Формовка профильных труб из круглой заготовки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.774.06:981.1
Дата публикации:
13 сентября 2021, 17:49
Категория:
А6. Технологии обработки давлением
Авторы
Моисеев Андрей Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрен процесс валковой формовки профильной квадратной и фигурных труб из круглой заготовки (труба). Проанализирована методика выбора количества переходов для данного процесса. Приведенная в статье формула носит приблизительный характер при определении количества проходов. Установлено, что для формовки квадратных труб формула применима, но для труб с иной формой поперечного сечения она требует уточнения.
Ключевые слова:
валковая формовка, профильные трубы, профилирование, переформовка из трубы, валковое профилирование
Основной текст труда

Введение

Различные отрасли экономики и производства предъявляют новые требования к качеству металлоконструкций и других металлических изделий. Одним из крупных сегментов применяемой продукции являются трубы, в том числе и профильные [1]. Профильными трубами являются полые изделия, имеющие некруглое поперечное сечение. Оно может изменяться по длине и быть постоянным.

Цель настоящего исследования — показать совершенствование процесса валковой формовки профильных труб из круглой заготовки путем проверки  существующей методики определения количества технологических переходов

В России принято понимать под профильными трубами с постоянной формой поперечного сечения: квадратные, прямоугольные и овальные. Подобные типы труб производят в основном валковой профилегибкой из плоской заготовки (листа или штрипса) и гибкой на прессе с последующей сваркой кромок, и валковой формовкой из круглой заготовки (трубы) [2].

Описание исследования и результаты

Расширение области применения профильных труб приводит к увеличению их номенклатуры. Поперечное сечение может быть треугольным, шестигранным, каплевидным, полуовальным, крестообразным, многолучевым, желобчатым, ребристым, звездообразным или иметь другую сложную форму. Она зависит от назначения применяемого профиля, его прочностных характеристик (рис. 1).

Рис. 1. Примеры профильных труб

Производство профильных труб из круглой заготовки на станах валковой профилегибки и листогибочных прессах качественно не отличается от производства обычных открытых металлических профилей кроме этапа сварки. Данные процессы широко изучены в литературе как отечественными исследователями, так и зарубежными.

Производство профильных труб квадратной, прямоугольной и овальной формы валковой формовки из круглой заготовки (рис. 2) досконально изучалось в России и этому процессу посвящено множество работ [3].

Рис. 2.  Процесс валковой формовки квадратной трубы из круглой заготовки: а — 3D-схема; б — реальный стан

При проектировании процесса валковой формовки из круглой заготовки одним из ключевых факторов является выбор оптимального числа проходов при профилировании. Профильные квадратные трубы обычно производят за четыре прохода: три основных и один калибрующий.

Согласно [4], можно интенсифицировать процесс профилирования и сократить количество применяемых клетей до двух: основной и калибрующей. Это повышает производительность, уменьшает издержки.

Согласно [3], количество необходимых переходов (клетей), при котором процесс будет стабилен — без потери устойчивости поперечного сечения трубы:          

N={\frac {ln({\frac {B}{D_{3}}})}{ln0,72}} ,                                                                                                     (1)

где B — размер профиля по малой оси готовой трубы (высота профиля);   D_{3} — диаметр исходной заготовки;  0,72 — минимальная величина коэффициента осаживания.

Формула (1) справедлива при равномерном распределении обжатий по клетям; {\frac {B}{D_{3}}} является общим коэффициентом осаживания для профиля. Для каждой клети коэффициент характеризует отношение высоты сечения в текущей клети к высоте сечения в предыдущей клети — Bi / Bi –1. В каждой клети он должен быть больше 0,72, чтобы не было потери устойчивости профиля.

Для производства квадратной трубы 80×80 с толщиной стенки 2 мм необходимое количество клетей согласно (1) составляет округленно 1. При этом диаметр исходной заготовки составляет 102 мм. Произвести профиль за 1 проход технологически невозможно, так как необходим участок калибровки.

Для проверки возможности производства данных труб за 2 прохода было проведено моделирование процесса в среде Simufact. Модель процесса представлена на рис. 3. Контур инструмента составлялся согласно [4].

Рис. 3. Модель, созданная в Simufact: 1 — заготовка; 2 — калибр первой клети; 3 — калибр второй клети; 4 — толкатели, обеспечивающие задачу заготовки в профилирующие клети

В процессе моделирования было установлено, что при прокатке заготовки диаметром 102 мм в первой клети наблюдается потеря устойчивости стенки (рис. 4).

Рис. 4. Потеря устойчивости стенок в первой клети

Материал в области формирования плоской полки еще не вгибается внутрь, но стенка становится неустойчивой и в последней клети были обнаружены области прогиба стенки. Применение клети, в которой профиль инструмента не охватывает полностью периметр заготовки не эффективно, потому что работает только одна область инструмента, контролировать процесс становится затруднительно. Уменьшение доли деформации в первой клети увеличит деформацию в последней, которая перестанет выполнять функции конечной калибровки профиля, и необходимо будет внедрение 3 клети.

