Расчет параметров вальцевой формовки с целью минимизации неравномерности деформации заготовки в поперечном сечении

Одним из требований предъявляемых к трубам большого диаметра, является обеспечение геометрических характеристик, которые описываются отклонениями от круглости и цилиндричности. Наиболее высокие требования к геометрическим характеристикам предъявляются к трубам для морских участков газопроводов. Допуски формы таких труб достаточно малы (до менее 0,5 % от диаметра), учитывая диаметр и длину труб.

Производственные линии по изготовлению труб большого диаметра принципиально отли- чаются друг от друга технологиями формовки основного периметра и догибки кромок. Реализованные на отечественных предприятиях технологии формовки труб можно разделить на прессовые (UO и JO) и вальцевую (TRB).

Существующие технологии формовки и сварки труб большого диаметра не позволяют получить форму трубы в пределах малых полей допусков, поэтому для обеспечения заданной точности размеров производят калибровку труб на экспандере.

Процесс экспандирования как операция холодной пластической деформации растяже- ния в тангенциальном направлении профиля поперечного сечения трубы приводит к утонению стенки трубы, снижению пластических характеристик стали [1–3] и прочности сварного шва. С учетом этого максимальная величина раздачи при экспандировании строго ограничена техническими требованиями и не должна превышать 1,2 %.

Очевидно, что при ограниченной деформации экспандирования труба перед экспандером должна иметь минимально возможные локальные дефекты формы.

Технология производства ТБД с применением вальцевой формовки в России реализована на Волжском и Загорском трубных заводах, а также за рубежом в США, Китае и Саудовской Аравии. Технология включат в себя фрезерование кромок листа, гибку листа в трехвалковой листогибочной машине, до-гибку прикромочных участков в двухвалковой клети с профилированными валками, сборку заготовки в сборо-сварочном агрегате, сварку внутреннего и наружного швов и экс-пандирование.

Неоднородность напряженно-деформированного состояния трубы перед экспандиро-ванием формируется на протяжении всего трубного передела, который начинается с формовки листа в трубную заготовку под сварку.

С целью снижения нагрузок на инструмент и приводы гибку листа в вальцах осуществляют в несколько проходов с увеличением погружения верхнего вала перед началом каждого прохода [4].

Рис. 1. Неравномерность деформации основного периметра трубной заготовки после формовки

Поперечное сечение (рис. 1) трубной заготовки после формовки имеет участки различной кривизны, которые можно разделить на участок основного периметра радиусом Ro, участок «перегиба» радиусом RM, участок пониженной кривизны радиусом RB и плоский участок.

Форма очага деформации при погружении отличается от формы очага деформации при вращении [5–7], что при одном и том же положении нажимного валка относительно нижних валков приводит к образованию неравномерности деформации на переходе от плоского участка к основному.

Величина неравенства R_B > R_o > R М зависит от отношения диаметра верхнего валка к диаметру трубы -^- , а также от технологии и режимов формовки. Чем меньше параметр -^- , тем выше разница радиусов участков. Также при формовке в один проход неравномерность деформации больше, чем в несколько проходов.

Для придания плоским участкам кривизны основного периметра выполняют догибку кромок в двухвалковой клети с профилированными валками. Уровнять кривизну остальных участков возможно только в процессе экспандирования.

В работе [7] исследованы причины появления участков радиусами RM и RB и предложена технология, обеспечивающая более монотонный переход от плоского участка к участку основного периметра.

Суть технологии заключается в последовательности работы приводов вращения валков и погружения нажимного вала, при которой: вначале выполняется погружение верхнего вала на некоторую величину Н_ъ при котором выполняется условие Rm = R o , затем выполняется вращение валков с дальнейшим погружением до величины Н₂, после чего погружение останавливается, а вращение продолжается вплоть до завершения прохода. Данная технология апробирована на конечноэлементной модели и применяется в условиях реального производства ТБД.

Для определения погружения Н2 существуют различные методики расчета, в основе которых лежит метод аппроксимации формы очага деформации типовыми кривыми [8–12].

В настоящей работе определены зависимости для расчета величины погружения Н_г на заданный радиус, поскольку для условий вальцевой формовки таких зависимостей в литературе не обнаружено.

Методы исследования

Модель формирования кривизны в процессе погружения валка строилась методом регрессионного анализа. Коэффициенты регрессии определялись из результатов дробного факторного эксперимента, проведенного методом конечных элементов [13–15].

