Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель работы и задачи исследования .
1.1. Обзор и классификация существующих методов гибки труб 8
1.2. Классификация и краткий анализ методов снижения погрешностей, возникающих при гибке труб 14
1.3. Анализ методов гибки труб наиболее часто используемых в современном производстве 21
1.4. Выводы 40
1.5. Цель работы и задачи исследования 41
2. Выявление главных закономерностей процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большими натягами
2.1. Анализ возможностей метода гибки труб с раскатыванием 42
2.2. Выбор исходной расчетной схемы оболочки 45
2.3. Определение предельных упругих деформаций кольца и натяга, необходимого для образования пластических шарниров 47
2.4. Определение предельных пластических деформаций кольца и натяга, необходимого для их образования 50
2.5. Теоретическая оценка снижения изгибающих усилий при гибке труб, раскатываемых с малым числом роликов 57
2.6. Уточнение натяга с учетом эффекта растяжения от малых растягивающих сил 66
2.7. Выводы 73
3. Экспериментальная проверка главных закономерностей гибки труб, раскатываемых с большими натягами 74
3.1. Оборудование, используемое в экспериментах 75
3.2. Приспособления, используемые в экспериментах 80
3.3. Раскатной инструмент, используемый в экспериментах 84
3.4. Условия проведения экспериментов 85
3.5. Результаты проведенных экспериментов 86
3.6. Погрешности, возникающие при неправильной настройке станка 105
3.7. Выводы 112
4. Инженерная методика построения технологического процесса гибки труб, раскатываемых с большими натягами 107
4.1. Выбор схемы гибки 114
4.2. Выбор длины заготовок 116
4.3. Выбор технологических параметров гибки 118
4.4. Расчет утонения наружной стенки изгибаемой трубы 119
4.5. Расчет минимально допустимого натяга 126
4.6. Настройка трубогибного станка и гибка изделий 127
4.7. Контроль качества изделий 127
4.8. Выводы 128
5. Результаты производственных испытаний и внедрение в производство 129
5.1. Внедрение станка для холодной гибки труб модели № 1 (СХГТ-1)
(МУ «Городское коммунальное хозяйство» г. Златоуст) 129
5.2. Внедрение станка для холодной гибки труб модели № 2 (СХГТ-2) (РСП «Уралсантехэнерго» г. Уфа) 131
5.3. Внедрение станка для холодной гибки труб модели № 3 (СХГТ-3) (АО «Ашинский металлургический завод» и ОАО «Усть-Катавмежрайгаз») 135
5.4. Использование результатов работы в учебном процессе 139
5.5. Выводы 141
Общие выводы по работе 142
Библиографический список 144
- Анализ методов гибки труб наиболее часто используемых в современном производстве
- Определение предельных пластических деформаций кольца и натяга, необходимого для их образования
- Погрешности, возникающие при неправильной настройке станка
- Настройка трубогибного станка и гибка изделий
Анализ методов гибки труб наиболее часто используемых в современном производстве
Трубы имеют широкое распространение в промышленности и в быту в качестве элементов трубопроводов, транспортирующих однородные жидкости и газы, пар, продукты, содержащие твердые частицы. Для широкого применения трубопроводов требуется максимальная механизация процессов изготовления большого числа их криволинейных участков, которые служат для рациональной компоновки трубопроводов.
Гибка труб является одной из основных операций технологического процесса изготовления деталей трубопроводов. Она нашла весьма широкое и разностороннее применение в различных отраслях общего и специального машиностроения: автостроении, самолетостроении, нефтяной и газовой промышленности и т.д. Несмотря на это, в современных производственных условиях практически невозможно осуществить качественную гибку в холодном состоянии труб диаметром более 40 мм, поскольку она сопровождается нежелательными для последующей эксплуатации явлениями: утонением стенки на внешней части гиба, овализацией (сплющивание) поперечного сечения в гибе, образованием гофр и изломов на внутренней части гиба, что обусловлено значительными усилиями изгибания, поэтому не удается получить радиусы гиба менее 3,5...4,5 диаметра трубы. Гибка труб диаметром свыше 50 мм на такие радиусы гиба в основном осуществляется путем проталкивания нагретой трубы через рогообразный сердечник-дорн либо с применением узкозонального нагрева ТВЧ. Первое требует дорогостоящего технологического оборудования и осуществляется, как правило, на специализированных заводах. Второе характе-резуется низкой производительностью. А ведь именно трубопроводы диаметром от 50 до 100 мм являются самыми распространенными в коммунальном хозяйстве. Криволинейные участки трубопроводов этих диаметров требуются при ежегодных ремонтно-восстановительных работах в больших количествах.
