Определение степени влияния угла наклона обжимного участка рабочего инструмента на энергосиловые параметры процесса волочения профильных труб и на геометрию получаемой продукции Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.774.372

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ УГЛА НАКЛОНА ОБЖИМНОГО УЧАСТКА РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ И НА ГЕОМЕТРИЮ ПОЛУЧАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ

Окулов Р.А., Паршин C.B.

ФГАОУВПО «Уральский федералъныйуниверситет имени первого ПрезидентаРоссии Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, Россия

В трубном производстве важным является определение еще на стадии проектирования влияния различных параметров на форму получаемой продукции. Кроме того, требуется установить, какое воздействие оказывает параметр на сам процесс, его энергосиловые характеристики. Несмотря на развитие техники и технологий, а также на то, что до настоящего времени множество ученых проделали большое количество обширных исследовательских работ, начиная от работ, изучающих основы теории обработки металлов давлением [1] и заканчивая работами, погруженными в проблемы определения поведения процесса волочения профильной трубной продукции [2], до сих пор остается актуальным поиск ответов на вопрос о влияния различных параметров на процесс и качество продукции. Предшественникам не удалось в полной мере найти ответы на существующие вопросы.

В данной работе ставится актуальная задача - определить, как зависят форма трубы и энергосиловые характеристики самого процесса производства при волочении профильных труб от угла наклона обжимного участка волоки. Ответ на этот вопрос позволит дать ценные рекомендации производителям данной продукции и поможет избежать ряда нежелательных последствий.

Исследование роли угла наклона выполнили с использованием программного обеспечения с целью определения искомых величин. Для определения интересующих параметров труб воспользовались, как, например, в работе [3] программным пакетом DEFORM-3D, который использует в процессе расчета конечно элементные модели.

Определим, как зависит ряд параметров от угла наклона обжимного участка волоки. Искомые 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, наружный прогиб граней, площадь поперечного сечения после обработки и вытяжку. Исследуемые геометрические параметры представлены на рис. 1. Среди энергосиловых параметров процесса изучили усилие волочения, работу усилия волочения, единицу массы смещаемого материала, энергоемкость волочения.

За исследуемый процесс обработки приняли холодное безоправочное волочение профильной трубы из заготовки круглого сечения. После обработке поперечное сечение трубы принимает форму шестигранника с размером «под ключ» 10 мм (диаметр вписанной окружности шестигранника). Скорость волочения 100 мм/с. Волочение производилось без проти-вонатяжения. Заготовка представляет собой круглую бесшовную холоднодеформированную трубу, наружным диаметром D = 12 мм, толщиной стенки S = 1 мм.

Для получения интересующего профиля трубы, заготовку круглого сечения протягивали в один переход через рабочий инструмент. Рабочий инструмент представляет собой волочильную фильеру с обжимным участком, в виде усеченной пирамиды. Размер элемента сетки разбиения равняется 0,14 мм. За материал заготовки приняли сталь 10 в соответствии с техническими условиями по ГОСТ 8734, материал по ГОСТ 8733.

Рис. 1. Схема процесса профилирования трубы: 1 - обрабатываемая труба; 2 - волочильная фильера; ¿о - наружный и внутренний диаметры заготовки; Ь - наружный прогиб грани трубы; Н - толщина стенки грани; К, Г - наружный и внутренний радиусы незаполнения

Закон упрочнения для изучаемых материалов задается формулой [4]

^ = ао,2 + gЛb,

где Оо,2 - условный предел текучести; g и Ь - эмпирические коэффициенты.

Для стали 10 приняли Оо,2 = 280 МПа; g = 261,3 МПа и Ь = 0,632. Угол наклона варьировался в диапазоне от 2 до 35°, с шагом в 1°.