Постановка задачи исследования

Исследуемая модель очага деформации представлена на рис. 2б в виде «черного ящика», в котором определяющими параметрами (факторами) являются: L - межцентровое расстояние нижних валков, мм; D - диаметр верхнего валка, мм; Н - погружение верхнего вала, мм. Параметром отклика при- нят наружный радиус г^ заготовки в плоскости А–А (рис. 2а).

Анализ результатов моделирования изгиба заготовки в отдельно взятых вариантах показал, что в сечении А – А (см. рис. 2б) зависимость г(Н) имеет нелинейный характер. Функция изменения радиуса от погружения

1 имеет вид г(Н) = — .

С учетом нелинейности модели принят трехуровневый план вида N = 3^к, где N = 9 -число опытов, k = 3 – количество факторов. С целью снижения числа опытов принята 1/8 реплика от полного факторного плана.

Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в табл. 1.

а)

б)

Рис. 2. Модель системы «валки – заготовка»: а – cхема «черный ящик»; б – cтруктурная схема

Независимые переменные

Таблица 1

Наименование и обозначение факторов	Уровни варьирования, мм			Интервал варьирования, мм
	Минимум	Середина	Максимум
L	600	700	800	100
D	260	580	900	320
H	15	45	75	30

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента

№ опыта	Факторы			Зависимая переменная r , мм
	L , мм	D , мм	H , мм
1	800	260	45	249,93
2	800	580	15	3327,17
3	600	260	15	917,71
4	800	900	75	340,39
5	700	900	15	2004,45
6	600	900	45	324,32
7	700	580	45	222,66
8	700	260	75	113,74
9	600	580	75	218,82

Параметры опытов и з н аче н и е з ави симой переменной г п ред с т а в ле ны в та б л. 2 .

В конечно- эле мен тной мо д е ли в а лки за д ав а ли с ь к а к а б с олю т н о ж е с тк и е те ла . Ни жни е в а лк и име ли пос то ян н ы й ди а м е тр D_H = 500 мм. С во йст ва мо д ел и л иста з а дав ал и сь с о с л едующими параметрами: Е = 2 • 10⁵ МПа; о_т = 550 МПа, П = 3 • 10³ М П а.

Зависимая переменная r опред е ля ла с ь с о-

( b2  = w \

-300

-3

-7,5 • 105

4,9 • 104

У

Коэффициент корреляции составил R =0,91,

что говорит о высоком уровне подбора регрессии.

гласно выражению г = 2.,

2£ ,

где е - м ак с и м альные д еформа ц и и в с е че н ии

A – A п ри к он е чн ом п о гру же н и и .

У равн е н и е регресс и и п риме т в и д

r(L,H,D) = bo + b, • L + b2 • D + £ + £, (2) U П где b0 ... b4 - коэффициенты регрессии.

В условиях проведенного эксперимента коэффициенты регрессии приняли следующие

Обсуждение результатов

Для проверки адекватности регрессионной модели было проведено сопоставление полученных результатов с результатами конечно-элементного моделирования. Начальные условия соответствовали вариантам расчета № 4 и 8 табл. 2. Результаты сравнения представлены на рис. 3.

Для оценки универсальности регрессионной модели был произведен расчет формовки трубы 0720 х 10 мм в один проход на заданный радиус методом конечных элементов

значения:

Рис. 3. Изменение радиуса кривизны при погружении верхнего валка

а)

Рис. 4. Распределение остаточных деформаций на переходном участке при формовке: а – с раздельным погружением и вращением валков; б – с одновременным погружением и вращением валков

б)

при условии, что D = 300 мм, L = 600 мм, s = 10 мм, г = 332 мм. По результатам моделирования установлено, что заданный радиус г заготовки обеспечивается при погружении Н₂ = 65 мм. По формуле (2) с учетом (3) первое погружение Н « 30 мм.

На рис. 4 представлены сравнительные результаты моделирования формовки с раздельным и одновременным погружением и вращением валков.

Выводы

• 1.    Исследован процесс формирования кривизны заготовки на контакте с нажимным

• 2.    Разработана регрессионная модель для определения кривизны заготовки при погружении верхнего валка. Полученная модель позволяет производить расчет настроек машины вальцевой формовки для реализации технологии формовки с одновременной работой приводов погружения и вращения валков.

валком. Установлено, что при линейном увеличении погружения верхнего валка, изменение кривизны заготовки имеет выраженный нелинейный характер.