CC BY
314
Rubin Gennadiy Shmul'evich, сandidate of technical sciences, docent, ru-hingsh a gmail. com, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Gun Gennadiy Semenovich, doctor of technical sciences, professor, rector adviser, mgtua magtu. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Polyakova Marina Andreevna, сandidate of technical sciences, docent, m.polyakova-64@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
УДК 621.774.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ГИБКИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ИЗГИБАЕМУЮ ТРУБУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ДЕФОРМИРУЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ
А.В. Козлов, В.Г. Шеркунов
Рассмотрены основные механизмы, приводящие к снижению изгибающих усилий при холодной гибке труб с раскатыванием. Выполнена их экспериментальная проверка
Ключевые слова: гибка труб, раскатывание, механизмы снижения усилий, экспериментальная проверка, оборудование для гибки.
Для рациональной компоновки трубопроводов и других изделий, изготавливаемых из труб, требуется большое количество их криволинейных участков. Гибка труб является основной операцией технологического процесса изготовления криволинейных деталей трубопроводов. Она широко применяется в коммунальном хозяйстве, различных отраслях общего и специального машиностроения: автостроении, самолетостроении, нефтяной и газовой промышленности и т.д. В то же время качественная гибка тонкостенных труб диаметром более 40...50 мм в холодном состоянии затруднена или практически невозможна, поскольку она сопровождается такими нежелательными для последующей эксплуатации явлениями как сплющивание поперечного сечения, образование гофр и изломов на внутренней части трубы, что обусловлено значительными усилиями изгибания, поэтому не удается получить радиусы гиба менее 3,5-4,5 диаметра трубы [1].
Гибка труб диаметром 100.200 мм и выше на такие радиусы гиба
как правило осуществляется в горячем состоянии с применением узкозонального нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). Часть криволинейных вставок в трубопроводы изготавливается путем проталкивания нагретой трубы через рогообразный сердечник-дорн.
Методы горячей гибки требуют исключительно дорогостоящего и энергоемкого технологического оборудования. Достаточно сказать, что станки для горячей гибки стоят в десятки раз дороже станков для холодной гибки и затрачивают на операцию в сотни раз больше энергии. Например, станок для холодной гибки труб диаметром до 100 мм имеет мощность 14 кВт, а станок для горячей гибки аналогичных труб - более 200 кВт.
Поэтому исследование и совершенствование процесса гибки труб в холодном состоянии, в котором значительное снижение изгибающих усилий обеспечивается без нагрева, являются актуальной научно-технической проблемой.
В ряде работ авторами было показано, что воздействие на изгибаемую трубу вращающимся деформирующим инструментом, например шариковым раскатником, существенно снижает потребные изгибающие усилия, что расширяет возможности холодной гибки труб и повышает качество изделий (рис. 1) [2-4].
Теоретические обоснования этого способа холодной гибки были предварительными и весьма приблизительными [3, 5, 6]. При раскатывании тонкостенной трубы с достаточно большими натягами возникает сложное пространственное напряженное состояние трубы далеко за пределами упругости в зоне контакта и облегания трубой деформирующего элемента. С достаточной точностью это физическое явление может быть лишь численно смоделировано трехмерной моделью цилиндрической оболочки, находящейся в условиях контактной задачи в упругопластическом состоянии. Но, к сожалению, и при численном моделировании вычленить главные теоретические механизмы явления достаточно затруднительно [7].
Авторы считают, что в явлении снижения усилий гибки при раскатывании труб возможно участие двух механизмов. Для уяснения механизмов снижения усилий гибки приведем некоторые выводы и оценки. Тонкая стенка трубы облегает поверхность шарика и принимает кривизну, примерно равную его радиусу (с учетом толщины стенки) как в продольном, так и в поперечном направлениях (рис. 2). Так, например, для гибки с раскатыванием стальных труб диаметром 100 мм с толщиной стенки 3...4 мм применялись шарики диаметром 30.40 мм.
