CC BY
74\
ИЗУЧЕНИЕ РОЛИ ОТКЛОНЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССЕ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ
Аннотация. Работа посвящена актуальной задаче - изучению зависимости геометрии получаемой продукции и энергосиловых параметров процесса волочения от отклонения толщины стенки. Работа выполнена с помощью программного обеспечения, использующего конечно элементный метод, и затем проверена проведением практического эксперимента. Результаты теоретической и практической частей хорошо согласуются. В результате проделанной работы определены искомые зависимости и даны ценные рекомендации производителям.
Ключевые слова: волочение, отклонение, сталь 20, профильная труба, толщина стенки.
Современный рынок предъявляет производству высокие требования. К таковым относится требование к качеству продукции, соответствовать которому мешает широкий спектр факторов. Начиная от износа рабочего инструмента или от химического состава сырья, заканчивая человеческим.
Количество факторов спектра столь огромно, что вряд ли удастся осветить все нюансы и их роль в процессе производства. Среди этих факторов, не последнюю роль играет отклонение размеров заготовки. Как зависит геометрия продукции и энергосиловые показателями процесса от отклонения диаметра заготовки - является актуальным вопросом.
Значительный вклад в изучение качества трубной продукции внесли Столетний М.Ф. и Клемперт Е.Д. [1].
Они представили гистограммы отклонений размеров диаметра и толщины стенки и показали вероятностный характер. Но предшественникам не удалость установить как влияет отклонение.
В данной работе ставиться актуальная задача - определить, как зависит форма трубы и энергосиловые характеристики самого процесса производства при волочении профильных труб от отклонения тол-
щины стенки заготовки. Ответ на этот вопрос позволит дать ценные рекомендации производителям данной продукции и поможет избежать ряд нежелательных последствий.
Определим влияние отклонения толщины стенки заготовки на ряд параметров. Изучаемые параметры условно делятся на две группы: связанные с геометрией конечного продукта и связанные с энергосиловыми показателями самой операции производства. Среди геометрических параметров исследовали толщины стенки в центре грани и наружный прогиб граней. Среди энергосиловых параметров процесса изучили усилие волочения, работу усилия волочения, единицу массы смещаемого материала, энергоемкость волочения.
Исследование роли материала выполнили с использованием программного обеспечения с целью определения искомых величин. Для определения интересующих параметров труб воспользовались программным пакетом ББЕОКМ-ЗБ, который использует в процессе расчета конечно элементные модели [2]. На рис. 1 изображена схема исследуемого процесса.
* Автор, представляющий авторский коллектив
Рис. 1. Схема математической модели процесса профилирования трубы: 1 - тяга; 2 - волочильная фильера; 3 труба.
За исследуемый процесс обработки приняли холодное безоправочное волочение профильной трубы из заготовки круглого сечения. После обработке поперечное сечение трубы принимает форму шестигранника. Скорость волочения 100 мм/с. Волочение производилось без противона-тяжения. Заготовка представляет собой круглую бесшовную холоднодеформиро-ванную трубу с наружным диаметром Б0 12 мм.
Для получения интересующего профиля трубы, заготовку круглого сечения протягивали в один переход через рабочий инструмент. Рабочий инструмент - волочильная фильера с обжимным участком, в виде усеченной пирамиды. Угол наклона рабочей поверхности волоки составляет 100, Размер элемента сетки разбиения равняется 0,14 мм. Коэффициент трения по Амонтону-Кулону приняли 0,1. Приняли сталь 20 за материал заготовки. Труба изготовлена в соответствии с ГОСТ 8734, материал по ГОСТ 8733.
Закон упрочнения для материала задали формулой [4]
где Оо,2 - условный предел текучести; £ и Ь - эмпирические коэффициенты.
Для стали 20 приняли: Фо,2 = 280,3 МПа; £ = 418,3 МПа и Ь = 0,39.
Многочисленные исследования различных процессов изготовления труб показывают, что точность этого вида продукции зависит от большого количества факторов, влияние которых на конечную точность колеблется как вдоль одной трубы, так и для различных труб. При анализе партии труб, прокатанных, казалось бы, в неизменных производственных условиях, можно убедиться в том, что размеры труб отличаются друг от друга. Разброс размеров труб в партии возникает вследствие того, что факторы, которые влияют на размер, сами подвержены случайным колебаниям. Следовательно, распределения размеров трубы будет подчиняться закону Гаусса. Многочисленные измерения труб, полученных различными способами, как правило, подтверждают это предположение. На рис. 2 приведены построенные для наружного диаметра труб типичные гистограммы с наложенными на них гауссов-скими кривыми [1].
16 14
■20 -15 -12 -3 -6 -4 4 6 3 12 16 2'0
Отклонение для толщины стенки в партии. %
Рис. 2. Эмпирические гистограммы для отклонений размеров
Для того чтобы можно было оценить влияние отклонения толщины стенки заготовки на исследуемые параметры, воспользовались варьированием толщины в диапазоне от 0,3 мм до 3,5 мм. Диапазон выбран, исходя из ГОСТ 8734 и значения толщины стенки соответствуют приведённым в нем для трубы диаметром 12 мм. При этом исследуемые заготовки имели постоянный наружный диаметр.
Искомые параметры разделили на две группы: связанные с геометрией конечного продукта и связанные с энергосиловыми показателями самой операции производства.
Предметом исследования геометрических параметров формы труб, были: Н -толщина стенки в центре грани, мм; Ь -наружный прогиб граней, мм.