Таким образом, на сегодняшний день основным средством снижения усилий гибки является нагрев, что требует больших энергозатрат. Поэтому исследование холодной гибки является актуальным и позволяет значительно усовершенствовать процесс гибки труб в холодном состоянии.
Данная работа выполнена в соответствии с Федеральной межвузовской программой «Конверсия - 97. Технологии двойного назначения». Тема диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ЧГТУ - «Совершенствование оборудования и технологии в машиностроении» (направление № 2). Работа выполнена в составе хоздоговорных научно-исследовательских работ по заказу Министерства среднего машиностроения СССР в 1981-1991 г.г. в соответствии с отраслевыми планами научно-исследовательских работ (тема № ТТ1-656-88) и научной программой «Технические университеты России».
Научная новизна работы
1. Выявлен механизм достижения предела текучести стенок трубы за счет создания сложнонапряженного состояния стенок трубы ее раскатыванием с большими натягами при значительном снижении усилий гибки.
2. Обоснована целесообразность применения при гибке с раскатыванием малого количества деформирующих элементов (ДЭ). Установлено их критериальное количество - 3 или 4, которое следует применять в раскатном инструменте для устранения раздачи трубы по диаметру и обеспечения наиболее эффективного снижения усилий гибки. Показано также, что применение 4-элементного раскатника требует на 15...20% больших усилий гибки по сравнению с 3-элементным раскатником, но снижает овальность в 4...6 раз.
3. Определен диапазон рабочих натягов, позволяющих достигать сложнонапряженного состояния стенок трубы и обеспечивать высокое качество формы поперечного сечения криволинейных участков трубопроводов.
4. Установлено, что в диапазоне рабочих натягов существует зона рациональных натягов, при которых усилия гибки минимальны. 5. Выявлено, что скорость подачи трубы влияет как на усилия гибки, так и на качество изделий, в частности снижение подачи с 160 до 40 мм/мин уменьшает усилия гибки на 20...25% и снижает овальность в 1,5...2 раза.
Практическая ценность работы
1. Разработаны рекомендации по назначению главных технологических параметров гибки: натяга, скорости подачи трубы, количества ДЭ в раскатнике и величины вылета раскатника относительно центра гибочного ролика.
2. Разработано оборудование для гибки горячекатанных и шовных труб диаметром 57... 114 мм из сталей обыкновенного качества. Испытания показали, что гибка труб с раскатыванием обеспечивает требуемое качество изделий.
3. Предложены рациональные маршруты изготовления различных изделий методом гибки труб с раскатыванием, которые могут быть приняты за основу при технологической подготовке производства.
4. Разработана инженерная методика построения технологического процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большими натягами.
5. Оборудование для гибки с раскатыванием внедрено на 5 предприятиях и в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 120100.
На защиту выносятся
1. Виброреологический механизм достижения предела текучести стенок трубы, обеспечивающий снижение усилий гибки в 2.. .2,5 раза.
2. Механизм создания предельно упругого и предельно пластического сложнонапряженного состояния стенок трубы. Расчет натягов, необходимых для достижения этих состояний. Обоснование применения малого количества ДЭ в раскатнике при гибке труб с раскатыванием.
3. Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния натяга, скорости подачи трубы и количества ДЭ в раскатнике на усилия гибки и овальность поперечного сечения получаемых изделий.
4. Инженерная методика построения технологического процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большими натягами. Практическим результатом работы является внедрение метода холодной гибки труб раскатываемых с большими натягами в производство, позволяющий исключить появление брака, повысить качество изделий и снизить энергозатраты.
Работа состоит из введения, пяти разделов основного текста, основных выводов и библиографического списка. Материал изложен на 154 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков, 7 таблиц и библиографию в количестве 112 наименований.
Исследования выполнены на кафедре «Технология машиностроения, станки и инструменты» филиала Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте.
Определение предельных пластических деформаций кольца и натяга, необходимого для их образования
Предполагается, что в момент разрушения кольца образуются пластические шарниры как в точках приложения сил (т. В), так и посредине между точками приложения сил (т. А) (рис. 38).
