Національна Металургійна Академія України

Дехтярьов Володимир Сергійович

УДК 621.774.36

РОЗВИТОК МЕТОДІВ КАЛІБРОВКИ ІНСТРУМЕНТУ ПРИ ХОЛОДНІЙ ВАЛКОВІЙ ПРОКАТЦІ ПРЕЦИЗІЙНИХ ТРУБ ЗІ ЗМІННИМ ПО ДОВЖИНІ РОБОЧОГО КОНУСУ ТИПОМ КАЛІБРУ

Спеціальність 05.03.05

«Процеси та машини обробки тиском»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Фролов Ярослав Вікторович, доцент кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Кузнецов Євгеній Дмитрович, професор Університету економіки та права „КРОК” Міністерства освіти і науки України, м. Київ;

- кандидат технічних наук Блощинський Григорій Павлович, завідуючий відділенням технології та економічного обгрунтування виробництва безшовних труб і балонів Державного підприємства „Науково-дослідний і конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади” Міністерства промислової політики України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “_17_”_червня_2008 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

Автореферат розісланий “_16_”_травня_2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом в енергетиці та машинобудуванні істотно зросло споживання прецизійних труб із важкодеформівних металів і сплавів. Такі труби, в основному, прокатують на станах холодної пільгерної прокатки труб (ХПТ) з використанням спеціальних деформаційних режимів, що у значній мірі визначаються калібровкою інструмента. Робоча частина інструмента, зокрема, калібру являє собою поверхню, що визначається твірними лініями як у поздовжньому щодо осі прокатки, так і в поперечному напрямках. У процесі пільгерної прокатки вона формує сумарний осередок деформації – робочий конус.

Існуючі методи розрахунку деформуючого інструмента для холодної пільгерної прокатки прецизійних труб і сучасні розробки в цій галузі, більшою мірою, спрямовані на вдосконалення форми поздовжньої твірної інструменту.

Сучасні методи формування робочої частини рівчака калібру стана ХПТ передбачають використання постійного по довжині робочого конусу типу калібру. Осередок деформації при холодній пільгерній прокатці труб складається з декількох зон, кожна з яких впливає на формування точності розмірів готових труб. Але вплив форми поперечного профілю калібру на формозміну металу в процесі прокатки є мало вивченим і майже не враховується при розрахунках калібровки інструмента. Врахування особливостей деформації металу в кожній зоні осередку деформації можливо при використанні змінного по довжині робочого конусу типу калібру.

Відомі методи визначення параметрів поперечного профілю калібру базуються на розрахунку за трьома контрольними координатами – глибини (по гребеню) та двом координатам ширини калібру. Використання трьох контрольних координат є недостатнім для математичного опису зміни типу калібру по довжині робочого конусу, а також для характеристики форми профілю та переходу від круглої частини до випуску калібру. Це призводить до необхідності застосування додаткових технологічних операцій по механічній обробці профілю рівчака калібру.

Крім того, існуючі методи розрахунку калібровки для прокатки прецизійних труб на станах ХПТ не повною мірою враховують зміну напруження текучості металу в процесі деформації і масштабний фактор, пов'язаний з типорозміром стана, що приводить до виникнення пікових значень часткових деформацій по довжині робочого конусу. Внаслідок цього збільшується вертикальна сила прокатки і знижується точність розмірів готових прецизійних труб.

Тому, робота, спрямована на розвиток методів розрахунку калібровки інструменту, що дозволяють підвищити точність готових прецизійних труб, з урахуванням визначених закономірностей формозміни металу залежно від форми поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу, а також зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України. Дослідження виконані в рамках програм і відповідної тематики держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри обробки металів тиском НМетАУ, ДР № 0106U002225. Автор був виконавцем цієї роботи.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є розвиток методів розрахунку калібровки інструменту при холодній валковій прокатці з урахуванням закономірностей формозміни металу залежно від форми поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу, а також зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора для виробництва прецизійних труб з підвищеною точністю розмірів.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі.

1. Вивчити вплив типу поперечного профілю калібру стана ХПТ на формозміну металу в процесі прокатки.

2. Вивчити вплив зон осередку деформації, зокрема зони редукування, на формування точності розмірів готових труб в процесі прокатки.

3. Розвинути метод розрахунку поперечного профілю калібру з використанням додаткових контрольних координат, що характеризують особливості форми калібру і переходу від круглої частини до випуску калібру.

4. Розвинути метод визначення форми робочої частини рівчака калібру з використанням змінного по довжині робочого конусу типу поперечного профілю.

5. Розвинути метод розрахунку калібровки інструменту для холодної пільгерної прокатки прецизійних труб з урахуванням зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора, відображених у функції для згладжування пікових значень часткових деформацій.

6. На базі методів розрахунку інструменту вдосконалити калібровки інструмента для виробництва холоднодеформованих прецизійних труб.

