Диссертация (Совершенствование технологии производства прямошоковых сварных труб для магистральных трубопроводов), страница 9

Темсамым, становится возможным проектирования оптимальной формы рабочейповерхности валкового инструмента, что позволяет избежать ошибок приизготовлении дорогостоящего формовочного инструмента – валков.В тело программы COPRA@ RF [54, 55] автором были внедрены моделиотечественного оборудования [8, 9], что позволяет в удобной форме изменятьтехнологические и конструктивные параметры и предполагает применениепредлагаемой математической модели непосредственно на предприятияхв условиях российских трубных заводов российскими инженерами обеспечиваянеобходимуюпроцессов.техническуюподдержкусуществующихтехнологических64Таким образом, разработанная математическая модель позволяет даватьинженеру рекомендации как по конструктивному наполнению формовочногостана, так и по геометрическим параметрам валкового инструмента,с соблюдением особенностей оборудования.Гораздосложнееформовочнымиобстоитстанами,ситуацияссовременнымиимпортнымисложнымисистемамиотличающимисяпозиционирования валкового инструмента и в ряде случаев, как отмечено вГлаве 1, использованием универсальной калибровки валков, со сложнойгеометрией каждого.

Информация по управлению процессами на таких станах внастоящее время является приоритетом фирм-поставщиков, что обусловленоконтрактами. И чтобы выбраться в дальнейшем из этой кабалы необходимоовладеть всеми инструментами управления этой сложной техникой.Для решения этой задачи и описания таких процессов в тело программы былидобавлены конструктивные схемы валкового инструмента технологии гибкойформовки станов SMS Meer, NAKATAFFX [40], [41].3.4.Описание технологических переходов и схемы деформирования.При моделировании исходными данными являются геометрия заданногопрофиля и свойства материала, а также технологические параметры процесса:диаметры валкового инструмента и его геометрия, а также расстояния междуформовочными клетями[56–58].Процесс непрерывной валковой формовки представляет собой постепенноесворачивания плоского штрипса в круглую цилиндрическую продукцию путемпрохождения через калибры рабочего инструмента, представляющих собойнабор валкового инструмента в пространстве клети.

Геометрические параметрыкалибра предварительно выбираются исходя их размеров и материала заготовкии располагаются согласно предварительно выбранному маршруту формовки.Технологические переходы характеризуется последовательной схемойдеформации трубы по переходам, изображенной в виде «цветка» (Рис. 3.2)65Рис.

3.2«Цветок» – схема формовки[57]Данная схема формовки отображает этапы преобразования исходнойзаготовки– плоского штрипса, в готовое изделие– круглую трубу.3.5.Теоретические основы математической модели на базе программногокомплекса COPRA@ RF3.5.1 Выбор модели материалаПри создании модели трубной используется упругопластическая модельматериала, которая описана с использованием следующих механических свойствматериала заготовки1.Упругость и пластичность2.Предел прочности3.Закона отношения деформации и напряжений4.Закона упрочненияКритерий пластичностиХотя имеется множество форм представления условий текучести, наиболеешироко применяется условие текучести по Вон Мизесу.

Использование данногокритерия заключается в непрерывной природе функции, которая описывает этоткритерий, и согласования его с наблюдаемыми свойствами большинствапластичных материалов. Суть критерия наступления текучести по Вон Мизесусостоит в том, что при этом эффективное (или эквивалентное) напряжение равнопределу текучести Т , измеренное для случая одноосного нагружения [59, 60].66На Рис.

3.3. представлена поверхность текучести в двумерном и трехмерномпространстве. Для изотропного материала:экв =√22∙ √(1 − 2 )2 + (2 − 3 )2 + (3 − 1 )2(3.1)где 1 , 2 , 3 – главные напряжения Коши.Рис. 3.3.Поверхности текучести[60]экв так же может быть вычислено с использование других компонентовнапряжений:экв =√222222∙ √(Х − )2 + ( − )2 + ( − ) + 6 ∙ (+ + ) (3.2)Закон пластического теченияПредел текучести и упрочнение – два экспериментально установленныхфизических явления, которые характеризуют пластические свойства материалов.Закон пластического течения также участвует в создании взаимосвязинапряжения-деформации в пластических материалах.