Согласно [18] радиальная сила, при которой наступает разрушение, достигает значения
Теперь, определив минимально необходимый натяг, оценим снижение момента, потребного для гибки из трубы крутозагнутых отводов.
При образовании пластических шарниров ширина упругой зоны в точках В и А равна нулю, но поскольку моменты в других угловых точках меньше пластического М Мт = jj h /4, в них имеются зоны упругости, ширину которых - 2 у , можно определить из известного выражения [20]: Из этой квадратичной зависимости момента от ширины зоны упругости, в частности, вытекает, что при снижении момента М относительно момента пластического шарнира Мт на 2% образуется упругая зона шириной 2 у = h /4, при дальнейшем снижении на 8% от Мт , ширина упругой зоны возрастает до h /2, а при снижении момента на треть, ширина упругой зоны сравняется с толщиной стенки h.
Но момент с изменением угла изменяется по зависимости также близкой к квадратичной, поэтому ширина упругой зоны от углового положения точки -практически линейная функция.
То есть ширина упругой зоны вокруг пластического шарнира А практически линейная функция углового положения. Аналогичный результат легко получить и для окрестностей пластического шарнира В при а / 2 и а.
Тогда из рис. 46 очевидно, что 0,4 площади поперечного сечения (площадь заштрихованных участков) при достаточно малой скорости гибки по сравнению со скоростью вращения раскатника вообще не оказывает сопротивления продольным усилиям. Однако и это еще не все, так как и в незаштрихо-ванной упругой зоне существуют значительные внутренние напряжения поперечного направления, и в соответствии с диаграммой Треска Сен-Венана лишь половина площади упругой зоны оказывает полное сопротивление продольным усилиям. Оставшаяся часть (0,2...0,3 общей площади поперечного сечения) оказывает сопротивление в среднем на 50%. Иначе говоря, раскатываемому с минимально необходимым натягом сечению трубы с толщиной стенки h по сопротивлению изгибу трубы эквивалентно нераскатываемое сечение со средней толщиной стенки h При достаточно малой подаче, даже при минимальном необходимом натяге (2.25) момент, потребный для гибки крутозагнутых отводов, снижается не менее чем вдвое. При значительном увеличении натяга можно обеспечить еще большее снижение момента гибки, так как при достаточно большом увеличении натяга необходимо учитывать увеличение радиуса кривизны дуг ВАВ при существенном уменьшении угла ct) по сравнению с а = и I п (рис. 47). Однако при этом существенно вырастают и окружные растягивающие усилия, что весьма нежелательно.
Дело в том, что хотя при малом числе роликов и минимальном натяге растягивающие напряжения обычно не достигают и 20% от величины aTh, которая, казалось бы, необходима для необратимого растяжения периметра сечения трубы, так согласно (2.20) и (2.19) но существует механизм вибрационного характера, который при пластическом знакопеременном изгибе приводит к неограниченному удлинению сколь угодно малыми растягивающими силами. При этом скорость удлинения периметра поперечного сечения трубы, а значит скорость раздачи диаметра и падения натяга, пропорциональны величине растягивающих сил N.
Погрешности, возникающие при неправильной настройке станка
При настройке станка следует использовать настроечные значения технологических параметров гибки из табл. 3.2. Если эти значения не соответствуют указанным, то в ходе гибки могут возникнуть те или иные погрешности продольного и поперечного сечений криволинейных участков. В ходе эксперимен 105
тов были установлены возможные виды погрешностей, неполадки станка, причины их возникновения и даны рекомендации по их устранению (табл. 3.3).
1. Экспериментально подтверждено снижение усилий гибки в 2,5...3,5 раза при использовании раскатывания с большими натягами.
2. Выявлено, что величина натяга значительно влияет на усилия гибки -величина изгибающего момента может изменяться от 3 до 10 кНм с изменением натяга от 2,5 мм до 0 мм
3. Установлено, что для каждого диаметра трубы существует рациональный диапазон натягов, при котором усилия гибки минимальны. Экспериментально доказано, что при работе в этом диапазоне натягов погрешности поперечного сечения гнутых труб минимальны.
4. Экспериментально установлено, что величина подачи трубы влияет на усилия гибки и качество изделий. При уменьшении величины подачи трубы с 160 до 40 мм/мин усилия гибки снижаются в 1,5... 1,8 раза, а овальность уменьшается в 1,2... 2,0 раза.
