Совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе моделирования очага деформации

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе моделирования очага деформации

Паршин Сергей Владимирович

Екатеринбург 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Выдрин Александр Владимирович

доктор технических наук, профессор Колмогоров Герман Леонидович

доктор технических наук, профессор Чечулин Юрий Борисович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Южно - Уральский государственный университет

Защита состоится 20 ноября 2009г. на заседании диссертационного совета Д.212.285.10 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, в 14 час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Автореферат разослан «_____» ___________________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Е.Ю. Раскатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современным требованиям энерго- и ресурсосбережения отвечают изделия, которые обеспечивают лучшее соотношение экономического эффекта от их применения к стоимости производства и эксплуатации. К их числу относятся профильные трубы, имеющие некруглое поперечное сечение и обладающие пониженной металлоемкостью, рациональной формой, изготовленные из материалов, наиболее точно отвечающих требованиям эксплуатации. Применение этих изделий в различных отраслях машиностроения, строительстве, металлургии, нефтяной и газовой, аэрокосмической отрасли, атомном машиностроении, производстве теплообменных аппаратов, высокочастотной аппаратуры, и др. обеспечивает получение значительного технического и экономического эффекта. Потребности промышленности приводят к необходимости расширения типоразмерного ряда освоенных видов труб, более широкого применения для их производства материалов, обладающих повышенными механическими свойствами, растет потребность в изготовлении ранее неосвоенных видов профильных труб. Для известных в производстве типов профильных труб требуется углубленное исследование процесса с целью расширения сортамента, определения рациональной формы рабочего инструмента, а также установления влияния на процесс изготовления материалов, ранее не применявшихся для производства таких труб. Сказанное выше относится и к изготовлению новых видов профильных труб. Основными проблемами при получении профильных труб являются недостаточная точность трубного профиля и необходимость учета упругой деформации, а также возникновение разрушения труб из малопластичных материалов непосредственно в процессе профилирования или при их нормальной эксплуатации.

Объектом изучения в работе выбраны профильные трубы, процесс деформации которых протекает путем изгиба стенки трубы. Это позволяет для исследования использовать единые методические подходы. Вместе с тем, даже для таких типов труб величина и направление деформации стенки отличаются, что определяет особенности того или иного очага деформации, причем рабочие нагрузки, вызывающие деформации, также могут быть различными. В настоящее время не существует единого методического подхода к построению всей гаммы моделей для исследуемых типов профильных труб.

Указанные особенности приводят к необходимости создания методики построения геометрических и математических моделей процессов профилирования труб и разработке компьютерной базы данных, позволяющей производить оперативное построение или выбор необходимой модели профилирования. Требуется также параметрический анализ процесса, отвечающий целям, которые ставит производство профильных труб. Существующие процессы профилирования, рабочий инструмент и устройства необходимо совершенствовать и разрабатывать новые технологические решения с целью повышения эффективности процессов и качества труб, отвечающего требованиям потребителей. Потребность в решении указанных выше задач определяет актуальность темы работы.

Работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО УГТУ - УПИ по темам «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий», «Разработка теоретических основ технологий и оборудования, обеспечивающих производство новых видов металлопродукции», а также 9 хозяйственными договорами с Татарским научно-исследовательским и проектно - конструкторским нефтяным институтом (ТатНИПИнефть) по созданию технологии и оборудования для получения профильных перекрывателей. Перекрыватели подобного типа применены при бурении более 1200 скважин на нефтяных месторождениях Урало-Поволжья, Восточной и Западной Сибири и др.

Цель диссертации. Целью работы является совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе создания общей методики моделирования этих процессов, разработка базы данных широкого класса моделей, исследование ряда конкретных процессов профилирования, представляющих большой интерес для важных отраслей промышленности, проведение экспериментов по оценке точности моделей, и создание новых технических решений по реализации процессов профилирования труб.

Задачи исследования.

1. Разработка общего метода построения в компьютерной среде корректных геометрических моделей очагов деформации, применимых для выбранных классов профильных труб.

2. Создание компьютерной базы данных геометрических моделей выбранных видов профильных труб, в том числе с продольным и винтовым профилированием, труб специального назначения и многопереходных процессов продольного профилирования.

3. Разработка математического описания очагов деформации выбранных классов труб при холодном профилировании с учетом их геометрии и механических свойств металла, а также с учетом упругой деформации трубного профиля. Для многопереходных процессов требуется учет пластической неоднородности металла.

4. Выполнение анализа влияния параметров процесса профилирования, в том числе относительной толстостенности заготовки и трения на контактной поверхности на формоизменение, напряженное и деформированное состояние и поврежденность металла, энергосиловые параметры процессов, точность размеров труб, а именно:

-для продольно профилированных на примере прямоугольных и квадратных труб изучить влияние особых режимов приложения рабочих нагрузок; профильный труба компьютерный деформация

-для винтовых труб изучить влияние операции кручения, выбрать рациональную поперечную форму профиля, позволяющую получить равномерное распределение по его сечению поврежденности, исследовать изменение формы поперечного сечения и размеров трубы с целью корректировки размеров заготовки;

-для профильных экспандируемых труб найти рациональную форму профиля, позволяющую после выправления трубы в скважине иметь наиболее равномерное и минимальное по сечению значение поврежденности и рациональные параметры рабочего инструмента, а также определить параметры процесса при раздаче цилиндрических концов труб роликовым инструментом; исследовать процессы получения чехловых и винтовых граненых труб;

-для многопереходных процессов на примере многолучевых, овальных и прямоугольных труб с большим отношением сторон профиля, определить влияние количества переходов на распределение механических свойств материала, неоднородность деформаций по сечению трубы, а также поврежденность металла.