7. Використати вдосконалену калібровку інструменту для виробництва холоднодеформованих прецизійних труб у виробничих умовах на існуючому устаткуванні.

Об'єкт дослідження. Процес холодної пільгерної прокатки труб.

Предмет дослідження. Методи калібровки інструменту холодної пільгерної прокатки труб.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження побудовані на фундаментальних положеннях теорії обробки металів тиском і математичному моделюванні. Експерименти проводилися в промислових умовах з використанням вимірювальних пристроїв, що передбачені в технологічній лінії процесу прокатки. При обробці експериментальних даних використовувалася комп'ютерна техніка.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перераховані нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації.

1. Одержали розвиток закономірності формозміни металу при холодній пільгерній прокатці труб для різних типів поперечного профілю рівчака калібру.

Розробка відрізняється врахуванням впливу форми інструменту на величину напружень, що розтягують, в металі у зоні деформації. Це дозволяє врахувати характер формозміни металу при розрахунку геометрії деформуючого інструмента.

2. Одержав розвиток метод визначення поперечного профілю рівчака калібру стана ХПТ у частині збільшення числа контрольних координат.

Метод відрізняється використанням додаткових контрольних координат, що характеризують особливості форми і переходу від круглої частини до випуску в поперечному профілі рівчака калібру. Це дозволяє підвищити точність розрахунку інструмента для прокатки прецизійних труб, що зменшить число додаткових технологічних операцій по механічній обробці профілю рівчака калібру.

3. Уперше розроблений новий метод визначення форми робочої поверхні зі змінним по довжині робочого конуса типом поперечного профілю рівчака калібру станів ХПТ.

Метод відрізняється використанням змінного по довжині робочого конусу типу поперечного профілю рівчака калібру. Це дозволяє підвищити точність готових труб з урахуванням особливостей формозміни металу у всіх зонах осередку деформації.

4. Одержав подальший розвиток метод розрахунку поздовжньої твірної рівчака калібру (гребеня) і оправки.

Розробка відрізняється врахуванням зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора, відображених у функції для згладжування пікових значень розподілу часткових деформацій. Це забезпечує зниження вертикальних сил по довжині робочого конусу і дозволяє підвищити точність готових труб.

Практична цінність отриманих результатів. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в тому, що результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють:

- розробити методику визначення додаткових контрольних координат, які характеризують особливості форми і переходу від круглої частини до випуску калібру, що дозволить підвищити точність розрахунку інструмента для холодної прокатки прецизійних труб;

- удосконалити методику розрахунку ширини калібру стана ХПТ, що забезпечує підвищення точності готових труб;

- розробити методику розрахунку основних параметрів поперечних профілів калібрів станів ХПТ різних типів з використанням додаткових контрольних координат;

- одержати залежність для розрахунку величини ексцентриситета кола, що утворює радіус випуску калібру, від параметрів калібру (радіусу круглої частини, радіусу випуску й кута випуску);

- розробити методику розрахунку робочої частини рівчака калібру зі змінним типом поперечного профілю, що забезпечує врахування характеру формозміни металу при розрахунку геометрії деформуючого інструменту;

- розробити методику розрахунку поздовжньої твірної рівчака калібру (гребеня) і оправки, яка враховує зміну напруження текучості металу в процесі деформації і масштабний фактор, що відображено у функції для згладжування пікових значень розподілу часткових деформацій, яка забезпечує зменшення вертикальних сил по довжині робочого конусу й дозволяє підвищити точність готових труб;

- удосконалити калібровку інструменту для виробництва холоднодеформованих труб з підвищеною точністю розмірів.

На підставі результатів дисертаційної роботи розроблена й впроваджена у виробництво в умовах ДП «Нікопольський трубний завод» (довідка від 17.04.2007) та ЗАО „Сентравіс продакшн Юкрейн” (Нікополь, Україна) (довідка від 24.01.2008) удосконалена калібровка інструменту з перерозподілом часткових деформацій по довжині робочого конусу і новим типом поперечного профілю калібру для станів холодної прокатки труб.