Из известной формулы 2у = 2рот /Е имеем оценку толщины упругого слоя порядка 0,1 мм, что по сравнению с толщиной стенки величина пренебрежимо малая. Таким образом, можно приближенно полагать, что в трубе наблюдаются пластические шарниры как в продольном (рис. 3), так и в окружном (рис. 4) направлениях.
Рис. 1. Схема гибки труб с раскатыванием
Рис. 2. Деформация стенок трубы вращающимся шариковым
раскатником
Рис. 3. Образование пластических шарниров при продольных
циклических нагрузках
Рис. 4. Образование пластических шарниров при поперечных
циклических нагрузках
36
Изгибающий трубу момент раскладывается на пару сил, сжимающую в нижней части трубу и растягивающую в верхней ее части. Поэтому есть смысл рассмотреть, как влияют на сопротивление растягивающей силе (или сжимающей, что эквивалентно) моменты, изгибающие растягиваемый элемент с образованием пластических шарниров.
Из предварительных теоретических оценок выясняется, что и в случае, когда растягивающая сила и изгибающий момент лежат в одной плоскости (механизм 1), и в случае, когда эти сила и момент лежат в перпендикулярных плоскостях (механизм 2), величина растягивающей силы может быть как угодно мала (рис. 5) [6, 8].
а
б
Рис. 5. Механизмы растяжения элемента трубы при циклическом изгибе: а - в той же плоскости, б - в перпендикулярной плоскости
Для уяснения первого механизма рассмотрим стержень шириной, равной единице, который нагружаем знакопеременным моментом М так, что средняя линия принимаем кривизну ±1/р. Пусть относительная толщина стержня h/p достаточно велика, чтобы пренебречь толщиной упругого слоя (2у). При приложении к стержню растягивающих сил N, как бы ни были малы эти силы, пластические шарниры становятся асимметричными, а нейтральный слой сдвигается на величину f Нетрудно видеть, что f = N/2oT (рис. 6).
При изгибе только нейтральный слой не испытывает ни удлинения, ни укорочения, следовательно, средний слой стержня и в верхнем, и в нижнем положениях, то есть при изгибе обоих знаков, испытывает удлинение
М' = 1 f/p ,
а за полный цикл знакопеременного изгиба удлинение составит
Д1 = 2Д-Г = 2lf/p = 1Мрот.
ц = М%/ И°пр
Рис. 6. Соотношение влияния изгибающего момента и растягивающих сил
Рассмотрим действие второго механизма. Как известно, пластические деформации пропорциональны и коллинеарны девиатору напряжений:
81 = 1,5 К[о1- Оср];
82 = 1,5 К[О2 - Оср];
83 = 1,5 К[Оз - Оср].
Определим деформации в слое, где растягивающее окружное напряжение равно пределу текучести о1 = от , а о3 = 0:
81 = 1,5 К[от - (О2 + от)/3];
82 = 1,5 К[О2 - (О2 + От)/3].
Деформация продольного растяжения будет 82>0, если растягивающее напряжение о2 > 0,5от.
Если оба напряжения одного знака, то даже если одно достигло от, второе, тем не менее, должно быть не меньше 0,5от.
Если же в сжатом слое О1 = -От , а О3 = 0, то
81 = 1,5 К[-От - (02 - От)/3];
82 = 1,5 К[О2 - (О2 - От)/3],
т.е. 82 >0, даже если о2 = 0 (точнее, уже при о2> -0,5от).
Таким образом, при окружном растяжении оболочки ее достаточно продольно растягивать половинным предельным нагружением, тогда как при окружном сжатии она растягивается сама. Однако зоны пластического шарнира вообще не оказывают сопротивления осевым напряжениям, поскольку необходимо рассматривать совместное решение для растягиваемого и сжимаемого при изгибе слоев выделенного элемента. Сжимаемая
половина ширины оболочки «тянет» вторую, растягиваемую половину в продольном направлении (рис. 7).