5. Выполнить комплексные экспериментальные исследования процессов профилирования труб, включающие изучение формоизменения труб, определение влияния параметров процесса на геометрию получаемых изделий и энергосиловые параметры, определение размеров и формы очага деформации и готовых труб лазерным и светоотраженным сканированием, изучить деформированное состояние металла.

6. Определить рациональную форму рабочего инструмента для волочения профильных труб, позволяющую при ее использовании повысить стойкость и упростить его изготовление.

7. Разработать и защитить патентами новые технические решения, позволяющие повысить эффективность процесса профилирования и качество труб, предложить новый инструмент и устройства для профилирования, а также создать техническое задание на проектирование нового стана с расширенными технологическими возможностями.

Научная новизна:

1. Разработана общая методика построения геометрических моделей процессов изготовления широкого класса профильных труб, создана на этой основе база данных очагов деформации и разработана математическая модель процессов холодного профилирования, которые, в совокупности, позволяют находить формоизменение труб, компоненты напряженно - деформированного состояния металла в очаге деформации, прогнозировать его поврежденность, определять энергосиловые параметры, устанавливать рациональные схемы приложения рабочих нагрузок, разработать рекомендации по совершенствованию существующих и эффективному применению новых процессов и устройств для изготовления профильных труб, обладающих необходимым для потребителей уровнем качества.

2. Разработана методика определения рационального профиля поперечного сечения труб при последовательной двукратной деформации для случая волочения и кручения, а также профилирования роликами и раздачи конусом, применение которой позволяет получить равномерно распределенную по сечению и наименьшую поврежденность металла, выполнить поиск конфигурации катающей поверхности роликов, обеспечивающей наиболее равномерное распределение давления на контакте роликов и металла.

3. Предложена математическая модель процесса раскатки концов труб цилиндрическими роликами, позволяющая определить деформационные и силовые условия процесса, поврежденность металла, установить влияние дробности деформации на пластичность металла.

4. Создана математическая модель процессов многопереходной деформации, изучено волочение многолучевых, овальных и прямоугольных труб с большим отношением сторон профиля за несколько переходов без промежуточных отжигов.

5. Разработана модель для определения рациональных геометрических параметров продольного и поперечного сечения профильных волок и проектирования инструмента для их изготовления.

Практическая значимость работы

1. Разработана база данных, примененная при моделировании реальных процессов, а также обобщенный алгоритм конечно-элементного описания, позволяющий систематизировать процесс моделирования на основе параметризованных записей базы данных по процессам профилирования.

2. Разработаны модели процессов профилирования труб многогранного сечения волочением и кручением, что позволило предложить параметры инструмента и профиля трубы, и установить рациональные схемы приложения рабочих нагрузок, которые, в свою очередь, предоставили возможность снижения протяженности рабочего цикла профилирования путем исключения промежуточных этапов термообработки, а также профилирования труб из малопластичных материалов и, в необходимых случаях, повышения их точности.

3. Рассмотрены процессы профилирования труб - профильных перекрывателей нефтяных и газовых скважин, исследована раздача цилиндрических концов труб, их применение позволяет получить значительный технический и экономический эффект.

4. Рассмотрено получение труб-заготовок для производства забойных гидродвигателей с гипо- и эпитрохоидным профилем, процесс получения чехловых труб. Установлены рациональные параметры технологического процесса их получения, даны рекомендации по изготовлению труб повышенной точности.

5. Рассмотрено многопереходное профилирование многолучевых и овальных труб волочением, а также волочение прямоугольной трубы с большим отношением сторон. Выдвинуты предложения по рациональному ведению процесса, в частности, с целью повышения точности готового профиля.

6. Предложена процедура поиска конфигурации технологического инструмента для обработки рабочего канала волоки для многопереходных процессов, разработано техническое задание на проектирование стана для производства винтовых труб кручением, приведен ряд высокоэффективных технических решений.Новизна предложенного инструмента и устройств подтверждается 12 патентами РФ и наградами Евро-азиатской промышленной выставки, Екатеринбург, 2005 (серебряная медаль), и выставки Евразия-Машпром, Екатеринбург, 2006 (золотая медаль).

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Созданная модель процесса профилирования многолучевых труб, разработка рациональной формы поперечного сечения при двустадийном профилировании использованы институтом «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» в расчетах и при отработке процессов получения профильных перекрывателей, которые применены для изоляции зон осложнений при бурении нефтяных скважин.

База данных процессов профилирования труб, методика расчетов параметров очага деформации и рабочего инструмента использована ЗАО «Стальная группа «Каркас» в расчетах процесса профилирования труб прямоугольного сечения из коррозионностойкой стали, что, при освоении производства промышленных партий таких труб, позволяет повысить их качество.

Методика моделирования процесса формоизменения труб при профилировании использована ОАО «Северский трубный завод» и ОАО «Синарский трубный завод» для повышения эффективности применения методов профилирования, а также внедрения новых производственных технологий. По данным трубных заводов, экономический эффект от использования этих разработок составляет 135..190 тыс. руб. на один типоразмер труб. Разработано техническое задание на проектирование стана для кручения труб с рассчитанным экономическим эффектом, составляющим 3,7 млн. руб.

