Исследование процесса удаления внутреннего грата при производстве электросварных труб

Язык труда и переводы:
УДК:
621.941.1
Дата публикации:
20 августа 2021, 15:46
Категория:
А2. Инструментальная техника и технологии
Аннотация:
Приведены результаты структурной оптимизации на операции удаления внутреннего грата механическим способом резания при производстве прямошовных электросварных труб диаметром 60,3...89 мм в условиях трубоэлектросварочного агрегата 60...178 мм с применением различных режущих инструментов и марок твердых сплавов. Выявлено влияние параметров стружкообразования и сил резания на показатели удаления внутреннего грата в прямошовной электросварной трубе. Эксперименты проведены с использованием как базовой, так и экспериментальной геометрии режущего инструмента. Изучено влияние твердого сплава и износостойкого покрытия на стойкость инструмента на операции удаления грата. Полученные данные и проведенный анализ стойкости позволил сократить расход режущего инструмента, повысить качество обработки, снизить количество аварийных остановок стана и повысить показатель выхода годной продукции.
Ключевые слова:
трубное производство, сварной шов, грат, штанга внутреннего гратоснимателя, режущий инструмент, технологическая оснастка, тангенциальная твердосплавная режущая пластина, кольцевая твердосплавная режущая пластина, стойкость инструмента
Основной текст труда

Введение

Технологический процесс производства прямошовных электросварных труб включает в себя следующие производственные операции: разрезка рулонов на штрипсы (полосы заданной ширины), правка штрипсов, обрезка и сварка концов рулонов штрипсов между собой, формовка ленты, продольная сварка трубы токами высокой частоты, удаление грата, калибровка по диаметру, отрезка на трубы заданной длины, обработка торцов трубы. Сбой в одной из операций этой цепочки приводит к остановке всего производства.

Цель настоящего исследования — осуществить совершенствование процесса удаления механической обработкой резанием внутреннего грата при производстве прямошовных электросварных труб диаметром 60,3...89 мм.

Известны конструкторско-технологические решения [1–15], направленные на устранение перечисленных недостатков, среди которых на операции удаления внутреннего грата применяется режущая пластина кольцевой формы, с описанием схемы базирования и регулирования режущей пластины в штанге гратоснимателя, а также минимизации расстояния от режущей кромки до очага сварки.

Однако непосредственное внедрение этих решений в действующее производство затруднительно вследствие малого внутреннего диаметра обрабатываемой трубы, в которую необходимо вписать и обеспечить стабильную работоспособность штанги внутреннего гратоснимателя.

Результаты исследования

Режущий инструмент и технологическая оснастка в базовом варианте представляет собой сборный технологический узел. Схема базового варианта режущего инструмента и технологической оснастки показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема базового варианта инструмента и оснастки: 1 — сменная твердосплавная пластина тангенциальной формы; 2 — резцедержатель; 3 — регулировочный вкладыш; 4 — корпус режущего узла; 5 — неподвижный нож насекателя; 6 — верхний ролик; 7 — ползун насекателя с ножами; 8 — нижний опорный ролик

В процессе удаления внутреннего грата с применением базовой конструкции инструмента и оснастки были выявлены следующие недостатки:

  • не обеспечено удаление внутреннего грата заподлицо с основным металлом трубы. Остаточная высота удаленного грата находится в пределах 0,05...0,15 мм;
  • отмечена относительно низкая стойкость режущей пластины в результате интенсивного абразивного износа. Средняя наработка инструмента составила 800 м обработанной трубы или средняя стойкость Т = 26,7 мин.

Намечены пути устранения отмеченных недостатков за счет увеличения переднего угла для снижения сил резания, а также выбора режущей пластины кольцевой формы, изготовленной из твердого сплава с износостойким покрытием. Изучено влияние геометрических параметров режущего инструмента на результирующую силу резания и обосновано уменьшение изгиба штанги гратоснимателя.

На рис. 2 показана схема сил, действующих на тангенциальную режущую пластину по базовому варианту инструмента. Сила стружкообразования Rc — это результирующая сила со стороны передней поверхности, действующая под углом ω к скорости резания в тангенциальном направлении оси Z по направлению скорости резания [16].