Результати, отримані в ході виконання дисертаційної роботи, також використовуються в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсу «Технологія трубного виробництва» і «Моделювання процесів трубного виробництва» для студентів спеціальності 7.090404 та 8.090404 «Обробка металів тиском», з дисципліни «Технологія обробки металів» для студентів, що навчаються за напрямом “Металургія” з метою отримання освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр, а також при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 15.02.2008).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використано ідей співавторів публікацій. Всі принципові теоретичні й експериментальні результати, які були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, виконаних автором. Особистий внесок у спільних публікаціях (згідно з переліком опублікованих робіт): [1] - аналіз існуючих типів поперечних профілів калібрів станів ХПТ, проведення математичного моделювання й аналіз отриманих даних; [2] - аналіз експериментальних даних і одержання залежностей зміни товщини стінки труби від параметрів поперечного перерізу робочого конусу; [3] - виявлення основних недоліків побудови поперечних профілів, розробка методу й основних залежностей формування поперечного профілю для прокатки труб підвищеної точності з урахуванням вимог до точності труб, рекомендована для використання для всіх типів поперечних профілів; [4] - розробка методики визначення діаметра оправки з урахуванням пружної деформації; [5] - розробка нового методу розрахунку деформуючого інструменту для існуючого устаткування, рекомендована для використання на станах всіх типорозмірів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні» (Краматорськ, 2006 р.); Молодіжному науково-практичному форумі «Интерпайп 2006» (Дніпропетровськ, 2006 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні» (Краматорськ, 2007 р.); Молодіжному науково-практичному форумі «Интерпайп 2007» (Дніпропетровськ, 2007р.); Міжнародній конференції «Прогресивна техніка і технологія - 2007» (Севастополь, 2007) і об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ, 2005 - 2008 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 5 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел з 84 найменувань і 3 додатків. Матеріали роботи викладені на 116 сторінках тексту, у тому числі 107 основного, містить 52 рисунки, 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність її теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, представлені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача та апробація результатів дисертації.

АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ДЕФОРМУЮЧОГО ІНСТРУМЕНТА І ТЕХНОЛОГІЇ ПРОКАТКИ ПРЕЦИЗІЙНИХ ТРУБ НА СТАНАХ ХПТ

Методи розрахунку деформуючого інструменту

Рішення задачі по визначенню форми поздовжньої і поперечної форми калібрів станів ХПТ передбачає їх роздільне визначення. Поздовжня форма калібру визначається одним з основних законів зміни інтенсивності обтиснень по довжині робочого конусу. Опису основних законів зміни інтенсивності обтиснень присвячені роботи П.Т. Ємельяненка, Ю.Ф. Шевакіна, Я.Ю. Осади О.А. Семенова. Визначення поперечної форми пов’язане, в основному, з вимогою по заповненню калібру, круглості поперечного перерізу і стану поверхні готової труби. Питанню по визначенню форми поперечного перерізу калібру присвячені роботи П.Т. Ємельяненка.

Існуючі методи розрахунку форми робочої поверхні калібрів станів ХПТ побудовані на визначенні форми поздовжніх твірних рівчака, які відображені у роботах Ю.Ф. Шевакіна, З.А. Коффа та О.А. Семенова, що являють собою зміну максимальної глибини калібру (гребеня, Н0, Нх, Н1) і по його ширини (випусків, В0, Вх, В1) у контрольних перерізах (рис. 1).

Аналіз існуючих методів розрахунку деформуючого інструмента, методів розрахунку калібровки і технології холодної пільгерної прокатки прецизійних труб виявив, що стан розробки цієї теми залишає невирішеною задачу врахування при розрахунках калібровки закономірностей формозміни металу залежно від типу поперечного профілю калібру стана ХПТ, а також підвищення точності визначення типу поперечного профілю рівчака калібру. Вимоги до калібровки інструменту станів холодної прокатки труб передбачають врахування зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора.

АНАЛІЗ ФОРМОЗМІНИ МЕТАЛУ ПРИ ХОЛОДНІЙ ПІЛЬГЕРНІЙ ПРОКАТЦІ ТРУБ

Рішення задачі по визначенню закономірностей тривимірної формозміни металу в залежності від форми інструмента потребує варіювання великої кількості параметрів. Це обумовлює вибір методу скінчених елементів як найбільш прийнятного для реалізації поставленої задачі.

Математичне моделювання процесу холодної пільгерної прокатки труб

Математична модель процесу холодної прокатки труб базується на основних положеннях формозміни металу при пластичній деформації з урахуванням фактичної форми деформуючого інструмента за допомогою відповідного програмного забезпечення.

Модель побудована на варіаційному принципі Лагранжа, який формулюється наступним чином:

, (1)

де Т – інтенсивність дотичних напружень; H – інтенсивність швидкостей деформації зсуву; Fi, fi , Ui- відповідно проекції векторів об'ємних сил, поверхневих навантажень і швидкостей плину; S – площа поверхні; V – об’єм.

Моделювання процесу холодної пільгерної прокатки здійснювалося для ј об’єму заготовки, з огляду на осьову симетрію процесу. Розрахунки виконувалися для трьох найпоширеніших типів поперечного профілю рівчака калібру: круглого з випусками по радіусу, круглого з випусками по дотичній та овального.

У результаті математичного моделювання були отримані наступні дані по величині максимальних напружень (уздовж осі прокатки), які виникають у робочому конусі (рис. 2).

Напруження, що розтягують, у робочому конусі є основною причиною виникнення тріщин в процесі прокатки.