Предметом исследования энергосиловых параметров процесса обработки труб, являлись: Р - усилие волочения, Н; Ж - работа усилия волочения, Дж; т -единица массы смещаемого материала, кг; Е - энергоемкость процесса волочения, Дж/кг. Численное значение величины энергоемкости определяют [4]
W
Е = — . т
Работа усилия волочения определена
как
W = PljU,
где l - единица перемещения при устоявшемся процессе, м.
Единица массы смещаемого материала определена
m
= $o~Sa IßP,
где р - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; [Л - вытяжка, рассчитывается по формуле
So
Sa
где 8о - площадь поперечного сечения заготовки до обработки, мм2; Ба - площадь поперечного сечения после обработки, мм2.
Для того чтобы результаты получаемые в результате проведения математического эксперимента были более точными, были найдены средние значения пяти параллельно проведенных экспериментов. Результаты усреднены и на их основании построены зависимости на рис. 3-6.
На рис. 3 представлена зависимость толщины стенки Н от изменения толщины стенки, которая является прямой и линейной.
На рис. 4 показано, что степень влияния на наружный прогиб стенки трубы в центре грани Ь отклонения толщины стенки увеличивается с уменьшением размеров трубы.
Это объясняется тем, что более тонкостенные трубы менее устойчивы к данной форме дефекта и рекомендуется применять другую технологию или рабочий
инструмент с целью избегания достижения недопустимых значений прогиба грани.
С ростом толщины стенки усилие волочение Р возрастает, следовательно, аналогичная зависимость работы усилия волочения Ж. Как видно на рис. 5, на обработку более тонкостенных труб требуется меньше усилий.
Смещаемая масса на погонный метр т увеличивается с ростом толщины стенки заготовки, рис. 6. Энергоемкость процесса на погонный метр Е представлена на рис. 7. На диаграмме видно, что при значении толщины равной 0,4 мм, у зависимости есть экстремум, после преодоления которого энергоемкость процесса снижается.
Рис. 3. Изменение толщины стенки
0,7 п
0.6
0,5
| 0,4
Н 0.3
I—(
О &
0.2
0,1
0,0
■
\
■
1
I
\
■ \
\
■
1
-- - - -1- - - - —■ 1 - 1-» - ■ -1 - - —1 - 1 - -1
0:0 05 1,0 1,5 20 2 5 30 35 Толщина стенки заготовки, мм
4,0
Рис. 4. Влияние отклонения на наружный прогиб
Рис. 5. Влияние отклонения на усилие волочения
Рис. 6. Влияние толщины стенки на смещаемую массу
Рис. 7. Влияние толщины стенки на энергоемкость
После теоретического эксперимента провели практический. За параметры исследуемого процесса приняли те же, что при постановке теоретического эксперимента. Волочили трубу диаметром 12 мм и толщиной стенки 2 мм.
В результате эксперимента были измерены геометрические параметры обработанной трубы и энергосиловые параметры процесса, а затем сравнены с результа-
тами теоретической работы. Результаты сравнительного анализа представлены в табл. 1.
Результаты теоретического и практического эксперимента сходятся в допустимых пределах отклонений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что теоретическая часть исследования соответствует реальному процессу.
Таблица 1
Сравнение теоретических и практических данных
№ п/п Параметр Значение из эксперимента Отклонение, %
Теоретический Практический Относительное Абсолютное
1 H, мм 1,934 1,91 0,988 -1,257
2 L, мм 0,045 0,0461 1,024 2,386
3 P, Н 8592 8626 1,004 0,394
4 W, Дж 9902 10144 1,024 2,386
5 m, кг 7,53 7,81 1,037 3,585
6 E, Дж/кг 1315 1298,848 0,988 -1,244
Заключение
В результате выполненной работы было установлено влияние отклонения толщины стенки заготовки на форму труб и энергосиловые параметры процесса. При производстве тонкостенных труб отклонение толщины стенки оказывает существенное влияние на прогиб грани в центре стенки. А также было установлено, не смотря на тот факт, что для производства тонкостенных труб требуется меньшая величина усилия волочения, в итоге получается, что энергоемкость процесса производства тонкостенных труб выше, чем производство толстостенных.
Проведена экспериментальная проверка математического эксперимента процесса волочения профильной трубы. Статистическая обработка результатов не выявила значимых различий в расчетных и экспериментальных данных.
Список литературы
1. Столетний М.В., Клемперт Е.Д. Точность труб. М.: Металлургия, 1975. 240 с.
2. Некоторые технологические возможности роликового волочения труб / Орлов Г.А., Вагапов
Е.Н., Чернышов Д.Ю., Попов Д.А. // Производство проката. 2012. №4. С. 28-31.
3. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов
C.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
4. Окулов Р.А., Паршин В.С., Карамышев А.П. Энергоемкость обработки заклепочной проволоки из дюралюминия волочением и радиальным обжатием // Вестник машиностроения. 2012. №9. С. 80-81.
References
1. Stoletnij M.V., Klempert E.D. Tochnost trub [Tube size precision]. Moscow: Metallurgy, 1975, p. 240.
2. Orlov G.A., Vagapov E.N., Chernyshov
D.Ju., Popov D.A. Some technological capabilities of roller tube drawing. Proizvodstvo prokata [Production of rolled products]. 2012, no. 4, pp. 28-31.
3. Bogatov A.A., Mizhirickij O.I., Smirnov S.V. Resurs plastichnosti metallov pri obrabotke davleniem [Metal ductility during plastic working]. Moscow: Metallurgy, 1984, pp. 144.
4. Okulov R.A., Parshin V.S., Karamyshev A.P. Power consumption during rivet wire drawing and radial reduction. Vestnik mashinostroenija [Bulletin of engineering]. 2012, no. 9, pp. 80-81.