5. Доказано, что в раскатном инструменте следует использовать 3 или 4 деформирующих элемента. Причем 3-х элементная раскатка дает наибольшее снижение усилий гибки, но при использовании раскатки с 4-я деформирующими элементами овальность уменьшается в 1,7...2,2 раза.
6. Определены оптимальные величины технологических параметров для гибки с раскатыванием труб диаметром от 57 до 114 мм с толщиной стенки от 2 до 6 мм. В основу методики построения технологического процесса гибки труб, раскатываемых с большими натягами, положены результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей гибки труб с раскатыванием, а также разработанные ранее рекомендации по гибке труб в холодном состоянии.
Применение раскатывания с большими натягами при гибке труб создает ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологического процесса гибки. Появляются новые технологические параметры гибки, которые очень сильно влияют на силовые и точностные характеристики процесса гибки. Раскатывание с большими натягами создает зону пластичности, в которой и происходит гибка. Это приводит к укорачиванию заготовки и существенному изменению толщины ее стенок в зоне гиба. Таким образом, появляется необходимость в разработке технологического процесса холодной гибки труб с раскатыванием.
Блок-схема построения технологического процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большими натягами представлена на рис. 93. Инженерная методика построения ТП предусматривает выполнение шести этапов: 1) выбор схемы гибки; 2) выбор длины заготовок; 3) выбор технологических параметров гибки; 4) расчет утонения наружной стенки трубы; 5) расчет минимального допустимого натяга; 6) контроль качества изделий и корректировка технологических параметров гибки. Исходными данными для построения технологического процесса являются: а) диаметр трубы и радиус гиба. Так как данная технология использует способ гибки трубы "наматыванием" ее на ролик-шаблон, то для каждого диа метра трубы и каждого радиуса гиба необходимо изготовить свой ролик шаблон; б) толщина стенки трубы. Наилучшим образом для гибки с раскатывани ем подходят тонкостенные трубы с соотношением D„/S от 12,5 до 40 и часть сортимента толстостенных труб с DH/S от 8 до 12,5. Причем труба может быть как бесшовной холодно деформированной, бесшовной горячекатаной, так и сварной с высотой сварочного шва до 1,5 мм. в) уатериал трубы. Гибка с раскатыванием сопровождается значительны ми пластическими деформациями, поэтому основным требованием к материалу трубы является достаточный запас пластичности. Проведем расчет требуемого относительного удлинения материала при гибке с раскатыванием. Сначала рассмотрим идеализированный вариант гибки трубы, при котором поперечное сечение трубы остается неизменным.
Настройка трубогибного станка и гибка изделий
При гибке с раскатыванием происходит износ раскатного инструмента, приводящий к уменьшению величины натяга. Качество изделий понижается, хотя потери устойчивости и сплющивания трубы не происходит до определенного предела. Рассчитывать минимально допустимый натяг, при котором начинает исчезать кольцевая зона пластичности, можно по формуле где R - радиус трубы; h - толщина стенок трубы; ат - предел текучести материала трубы; Е - модуль упругости материала трубы; а - угол между деформирующими элементами.
Контроль величины натяга следует производить через каждые 5-7 деталей.
Настройка трубогибного стана производится в соответствии с выбранными технологическими параметрами и осуществляется в порядке, приведенном в 3 главе.
Гибка изделий на станке производится согласно порядку работы на станке, описанному в 3 главе.
При неправильной настройке станка или установке технологических параметров за зонами оптимальности могут возникать погрешности, характерные как для любой гибки труб, так и специфические - появляющиеся только при-гибке труб с раскатыванием. Виды этих погрешностей и пути их устранения приведены в табл. 3.3.
1. Разработана инженерная методика построения технологического процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большими натягами.
2. Проведен расчет требуемого относительного удлинения материала трубы для гибки на различные радиусы гиба.
3. Установлены наиболее рациональные схемы гибки труб при гибке с раскатыванием и расчитаны требуемые для этого длины заготовок.
4. Приведен удобный расчет утонения наружной стенки изгибаемой трубы от воздействия различных технологических факторов.
5. Выявлены погрешности, возникающие при гибке труб с раскатыванием, и приведены пути их устранения.
Похожие диссертации на Повышение эффективности процесса формообразования криволинейных деталей трубопроводов за счет воздействия на трубу вращающимся раскатником