За результатами зміни розмірів сітки скінчених елементів була проведена оцінка розподілу деформації по товщині стінки в поперечному перерізі в кожному з трьох типів профілів (рис. 3).

а | б | в

Рис. 3 Розподіл товщини стінки по поперечному перерізу в осередку деформації залежно від типу поперечного профілю рівчака калібру; а – круглий калібр із випусками по радіусу; б – круглий калібр із випусками по дотичній; в – овальний калібр

За результатами математичного моделювання виявлено, що для мінімізації напружень, що розтягують, у сумарному осередку деформації необхідне використання змінного по довжині робочого конусу типу поперечного профілю рівчака калібру.

Аналіз зміни товщини стінки в процесі прокатки труб

Кожна із зон осередку деформації обумовлює зміну геометричних розмірів труби та вносить свої корективи в загальну складову точності готових труб. Зона редукування є наслідком необхідності введення оправки усередину труби (концентричний зазор між трубою та оправкою). Величина цього зазору і визначає довжину зони редукування. У зв'язку із цим виникає необхідність дослідження впливу довжини зони редукування на показники точності готової труби.

Було проведено дослідження на прикладі прокатки труб по маршруту 48Ч1,65 > 25Ч2,0 мм на стані ХПТ - 55. Для експериментів було відібрано 4 робочих конуса, отримані шляхом вирізання сумарного осередку деформації при зупинці стана після сталого процесу прокатки. Кожний робочий конус був розрізаний на 12 частин у поздовжньому напрямку, і в кожному перерізі проводилися виміри товщини стінки у 8-ми контрольних точках.

За результатами отриманих даних побудовано графіки зміни дисперсії (у2) і середньої товщини стінки (t) залежно від показника тонкостінності, що визначається як відношення зовнішнього діаметра труби до товщини стінки () у контрольному перерізі, для зони редукування (рис. 4).

Для врахування особливостей формозміни металу в кожній зоні осередку деформації найбільш раціональним для більшості важкодеформівних металів (аустенітного класу) є така послідовність розташування типів поперечних профілів: зона редукування - овальний калібр, зона обтиснення - круглий калібр з випусками по радіусу, зона калібрування - круглий калібр з випусками по дотичній.

МЕТОД КАЛІБРОВКИ ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ПРОКАТКИ ПРЕЦИЗІЙНИХ ТРУБ

Визначення поперечного профілю рівчака калібру

За існуючими методами поперечний профіль у кожному поперечному перерізі калібру визначається лише трьома контрольними координатами точок та одним або декількома кутами. При цьому по довжині робочої частини рівчака поперечний профіль залишається постійним.

Запропонований у дисертації новий метод полягає в тому, що поперечний профіль характеризується більшою кількістю контрольних координат, розташованих у певному порядку по довжині його твірної (рис.5). Як видно з рис. 5, контрольна координата (точки 1…15) визначається полярним кутом (цn) і радіусом-вектором (сn), проведеним із центра (проекції осі прокатки). Додаткові контрольні координати призначені для більш точної характеристики форми профілю і місць сполучення кривих, що його утворюють. Таким чином, вид лінії, яка утворює ділянку калібру, визначає кількість контрольних координат точок, що розташовані на ній. Так, наприклад, для опису дуги кола та параболи досить 3-х координат точок, а для опису прямої лінії - 2-х. Аналіз форм поперечних профілів калібрів показав, що для точного опису профілю, який складають 2 типа кривих, мінімальною кількість є 15 контрольних координат. При ускладненні форми профілю необхідно збільшувати кількість контрольних координат.

Визначення додаткових контрольних координат

Оскільки поперечний профіль рівчака калібру складається з декількох ділянок кривих, то для кожної ділянки необхідно застосовувати свої залежності для визначення координат у контрольних точках.

Якщо поперечний профіль рівчака калібру утворений кількістю n кривих ліній, положення кожної з яких характеризується величиною кута о, то система рівнянь для знаходження контрольних координат такого типу поперечного профілю буде мати вигляд:

, (2)

де , и – функції, що описують ділянки кривих, які складають поперечний профіль у полярних координатах; о1, о2 и оn-1 – кути, що характеризують положення ділянок кривих на твірній профілю; ц – полярний кут; цк – кінцевий кут, що визначає поперечний профіль при переході до реборди калібру.

Використовуючи систему рівнянь (2), можливо розрахувати координати будь-якої точки, що лежить на твірній поперечного профілю, за умови, що відомі функції, які описують ділянки поперечного профілю.

Формування робочої частини рівчака калібру

Калібровка гребеня (калібровка в поздовжньому напрямку), у порівнянні з виконанням заданого поперечного профілю рівчака калібру (калібровка у поперечному напрямку), особливих ускладнень щодо її точного виконання на промисловому устаткуванні не викликає.