Научно - методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры «Металлургические и роторные машины» ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет им. Б.Н. Ельцина, и используются при проведении занятий по дисциплине «Проектирование металлургических машин и оборудования», «Пакеты прикладных программ», «Автоматизированное проектирование», «Программное обеспечение САПР», в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация

Результаты работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции «Энерго- и ресурсосбережение», Екатеринбург, 2000; Всероссийской научно - технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения акад. А.И.Целикова, Москва, 2004; 1-я Российская конференция по трубному производству «Трубы России - 2004», Екатеринбург, 2004; V Всероссийская научно - практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве». Новокузнецк, 2005; IV Международная научно - технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах, Череповец, 2005; Международная научно - техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов»: СПб, 2005; At the 7-th International Scientific and Technical Conference “The Plastic Deformation of Metals” (Ukraine, Dnipropetrovsk, 2005); Всероссийская научно - практическая конференция «Графические коммуникации в технике и дизайне», Тюмень, 2006; Международная научно - техническая конференция «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», Липецк, 2006; Четвертая международная научно-методической конференция ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2007; VI Всероссийская научно - практическая конференция «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», Новокузнецк, 2007; Пятая международная научно-методическая конференция «Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ-2008)», Екатеринбург, 2008; 1ая Международная научная конференция «Проблемы геометрического моделирования в автоматизированном проектировании и производстве», Москва, 2008; XII Всероссийская научно - практическая конференция "Металлургия: технологии, управление, инновации, качество", Новокузнецк, 2008;

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 монография, получено 12 патентов на изобретения РФ.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения и списка литературы из 216 наименований. Работа содержит 332 страницы, включая 115 рисунков, 9 таблиц и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны ее научная и практическая значимость, и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе работы рассмотрено современное состояние процессов производства профильных труб, приведена их классификация по основным признакам. В качестве объекта исследования определены те из них, которые могут быть получены путем деформации стенки без изменения ее толщины. Среди них выбраны трубы, являющиеся наиболее характерными представителями указанных классов. К таким относятся трубы с продольным и винтовым профилированием, а также некоторые виды труб специального назначения.

Изучено современное состояние технологии производства и машин, а также методов исследования напряженно - деформированного состояния таких видов труб. Большой вклад в исследование внесли Г.С. Абдрахманов, А.А. Богатов, Г.И. Гуляев, Г.Я. Гун, В.Н. Данченко, А.И. Дорохов, М.З. Ерманок, В.Р. Каргин, В.Л. Колмогоров, А.П. Коликов, Ю.М. Матвеев, В.Я. Осадчий, И.Л. Перлин, П.И. Полухин, И.Н. Потапов, Б.А. Романцев, Г.А. Смирнов-Аляев, В.И. Соколовский, И.С. Тришевский, В.В. Швейкин, А.К. Шурупов, и др. На этой основе выполнена постановка задач исследования и совершенствования процессов и машин и разработки новых технических решений.

Во втором разделе разработана методика моделирования процессов профилирования, охватывающая выбранные классы труб. Использован системный принцип построения решений, включающий описание входа и выхода системы очага деформации, обратной связи, и на этой основе, предложена процедура корректировки элементов системы.

Функциональное и морфологическое описания системы представлены в виде множеств:

;,	(1)

где Т - множество моментов времени; x - множество мгновенных входных воздействий; С - множество допустимых входных воздействий; Q - множество состояний; y - множество входных величин; - переходная функция состояния; - выходное отображение; = - множество элементов подсистем и их свойств: вещественных, энергетических и информационных; - множество связей; - структура; k - композиция.

Функциональное описание использовано при построении алгоритмов решения задач. Морфологическое описание выполнено на основе трехуровневой параметризации. Первый уровень включает объектную параметризацию, второй уровень - размерную параметризацию, а третий - параметризацию по граничным условиям. Аналоговое описание объемного очага деформации выполнено с использованием внутреннего языка программирования APDL. На основе определяющих признаков сформирована открытая база данных выбранных моделей, содержащая записи 20 моделей процессов, и позволяющая параметризовать процедуру получения моделей конкретных процессов.

Пример записи базы данных, содержащей геометрическую модель для многопереходного процесса профилирования, приведен на рис.1. Поскольку рассматриваемые разновидности очага деформации при профилировании имеют сложную пространственную форму, то их аналоговое описание может быть выполнено, например, на основе аналитических функций. Однако численная реализация такой схемы представляется в настоящее время малоэффективной, поэтому необходимо использовать приближенные методы решения. С этой целью разработан обобщенный алгоритм конечно-элементного описания (рис. 2), основанный на использовании процедуры с обратной связью, включающий адаптацию описания по результатам расчетов. На этой же основе может быть выбран рациональный профиль рабочего инструмента или получаемого изделия с использованием наперед заданных критериев.

1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ТРУБ С БОЛЬШИМ СООТН. СТОРОН
1. Оправка - наличие		2. Ролики - наличие
Профиль оправки		Количество роликов
Подвижность оправки		Профиль роликов
Вращение оправки		Угол поворота роликов
Поступательн. движение оправки		Наличие привода роликов
Наличие привода оправки
3. Приложение усилия к трубе		5. Схема процесса
К переднему сечению трубы - протягивание
К заднему сечению трубы - проталкивание
Протягивание с подпором
Протягивание с противонатяжением
Проталкивание с противодавлением
4. Волока - наличие
Многопроходное волочение

Рис. 1. Пример записи схемы очага деформации (база данных).

Поскольку существующие системы конечно - элементных расчетов являются, как правило, открытыми и настраиваемыми для решения класса конкретных задач, то для выбора опций решения следует задать уравнения, адекватно описывающие исследуемый процесс. Использована такая математическая модель (система определяющих уравнений), которая обладает рядом необходимых признаков, среди которых отметим: учет упрочнения материала, поддержку функционирования принятой модели трения, нахождение перемещений, деформаций и напряжений, как в пластической, так и в упругой зоне, определение давления металла на инструмент.

