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

Так, при исследовании волочения многолучевой трубы (рис. 17) определено, что поле значений предела текучести и интенсивности напряжений весьма неоднородно (рис. 18). Учтены особенности расчета поврежденности для многопереходных процессов, найдено, что трубы из стали 20 и 12Х18Н10Т могут быть протянуты в три перехода, а для титана ВТ 1-0 требуется промежуточный отжиг.

Рис. 16. Блок - схема алгоритма расчета параметров многопереходного волочения.

Рис. 17. Формоизменение многолучевых труб при многопереходном волочении (а, б, в - переходы профилирования, г - калибровка волок, 1,2,3 - выходные сечения канала).

Рис. 18. Распределение полей неоднородности пластических свойств фs , и интенсивности напряжений i по сечению профиля, МПа.

Установлено также влияние степени толстостенности трубы, причем в этом случае даже для пластичного материала выполнить три перехода невозможно. На основе проведенных расчетов даны рекомендации по рациональному ведению многопереходных процессов.

В пятом разделе работы сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований, описана аппаратура и методики экспериментов, и приведены результаты экспериментальных исследований процессов профилирования. Эксперименты проведены при широком варьировании материалами труб (10 видов: 3 марки сталей, по 2 - сплавов алюминия, меди и титана, сплав циркалой-2) и способами их обработки. Исследовали волочение с использованием монолитных и роликовой волок, а также процесс кручения для получения винтовых труб. Сопоставление теоретических результатов с экспериментами проводилось по форме и размерам объемного очага деформации и готовых труб, по форме поперечного сечения четырех- и шестилучевых труб при продольном профилировании в роликовой волоке, по энергосиловым параметрам процесса профилирования и показателям деформированного состояния.

Использование лазерного и светоотраженного сканирования позволило создать методику интеллектуализации контроля размеров и формы профильных труб, элементы которой содержат определение массива точек поверхности трубы, его триангуляцию и измерение размеров средствами CAD- пакета.На этой же основе определили формоизменение при кручении.

Для исследования деформированного состояния применили микроструктурный метод, а оценку напряженного состояния в характерных точках выполнили на основе измерения твердости.Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало их удовлетворительную сходимость, что говорит об адекватности выбранных моделей процессов.

В шестом разделе приведены сведения о разработке новых технических решений по реализации процессов профилирования труб, которые выполнены с использованием проведенных теоретических и экспериментальных исследований. В частности, определена рациональная форма профиля волочильного канала рабочего инструмента в продольном направлении на примере восьмигранной трубы и в поперечном направлении на примере плоскоовальной трубы. С учетом определяющих показателей, разработан алгоритм итерационного процесса при поиске рациональной формы поперечного сечения.

На этой основе предложена также процедура поиска конфигурации технологического инструмента, предназначенного для станочной обработки рабочего канала волоки при многопереходных процессах. Описана разработка технического задания на стан для производства винтовых труб кручением, приведены технические решения, позволяющие повысить эффективность процессов профилирования и качество труб. Эти решения касаются разработки нового рабочего инструмента и устройств, защищенных 12 патентами Российской Федерации.

В частности, разработана конструкция роликовой волоки с повышенной жесткостью, позволяющая осуществлять волочение различных типоразмеров труб путем ее настройки, а также получать ряд различных профилей в определенном диапазоне типоразмеров; устройства для профилирования труб, позволяющие получать трубы с винтовым профилем различных типоразмеров, в том числе и с непрофилированными концевыми участками, переменным по длине профилем; устройство для раскатки труб роликами, позволяющее производить раздачу профильных труб специального назначения в зоне их установки в скважине; устройство для закручивания труб, позволяющее получать трубы с винтовым профилем в широком диапазоне размеров; стан с траковыми тяговыми устройствами, позволяющий создавать при профилировании особые режимы приложения рабочих нагрузок к заготовке; стан для получения овальных труб; устройство для накатки профиля при помощи приводных роликов или гибких профильных элементов, позволяющее получать профили различных типоразмеров, в том числе и с большой глубиной вдавливания.

Заключение

Выполненная работа является комплексным исследованием, содержащим новые научные, теоретические и экспериментальные результаты, и направленным на совершенствование существующих и разработку новых процессов, рабочего инструмента и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе анализа, позволяющего определить формоизменение труб, напряженно - деформированное состояние металла, изучить его деформируемость, определить энергосиловые параметры, установить условия получения труб повышенной точности, найти рациональную конфигурацию профилей готовых изделий и рабочего инструмента.