Этот закон описываетдифференциальные изменения в компонентах пластических деформаций как функцию текущего напряженного состояния. В COPRA@ RF реализованзакон пластического течения в формулировке Прандтля-Ройса. В сочетании скритерием пластичности Вон Мизеса, данный закон может быть представлен вследующем виде: = эквэкв,(3.3)67где экв и экв – это эквивалентные пластические деформацииэквивалентные напряжения инкрементаЗначение данного представления (Рис. 3.4.), который показывает областьнапряжений для двумерного напряженного состояния. Линией представленконтур поверхности пластичности (место всех напряжений, вызывающихтекучесть) по критерию пластичности Вон Мизеса[60].Рис. 3.4.Поверхность пластичности по нормальному критерию для двумерногонапряженного состояния [60]3.5.2 Выбор конечных элементовТрубная заготовка рассматривается в виде трехмерной модели листа,состоящего из массива объемных элементов. Элементы данного типа позволяютприменятьсовременныесхемыинтерполяциидлякомпьютерногомоделирования процесса формообразования плоского штрипса в трубнуюзаготовку посредством последовательного изгиба от одного участка к другому сучетом ранее заданной толщины исходной заготовки.

Это позволяет повыситьточность моделирования без значительных потерь по времени.Конечный элемент представляет из себя куб, нумерация узлов, которогопредставлена ниже (Рис. 3.5) [61].Рис. 3.5.Вид конечного элемента [59]683.5.3 Моделирование валкового инструментаЖестким инструментом при моделировании процесса непрерывной валковойформовки являются валковый инструмент. При моделировании валки можносчитать абсолютно жесткими телами, поскольку в процессе формовки ихдеформация много меньше, чем деформация непосредственной трубнойзаготовки (Рис.

3.6.).Рис. 3.6.Модель валкового инструмента формовочного стана3.5.4. Модель контактного трения между трубной заготовкой и валковыминструментомДля того, чтобы учесть контактное взаимодействие при валковой формовке,векторскоростираскладываетсянанормальнуюитангенциальнуюсоставляющие по отношению к контактной поверхности, для всех узлов,вступающих в контакт. Нормальный компонент затем приравнивается к нулю изза условий контакта.

Относительные скорости скольжения используются длявычисления трения между валками и формуемой заготовкой.Трение является сложным физическим явлением, которое включает в себятакиехарактеристикиповерхности,какшероховатостьповерхности,температура и относительная скорость. В математической модели виртуального69формовочного стана используется упрощенная модель трения Кулона, котораяхарактеризуется следующими зависимостями:‖ ‖ < ∙ - абсолютная величина силы трения при скольжении,⃗⃗⃗ = − ∙ ∙- вектор силы трения при налипании,(3.4)где – сила терния, – сила нормального давления напряжение, – коэффициенттрения, –тангенсальныйвекторвнаправленииотносительной скорости:=⃗⃗⃗‖ ‖(3.5)При описании контакта задаемся коэффициентом трения междусоответствующими поверхностями равный 0,18 (случай формовки безиспользования смазочно-охлаждающих жидкостей).Анализ применимости критерия пластичности3.6.Применение критерия пластичности, принятого во всех рассмотренныхметодиках,дляопределениятехнологическихпараметровпроцессаформообразования труб большого диаметра методом непрерывной валковойформовки из сталей повышенного класса прочности затруднительно, так кактрубные марки стали не растягиваются, а трескаются ввиду своих физикомеханических свойств, что также, как и в случае образования волнистых кромок,не позволяет обеспечить качественную сварку трубной заготовки.

Поэтомуопределить искомые параметры технологического процесса и провести егоанализ невозможно.В качестве основного критерия выбора конструктивных параметровформовочногостанаикалибровкивалкогоинструментпредлагаетсяиспользовать прочностные характеристики материала, и проектировать очагдеформации трубной заготовки на основе «рабочей» области используемогоматериалазаготовки.Нижеприведеносравнение«рабочих»областейвысокопрочных трубных марок сталей и обычных.

Очевидно, что один и тот жекритерий для данных групп сталей работать не будет (Рис. 3.7.). Следовательно,70выбор критерия для расчета рациональных технологических параметров зависитот свойств материала[62].Рис. 3.7.Рабочая область деформации при формообразовании трубной заготовки[58]Таким образом, алгоритм проектирования формовочного стана становитьсядругим: исходя механических свойств материала определяются основныепараметры процесса: длина стана, количество клетей и конструкция валковогоинструмента (калибровка).Выводы по Главе 3:Предложена математическая модель непрерывной валковой формовки на базепрограммного комплекса COPRA@ RF, которая позволяет исследовать процессформообразования заготовки в трубу с учетом всех основных технологических иконструктивных параметров.71ГЛАВА 4.