Рис. 2. Схема обобщенного алгоритма расчета процессов профилирования труб.

Кроме того, требуется нахождение инвариантов напряженного и деформированного состояния, вычисление главных напряжений, а также поддержка работы постпроцессора определения поврежденности металла. Эти параметры необходимо отслеживать по траекториям движения частиц металла на всем пути деформирования.

Следовательно, математическая модель, соответствующая выбранной трехмерной геометрической модели должна позволять находить 15 неизвестных: перемещения Ux, Uу, Uz, напряжения уx , .. , фzx и деформации еx , .. , гzx, а также необходимые инварианты напряженного и деформированного состояния, в частности, интенсивность напряжений , интенсивность касательных напряжений , гидростатическое давление, определяемое по формуле у = (у1+у2+у3)/3, и показатель напряженного состояния K = у/Т.

Закон деформации за пределами упругости в деформационной теории пластичности обычно принимают в виде:

уi=E (1-) еi,	(2)

где =f (еi) - функция интенсивности деформации, отличная от нуля только в области пластических деформаций.

Поскольку при построении компьютерной модели процесса деформации связь напряжений и деформации рассмотрена в виде единой зависимости для упругой и пластической областей, то выполнено определение =f (еi) для этого случая.

Для зоны упругости материала зависимость уi =f (еi) выражается линейной зависимостью уi =3Gеi. Для пластической области можно записать

.	(3)

Выражение для функции можно получить в виде:



.	(4)

При аппроксимации кривой упрочнения мультилинейной зависимостью выражение для на разных участках аппроксимации будет различным, однако его определение аналогично приведенному выше.

Условие пластичности примем в форме Губера - Мизеса. Это уравнение в осях главных напряжений у1, у2, у3 представляет собой цилиндр, ось симметрии которого равнонаклонена к этим осям, причем его поверхность называют поверхностью нагружения, отделяющей в пространстве напряжений область упругого деформирования от области пластического деформирования. Для продолжения процесса пластической деформации необходимо, чтобы приращение напряжений было направлено наружу к поверхности нагружения. Примем, что при пластической деформации развивается изотропное упрочнение, не зависящее от гидростатического давления, тогда поверхность нагружения равномерно расширяется, оставаясь подобной самой себе.

Система разрешающих уравнений должна содержать:

- дифференциальные уравнения равновесия и граничные условия;

- геометрические уравнения;

- физические уравнения связи между деформациями и напряжениями.

При решении задач методом конечных элементов естественным и наиболее простым является использование уравнений равновесия, записанных в перемещениях:

	(5)

где; ; - оператор Лапласа; - коэффициент Пуассона.

Условия на поверхности очага деформации имеют вид:

;; ,	(6)

где;;- условия на контуре, соответствующие упругой задаче и записанные в перемещениях.

Величина находится в виде:

,	(7)

где l, m, n - направляющие косинусы.

Величины и находятся по аналогичным формулам.

Уравнения, устанавливающие связь между деформациями и перемещениями имеют вид Коши. Поскольку численное решение задачи выполнено методом конечных элементов, то задание перемещений инструмента или изделия следует выполнять малыми шагами, при этом уравнения Коши справедливы. Если шаг по перемещениям достаточно велик, то можно пользоваться выражениями для конечных деформаций.

Физические уравнения, устанавливающие связь между деформациями и напряжениями в упруго-пластической области, записаны в виде:

; ; ;	; ; ,	(8)

где;;- относительное изменение объема при упругом деформировании.

При решении задачи необходимо также, чтобы в упругой области выполнялись условия неразрывности Сен-Венана, а в пластической области условия постоянства объема.

При решении упруго-пластических задач выделим из полных составляющих деформации упругие деформации ехе и пластические составляющие ехр:

,	(9)

Упругие деформации найдем из обобщенного закона Гука. Выражения для пластических деформаций можно записать в виде:

; ;	(10)

В приведенных формулах принято, что коэффициент Пуассона равен 0,5, то есть тело при деформации в пластической области несжимаемо.

Для пластических сдвигов получено:

; ; .	(11)

В этих формулах .

Кривая упрочнения при развитой холодной пластической деформации аппроксимирована степенной зависимостью

уS = у0.2+gлb,	(12)

где у0.2 - условный предел текучести,

g и b - эмпирические коэффициенты, получаемые из опытов.

Поскольку решается упругопластическая задача, то для рассматриваемых материалов необходимо задать модули упругости и параметры кривых упрочнения. Конечно - элементное решение выполнили на основе полученного в работе вариационного уравнения, обобщающего выписанные ранее зависимости:

	(13)

Из особенностей рассмотренной модели следует, что на части тела, находящейся в упругом состоянии работа внешних сил равна нулю.

Обобщение опытных данных по процессам контактного трения для процессов ОМД показало, что силы трения при этом определяются сопротивлением сдвигам в приконтактном слое деформируемого металла и их рекомендовано находить в виде модели А.Н. Леванова. Степень поврежденности металла для условий отсутствия макроразрушения найдена по модели А.А. Богатова:

,	(14)

где 0 - исходная поврежденность металла до рассматриваемого акта пластической деформации; - поврежденность, устранимая термообработкой; n - число циклов деформации; р - степень деформации до разрушения при заданном напряженном состоянии; а - коэффициент пластического разрыхления.

Степень деформации сдвига до разрушения лр может быть определена экспериментально для данной марки материала в зависимости от показателя напряженного состояния у/Т и показателя Лоде.