Новий метод формування робочої частини рівчака калібрів стана ХПТ може бути представлений у вигляді послідовності по ходу прокатки поперечних профілів, які формують робочу поверхню (рис. 6).

Враховуючи спосіб формування поперечного профілю калібру, кількість твірних, що характеризують робочу частину рівчака калібру, буде дорівнювати кількості координат, що характеризують поперечний профіль (див. рис. 5). Сукупність поздовжніх (L) та поперечних (P) твірних калібровки рівчака формують робочу поверхню.

Для реалізації запропонованого методу необхідно визначити координати кожної точки робочої поверхні. Оскільки форма калібру стана ХПТ є складною поверхнею, утвореною декількома кривими лініями, то опис її єдиним рівнянням є неможливим. Для рішення поставленої задачі робочу частину калібру визначено у вигляді сукупності функцій, що складають цю поверхню. В результаті спільного рішення отримано сітку координат, які характеризують точки перетину поздовжніх та поперечних твірних. Поверхня рівчака калібру в загальному вигляді формується навколо осі прокатки, тому поставлена задача вирішена в полярній системі координат.

Для змінного по довжині робочого конусу типу поперечного профілю рівчака калібру необхідно знаходити сітку координат для кожного типу профілю у кожній зоні осередку деформації.

Для зони редукування (овальний калібр):

(3)

де с – радіус-вектор у полярній системі координат; Ri – радіус овального калібру, иу – ексцентриситет кола, яким побудовано калібр.

Для зони обтиску (круглий калібр з випусками по радіусу):

(4)

де с – радіус-вектор у полярній системі координат; ц – полярний кут; Rki – радіус круглої частини калібру в контрольному перерізі; Rвi – радіус випуску калібру в кожному контрольному перерізі; их, иу – абсциса та ордината ексцентриситета кола, що формує радіус випуску калібру; б – кут випуску калібру.

Для розрахунку контрольних координат для цього типу калібру необхідно знати координати ексцентриситетів центра кола, яке утворює випуск.

У результаті рішення системи (4) відносно параметра их одержали наступну залежність:

(5)

Для зони калібрування (круглий калібр з випусками по дотичній):

(6)

де в – кутовий коефіцієнт прямої, w – коефіцієнт прямої.

Використовуючи рівняння (3), (4) і (6), можливо розрахувати координати кожної точки, що лежить на поверхні калібру, для кожної зони осередку деформації при змінному типі поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу. Комплекс таких координат, представлений у відповідному вигляді, є програмою для станка з чисельно-програмним керуванням для виготовлення калібрів.

Калібровка рівчака і оправки з криволінійною твірною

Для прокатки важкодеформівних металів калібровка повинна забезпечувати певний розподіл часткових деформацій по довжині робочого конусу. Такий розподіл повинен забезпечувати максимальне узгодження механічних властивостей металу та інтенсивності обтиснення при холодній пільгерній прокатці. Як характеристику зміни механічних властивостей використано зміну границі текучості:

(7)

де т – поточне значення границі текучості металу; т0 – границя текучості металу у відпаленому стані; bk, m – емпіричні коефіцієнти; – ступінь деформації.

Важкодеформівні матеріали, наприклад, сталь 08Х18Н10Т, характеризуються відносно високими значеннями (0,7…1,0) показника степеню «m» в формулі (7). Саме для таких матеріалів необхідне додаткове врахування інтенсивності зміцнення при створенні калібровки. Таке врахування, для калібровок, що базуються на принципі КПО (калібровка пропорційних обтиснень), дозволяє уникнути появи піків у розподілі часткових деформацій на початку робочого конусу, пов’язаних з видом функції, яка описує калібровку типу КПО. Виникнення піків часткових деформацій при прокатці сталей з підвищеними значеннями коефіцієнту «m» призводить до їх інтенсивного зміцнення. Це приводить до збільшення вертикальної сили прокати, а як наслідок, і до підвищення пружної деформації, що зменшує точність готових труб.

Для рішення цієї задачі запропоновано використовувати функцію для перерозподілу деформацій по дожині робочого конусу. За основу був узятий принцип, закладений у калібровку КПО: збереження пропорційності деформацій по діаметру і товщині стінки по всій довжині робочого конусу. В результаті проведеного аналізу в дисертації були отримані залежності, що описують зміну діаметрів рівчака і оправки:

(8)

(9)

де Dx, dx – діаметр рівчака і оправки в контрольному перерізі відповідно; Dt, dt – зовнішній і внутрішній діаметр труби відповідно; Dз, – зовнішній діаметр заготовки; dц – діаметр циліндричної частини оправки; е – основа натурального логарифму; х – поточна координата; l – довжина робочого конусу; а – коефіцієнт, рівний 3 (значення, визначене дослідженнями калібровки типу КПО); n – коефіцієнт, що враховує інтенсивність зміни обтиснення по довжині робочого конуса, в залежності від масштабного фактора (типорозміру стану); k - функція, що враховує вид кривої зміцнення; p – коефіцієнт, що враховує велику кількість ступенів функції.