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, являлись: Н - толщина стенки в центре грани, мм; Ь - наружный прогиб граней, мм; - площадь поперечного сечения после обработки, мм2; ц - вытяжка, рассчитывается по формуле

Я о

/и = —,

где Яо - площадь поперечного сечения заготовки до обработки, мм2;

Я о = (ц? - d о2 )4

Предметом исследования энергосиловых параметров процесса обработки труб, являлись: Р - усилие волочения, Н; W - работа усилия волочения, Дж; т - единица массы смещаемого материала, кг; Е - энергоемкость процесса волочения, Дж/кг. Численное значение величины энергоемкости определяют [5]

W

Е = W т

Работа усилия волочения определена как:

W = PÍM,

где l - единица перемещения при устоявшемся процессе, м.

Единица массы смещаемого материала определена

m = (S0 - Sa )lMP>

где р - плотность обрабатываемого материала, кг/м .

Для того, чтобы результаты, получаемые в результате проведения математического эксперимента, были более точными, найдены средние значения пяти параллельно проведенных экспериментов.

Результаты усреднены и на их основании построены зависимости, представленные на рис. 2-7. На рис. 2 представлена зависимость толщины стенки H от угла наклона. Зависимость обратная, при значении угла 21° толщина стенки трубы до обработки равна значению после обработки. При меньшем значении угла толщина стенки после обработки больше, чем у заготовки, и наоборот.

S 1:06

о 1.04

о 1,02

1.00

0.93

н

Н 0 96

0,94

10

15

20

25

30

35

~I

40

Угол наклона обжимного участка волоки, градусы

Рис. 2. Изменение толщины стенки

На наружный прогиб стенки трубы в центре грани Ь угол наклона влияет по прямой зависимости, как видно на рис. 3.

0,5 -,

ю =

0,4

0.3

0,2

0.1

0,0

0 5 10 15 20 25 30 35

Угол наклона обжимного участка волоки, градусы

Рис. 3. Изменение наружного прогиба грани

24

~i

40

На рис. 4 видно, что при значении угла наклона равном 9°, зависимость вытяжки ^ прямая и возрастает по линейному закону. Зависимость площади поперечного сечения после обработки Яа выглядит соответственно, но зависимость обратная зависимости вытяжки ц.

Рис. 4. Зависимость вытяжки

Как представлено на рис. 5, с ростом наклона обжимного участка усилие волочения Р возрастает, но по достижению определённого угла, так как зависимость имеет экстремум, следовательно, существует оптимальное значение угла наклона обжимного участка, при котором на процесс волочения требуется меньшее значение усилия волочения. Но как станет ясным далее, это не означает, что процесс производства при этом значении угла менее энергоемкий. График зависимости работы усилия волочения W выглядит аналогично.

7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000

1

А

/

/

у /

/

■

■ ■

1 1

■ ■ 1

■ ,-ш 1

■ ■

■ ■ ■

-- - - - - - - - - - -1

0 5 10 15 20 25 30 35

Угол наклона обжимного участка волоки, градусы

40

Рис. 5. Зависимость усилия волочения

Смещаемая масса на погонный метр т увеличивается с увеличение наклона, зависимость представлена на рис. 6 и имеет экстремум.

Рис. 6. Зависимость смещаемой массы

Энергоемкость процесса на погонный метр Е с увеличением угла волоки снижается, несмотря на то, что усилие волочения возрастает (рис. 7).

После теоретического эксперимента провели практический. За параметры исследуемого процесса приняли те же, что при постановке теоретического эксперимента. Волочили трубу с углом наклона рабочей поверхности волоки, составляющем 12°

Рис. 7. Зависимость энергоемкости

В результате эксперимента были измерены геометрические и энергосиловые параметры процесса, а затем сравнены с результатами теоретической работы. Результаты анализа представлены в таблице.