Показано, что в описанной выше постановке аналитические решения не могут быть получены. В этой связи предложено также использовать конечно - элементный аналог, который учитывает особенности геометрических моделей.

В двух последующих разделах на основе процедур описания геометрических и математической моделей рассмотрены конкретные примеры исследования различных процессов изготовления профильных труб, имеющих важное значение для соответствующих потребителей.

В третьем разделе исследованы процессы производства труб с продольным и винтовым профилированием. Принятая методика позволяет изучать изготовление многогранных и других труб. В частности, проведен параметрический анализ процесса производства труб квадратного (рис. 3) и прямоугольного сечения, в том числе с использованием специальной схемы приложения рабочих нагрузок.

Рис.3. Модель очага деформации при волочении квадратных толстостенных труб.	Рис. 4. Распределение давлений по поверхности контакта, МПа.

Трехмерная эпюра распределения давления поясняет процесс формирования профиля трубы. Попадая в канал волоки, цилиндрическая поверхность трубы входит в контакт с плоской гранью, образуя узкую зону небольшого давления, соответствующую моменту появления плоских участков на трубе. По мере дальнейшего продвижения трубы по грани волоки эта зона расширяется, что также отражено эпюрой (рис. 4). Вместе с дальнейшим продвижением трубы начинают формироваться зоны ребер профиля, которые, в силу своего малого радиуса, имеют значительно более высокую жесткость, нежели грани, что приводит к возникновению пиковых значений давления в этих зонах. Когда профиль практически сформировался, происходит некоторая потеря стенкой трубы устойчивости, что приводит к ее прогибу внутрь и снижению давления на середине грани профиля, а в определенных случаях, исчезновению этого давления и даже появлению зазора между волокой и трубой. Наконец, по выходу профиля из профилирующей части волоки давление достаточно резко падает до нулевого значения.

Указанные особенности достаточно ярко выражены как у тонкостенной, так и у толстостенной труб, что говорит о схожем характере формоизменения. В то же время, высокая жесткость профиля толстостенной трубы приводит к снижению эффекта потери устойчивости в середине грани профиля, что отражено центральной частью эпюры. Для тонкостенной трубы малые радиусы закругления в зоне ребер готового профиля приводят к появлению в этой зоне пиков давления, связанных с большей разницей в жесткости между ребром и гранью профиля.

Определение полного усилия на инструмент является основой его прочностного расчета. Это усилие находили в виде произведения площади контактной поверхности на среднее удельное давление.

Найденное распределение удельного давления можно аппроксимировать трехмерной функцией Матье нулевого порядка, ее интегрирование также дает специальные функции эллиптического цилиндра, которые необходимо аппроксимировать, в свою очередь, рядами Фурье. Поэтому с целью упрощения задачи для определения среднего удельного давления использовали массив данных значений давления в узлах конечно - элементной сетки (для расчета взято около 1000 точек), который суммировали и усредняли. Аппроксимируя контактную поверхность кривыми второго порядка нашли величину площади контакта.

	Рис. 5. Распределение интенсивности пластических деформаций по сечению профиля для стали 20 (титан ВТ 1-0).

Схожий характер формоизменения и близкая форма труб из различных материалов, получаемых в результате процесса, объясняют схожесть распределений интенсивности деформации по поперечному сечению профиля трубы (рис. 5). Максимальная интенсивность деформаций для всех рассмотренных материалов достигается на ребре профиля внутри трубы, что связано с малым радиусом получаемого профиля и значительными деформациями в этой зоне.

Рис. 6. Распределение показателя напряженного состояния.	Рис. 7. Распределение поврежденности металла.

При исследовании установлено, что интенсивность деформаций и напряжений, давление металла на инструмент, показатель напряженного состояния и поврежденность металла распределены по сечению трубы и толщине ее стенки неравномерно (рис. 6, 7) и зависят от степени толстостенности трубной заготовки, сил трения на контакте, материала труб и др., а показатель напряженного состояния вдоль очага деформации меняется весьма плавно.

Рис. 8. Распределение поврежденности металла при особых схемах приложения нагрузок.

Определено, что использование при профилировании особой схемы приложения нагрузок (проталкивание, волочение с подпором и др.) может создать условия для снижения степени использования ресурса пластичности (рис. 8), что позволяет, в частности снизить протяженность рабочего цикла профилирования за счет исключения промежуточных этапов термообработки, а также осуществлять профилирование труб из малопластичных материалов и, в необходимых случаях, повысить их точность. На основании определенных выше параметров рекомендованы рациональные условия ведения процесса.

Для аналитического решения задачи кручения тонкостенной трубы ввели функцию напряжений Прандтля . В случае упрочняющейся среды эту функцию следует находить из уравнения Ампера-Монжа, которое является эллиптическим уравнением с переменными коэффициентами и его решение в квадратурах возможно лишь для простой формы поперечного сечения:

,	(15)

где , - угол закручивания на единицу длины.

В этой связи применен приближенный способ решения с использованием функционала, полученного на основе уравнения Кастильяно:

,	(16)

где S - площадь боковой поверхности; G - модуль упрочнения.

Рассмотрено кручение трубы, имеющей профиль гипоциклоиды, определяемой уравнением . Использован метод Л.М. Качанова, при котором функция напряжений задается в виде с варьируемыми параметрами , а секущий модуль упрочнения изменяется от одного приближения к другому, при этом функционал остается квадратичным.

