатування збільшує абсолютну величину радіальної деформації при незначному зменшенні торцевої. Зі збільшенням відносної товщини стінки тангенціальна й осьова складові сили обкатування ростуть при зниженні радіальної для 0,08 Ј S0/D0 Ј ,13 і рості її при S0/D0 ,13.

ВИКОРИСТАННЯ ОСНОВНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень запропонована методика проектування технологічного процесу обкатування товстостінних виробів із труб. Методика враховує початкову нерівномірність температурного поля нагрітої під обкатування труби, зв'язану, у першу чергу, з характером підведення тепла до заготовки. Враховано додаткову генерацію тепла, зв'язану з тепловиділенням у результаті робіт деформування і тертя, істотно підвищуючи температуру зовнішніх шарів заготовки.

Реалізація методики дозволила розробити і впровадити у виробництво високоефективні технологічні процеси й інструмент (рис.2) для виготовлення заготовок балонів високого тиску трьох типорозмірів: 52,0ґ200ґ275, 52,0ґ2,0ґ145 і 30ґ2,0ґ225, ємністю 0,4 л, 0,2 л і 0,16 л відповідно. У конструкції балонів передбачена товстостінна горловина. Впровадження технологій забезпечило Макіївському заводу ПШУ зниження матеріалоємності в 1,5 рази, трудомісткості в 3 рази. При цьому балони високого тиску, одержувані за розробленою технологією, довговічніші в 1,5  рази.

Запропоновано спосіб ротаційного обкатування, що забезпечує на етапі нагрівання необхідний перерозподіл температури по товщині стінки заготовки. Запропоновано формуючі інструменти, конструкція яких забезпечує керування відводом тепла при обкатуванні, як дискретно (після її закінчення) так і автоматично, у ході деформування. Результати досліджень дозволили дати рекомендації з вибору кінематичних параметрів і часу процесу ротаційного обкатування товстостінних виробів із труб (табл.1), ви-

значити вихідні дані для розробки техноло-гічних процесів одержання виробів ротаційним обкатуваннямпроектуванню інструмента, вибору конструкції і характеристик устаткування.

Таблиця 1

Рекомендації з вибору часу та інших кінематичних параметрів процесу

ротаційного обкатування товстостінних виробів із труб

D0, мм 60 72 90 120 240

S0, мм 3 8 5 10 8 14 6 16 15 32

S0/D0 0,05 0,13 0,03 0,14 0,09 0,16 0,05 0,13 0,06 0,13

t, с 8 20 10 20 10 25 10 30 15 35

n, об/хв 1000 500 1000 450 800 400 800 400 600 350

w, с-1 104,7 52,4 104,7 47,1 83,8 41,8 83,8 41,8 62,8 36,7

ВИСНОВКИ

1. Ріст ефективності виробництва залежить від рівня технологій, використовуваних при виробництві заготовок, у тому числі забезпечення максимально можливого наближення геометричних форм і розмірів заготовок до форм і розмірів готового виробу, підвищення міцностних характеристик готових виробів, зниження матеріалоємності й енергоємності виробництва. Способи пластичного деформування металу, у тому числі ротаційне обкатування трубчастих заготовок інструментом тертя, мають широкі перспективи в цьому напрямку. Процес ротаційного обкатування, що дозволяє виготовити високоміцні порожностні вісесиметричні вироби типу балонів високого тиску, елементів гідроциліндрів, фланців, роликів і барабанів стрічкових конвеєрів і їм подібних виробів, вивчений досить повно для згаданої номенклатури деталей, однак ротаційне обкатування товстостінних виробів з труб, одержання товстостінних горловин, особливості нагрівання й охолодження при ротаційному обкатуванні не знайшли достатнього відображення у дослідженнях.

2. Проведені дослідження технологічних можливостей застосування ротаційного обкатування інструментом терті для товстостінних труб і одержання товстостінних горловин на тонкостінних трубчастих заготовках розширюють область застосування способу. Встановлено, що технологічно можливо ротаційне обкатування для трубчастих заготовок з відношенням вихідної товщини стінки труби S0 до її діаметра D0 у діапазоні 0,08 Ј S0/D0 Ј0,16. Можливості ротаційного обкатування розширені у область одержання товстостінних горловин, у яких при співвідношенні діаметрів вхідної та редуційованої ділянок у діапазоні 0,4 Ј dГ/D0 Ј ,6, забезпечений набір металу у стінку редуційованої ділянки більш 3S0 на довжині не менш 6S0.