Пг
О,
Рис. 7. Распределение напряжений при раскатывании
изгибаемой трубы
После поворота раскатки на угол p/n (где n - число шариков), сжимаемая и растягиваемая половины поменяются местами (возникнет пластический шарнир другого знака).
Таким образом, при гибке труб с раскатыванием имеет место суммарное действие обоих механизмов, что существенно снижает необходимые для удлинения наружной или укорочения внутренней стенок силы растяжения или сжатия соответственно.
Для проверки описанных выше механизмов была произведена серия принципиальных экспериментов [8]. В частности, была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка на базе станка мод. 6Н81Г для проверки первого и второго механизмов (рис. 8).
В качестве деформирующих инструментов применялись соответственно трехроликовая вальцовка (рис. 9) и четырехроликовая головка с двумя парами выпуклых и вогнутых роликов (рис. 10). При перемещении головки 4 вдоль растягиваемой с тарированной силой полосы в одном случае ее знакопеременный изгиб действует в направлении действия растягивающей силы, а в другом - в направлении, перпендикулярном действию силы.
Эксперименты проводились на медных полосах, оТ = 0,5 МПа. При поперечном изгибе пластина толщиной 2 мм имела ширину 15 мм, а при продольном - 5 мм. Опыты проводились при различной массе грузов: 20, кг, 28,6 и 37,2 кг соответственно. Результаты изменения величин удлинения образцов показаны на рис. 11, 12.
В экспериментах использовались также полосы из других материалов: свинцовые, алюминиевые, бронзовые и стальные. Как правило, за один рабочий ход деформирующей головки удлинение полосы составляло от 0,3 до 2 мм в зависимости от величины растягивающей силы. Механизмы продолжают «работать», а полоса удлиняться вплоть до удвоения своей
39
начальной длины.
Рис. 8. Экспериментальная установка: 1 - тисы; 2 - полоса, подвергаемая деформации; 3 - передняя бабка станка;
4 - деформирующая головка для создания знакопеременных циклических деформаций полосы; 5 - зажимные губки; 6 - трос;
7 - сменные грузы
300 290 280 270 260
i 250 с
5 240
230 220 210 200
№ 1 №2 №3
1234
56 Проход
8 9 10 11
Рис. 11. Графики зависимости удлинения полосы от нагрузки при ее деформации трехроликовой вальцовкой
0
7
Таким образом, изгиб тонкостенного элемента резко снижает потребные силы для удлинения (или укорочения) элемента в любом направлении как для сил, лежащих в плоскости циклического изгиба, так и для сил, перпендикулярных плоскости циклического изгиба, а также и под произвольным углом. То есть все составляющие пространственного изгиба при контакте стенок трубы с шариками или роликами обеспечивают снижение потребного момента изгиба трубы.
Описанный выше механизм отвечает и за раздачу, т.е. увеличение диаметра раскатываемой трубы или кольца от действия растягивающих окружных реакций. При небольшом числе шариков или роликов растягивающие кольцо силы во много раз меньше, чем необходимая в статике сила текучести или разрыва. Однако с каждым оборотом раскатки диаметр и длина окружности трубы и кольца неуклонно увеличиваются. В проведенных авторами экспериментах раскатывалось тонкостенное латунное кольцо диаметром 70 мм с толщиной стенки 1 мм, шириной 20 мм. Начальный натяг 2,5 мм. Удлинение кольца составило 6 мм за 10 оборотов раскатки.
Однако поскольку не все точки сечения трубы испытывают одинаковый изгиб одновременно (рис. 13), реальное снижение изгибающих усилий обеспечивается только в 2,5-3,5 раза по сравнению с холодной гибкой без дополнительного воздействия на изгибаемую трубу.
Из теоремы Кастильяно можно получить минимальный натяг, необходимый для образования пластических шарниров:
9 9 9
H = 3R а ат [1 + cos а+ cos а - sin а (1 + 2 cos а) / а] / Eh sin а sin 0,5а.