У роботі отримана функція, що враховує вид кривої зміцнення для важкодеформівних металів і повністю відповідає обраному діапазону сталей, описується рівнянням:

(10)

де с – коефіцієнт рівний 1.5; q – функція, що залежить від положення контрольного перетину по довжині робочого конусу.

Функція q описується наступною залежністю:

(11)

де b – коефіцієнт, що приймає значення від 0,1 до 1 в залежності від марки сталі.

Більші значення коефіцієнту «b» рекомендовано використовувати для більших значень показника «m» (див. формулу (7)).

Формули (8) і (9), що враховують вид кривої зміцнення та масштабний фактор (типорозмір стану), дозволяють усунути недоліки калібровок типу КПО, не збільшуючи обтиски наприкінці робочого конусу.

По формулах (8) і (9) були розраховані калібровки рівчака і оправки для маршруту прокатки 57Ч3,75>35Ч1,5, подача 11 мм, стан ХПТ 55. Були проведені розрахунки силових параметрів процесу за відомими методиками для зазначенного маршрута і параметрів прокатки для калібровки типу КПО і розробленої калібровки. Порівняльний аналіз розрахункових значень вертикальної сили показав, що при урахуванні в калібровці факторів: зміна напруження текучості і масштабний фактор (типорозмір стана), – максимальна величина вертикальної сили зменшується на 5…12% та осьової сили – на 10…35%. Зменшення максимальної вертикальної сили при холодній пільгерній прокатці зменшує пружну деформацію системи „кліть-валки-метал-оправка”, що позитивно впливає на точність труб (рис. 7, 8, 9).

Визначення ширини калібру

Основним недоліком існуючих методів визначення ширини калібру станів ХПТ є використання функцій, які визначені тільки для обтискної зони, що призводить до завищених значень ширини у зоні калібрування. Для усунення цього недоліку у дисертації запропоновано нову методику розрахунку ширини, яка передбачає використання більш вузького калібру у зоні калібрування з шириною Вх:

(12)

де М – величина подачі; мх – часткова витяжка в контрольному перерізі; гx, шx – конусність рівчака і оправки відповідно; gM – емпіричний коефіцієнт, який є функцією від величини подачі.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДУ КАЛІБРОВКИ ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ПРОКАТКИ ПРЕЦИЗІЙНИХ ТРУБ НА СТАНАХ ХПТ

Дослідна прокатка проводилась на станах двох типорозмірів – ХПТ 55 і ХПТ 32. Були прокатані труби з марки сталі 08Х18Н10Т за маршрутами 48Ч3,9>25,4Ч2,11 і 32Ч2,8>16Ч1,5 з подачею 7 мм за подвійний хід кліті для вищевказаних типорозмірів станів. Прокатка проводилась на двох комплектах інструменту: виготовленого за діючим на підприємстві методом (базова калібровка) та за запропонованим методом – зі змінним по довжині робочого конусу типом калібру та врахуванням зміни напруження текучості і масштабного фактора.

Як критерії оцінки були обрані такі параметри:

- величина ексцентричної та симетричної складової різностінності (рис.7, 8);

- овальність труб (рис. 9).

Як заготовки використовувались гарячекатані труби з однієї партії (40 труб), які мали приблизно однаковий рівень різностінності у поперечному перерізі та овальність.

Рис. 7. Гістограми розподілу симетричної різностінності в партії труб, прокатаних на стані ХПТ 55; а - базова калібровка; б - запропонований метод калібровки

Рис. 8. Гістограми розподілу ексцентричної різностінності в партії труб, прокатаних на стані ХПТ 55; а - базова калібровка; б - запропонований метод калібровки

Рис. 9. Гістограми розподілу овальності в партії труб, прокатаних на стані ХПТ 55; а - базова калібровка; б - запропонований метод калібровки

Показники симетричної та ексцентричної різностінності при прокатці на стані ХПТ 55 знизились з 6-8% до 2-3% і 3-4% відповідно. Овальність труб знизилась з 0,3-0,4 % до 0,1-0,13%.

Аналогічні дослідження були проведені для партії з 40 труб, прокатаних на стані ХПТ 32. Показники симетричної та ексцентричної різностінності знизились з 4-5% до 1-3%. Овальність труб знизилась з 0,4-0,5 % до 0,05-0,1%.

Результати дисертаційної роботи використані в умовах ДП «Нікопольський трубний завод» (довідка від 17.04.2007) та ЗАО „Сентравіс продакшн Юкрейн” (Нікополь, Україна) (довідка від 24.01.2008).