В основе расчета среднего угла сдвига и угла действия для свободного прямоугольного резания использованы зависимости, приведенные в работах [17, 18]. Через силу стружкообразования рассчитаны силы, действующие со стороны передней поверхности на режущую пластину и максимальное нормальное контактное давление на режущей кромке. По известной методике рассчитаны также силы, действующие на радиусе округления режущей кромки и на задней поверхности инструмента [16].

Рис. 2. Схема геометрических параметров тангенциальной режущей пластины и силы стружкообразования

Экспериментальный вариант инструмента предусматривает использование кольцевой режущей пластины с увеличенным передним углом. На рис. 3 показана схема сил, действующих на кольцевую режущую пластину со стороны передней поверхности.

Рис. 3. Схема геометрических параметров и силы стружкообразования для кольцевой режущей пластины

В сравнительных расчетах приняты исходные данные и значения параметров режущего инструмента (табл. 1). В качестве обрабатываемого материала рассмотрена сталь марки 22ГЮ, предел прочности 363 МПа при усредненной температуре резания Tр = 300 ° С).

Таблица 1

Исходные данные и значения параметров режущего инструмента

Наименование

Обозначение

Базовый

вариант

Экспериментальный вариант

Передний угол, град

γ

20

30

Задний угол, град

α

5

6

Радиус округления режущей кромки, мм

ρ

0,053

0,158

Длина контакта стружки по передней поверхности, мм

l1

8

4

Материал режущей пластины

Твердый сплав

Вольфрамокобальтовый с многослойным износостойким PVD покрытием

Титанотанталовольфрамокобальтовый с многослойным износостойким PVD покрытием

Скорость резания, м/мин

v

30

30

Толщина срезаемого слоя, мм

a

4

4

Ширина срезаемого слоя, мм

b

5

5

Величина износа режущей пластины, мм

hz

1,5

0,45

Схема геометрических параметров и составляющих сил, действующих на контактных поверхностях кольцевой режущей пластины, показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема составляющих сил резания на контактных поверхностях кольцевой режущей пластины

Результаты проведенных сравнительных расчетов параметров и составляющих сил резания на контактных поверхностях режущей пластины базового и экспериментального вариантов представлены в табл. 2, 3.

Таблица 2

Расчетные параметры для режущих пластин базового и экспериментального вариантов

Параметры

Базовый вариант

Экспериментальный вариант

Угол сдвига, град

20,6

22,6

Угол действия, град

24,7

18,4

Коэффициент укорочения стружки

2,85

2,58

Напряжение в плоскости сдвига, МПа

335,8

335,8

Максимальное нормальное давление на кромке, МПа

966,2

1535,0

Сила стружкообразования, Н

27201

23131

 
 

Таблица 3

Составляющие сил резания на контактных поверхностях режущей пластины базового и экспериментального вариантов

Наименование составляющих сил, Н

Обозначение

Базовый вариант

Экспериментальный вариант

На передней поверхности

Нормальная

Pn

19 324

15 354

Касательная

F1

19 144

17 300

Тангенциальная

Pzp

24 706

21 947

Радиальная

Pyp

11 380

7304

На задней поверхности

Нормальная

N2

3623

1727

Тангенциальная

F2

1159

553

На участке округления режущей кромки

Радиальная

Fyf

165

784

Тангенциальная

Fzf

41

195

Радиальная сила

PyAC

121

575

Тангенциальная сила

PzAC

30

143

Суммарные составляющие силы резания

Тангенциальная

PZ

25 937

22 839

Нормальная

PY

14 958

8823

По результатам расчетов параметров и составляющих сил резания показано, что суммарные составляющие силы в тангенциальном и радиальном направлении по экспериментальному варианту с кольцевой пластиной снижены за счет увеличения переднего угла инструмента. Также увеличено значение угла сдвига и уменьшен коэффициент укорочения стружки, что свидетельствует о снижении степени деформации и температуры резания. Вместе с тем увеличение переднего угла может привести к снижению прочности режущего клина. Однако поломки режущих пластин при снятии внутреннего грата на прямошовных электросварных трубах не наблюдались.