В результате найдены показатели напряженно-деформированного состояния металла и его поврежденность. Во входящих углах профиля трубы, как показывают аналитические решения, напряжения упругой задачи становятся бесконечными, поэтому для пластического кручения труб сложных форм следует применять МКЭ. Изучено кручение ребристых труб, при этом определены необходимые параметры процесса в различных точках профиля, при различных материалах трубы и углах закручивания. Найдено, что с ростом высоты профиля степень использования запаса пластичности возрастает мало, что позволяет использовать этот процесс для изготовления труб из материалов с пониженной пластичностью. На основе обобщенного алгоритма рассмотрено волочение и последующее кручение глубокопродавленного шестилучевого профиля.

а	б	в	г

Рис. 9. Виды поперечного сечения исследованных профилей.

Таблица 1.

Влияние вида профиля и местоположения точки на щ.

Вид профиля	Точка профиля трубы	Величина щ
а	Снаружи трубы на выступе профиля	0,18
	Внутри трубы на впадине профиля	0,89
б	Снаружи трубы на выступе профиля	0,37
	Внутри трубы на впадине профиля	0,73
в	Снаружи трубы на выступе профиля	0,34
	Внутри трубы на впадине профиля	0,27
г	Снаружи трубы на выступе профиля	0,73
	Внутри трубы на впадине профиля	0,36

В процессе исследования волочения трубы, имеющей сечение с малым радиусом изгиба по впадинам (рис. 9, а) было установлено, что опасной по степени использования ресурса пластичности является точка на внутренней стороне профиля вблизи его впадины. Указанное связано с высоким уровнем растягивающих напряжений в этой зоне.

Установлено также, что увеличение радиуса изгиба в этой зоне позволяет значительно снизить степень поврежденности металла, при этом не вызвав значительного повышения этой величины вследствие увеличения радиуса изгиба на выступах трубы. Для трубы, имеющей равные радиусы изгиба выступов и впадин по средней линии профиля, снижение значения щ достигает 21%. В результате этого было выдвинуто предположение, что дальнейшее увеличение радиуса изгиба по впадинам только усилит данное явление. Действительно, для профиля с соотношением радиусов изгиба по выступам и впадинам около 1/1,5 удалось достичь снижения поврежденности до 70%. Наилучшим соотношением величин поврежденности в опасных точках, по результатам вычислительного эксперимента, обладает профиль трубы, имеющий соотношение радиусов выступов к впадинам до 1/2,2 что соответствует максимально равномерному распределению щ по профилю сечения. Величина щ в опасных точках профиля на выступе и впадине сечения в зонах растяжения равна 0,34 и 0,27 (таблица 1). Однако при дальнейшем увеличении радиуса изгиба по впадинам было получено некоторое повышение щ в зоне выступов профиля, связанное с уменьшением радиуса изгиба и ростом растягивающих напряжений в этой области. Таким образом, методом целенаправленного перебора вариантов удается найти рациональный профиль готовой трубы. Подобные результаты по распределению поврежденности по сечению трубы получены при деформации труб роликами. Скручивание полученного прямолинейного профиля с целью получения винтовой поверхности повышает величину щ в опасных точках. Значения прироста поврежденности при скручивании различных профилей различаются незначительно и составляют 0,18-0,22 для точки на выступе трубы и 0,1-0,15 для точки на впадине трубы на внутренней поверхности профиля. Конечное значение щ для готовой трубы представляет собой сумму значений за две операции, и для видов профилей труб на рис. 9, а и г превышает единицу, что требует для их получения применение промежуточной термообработки.

В результате, при использовании для изготовления винтовых труб рационального профиля поперечного сечения открываются новые технологические возможности. Например, волочение и скручивание трубы в этом случае может быть осуществлено за один переход, поскольку суммарное значение щ в опасной точке за две операции не превышает 0,5-0,6. Таким образом, можно значительно повысить производительность процесса, а также избежать трудоемких операций химикотермической обработки между проходами профилирования.

В итоге применение рационального профиля трубы способствует использованию в теплообменных аппаратах труб из малопластичных материалов (например, титана, коррозионностойких сталей), применение которых ранее ограничивалось высокой степенью поврежденности. При этом их получение не требует применения процессов термообработки и связанных с ними вспомогательных операций.

В четвертом разделе рассмотрены процессы профилирования труб специального назначения, к которым отнесены профильные перекрыватели нефтяных и газовых скважин, трубы - заготовки для производства гидродвигателей, имеющие гипо- и эпитрохоидный профиль, и чехловые трубы для нужд атомной промышленности.

Применение профильных перекрывателей нефтяных скважин позволяет получить большой технический и экономический эффект. Известны свыше 20-ти различных типов перекрывателей, применение которых обусловлено особенностями условий бурения и зон осложнения, типом скважины и ее диаметром, глубиной и продольным профилем. В настоящей работе приведены результаты поставленной нами впервые и решенной задачи определения рационального профиля поперечного сечения тонкостенной трубы большого диаметра 326х6 (t/D=0,0184), имеющей среди всех типов таких труб наибольшую усадку по диаметру (65 мм). Заготовка имеет продольный сварной шов.

По методике, рассмотренной в предыдущем разделе, варьировали шириной торообразного ролика (рис. 10).

а б в

Рис. 10. Профилирование труб роликами: а- узким, б - широким торообразным, в - широким с криволинейной поверхностью.

а	б

Рис. 11. Распределение давления на контакте для узкого (а)

и широкого (б) роликов.