По работе представлены следующие выводы и результаты:

1. Проведение исследований существующих и разработка новых процессов профилирования определены необходимостью расширения сортамента профильных труб, применения новых материалов для их изготовления, а также потребностью в создании методов проектирования маршрутов профилирования и рабочего инструмента, повышения точности труб. Для рассмотренных типов профильных труб разработана общая методика построения расчетных моделей, а также открытая база данных, позволяющая путем параметризации обобщенной схемы строить геометрические модели конкретных способов профилирования.

2. Создание моделей процессов профилирования труб выполнено на основе объемного геометрического моделирования, а для параметрического анализа процесса использована математическая модель, содержащая полную систему уравнений механики сплошной среды.

3. При исследовании продольного профилирования установлено, что интенсивность деформаций и напряжений, давление металла на инструмент, показатель напряженного состояния и поврежденность распределены по сечению трубы неравномерно и зависят от степени толстостенности трубной заготовки, сил трения на контакте, материала труб. Использование особой схемы приложения нагрузок позволяет создать условия для снижения поврежденности металла, а также осуществлять профилирование труб из малопластичных материалов и повысить их точность.

4. Разработанная методика определения напряженно - деформированного состояния при профилировании волочением в монолитной волоке и кручением позволяет выбрать рациональную форму многолучевой трубы с целью минимизации поврежденности после этих операций, в результате чего возможно применить для изготовления ранее не использовавшиеся материалы.

5. Для труб-заготовок перекрывателей нефтяных и газовых скважин выбор формы поперечного сечения готового профиля выполнен на основе изучения поврежденности металла после двух операций, при этом наименьшую величину этого показателя, а также равномерное распределение удельного давления металла на инструмент можно получить, производя деформацию роликом, имеющим найденную рациональную форму. Определены условия раздачи труб коническим пуансоном при воздействии особых схем приложения нагрузок.

6. Получение винтовых граненых труб с эпи- и гипотроходным профилем повышенной точности возможно при помощи волочения труб на неподвижной оправке и последующего закручивания профиля.

7. Определены условия, при выполнении которых могут быть получены шестигранные чехловые трубы, имеющие заданную точность формы, для которых определено давление металла на волоку и оправку, и найдены энергосиловые параметры процесса волочения.

8. При изучении многопереходных процессов профилирования принята модель пластически неоднородной среды и получено вариационное уравнение, обобщающее определяющие уравнения механики очага деформации. Напряженно-деформированное состояние и поврежденность металла для многопереходного профилирования многолучевых, овальных и прямоугольных труб с большим отношением сторон профиля определено с учетом истории деформирования.

9. Комплексное экспериментальное исследование, осуществленное при широком варьировании материалами, геометрическими параметрами заготовок, формой поперечного сечения готовых труб и способами их обработки, позволило выполнить сопоставление результатов эксперимента с теоретическими исследованиями по форме, напряженно-деформированному состоянию и энергосиловым параметрам, разработана методика интеллектуализации контроля размеров и формы готовых труб. Показана корректность принятых допущений и адекватность теоретических моделей.

10. Осуществлен выбор рационального поперечного и продольного профиля волочильного инструмента, при изготовлении труб с большим отношением сторон профиля учли упругую деформацию труб с целью определении их готовых размеров и корректировки размеров рабочего инструмента.

11. Разработан ряд новых эффективных конструкций устройств и инструмента для получения профильных труб, защищенных 12 патентами РФ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Паршин С.В., Огородникова О.М. Моделирование технологических процессов в САЕ -пакете ANSYS 7 / САПР и графика, 2003. № 2. С.58-59.

2. Семенова Н.В., Паршин С.В. Анализ способов производства профильных труб /Межвузовский международный сборник научных трудов «Обработка сплошных и слоистых материалов»; Магнитогорск, 2004. Вып. 30. С.87-97.

3.Паршин С.В. Исследование очага деформации и разработка машины для получения низкопрофильных витых труб.Материалы 1-й Российской конференции по трубному производству «Трубы России - 2004», Сб. науч. трудов, 2004. С.107-115.

4.Паршин С.В. Определение напряженно - деформированного состояния при планетарной обкатке труб роликами.Мат. Всерос. науч. - техн. конф., посв. 100-летию со дня рождения акад. А.И. Целикова. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. С. 388-393.

5. Паршин С.В., Семенова Н.В. Конечно-элементное моделирование процесса пластической деформации при профилировании труб. Вестник УГТУ-УПИ №11 (63). Компьютерный инженерный анализ. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. С.84-85.

6.Паршин С.В., Семенова Н.В. Моделирование процесса безоправочного волочения профильных труб В сб.: «Пластична деформацiя металiв», Науковi вiстi. Сучаснi проблеми металургiп, Днiпропетровськ, 2005. - С.428-430.