Приняв приближенные равенства sin а ~ а - а3 /6 + а5 /120; cos а ~ 1 - а2 /2 + а4 /24; sin а /2 ~ а /2 - а3 /48,
41
получим простую и удобную логарифмируемую форму
Н = 1,2 Я2 а2 от / БИ (1 - 0,0555 а2).
2 3 4 Ко-во проходов
- Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3
Рис. 12. Графическая зависимость величины удлинения от натяга
0
1
5
6
Рис. 13. Распределение напряжений по поперечному сечению
изгибаемой трубы
Расчеты показывают, что уже при минимальном натяге момент, потребный для гибки труб, снижается по меньшей мере в 2 раза. При значительном увеличении натяга можно обеспечить еще большее снижение момента гибки. Экспериментальное определение усилий (рис. 14) показало, что при раскатывании с натягами в 1,5-3 раза больше минимального изги-
бающий момент снижается в 2,5-3,5 раза. Вследствие того, что усилия гибки становятся меньше тех усилий, при которых сжимаемая часть трубы теряет устойчивость и образуются складки, качество гибки повышается.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса гибки труб с раскатыванием было разработано несложное по конструкции оборудование [1, 2, 4, 9]. Предварительная проверка возможных принципиальных схем гибки показала, что наиболее эффективно и просто применение схемы гибки с использованием ролика-шаблона в сочетании с механизмом раскатывания.
Разработка оборудования велась по двум направлениям: путем модернизации серийно выпускаемого оборудования для холодной гибки и создания оригинальных установок [1, 2, 4, 9]. В частности, была выполнена модернизация серийно выпускаемых Саранинским заводом кузнечно-прессового оборудования станков мод. ИВ-3428 и ИВ-3430 (рис. 15). Установка на эти станки механизма раскатывания трубы позволила существенно повысить технологические возможности станков (таблица).
10 9 8 7
6
5 4 3
0
0,5 0,7 1,0 1,2 1,5
2,0
Рис. 14. Зависимость изгибающего усилия от натяга: 1 - графики для трехшарикового раскатника; 2 - для четырехшарикового раскатника с попарным расположением ДЭ
Выполнена модернизация токарного станка мод. ТР-6, позволившая осуществлять качественную гибку труб диаметрами 20.50 мм. Разработано и внедрено в производство несколько оригинальных установок для гибки труб диаметрами 15.30 мм, 40.100 мм, 100.200 мм (рис. 16). Для гибки труб с внутренним покрытием, в частности полиэтиленовым, спроектирована опытно-промышленная установка для гибки труб диаметром до 200 мм с воздействием на изгибаемую трубу вращающегося обкатника (рис. 17, 18).
Все оборудование прошло производственные испытания и внедрено в производство. Так, станки, работающие по методу гибки с раскатыванием, в период с 1993 по 2009 гг. внедрены более чем на 20 предприятиях России и ближнего зарубежья («Усть-Катавский вагоностроительный завод», г. Усть-Катав, 1999 г.; РСП «Уралсантехэнерго», г. Уфа, 2000 г.; «Че-лябэнерго», г. Златоуст, 2004 г.; «Прокатмонтаж», г. Магнитогорск, 1996 г.; ООО «Полигран», г. Махачкала, 1997 г.; АО «Ашинский металлургический завод», г. Аша, 2001 г.; ООО «Трилогия Плюс», г. Челябинск, 2004 г. и др.). Этими предприятиями налажен массовый выпуск отводов гнутых и других изделий, получаемых холодной гибкой с раскатыванием изгибаемой трубы, как для собственных нужд, так и для реализации на сторону (рис. 19). Совместно с ООО «Саранинский завод» налажен серийный выпуск станков для холодной гибки с раскатыванием тонкостенных труб диаметрами 40.. .100 мм и 50.. .150 мм. На этом же предприятии изготовлен станок для гибки труб с обкатыванием, на котором производится массовый выпуск отводов диаметром 200 мм с внутренним полиэтиленовым покрытием.