3. У результаті дослідження температурних полів при нагріванні товстостінних трубчастих заготовок встановлено, що характер розподілу температури залежить від способу підведення тепла і на початку обкатування істотно нерівномірний. Процес ротаційного обкатування приводить до підвищення температури зовнішньої поверхні деформуємої ділянки, причому генерація тепла, локалізована у зовнішній поверхні труби і зростаюча з ростом відносної товщини стінки труби, зростає з ростом температури початку обкатування для труб з рівною відносною товщиною стінки. Показано, що на баланс між генерацією тепла і його втрат у ході обкатування впливають кінематичні параметри процесу, у тому числі час обкатування.

4. На підставі аналізу температурних полів у товстостінній заготовці запропоновано спосіб обкатування, режими нагрівання і деформування заготовки під обкатування, а також конструкції інструментів тертя, що дозволяють регулювати відвід тепла з зони деформування при обкатуванні.

5. У результаті застосування теорії подоби, розмірностей та планування експерименту отримано математичні моделі, що адекватно описують процес обкатування виробів з товстостінних труб і одержання товстостінних горловин у дослідженому діапазоні факторного простору, у тому числі однозначно з'єднують енергосилові параметри процесу і геометричні характеристики одержуваних виробів з параметрами устаткування й інструмента. Показано, що із збільшенням відносної товщини стінки тангенціальна й осьова складові сили обкатування зростають при зниженні радіальної складової для 0,08 Ј S0/D0 Ј ,13 і рості її при S0/D0>0,13.

6. У результаті експериментальних досліджень радіальної і торцевої деформації шарів показано, що локалізовані у зовнішній поверхні ці деформації зростають з ростом абсолютного значення початкової товщини стінки. Зниження початкової температури обкатування збільшує абсолютне значення радіальної деформації при зменшенні торцевої.

7. У результаті теоритичних та експериментальних досліджень розроблено високоефективний технологічний процес виготовлення болонів високого тиску трьох типорозмірів і інструмент для його реалізації, впроваджені на Макіївському заводі ПШУ “Факіл” при виробницьтві шахтних вогнегасників.

Основний зміст дисертації відбитий у наступних опублікованих наукових роботах:

1. Пыц Я.Е., Оборнев С.Н. Об учете тепловых потерь при обкатке толстостенных трубчатых заготовок // Совершенствование процессов и машин обработки металлов давлением: Сб. научн. трудов - К.: УМК ВО.-1988.-С.96-101.

2. Капорович В.Г., Пыц Я.Е, Филипенко Г.А., Макшанцев В.Г. Разработка и внедрение технологии тангенциальной обкатки заготовок типа "баллон" и "фланец" на трубах // Кузнечно-штамповочное производство.-1989.-№5-С.10-13.

3. Пыц Я.Е., Чоста Н.В. О особенностях течения металла при тангенциальной обкатке толстостенных труб // Разработка и исследование высокоэфф. техн. процессов, оснастки и оборудования ОМД: Сб. научн. трудов - К.: УМК ВО.-1990.-С.110-115.

4. Капорович В.Г., Пыц Я.Е. Технологические особенности горячей обкатки толстостенных трубчатых заготовок // Кузнечно–штамповочное производство.-1992.- №2.-С.4-6.

5. Пыц Я.Е., Шандроголова Н.В. Расчет силовых параметров при ротационной обкатке трубчатых заготовок // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. трудов – Краматорск.-1998.-С.318-319.

6. Пыц Я.Е., Середа В.Г., Пустовалов О.Г. Особенности нагрева трубчатых заготовок под обкатку // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. трудов – Краматорск.-1999.-С.146-147.

7. Пыц Я.Е., Кужелева С.В. Особенности технологического процесса и инструмента для ротационной обкатки толстостенных горловин на трубах // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. трудов – Краматорск.-2000.-С.388-391.

8. Пыц Я.Е., Макшанцев В.Г. Исследование нагрева трубчатых заготовок для ротационной обкатки инструментом трения // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. трудов - Краматорск-Славянск.-2000.-С.301-304.

9. Инструмент для обкатки трубчатых заготовок: А.с. 1500412 СССР, МКИ В21D / В.Г.Капорович, С.Н.Оборнев, Я.Е.Пыц, С.Н.Оборнева, О.В.Лесовик (CCCР). - №4342502; Заявлено 14.12.87; Опубл. 15.04.89, Бюл. №30. – 4с.