ВИСНОВКИ

У дисертації отримані теоретичні обґрунтування і нові рішення науково-технічної задачі, що полягає у розвитку методів розрахунку калібровки інструменту при холодній валковій прокатці з урахуванням закономірностей формозміни металу залежно від форми поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу, а також зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора для виробництва прецизійних труб підвищеної точності розмірів.

1. Виконаний аналіз сучасного стану теорії і технології холодної пільгерної прокатки установив, що дослідження, спрямовані на розвиток методів розрахунку калібровки інструменту з урахуванням закономірностей формозміни металу залежно від форми поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу, а також зміни напруження текучості металу в процесі деформації і масштабного фактора з точки зору підвищення точності готових труб, є актуальними.

2. Отримано закономірності формозміни металу при холодній пільгерній прокатці труб для різних типів поперечного профілю рівчака калібру. Показано вплив форми інструменту на величину напружень, що розтягують, у зоні деформації. Результати проведеного аналізу показали необхідність використання змінного по довжині осередку деформації типу поперечного профілю калібру, що враховує формозміну металу при розрахунку геометрії деформуючого інструменту.

3. Одержав подальший розвиток метод визначення параметрів поперечного профілю рівчака калібру. Показано, що збільшення кількості контрольних координат, які характеризують профіль, дозволяє підвищити точність розрахунків і врахувати перехід круглої частини калібру у випуск. Це зменшує число додаткових технологічних операцій по механічній обробці профілю рівчака калібру.

4. У роботі вперше отримана залежність для розрахунку ексцентриситета кола, що утворює радіус випуску, від параметрів калібру, таких як радіус випуску калібру, кут випуску калібру і радіус круглої частини.

5. Одержав подальший розвиток метод визначення робочої частини рівчака калібрів станів ХПТ. Розроблено новий метод визначення і розрахунку робочої частини рівчака калібрів зі змінним типом поперечного профілю по довжині робочого конусу. Отримано залежності для розрахунку робочої поверхні рівчака калібру зі змінним типом поперечного профілю. Використання запропонованого методу забезпечує мінімізацію напружень, що розтягують, які виникають у сумарному осередку деформації. Визначено області застосування різних типів профілів по довжині робочого конусу. Використання овального калібру для зони редукування, круглого калібру з випусками по радіусу для зони обтиску і круглого калібру з випусками по дотичній для зони калібрування дозволяє досягти підвищення точності готових труб.

6. Одержав подальший розвиток метод розрахунку поздовжньої твірної рівчака калібру і оправки. Розроблено метод розрахунку калібровки інструменту, що враховує зміну напруження текучості металу в процесі деформації і масштабний фактор (типорозмір стану), відображених у функції для згладжування пікових значень розподілу часткових деформацій. Використання даного методу забезпечує зменшення вертикальних сил по довжині робочого конусу і дозволяє підвищити точність готових труб. Результати розрахунків показують можливість зниження максимального значення вертикальної сили на 5 – 12% і осьової сили на 10 – 35%.

7. Удосконалено методику для розрахунку ширини калібру для виробництва прецизійних труб. Методика передбачає використання більш вузького калібру у порівнянні з існуючими, що дозволяє підвищити точність розмірів готової труби.

8. На підставі результатів, отриманих у ході виконання роботи, удосконалена калібровка інструменту для виробництва прецизійних труб. Запропонована калібровка забезпечує підвищення точності геометричних розмірів труб за рахунок реалізації розроблених у роботі методів і методик розрахунку параметрів деформуючого інструменту. Експериментальна перевірка показала підвищення показників точності товщини стінки та зовнішнього діаметра готових труб. Зокрема, величини симетричної і ексцентричної різностінності труб при прокатці на стані ХПТ 55 знизилися з 6-8% до 2-3% і 3-4% відповідно, овальність труб знизилася з 0,3-0,4 % до 0,1-0,125%. При прокатці труб на стані ХПТ 32 показники симетричної й ексцентричної різностінності знизилися з 4-5% до 1-3%, овальність труб знизилася з 0,4-0,5 % до 0,05-0,1%.

9. Результати дисертаційної роботи використані в умовах ДП «Нікопольський трубний завод» (довідка від 17.04.2007) та ЗАО „Сентравіс продакшн Юкрейн” (Нікополь, Україна) (довідка від 24.01.2008). Удосконалена калібровка інструменту з використанням перерозподілу часткових деформацій по довжині робочого конусу і новим типом поперечного профілю калібру для станів холодної прокатки труб рекомендована для виробництва промислових партій труб. Результати, отримані в ході виконання дисертаційної роботи, використані також в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсу «Технологія трубного виробництва» і «Моделювання процесів трубного виробництва» для студентів спеціальності 7.090404 та 8.090404 «Обробка металів тиском», з дисципліни «Технологія обробки металів» для студентів, що навчаються за напрямом «Металургія» з метою отримання освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр, а також при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 15.02.2008).