Для установки кольцевой режущей пластины с геометрическими параметрами по табл. 1 в текущую конструкцию штанги внутреннего гратоснимателя была разработана технологическая оснастка (рис. 5). При этом было минимизировано расстояние от режущей кромки пластины до места крепления нижнего опорного ролика (табл. 4).

а
б

Рис. 5. Технологическая оснастка для закрепления кольцевой режущей пластины:

а — модель; б — схема удаления грата с обозначениями;

1 — сменная твердосплавная пластина кольцевой формы; 2 — втулка опорная (регулировочная); 3 — винт; 4 — корпус режущего узла; 5 — гайка переходная; 6 — нижний опорный ролик

Таблица 4

Расстояние от режущей кромки до места фиксации нижнего опорного ролика 

Наименование

Форма режущей пластины

 

Расстояние K, мм 

Базовый вариант

Тангенциальная

250

Экспериментальный

вариант

Кольцевая

180

 

Базовая схема с применением пластины тангенциальной формы не обеспечивала качественного удаления грата заподлицо с внутренней поверхностью трубы из-за относительно большой деформации штанги гратоснимателя. Остаточная высота удаленного грата находится в пределах до 0,15 мм.

Для экспериментального варианта с кольцевой пластиной, в связи с меньшим значением радиальной составляющей силы резания, остаточная величина деформации штанги составляет 0,76 мм и компенсируется за счет регулировки вылета режущей кромки пластины по высоте.

С целью повышения стойкости и оценки эффективности работы кольцевых твердосплавных режущих пластин оценка их режущих свойств выполнена в производственных условиях. Испытания проведены при производстве трубы диаметром с толщиной стенки 63,05×5,0 мм и 73,02×5,5 мм из стали марки 22ГЮ, длина каждой трубы составляла 10,35 м. Определены фазовый состав, химический состав и размеры зерен основы твердого сплава базовых и экспериментальных пластин, а также толщина и состав износостойкого покрытия.

Таким образом, кольцевые пластины изготовлены из трехкарбидного твердого сплава группы ТТК, обладают высокой износостойкостью, теплостойкостью (около 900...1000 °С) и меньшей по сравнению с однокарбидным твердым сплавом группы ВК способностью к адгезии.

В результате снижения сил и температур резания, повышения износостойкости кольцевых режущих пластин по экспериментальному варианту повышена наработка режущего инструмента не менее чем в три раза (до 2400 м обрабатываемой трубы на одну режущую кромку), средняя стойкость составляет T = 80 мин. Учитывая, что одна пластина кольцевой формы имеет до пяти суммарных периодов стойкости, значительно сокращен расход режущего инструмента.

Заключение

1. По результатам проведенного сравнительного анализа параметров стружкообразования и сил резания на операции снятия внутреннего грата в электросварной прямошовной трубе обосновано применение экспериментального варианта режущего инструмента с кольцевой твердосплавной пластиной и возможностью компенсации расчетного значения деформации штанги гратоснимателя.

2. Опробование в промышленной эксплуатации трубоэлектросварочного агрегата 60...178 мм разработанной технологической оснастки для пластины кольцевой формы подтвердило возможность качественно удалять грат заподлицо с внутренней поверхности трубы при производстве электросварных труб диаметром 60,3...89,0 мм.

3. Проведенные исследования кольцевых пластин из трехкарбидного твердого сплава с многослойным износостойким покрытием подтвердили возможность значительно сократить расход режущего инструмента, повысить качество обработки, снизить количество аварийных остановок стана и повысить показатель выхода годной продукции.