Сравнение теоретических и практических данных

Параметр Значение из эксперимента Отклонение, %

Теоретическое Практическое Относительное Абсолютное

H, мм 1,0235 1,0242 1,001 0,068

L, мм 0,1648 0,1699 1,031 3,002

S, мм2 30,9707 31,1021 1,004 0,422

И 1,1158 1,1111 0,996 -0,423

P,H 4063,2 3980 0,980 -2,090

W, Дж 4533,641 4422,178 0,975 -2,521

m, кг 3,14539 3,01738 0,959 -4,242

E, Дж/кг 1441,895 1465,569 1,016 1,615

Результаты теоретического и практического эксперимента сходятся в допустимых пределах отклонений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что теоретическая часть исследования соответствует реальному процессу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы было установлено влияние угла наклона обжимного участка волоки на форму труб и энергосиловые параметры процесса. Было установлено, что у зависимости усилия волочения есть экстремум и при использовании в процессе производства волоки с соответствующим значением, можно снизить усилие волочение, но также было продемонстрировано, что при этом значении угла, энергоемкость процесса не является оптимальной. Также установлено, что угол волоки в значительной степени влияет и на геометрические параметры. Следовательно, можно сделать вывод о том, что в результате износа рабочего инструмента, угол наклона меняется, что влияет на процесс и качество продукции в значительной степени.

Проведена экспериментальная проверка математического эксперимента процесса волочения профильной трубы. Статистическая обработка результатов не выявила значимых различий в расчетных и экспериментальных данных.

Список литературы

1. Теория волочения. Перлин И.Л., Ерманок М.З. М.: Изд-во «Металлургия», 1971, 2-е изд. 448 с.

2. Производство профильных труб / В.Н. Данченко, В.В. Сергеев, Э.В. Никулин. М.: Интермет Инжиниринг, 2003. 224 с.

3. Некоторые технологические возможности роликового волочения труб / Г.А. Орлов, E.H. Вагапов, Д.Ю. Чернышов, Д.А. Попов // Производство проката. 2012. № 4. С. 28-31.

4. Богатов A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

5. Окулов P.A., Паршин B.C., Карамышев А.П. Энергоемкость обработки заклепочной проволоки из дюралюминия волочением и радиальным обжатием // Вестник машиностроения. 2012. № 9. С. 80-81.

References

1. Theory of drawing. Perlin I.L., Ermanok M.Z. Publishing house «Metallurgy», M., 1971, 2-d edit., 448 p.

2. Production of profile pipes. Danchenko V.N., Sergeev V.V., Nikulin Ie.V. M.: Intermet Inginiring, 2003. 224 p.

3. Orlov G.A., Vagapov E.N., Chernyjshov D.Yu., Popov D.A. Some technological capabilities of roller drawing of pipes // Mill products production. 2012. № 4. P. 28-31;

4. Bogatov A.A., Migirickiy O.I., Smirnov S.V. Resource of plasticity of metals in case of metal forming by pressure.M.: Metallurgy, 1984. 144 p.

5. Okulov R.A., Parshin V.S., Karamyjshev A.P. Energy intensity of handling of a rivet wire from duralumin by drawing and radial sinking // Vestnik of mechanical engineering. 2012. № 9. P. 80-81.

УДК 621.771.23.016.3-419.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИМЕТАЛЛА

Чукин М.В.1, Песин A.M.1, Копцева Н.В.1,

1 12 Никитенко О.А. , Ефимова Ю.Ю. , Торбус Н.

1 ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический

университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия

Ченстоховскийтехническийуниверситет, г. Ченстохова, Польша

Экспериментальное исследование влияния обжатия на микроструктуру и механические свойства биметалла проводили на лабораторном прокатном стане-кварто (рис. 1) в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет).

Диаметры рабочих и опорных валков стана составляли 0 60 и 250 мм, соответственно; скорость прокатки - 0,5 м/с.

Рис. 1. Общий вид лабораторного стана-кварто и пульта управления

Образцы (рис. 2), полученные методом сварки взрывом, прокатывали на стане по различным режимам (рис. 3).

Рис. 2. Вид образца со стороны боковой кромки