Основний зміст роботи опублікований у роботах:

1. Дехтярьов В. С. Тримірне моделювання параметрів холодної пільгерної прокатки / В. С. Дехтярьов, Я. В. Фролов // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: тематич. зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА. – 2006. – С. 59 – 64.

2. Дехтярев В. С. Уменьшение эксцентричной разностенности при холодной пильгерной прокатке труб / В. С. Дехтярев, Ю. Ю. Мацко, Я. В. Фролов //Металл и литье Украины. – 2006. – №11-12. – С. 39–41.

3. Дехтярев В. С. Новый метод построения поперечного профиля рабочей части ручья калибров станов ХПТ / В. С. Дехтярев, Я. В. Фролов // Теория и практика металлургии. – 2006. – №12. – С. 25–30.

4. Фролов Я. В. Определение упругой деформации оправки стана ХПТ при прокатке тонкостенных труб / Я. В. Фролов, В. С. Дехтярев, Ю. Ю. Мацко // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: тематич. зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА. – 2007. – С. 335-338.

5. Дехтярев В. С. Эффективная калибровка для станов холодной прокатки труб / В. С. Дехтярев, Я. В. Фролов // Вестник технического университета Украины «Киевский политехнический институт». (Машиностроение). – К.:НТУУ «КПИ». – 2007. – №51. – С. 148–154.

АНОТАЦІЯ

Дехтярьов В.С. Розвиток методів калібровки інструменту при холодній валковій прокатці прецизійних труб зі змінним по довжині робочого конусу типом калібру. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. – Процеси та машини обробки тиском. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена розвитку методів розрахунку калібровки з урахуванням визначених закономірностей формозміни металу залежно від форми поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу. Розроблено методи калібровки інструменту, що забезпечують отримання труб підвищеної точності розмірів.

Одержали розвиток закономірності формозміни металу при холодній пільгерній прокатці труб для різних типів поперечного профілю рівчака калібру. Урахування формозміни металу при розрахунку геометрії деформуючого інструменту дозволяє мінімізувати напруження, що розтягують, та підвищити точність труб. Розроблено метод калібровки інструменту зі змінним типом поперечного профілю рівчака калібру по довжині робочого конусу. Розроблена також калібровка інструменту з криволінійною твірною рівчака і оправки з урахуванням зміни напруження текучості по довжині осередку деформації і масштабного фактора, що дозволяє зменшити величину вертикальних сил на 5 – 12% і величину осьових сил на 10 – 35%, що забезпечує підвищення точності готових труб.

Ключові слова: холодна прокатка, труба, калібровка, поперечний профіль, робоча частина рівчака калібру, точність.

АННОТАЦИЯ

Дехтярев В.С. Развитие методов калибровки инструмента при холодной валковой прокатке прецизионных труб с переменным по длине рабочего конуса типом калибра. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. - Процессы и машины обработки давлением. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2008.

В диссертации получено теоретическое обоснование и новое решение научно-технической задачи, которая состоит в развитии методов расчета калибровки деформирующего инструмента с учетом определенных закономерностей формоизменения металла при холодной пильгерной прокатке для производства прецизионных труб повышенной точности размеров.

Получили развитие закономерности формоизменения металла при холодной пильгерной прокатке труб для разных типов поперечного профиля ручья калибра. Полученные данные позволяют учесть характер формоизменения металла при расчете геометрии деформирующего инструмента.

Получил развитие метод определения поперечного профиля ручья калибра стана ХПТ в части увеличения числа контрольных координат, которые характеризуют особенности формы и перехода от круглой части к выпуску в поперечном профиле ручья калибра. Это позволяет повысить точность расчета инструмента для прокатки прецизионных труб, что уменьшит число дополнительных технологических операций по механической обработке ручья калибра.

Впервые разработан новый метод определения формы рабочей поверхности с переменным по длине рабочего конуса типом поперечного профиля ручья калибра станов ХПТ, что позволяет повысить точность готовых труб с учетом особенностей формоизменения металла во всех зонах очага деформации.

Получил дальнейшее развитие метод расчета продольной образующей ручья, соответствующей вершине калибра, и оправки с учетом изменения напряжения текучести металла в процессе деформации и масштабного фактора, отраженных в функции для сглаживания пиковых значений распределения частичных деформаций, что обеспечивает снижение вертикальных сил по длине рабочего конуса на 5 – 12% и осевых сил на 10 – 35%, что позволяет повысить точность готовых труб.

Ключевые слова: холодная прокатка, труба, калибровка, поперечный профиль, рабочая часть ручья калибра, точность.

ABSTRACT

Dekhtyar’ov V. S. Development of the tool calibration methods at cold pilger rolling of precision tubes with variable on length of the working cone caliber type. - Manuscript.

Thesis for the candidate degree in engineering sciences in specialty 05.03.05. – Processes and machines of metal forming. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2008.

The dissertation