Установлено, что наименьшая величина поврежденности в опасной точке обеспечивается при обработке «широким» роликом (соотношение радиусов выступов и впадин по средней линии 1/2,2). Определены эпюры давления на инструмент для этих двух случаев (рис. 11). Методом направленного перебора вариантов найдено, что обеспечить наиболее равномерное распределение давления металла возможно при использовании ролика с криволинейной катающей поверхностью, аппроксимация которой выполнена с наилучшим приближением логистической функцией вида:

,	(17)

Осуществлен поиск угловой ориентации сварного шва при профилировании трубы с целью обеспечения наиболее благоприятных условий его деформации. Предположили, что она может быть определена точкой перегиба профиля трубы в поперечном направлении, которую нашли из трансцендентного уравнения:

,	(18)

где ; .

Эпюры распределения показателей напряженного и деформированного состояния показали справедливость этого предположения (рис. 12).

а	б

Рис. 12. Интенсивность деформации (а) и показатель напряженного состояния (б) при профилировании широким роликом.

Угловая ориентация трубы в волочильно-профилирующем стане может быть выполнена по шаблону, имеющему 12 точек, являющихся предпочтительными для размещения сварного шва. В итоге определены рациональный профиль трубы и рабочего инструмента.

Распределение первого главного напряжения 1 и показателя напряженного состояния /T по толщине стенки трубы различно для выступа и впадины профиля (рис. 13). Для зоны выступа с перемещением от внутренней к наружной поверхности трубы обе эти величины растут, при этом точка смены знака для /T лежит в области середины стенки трубы, а 1 принимает нулевое значение в области 4,5 мм от внутренней поверхности.

а	б

Рис. 13. Распределение первого главного напряжения 1 (МПа) и показателя напряженного состояния /T по толщине стенки для выступа (а) и впадины профиля (б) (широкий ролик).

Для зоны впадины профиля картина обратная - от внутренней к наружной поверхности трубы обе эти величины монотонно убывают, причем /T меняет знак на расстоянии около 2,5 мм от внутренней поверхности трубы, а 1 - около 2 мм. Такое распределение этих показателей указывает на смещение нейтральной оси: для зоны выступа - к наружной поверхности трубы, а для зоны впадины профиля - к внутренней поверхности. Этот анализ подтвердил сделанный ранее вывод.

Для определения полного давления металла на ролик контактную поверхность очага деформации описали удлиненным эллипсоидом вращения, проекция которого на контактную плоскость имеет вид эллипса с большой полуосью M и малой m. В том случае, когда давление на ролик примерно равномерное, то усилие определено в виде:

,	(19)

где ; .

Усилие, необходимое для протягивания трубы через неприводную шестироликовую волоку:

,	(20)

гдеа - плечо равнодействующей усилия профилирования; d и - диаметр цапфы роликовой опоры и коэффициент трения в подшипниках; RЗ - наружный радиус трубной заготовки.

Предельное значение обжатия по радиусу находим из уравнения:

,	(21)

где - предел текучести материала с учетом упрочнения;

t - толщина стенки трубы.

После профилирования труб в скважине их раздают различными способами, причем промежуточная термообработка не проводится вследствие особенностей технологии. На первом этапе проанализированы изменения поврежденности металла при раздаче профильной трубы коническим пуансоном (рис. 14), и сравнивали два случая предварительной деформации различными типами роликов (табл. 2).

Рис. 14. Схема очага деформации при раздаче коническим пуансоном.

Таблица 2.

Поврежденность металла в зависимости от вида обработки.

Вид процесса	Вид деформации	Суммарное значение щ за две операции без промежуточного отжига
	Профилирование	Раздача конусом
	Номера точек*	Номера точек*
			Номера точек
	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
Профилирование узким торообразным роликом	0,576	0,029	0,628	0,044	0,086	0,011	0,909	0,251	0,662	0,040	1,537	0,295
Профилирование широким торообразным роликом	0,331	0,135	0,272	0,077	0,168	0,011	0,299	0,251	0,499	0,146	0,571	0,328

(*) - см. рис. 12

Профилирование широким роликом при раздаче конусом обеспечивает в опасных точках почти трехкратное снижение поврежденности. Далее исследовали при исходном профилировании широким роликом различные случаи возможных граничных условий при раздаче.

Значительных преимуществ различного рода можно добиться при использовании специальных способов приложения дополнительных нагрузок к профилю при раздаче. Так, для снижения усилия проталкивания конуса через профиль может быть использован способ, включающий дополнительную подачу внутрь профиля трубы жидкости высокого давления. При этом усилие проталкивания конуса значительно снижается, улучшаются условия трения на рабочей поверхности конуса. Последнее связано с тем, что профиль раздается до некого промежуточного положения при помощи одного только давления жидкости, а окончательная раздача и калибровка профиля производится конусом. В то же время значительного повышения щ при раздаче конусом не происходит. Так, в рассматриваемом случае щ (суммарная за две операции) возросла с 0,571 до 0,617. Следует отметить, что при раздаче с трубы с подачей жидкости высокого давления следует рассматривать характерные случаи, при которых раздаваемая труба ограничена снаружи цилиндрической стенкой наружной трубы, либо не имеет такого ограничения. Операция раздача трубы в первом случае сталкивается с ростом деформации в характерных опасных точках профиля, что может объясняться недостаточной величиной зазора между конусом и стенкой наружной ограничивающей трубы и развитием пластических деформаций по толщине стенки трубы. Указанное явление приводит к росту поврежденности металла. Так, для рассматриваемых случаев раздача с ограничением и без него приводят к возникновению максимальных величин щ по профилю соответственно 0,515 и 0,404.