10. Способ формообразования трубчатых заготовок: А.с. 1775204 СССР, МКИ В21D 51/24 / В.Г.Капорович, Я.Е.Пыц, А.Н.Кулик, Ю.А.Сачик (CCCР). - №4835173; Заявлено 5.06.90; Опубл. 15.07.92, Бюл. №42. - 6с.

11. Пат. 29681 А Украина, МКИ В21D 22/18 Инструмент для обкатки трубчатых заготовок / Я.Е.Пыц, В.Г.Середа, А.А.Денисенко (Украина). №96103954 Заявлено 18.10.96. Опубл.15.11.2000, Бюл.№:6-11.

12. Разработка методики определения энергосиловых параметров в процессе тангенциальной обкатки / В.Г. Капорович, В.Г. Середа, В.А. Паламарчук, Я.Е. Пыц, В.Е. Гавриш, Е.А. Канивец // Библ. указатель ВИНИТИ №10, 1984, депонирована 20.06.84, № 1097 Ук-84, Деп. реф. № 974.

13. Пыц Я.Е., Капорович В.Г. Деформирование толстостенных трубчатых заготовок инструментом трения // Библ. указатель ВИНИТИ № 1, 1986, депонирована 20.12.86, № 1744 ТМ, Деп. реф. № 183.

14. Капорович В.Г., Пыц Я.Е., Оборнев С.Н. Изготовление изделий из толстостенных труб и оборудование для реализации технологического процесса // Сб экспр.-инф. - М.: ЦНИИТЭИ ТСМ.-1986.-С.1-6.

15. Пыц Я.Е. Об особенностях обкатки толстостенных трубчатых заготовок // Высокоэффективные локальные методы ОМД: Труды научн.-техн. конф. – Краматорск.- 1984.-С.108-109.

16. Рыжиков В.С., Пыц Я.Е., Маковецкий А.В., Сачик Ю.А. Инструмент для обкатки днищ на концах трубчатых заготовок // Экономия материальных, трудовых и финансовых ресурсов путем применения в производстве порошковой металлургии, прогрессивных материалов, высокоэффективного оборудования и безотходной технологии ОМД: Труды научн.-техн. конф. – Кишинев: КГЗ.-1984.- С.45-47.

17. Капорович В.Г., Середа В.Г., Афанасьева М.А., Пыц Я.Е. О повышении эффективности процесса обкатки толстостенных трубчатых заготовок инструментом трения // Методы повышения производительности и качества обработки деталей на оборудовании автоматизированных производств: Труды зональной научн.-техн. конф. – Андропов.-1985. -С.18-19.

18. Капорович В.Г., Пыц Я.Е., Оборнев С.Н. Автоматизированная линия для получения составных изделий из толстостенных труб // Совершенствование кузнечных машин ударного действия: Труды всесоюзн. научн.-техн.семинара.–Ворошиловград.-1985.-С.21-23.

19. Капорович В.Г., Пыц Я.Е. Особенности изготовления деталей машин из толстостенных трубчатых заготовок // Прогрессивные процессы обработки материалов давлением: Труды респ. научн.-техн. конф.- Минск: БПИ.-1985.-С.19-20.

20. Оборнев С.Н., Пыц Я.Е., Сачик Ю.А. Новые конструкции барабанов ленточных конвейеров и технология их изготовления // Резервы ускорения оптимизации интенсивной технологии в кузнечно-штамповочном производстве: Труды научн.-техн. конф. – Челябинск: ЧПИ.-1987.-С. 31.

21. Капорович В.Г., Пыц Я.Е., Сачик Ю.А. Получение деталей из трубчатых заготовок методом ротационной обкатки инструментом трения // Прогрессивные технологические процессы изготовления деталей типа труб с применением обработки металлов давлением (ДСП): Труды научн.-техн. конф. – Ижевск: ДНТП УОП НТО Машпром.-1988.-С.9-11.

22. Середа В.Г., Пыц Я.Е. Производство полых заготовок деталей машин из труб методом тангенциальной обкатки // Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства: Труды межвуз. научн.-техн. конф. – Краматорск.-1996.-С.41-42.

23. Пыц Я.Е., Макшанцев В.Г., Хорошайло Н.В. Технологические возможности обкатного инструмента с устройством для подачи СОЖ на рабочую поверхность // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Труды всеукраинск. научн.-техн. конф. – Краматорск.-1998.-С.320-321.

[1] Автору належить аналіз теплових втрат, що відбуваються в заготовці, яка обкатується, з моменту закінчення нагрівання до закінчення обкатування; методика й алгоритм розрахунку втрат тепла, теоретичне й експериментальне дослидження зміни температури трубчастої заготовки через теплові втрати.

