Моделирование технологии изготовления деталей протяжкой через рогообразный сердечник

В различных отраслях промышленности (химической, нефтеперерабатывающей, авиационной, аэрокосмической и ряде других) при изготовлении трубопроводных систем широко применяются крутоизогнутые толстостенные отводы (патрубки) из коррозионностойких сталей, конструкционных углеродистых качественных сталей, титановых и алюминиевых сплавов.

Крутоизогнутые отводы – это соединительные детали, применяемые в трубопроводах различного назначения для изменения направления трубопровода, для создания дополнительного ответвления от основной магистрали трубопровода, для изменения диаметра трубопровода и т. д.

В основном детали имеют диаметры от 57 до 530 мм, толщины стенок варьируются от 3 до 22 мм [1–3].

Основным инструментом для изготовления отводов протяжкой является увеличивающийся по диаметру рогообразный сердечник (рис. 1). Сердечник работает в тяжелых условиях, подвергаясь длительному воздействию высоких температур и сил. Стойкость сердечника оказывает большое влияние на качество получаемых отводов и производительность процесса. Если в процессе длительной эксплуатации рогообразный сердечник потеряет требуемую кривизну (как это бывает на практике), то получаемые отводы будут иметь отклонения по радиусу гиба. Поэтому материал сердечника должен обладать высокой прочностью и повышенной стойкостью, что значительно увеличивает его стоимость.

Протяжку крутоизогнутых отводов осуществляют на специальных горизонтальногидравлических прессах (рис. 2).

Рис. 1. Размеры рогообразных сердечников для протяжки отводов радиусом гиба R г = 1,5 D y Fig. 1. Dimensions of horn-shaped cores for pulling bends with bending radius R г = 1,5 D y

Рис. 2. Схема протяжного процесса для протяжки крутоизогнутых отводов Fig. 2. Scheme of the broaching process for drawing curved bends

Нагрев заготовок осуществляется в газовой печи или с помощью ТВЧ (рис. 3). На сходе с рогообразного сердечника отводы падают на конвейер под собственным весом. Непрерывность процесса позволяет значительно улучшить качество отводов, снизить отходы труб и повысить производительность в 1,5–2 раза за счет повышения доли машинного времени до 90 %.

После изготовления отводы подвергаются калибровке. На рис. 4 представлен пресс гидравлический для объемной правки и калибровки отводов ПО-837 для калибровки отводов с диаметром до 426 мм.

протяжкой через рогообразный сердечник

При горячей протяжке крутоизогнутых отводов в случае загрузки штучных трубных заготовок иногда бывают отходы (рис. 5), которые образуются вследствие того, что происходит смятие и разрыв торцов трубных заготовок, а также образование так называемых козырьков. Кроме того, отходы образуются из-за некратности труб при раскрое их на мерные заготовки.

В данной работе осуществляется моделирование процесса протяжки через рогообраз-ный сердечник в среде QForm, поскольку эта операция является основной и обладает рядом особенностей: увеличение диаметра заготовки

Рис. 3. Протяжка крутоизогнутого отвода с помощью ТВЧ Fig. 3. Drawing a bent branch with induction heating

Рис. 4. Калибровочный стан ПО-837

Fig. 4. Calibration mill PO-837

Рис. 5. Отходы, полученные вследствие смятия, гофрирования первой заготовки, с последующим наслоением второй заготовки Fig. 5. Waste resulting from crushing, corrugating the first workpiece, followed by layering the second workpiece

в процессе деформации, что повышает вероятность образования дефектов вплоть до разрыва заготовки; скольжение заготовки по инструменту, что также может стать причиной дефектов на поверхности заготовки; проталкивание вдоль сердечника заготовки заготовкой, что может привести к деформации контактирующих торцов заготовок.

Программа QForm хорошо зарекомендовала себя при проектировании различных процессов обработки металлов давлением [4–9].

Цель моделирования: определение параметров процесса изготовления отвода крутоизогнутого 426 х 10 мм из трубной заготовки 377 х 12 мм, сталь - 09Г2С.