Для устранения возникшего дефекта был уменьшен диаметр исходной заготовки с 102 до 100 мм. Это позволило стабилизировать процесс формовки (рис. 5), в первой клети наблюдается полный обхват заготовки инструментом (рис. 6).

Рис. 5.  Результаты моделирования валковой формовки квадратной трубы 80×80 с толщиной стенки 2 мм из круглой заготовки
Рис. 6.  Пятна контакта заготовки и инструмента в первой клети

Форма поперечного сечения  профиля соответствует ГОСТ 30245–2003 (рис. 7).

Рис. 7.  Форма поперечного сечения профиля на выходе из второй клети

Формула (1) справедлива для труб квадратного и прямоугольного сечения, но с ощутимой погрешностью. Математическое моделирование позволяет скорректировать необходимое количество клетей и другие параметры процесса.

Необходима адаптация формулы (1) для профилей иного сечения. Согласно [5], трубу (рис. 8) удалось произвести за 3 прохода.

Рис. 8. Формообразование гнутого профиля замкнутого типа:

1 — размеры профиля; 2 — совмещение переходных форм от исходной заготовки до готового профиля; 3 — схема углов подгиба; d —  стороны; b — радиусы скругления; с —  центр тяжести; \alpha ^{\circ } — угол гиба в первой клети;  \alpha _{1}^{\circ } — угол гиба во второй клети; R — радиус гиба

Параметры профиля:

  • ширина 40 мм;
  • высота 50 мм;
  • малая высота 35 мм;
  • толщина стенки 1,5 мм.

Исходный диаметр заготовки составил 60 мм. По формуле (1) количество применяемых клетей должно составлять 2. По результатам экспериментов видно, что основная деформация приходится на первые две клети, третья выполняет функцию калибровки. Общий коэффициент осаживания составляет 0,58. Зона потери устойчивости стенки наблюдалась при глубине вреза больше 6 мм (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость угла подгибки от глубины вреза в калибрах, определенных по модели

В первом переходе не допускается глубина вреза более 6 мм, это значит, что допускаемый коэффициент осаживания в первой клети составляет 0,9 > 0,72. При увеличении глубины вреза коэффициент осаживания уменьшается, но остаётся больше 0,72. Это значит, что величина допускаемого коэффициента осаживания, приведённая в работе [2], несправедлива для профильной трубы в [5].

При моделировании валковой формовки из круглой заготовки профильной трубы, представленной на рис. 10, наблюдается потеря устойчивости стенок.

Рис. 10.  Форма поперечного сечения профильной трубы при моделировании валковой формовки из круглой заготовки: синий — необходимая форма трубы; красный — полученная форма трубы

По формуле (1) для данного профиля минимальное количество переходов составляет 3. Профилирование моделировалось в 4 проходах. Таким образом, формула (1) не применима для данного профиля. Для того чтобы уменьшить величину потери устойчивости, число клетей увеличено до 7. Результаты формы поперечного сечения представлены на рис. 11.

Рис. 11.  Форма поперечного сечения профильной трубы после увеличения количества клетей до 7: синий — необходимая форма трубы; красный — полученная форма трубы

На рис. 11 видно значительное улучшение результатов прокатки. Периметр исходной заготовки в последнем случае был почти равен периметру профиля. Общий коэффициент осаживания составляет 0,35. В приведенных примерах форма поперечного сечения профилей качественно отличается, минимальная величина коэффициента осаживания меняется в зависимости от нее.

Заключение

Формула (1) требует доработки и адаптации под каждый тип профиля. В зависимости от формы поперечного сечения изменяется минимальное значение коэффициента осаживания, и, соответственно, и минимальное количество клетей, которое необходимо для прокатки профилей.

Было установлено, что при применении минимального количества клетей при производстве квадратной трубы 80×80 с толщиной стенки 2 мм и профиля на рис. 10 значение периметра исходной заготовки приближённо соответствует периметру требуемого профиля. Количество клетей высчитывалось согласно формуле (1). Но согласно [2] диаметр исходной заготовки не зависит от количества переходов, а величина обжатия по периметру перераспределяется в вытяжку и в утолщение стенок вблизи радиусов скругления. Возможно, данное явление не является закономерным и имеет частный характер для подобных труб, что в будущем будет проверено.

Литература
  1. Моисеев А.А., Соколова О.В., Лепестов А.Е. Особенности получения сложных замкнутых профилей из круглой трубы методом непрерывной валковой формовки // Сталь. 2018. № 11. С. 32–34.
  2. Паршин С.В. Процессы и машины для изготовления профильных труб. Екатеринбург: УрФУ, 2012. 359 с.
  3. Данченко В.Н., Сергеев В.В., Никулин Э.В. Производство профильных труб. М.: Интермет Инжиниринг, 2003. 224 с.
  4. Патент РФ № 2001123772/02, 27.08.2001. Способ изготовления прямоугольных прямошовных сварных труб / А.М. Ламухин, А.В. Колобов, В.С. Юсупов [и др.]. Патент России № 2 208 491. 2000. Бюл. № 33. 15 с.
  5. Забара А.С., Плеснецов Ю.А. Совершенствование процесса формообразования тонкостенных профильных труб // Моделирование и развитие процессов ОМД. 2014. № 20. С. 215–222.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.