Основные характеристики станков
СХГТ-1 СХГТ-2 СХГТ-3 СХГТ-4 СХГТ-5 СХГТ-6
Основные характеристики станков С раскатыванием С обка-тывани-ем
1. Параметры трубы: - наибольший наружный диаметр; - наименьший наружный диаметр; - толщина стенки; - наибольшая длина заготовки 36 22 2 400 57 28 3-4 1000 114 42 2,5-6 1700 159 57 2,5-8 2000 219 108 5-10 2500 219 5-10 6000
2. Радиус гиба (1,5-2,5)Б (3-5)Б
3. Наибольший угол гиба 180 180 180 180 90 90
4. Мощность электродвигателя, кВт: - главного привода; - привода инструмента 1 3 1 2,2 2,2 2,2 4,8 14 10 14 10
5. Охлаждение инструмента - Водяное
6. Габариты станка, мм: - длина - высота - ширина 900 300 600 3500 1200 1200 2600 1400 1200 3000 1400 1300 4500 2300 1300 6000 2000 1200
Рис. 15. Модернизированный трубогиб модели ИВ-3430 для гибки
труб диаметром 50...150мм
Рис. 17. Схема устройства Рис. 18. Кинематическая схема
обкатной головки станка для гибки труб
с обкатыванием
Рис. 19. Изделия, получаемые холодной гибкой с раскатыванием - обкатыванием
Результаты исследования внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям 151001 «Технология машиностроения» и 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением».
Список литературы
1. Козлов А.В., Бобылев А.В. Технология и оборудование холодной гибки тонкостенных труб: монография Челябинск: ЮУрГУ, 2007. 169 с.
2. Новая технология холодной гибки труб / С.Г. Лакирев [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1997. № 6. С. 68-69.
3. Козлов А.В., Хилькевич Я.М. Оценка натягов и усилий при гибке труб с раскатыванием // Вестник ЮУрГУ. 2004. № 5 (34). С. 125-131.
4. Козлов А.В., Шеркунов В.Г., Хилькевич Я.М. Опыт гибки тонкостенных труб в холодном состоянии // Технология машиностроения. 2008. № 10. С. 21-22.
5. Козлов, А.В., Чуманов И.В., Бобылев А.В. Изучение влияния холодной гибки труб с раскатыванием на структуру и свойства металла // Известия вузов. Черная металлургия. 1999. № 6. 33-35.
6. Козлов А.В., Шеркунов В.Г., Хилькевич Я.М. Напряженное состояние в трубе при ее гибке с раскатыванием п парами близко располо-
женных деформирующих элементов // Вестник машиностроения. 2009. № 8. С. 67-70.
7. Козлов А.В., Шеркунов В.Г. Компьютерное моделирование процесса гибки труб с раскатыванием // Известия ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. Вып. 4. С. 28-33.
8. Козлов А.В., Шеркунов В.Г., Хилькевич Я.М. Механизмы снижения усилий гибки труб при их раскатывании с большими натягами // Вестник МТГУ им. Г.И. Носова. 2009№ 4. С. 36-39.
9. Козлов А.В. Разработка оборудования для холодной гибки труб с раскатыванием // Вестник МТГУ им. Г.И. Носова. 2010. № 1. С 34-36.
Александр Васильевич Козлов, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой, a_kozlov55@.mail.ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет,
Виктор Георгиевич Шеркунов, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой, a kozlov55@..mail.ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
STUDY OF COLD BENDING PROCESS OF THIN-WALLED TUBES DURING EXPOSURE OF ROTATING DEFORMING TOOL TO A BENT TUBE
A.V. Kozlov, V.G. Sherkunov
The main mechanisms of flexural stress decreasing during cold tube bending process with rolling were considered. Their experimental validation was carried out.
Key words: tube bending, rolling, mechanisms of stress decreasing, experimental validation, equipment for bending.
Kozlov Aleksandr Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, a kozlov55@..mail.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,
Sherkunov Victor Georgievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, a kozlov55@..mail.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University