Моделирование

Поскольку в процессе протяжки толкатель пресса непосредственно воздействует лишь на крайнюю заготовку, а те, в свою очередь, друг на друга, то первоначально для мо- делирования были выбраны сам рогообраз-ный сердечник и две заготовки (рис. 6). При этом вторая заготовка (на рис. 6 расположена левее) выступала в роли инструмента.

Было проведено моделирование процесса протяжки с разными значениями начальной температуры заготовки – 800, 850, 900 и 950 °С.

Результаты моделирования протяжки при начальной температуре заготовки 800 и 850 °C оказались одинаковыми – сопротивление деформации металла заготовки оказалось слишком большым, что привело к остановке заготовки и смятию её заднего конца (см. рис. 6). Поэтому было принято решение повторить моделирование для температуры 850 °C, при этом установить температуру рогообразного сердечника в 200 °C для меньшего охлаждени заготовки, а также использовать толкающую заготовку с той же температурой и уменьшить скорость пресса протяжки.

Рис. 6. Модель протяжки

Fig. 6. Broach model

Процесс действительно пошел, и заготовка медленно проходила через инструмент, но поскольку заготовка была нагрета лишь до 850 °C, пластичности металла оказалось недостаточно, что привело к разрыву заготовки (рис. 7).

На основании полученных данных опытных протяжек были сделаны соответствующие выводы, и моделирование процесса протяжки для температур заготовки до 950 и

900 °C, проводилось со скоростью протяжки 150 мм/с и усилием 155 МН, а сам процесс деформации моделировался без учета тепловых процессов (рис. 8).

На рис. 9 и 10 показаны результаты моделирования процесса протяжки. Как видно, протяжка прошла практически успешно, кроме небольшого завертывания края, что не является проблемой, исходя из того, что заго-

Рис. 7. Разрыв заготовки

Fig. 7. Rupture of the workpiece

Рис. 8. Моделирование процесса протяжки при начальной температуре заготовки 950 °C Fig. 8. Simulation of the broach process at an initial billet temperature of 950 °C

Рис. 9. Готовый крутоизогнутый отвод Fig. 9. Finished bend

Рис. 10. Торцевое сечение готового отвода

Fig. 10. End section of the finished bend

товка была изначально выбрана с запасом строительной длины в 5–6 % и этот край отвода будет отрезан не в ущерб строительной длине готового изделия. В итоге геометрия изделия соответствует геометрии чертежа.

На втором этапе было исследовано напряжённо-деформированное состояние заготовки (рис. 11 и 12).

Рис. 11. Интенсивность напряжений

Fig. 11. Stress intensity

Рис. 12. Среднее напряжение

Fig. 12. Medium stress

Рис. 13. Готовый отвод по заданной технологии, образец 3

Fig. 13. Ready branch according to a given technology, sample 3

Рис. 14. Готовый отвод по заданной технологии, образец 2

Fig. 14. Ready branch according to a given technology, sample 2

Рис. 15. Готовый отвод по заданной технологии, образец 1

Fig. 15. Ready branch according to a given technology, sample 1

Из рис. 11 и 12 видно, что максимальная интенсивность напряжений в заготовке равна 129 МПа (см. рис. 11) и оно было на внутреннем радиусе протягиваемого отвода. Из рис. 11 и 12 видно, что самым большим напряжениям подвержены именно внутренний и внешний диаметры отвода, а значит, здесь наиболее вероятно возникновение дефектов. Также, исходя из полученного опыта, показана высокая чувствительность процесса к температуре металла отвода.

На основании данных, полученных в результате компьютерного моделирования, были определены технологические параметры производства крутоизогнутого сердечника, в соответствии с которыми проведена опытная протяжка на трех заготовках, и получены годные отводы (рис. 13–15).

На рис. 15 видно, что при первой протяжке отвод полностью соответствовал геометрии получившегося отвода в компьютерном моделировании (см. рис. 9). На рис. 13–15 видны дефекты на торцах отводов, аналогичные полученным при моделировании.

Заключение

По итогам работы можно сделать вывод о том, что применение программного комплекса QForm на предприятиях, производящих крутоизогнутые отводы трубопровода, представляется весьма целесообразным, поскольку позволит сократить срок ввода в производство нового изделия, сократить издержки на производство опытной партии и подгонку технологии, сократить расход металла и поможет оптимизировать производственный процесс предприятия.