7.Паршин С.В., Семенова Н.В. Моделирование процесса изготовления профильных труб волочением в монолитной волоке. Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов: Труды междунар. науч. - техн. конф. СПб.:Изд-во Политехн. Ун-та, 2005. с.103-106.

8. Паршин С.В. Профилирование инструмента для повышения точности тянутых плоскоовальных труб. Вестник УГТУ-УПИ. №18 (70), ч.1, Екатеринбург, 2005. С. 193-196.

9. Паршин С.В., Семенова Н.В. Моделирование процесса и разработка стана для профилирования труб / В сб.: «Наука и технология». Избранные труды российской школы. Серия ТиМОД.- М. : РАН, 2005. С. 119-121.

10. Паршин С.В. Семенова Н.В. Повышение эффективности процесса профилирования многогранных труб.Сборник научных трудов международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», Липецкий государственный технический университет, 2006. С. 193-196.

11. Паршин С.В. Процессы и машины для изготовления профильных труб.Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2006. 356 с.

12. Паршин С.В. Влияние условий приложения технологических нагрузок на деформируемость металла при профилировании труб. Известия вузов. Черная металлургия, №12, 2007, С. 55.

13. Паршин С.В. Экспериментальные исследования процессов профилирования витых труб. Сборник трудов МГВМИ. Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением, Москва, 2007. С. 190-194.

14. Паршин С.В., Семенова Н.В. Определение рациональной формы волочильного канала для изготовления многогранных труб. Производство проката, №9, 2007, С. 24-27.

15. Паршин С.В. Волочение прямоугольных труб с наложением подпора или противонатяжения. Производство проката. №12, 2008. С. 13-16.

16. Паршин С.В. Деформируемость металла при формовке профильных труб из листа с наложением сжатия в калибре. Известия вузов. Цветная металлургия, №1, 2008, С. 40-42.

17. S.V. Parshin Metal Deformability during Formation of Profiled Pipes from a Sheet under Compression in a Gauge. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2008, Vol.49, №1, Allerton Press, Inc. С. 35-37

18. Паршин С.В. Исследование напряженно - деформированного состояния и деформируемости металла при производстве низкопрофильных витых труб. Производство проката, №11, 2008 С. 31-36.

19. Паршин С.В. Определение размеров и формы сортового проката на основе лазерного и светоотраженного сканирования. Сталь, № 2, 2008, С. 65-67.

20. Паршин С.В. Определение деформированного состояния НПВТ микроструктурным методом. Известия вузов: Черная металлургия , № 2, 2008, С. 67.

21. Паршин С.В. Контроль уровня пластических деформаций при изготовлении профильных труб.Контроль. Диагностика, № 3, 2008. С. 17-19.

22. Паршин С.В. Интеллектуализация контроля размеров профильных труб. Контроль. Диагностика, № 5, 2008, С. 52-56.

23. Паршин С.В. Состояние и перспективы развития производства профильных труб. Производство проката№ 2, 2008, С. 32-35.

24. Паршин С.В. Построение обобщенного очага деформации при профилировании труб. Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ-2008): сборник докладов пятой международной научно-методической конференции, ч.2, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. С. 348-351.

25. Паршин СВ. Компьютерное моделирование процесса профилирования труб со сварным швом. Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ-2008): сборник докладов пятой международной научно-методической конференции, ч.2, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008 С. 351-354.

26. Паршин СВ. Создание модели и разработка устройства для получения винтовых профильных труб. Сборник трудов XII Всероссийской научно -практической конференции "Металлургия: технологии, управление, инновации, качество", СибГИУ, Новокузнецк, 2008. С. 201 -205.

27. Паршин СВ. База данных моделей процесса и обобщенный очаг деформации при профилировании труб. Сборник трудов XII Всероссийской научно - практической конференции "Металлургия: технологии, управление, инновации, качество", СибГИУ, Новокузнецк, 2008. С. 205 -209.

28. Паршин С.В. Раскатка цилиндрических концов труб роликами. Производство проката. №3, 2009. С. 21-23.

29. Паршин С.В. Многопереходное волочение ребристых труб. Известия вузов. Цветная металлургия. №2, 2009. С. 50-54.

30. S.V. Parshin. Multipass Drawing of Finned Tubes. Russian Journal of Non-ferrous Metals, 2009, Vol. 50, No. 2, pp. 128-132.

31. Паршин С.В. Экспериментальное исследование процесса деформации НПВТ. Тяжелое машиностроение. 2009, № 2, С. 35-38.

32. Паршин С.В. Выбор рационального процесса получения и профиля закрученной звездообразной трубы.Производство проката, 2009, № 7, С. 45-48.

Размещено на Allbest.ru