Литература
  1. Ван Фейчжоу, Сато Такеюки, Наката Мицура, Накано Томоясу, Миура Такамицу. Узел с кольцевым режущим элементом. Способ его изготовления, втулка и оправка. Патент RU 2 675 439 C2. Заявл. 18.03.2014, опубл. 19.12.2018. Бюл. № 35. 15 с.
  2. Колесников К.И., Лашевич В.И., Алютин М.Д., Пыхов С.И., Лесничий В.Ф., Козловский А.М., Беззубов А.В. Резцовая головка для удаления внутреннего грата в электросварных трубах. Патент RU 2 100 169 C1. Заявл. 16.10.1996, опубл. 27.12.1997, 4 с.
  3. Езерский Е.И., Кокорев Н.Л., Земченко А.М. Внутренний гратосниматель. Патент SU 181597 A1. Заявл. 11.09.1963, опубл. 21.04.1966. Бюл. № 10. 2 с.
  4. Христин В.Ф., Хлопенков В.В., Кубрин Ю.Г. Головка для удаления внутреннего грата. Патент SU 401452 A1. Заявл. 13.12.1971, опубл. 12.10.1973. Бюл. № 41. 2 с.
  5. Баклунов Е.Д., Онохин Р.Д., Федоров А.И. Гратосниматель. Патент SU 848143 A1. Заявл. 01.07.1976, опубл. 23.07.1981. Бюл. № 27. 2 с.
  6. Гриценко С.А., Сусь Ю.В., Евгиненко И.А., Бердников О.К., Левина В.И. Гратосниматель. Патент RU 53 610 U1. Заявл. 01.07.1976, опубл. 23.07.1981. 25 с.
  7. Кожевников Р.С., Рубцов В.П., Евсеев В.Ф. Гратосниматель для обработки труб. Патент SU 1038073 A. Заявл. 08.04.1982, опубл. 30.08.1983. Бюл. № 32. 3 с.
  8. Онохин Р.Д. Инструментальная головка для обработки внутреннего грата в трубах. Патент SU 1038073 A. Заявл. 18.10.1971, опубл. 30.03.1974. Бюл. № 12. 2 с.
  9. Онохин Р.Д. Устройство для прерывистого срезания внутреннего грата. Па-тент SU 1189578 A. Заявл. 14.05.1982, опубл. 07.11.1985. Бюл. № 41. 3 с.
  10. Онохин Р.Д. Способ удаления продольного внутреннего грата. Патент SU 1013105 A. Заявл. 30.12.1981, опубл. 23.04.1983. Бюл. № 15. 2 с.
  11. Пономарев А.К., Березовский В.В., Данченко В.Н., Панюшкин Е.Н., Сова В.Г., Кондратьев С.В., Поклонов Г.Г., Вагин В.С., Лесечко В.А., Сиомик А.К. Устройство для удаления внутреннего грата из прямошовных электро-сварных труб. Патент SU 1766553 A1. Заявл. 17.02.1987, опубл. 07.10.1992. Бюл. № 37. 6 с.
  12. Онохин Р.Д., Морозов А.В. Устройство для прерывистого срезания внут-реннего грата в продольных трубах малого диаметра. Патент SU 1 2698 72 A1. Заявл. 12.11.1985, опубл. 15.11.1986. Бюл. № 12. 3 с.
  13. Онохин Р.Д. Устройство для дробления стружки. Патент SU 941019 A1. За-явл. 18.06.1976, опубл. 07.07.1982. Бюл. № 25. 3 с.
  14. Дерганов В.С, Матвеев Ю.М., Батист А.И., Блинов Ю.И., Королев-Сыркин М.В., Устьянцев В.И. Устройство для снятия грата со сварных прямошовных труб. Патент SU 373 050 A1. Заявл. 10.07.1968, опубл. 01.01.1973. Бюл. № 14. 2 с.
  15. Михайлов С.В., Ковеленов В.Ю., Болотских С.В. Усовершенствование ин-струмента для удаления внутреннего грата с электросварных труб // Металлообработка. 2005. № 1 (85). С. 50–53.
  16. Грубый С.В. Расчет сил резания при обработке пластичных материалов в широком диапазоне толщин срезаемого слоя // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. Вып. 2. С. 3–10.
  17. Грубый С.В. Оптимизация процесса механической обработки и управление режимными параметрами. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 149 с.
  18. Большаков Г.С. Расчет сил резания для инструмента со скругленной режущей кромкой // Известия высших учебных заведений. 2007. № 3. С. 116–122.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.