[2] Автору належить обґрунтування конструкції товстостінної горловини для балона вогнегасника, розробка обкатаного інструмента і технологічного процесу виготовлення заготовки типу "балон", участь у впровадженні технології у виробництво.

[3] Автору належить математична модель відносних пошарових деформацій, її аналіз, результати експериментальних досліджень.

[4] Автору належить аналіз факторів, що впливають на нерівномірність деформацій і розподіл температур по товщині стінки трубчастої заготовки при обкатуванні; постановка й аналітичне рішення крайової задачі теплопровідності; математичні залежності, що дозволяють визначити глибину проникнення теплозбудженного шару від часу, а також розрахувати зміну температурного поля заготовки через генерацію тепла; обґрунтування вибору виду і режимів нагрівання під обкатування.

[5] Автору належить математична модель енергосилових параметрів при обкатувані товстостінних виробів із труб, її аналіз і результати експериментальних досліджень.

[6] Автору належить аналіз способів нагрівання металу при ротаційному обкатуванні, обґрунтування вибору індукційного нагрівання, експериментальні дослідження температурних полів, що виникають при нагріванні СВЧ.

[7] Автору належить аналіз схем обкатування виробів з товстостінними горловинами, обґрунтування необхідності додаткової операції осаджування при обкатуванні ; теоретичні й експериментальні дослідження технологічного процесу, рекомендації технологічних режимів процесу і нагрівання для виготовлення балонів високого тиску для вогнегасників.

[8] Автору належать експериментальні дослідження нагрівання трубчастих заготовок під обкатування, розробка і виготовлення експериментального оснащення, аналіз термограм нагрівання; експериментальне дослідження зміни температури заготовки в ході деформування обкатуванням, аналіз результатів експерименту.

[9] Автору належить пропозиція виконати підставу з внутрішньою порожниною і пропозиція подачі рідини на робочу поверхню інструмента після обкатування.

[10] Автору належить пропозиція нагрівати внутрішню поверхню трубчастої заготовки до верхньої межі кувальної температури, а зовнішню – до нижньої; пропозиція нагрівати внутрішню поверхню джерелом тепла, а зовнішню – теплопередачею теплопровідністю.

[11] Автору належить пропозиція подавати мастильно-охолодну рідину на робочу поверхню в ході обкатування і конструктивне рішення пристрою для її автоматичної подачі.

[12] Автору належить аналіз особливостей зони деформації при обкатуванні товстостінних труб і аналітичні залежності, що визначають геометричні параметри і площу контактної поверхні.

[13] Автору належить дослідження нерівномірності деформації товстостінних трубчастих заготовок при обкатуванні, постановка задачі про бажаний розподіл температури по товщині стінки.

[14] Автору належить аналіз номенклатури виробів, що доцільно виготовляти ротаційним обкатуванням з товстостінних труб, технологічний процес виготовлення складених виробів та конструкція устаткування для його реалізації.

АНОТАЦІЇ

Пиц Я.Є. Удосконалення технологічного процесу виготовлення товстостінних виробів із труб ротаційною обкаткою інструментом тертя.  Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2001.

Дисертація присвячена удосконаленню і розвитку процесу ротаційної обкатки труб інструментом тертя.

Завдяки проведеним дослідженням можливості ротаційного обкатування розширені в області товщини стінки трубчастої заготовок в діапазоні S0=(0,08-0,16)D0 і одержання товстостінних горловин при співвідношенні діаметрів деформованої та початкової ділянок в діапазоні 0,4 Ј dГ/D0 Ј ,6. Розроблено математичні залежності, які визначають функцію розподілу температури по товщині стінки труби в будь-який момент часу і дозволяють призначити кінематичні параметри та час процесу; розроблені детерміновані математичні моделі, які зв'язують показники формозміни з енергосиловими параметрами при обкатуванні товстостінних виробів із труб. Розроблено методику проектування і розрахунку процесу, що дозволяє визначити раціональні режими нагрівання і ротаційного обкатування, розроблено спосіб обкатування і формуючі інструменти для його реалізації, що підвищують техніко-економічні показники виробництва товстостінних виробів із труб, у тому числі заготовок балонів високого тиску з товстостінною горловиною.

Ключові слова: ротаційне обкатування, інструмент тертя, товстостінна трубчаста заготовка; температурне поле, генерація тепла, товстостінна горловина, математична модель.

Пыц Я.Е. Совершенствование технологического процесса изготовления толстостенных изделий из труб ротационной обкаткой инструментом трения.  Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. -