Кроме воздействия на внутреннюю и внешнюю стенки трубного профиля, возможно также приложение нагрузок к торцевым сечениям профиля. Так, путем закрепления одного из торцов трубы и приложения давления 140 МПа к другому удалось добиться снижения максимального значения щ по профилю за две операции на 2%, причем было получено более равномерное распределение щ по профилю. С ростом давления наблюдается дальнейшее снижение величины максимального по профилю щ, и, соответственно суммарного значения щ за две операции. Для величины давления 170 МПа снижение суммарного максимального по профилю значения щ достигает уже 50%. Следует отметить, однако, что дальнейшее повышение давления подпора связано с искажением формы профиля.

Растяжение профилируемого участка позволяет добиться получения формы профиля, имеющей большую точность после раздачи, однако расчеты показывают, что максимальная по профилю величина поврежденности при раздаче достигает 0,76, что в сумме по двум операциям приводит к появлению микротрещин, и невозможности дальнейшей эксплуатации трубных изделий.

Для раздачи цилиндрических концов труб следует использовать раскатку труб роликами при вдавливании устройства. Очаг деформации содержит обрабатываемую трубу и деформирующие цилиндрические или конические ролики, установленные на опорном конусе и имеющие калибрующий участок. При вращении опорного конуса и подаче его в осевом направлении ролики обкатываются вокруг оси устройства, производя раздачу трубы. Напряженное состояние при раскатке вдавливанием характеризуется двумя сжимающими напряжениями, действующими вдоль оси трубы уп, и по нормали к поверхности ролика - уу и одним окружным растягивающим напряжением. Среднее значение показателя напряженного состояния и параметр Лоде найдены в виде:

, ,	(22)

где .

В этих формулах - среднее за один акт сопротивление пластической деформации,- коэффициент трения; б - угол наклона роликов к оси трубы; и - конечный и начальный диаметры трубы по средней линии.

Для определения деформированного состояния используем принцип возможных его изменений. При осевой подаче раскатного устройства происходит увеличение диаметра трубы и уменьшение ее длины. Определив величины радиального и осевого перемещения, нашли работу внешних сил и внутренних сопротивлений, и рассчитали единичную степень деформации.

Можно принять, что за один оборот раскатника , , тогда и будут постоянными величинами, и для расчета поврежденности использовать формулу:

,	(23)

где ,..-степень деформации за один к-ый оборот раскатника;

,..- степень деформации до разрушения;

ак- показатель пластического разрыхления на к-ом обороте раскатки.

Крутящий момент, необходимый для вращения устройства при раскатке, нашли в виде:

,	(24)

гдеz - число роликов; R - средний радиус опорной конической поверхности; t - средняя толщина стенки трубы; и - степень деформации сдвига и степень деформации за один оборот; а, и - величины, характеризующие геометрию очага деформации.

На этой основе составлен алгоритм и программа расчета процесса раскатки и произведены численные расчеты, которые показывают, что значение щ, найденное по формуле (23) существенно меньше, чем при раздаче трубы по тому же маршруту конусом за один переход. Следует отметить, что с уменьшением подачи на оборот значение щ снижается. Снижение этой величины наблюдается также с ростом числа оборотов раскатника при заданном изменении диаметра. Аналогичные формулы и результаты получены для процесса раскатки труб при раздаче растяжением.

Получение труб-заготовок для производства забойных гидродвигателей с гипо- и эпитрохоидным профилем может быть выполнено на основе оправочного волочения с последующим закручиванием. Определены условия получения труб повышенной точности. Чехловые трубы для атомной промышленности предложено получать на основе оправочного волочения, при этом определено давление на инструмент (рис. 15), что позволяет рекомендовать марку его материала, вид смазки, и определить усилие волочения с целью выбора параметров стана.

а	б

Рис. 15. Давление металла на волоку (а) и оправку (б), МПа.

Изучены процессы многопереходного профилирования труб без промежуточных отжигов. Для интенсивно упрочняющегося материала, а также при наличии значительных градиентов деформаций многопереходная деформация без промежуточных отжигов приводит к возникновению неоднородности механических свойств материала, которые изменяются как в поперечном сечении изделия, так и в целом от одного перехода к другому. Тогда у материала с упрочнением при наличии неоднородности деформации возникает неоднородность механических свойств, которая значительно влияет на напряженно - деформированное состояние, а также поврежденность металла и определяет, в конечном счете, служебные свойства изделия, полученного многопереходным деформированием без отжигов. Рассмотрен случай упруго однородного, но пластически неоднородного тела. Известно, что единственным отличием системы уравнений теории пластичности от случая однородности механических свойств является зависимость предела текучести от координат. Это определяет известные трудности решения системы уравнений теории пластичности.

Получим вариационное уравнение деформирования нелинейно упрочняющегося тела. Пусть оно имеет предварительную неоднородную деформацию ГП. Записав выражение для потенциальной энергии пластической деформации, принимая, что закон упрочнения одинаков для всех точек тела, используя модель среды в виде известного степенного закона, и учитывая условие текучести Мизеса получаем:

,	(25)

где V1 и V2 - части всего объема тела V (V=V1+V2), находящиеся в пластическом и упругом состоянии.

Поврежденность металла щ для трехэтапного профилирования без промежуточных термообработок следует определять в виде:

	(26)

где, , - накопленные степени деформации в переходах 1, 2 и 3;

- степень деформации до разрушения.

Разработанный алгоритм расчета (рис. 16) параметров многопереходного волочения, включает итерации по изменению профиля заготовки, инструмента и приложения нагрузок. В качестве примеров рассмотрено профилирование многолучевых и овальных труб волочением, а также волочение прямоугольной трубы с большим отношением сторон, причем последний переход выполнен с применением оправки.