Разработка технологии изготовления труб с заданным внутренним диаметром 6,0-12,0 мм

Основным потребителем стальных холодно-деформированных прецизионных труб наружным диаметром от 8,0 до 20,0 мм и внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм является автомобильная промышленность. В России основным производителем данной трубной продукции является ОАО «Первоуральский новотрубный завод», а более 70 % мирового рынка труб указанного сортамента изготавливается в США, Германии, Швеции, Великобритании и Японии. Так как в условиях современной международной ситуации, одной из актуальных задач отечественной промышленности является реализация государственной программы импортозамещения, то организация производства холодно-деформированных прецизионных труб малого внутреннего диаметра является стратегически важной для экономики России.

В 2013 г. объем упущенных ОАО «СинТЗ» заказов на прецизионные стальные трубы в сортаменте наружного диаметра от 8,0 до 20,0 мм и внутреннего диаметра от 6,0 до 12,0 мм по предварительной оценке составил 2520 т.

Анализ требований нормативной документации (ГОСТ 9567, ТУ 14-161-200 и DIN EN 10305-1) на прецизионные стальные трубы с заданным внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм показал, что существующие технологические возможности трубоволочильного цеха В-2 ОАО «СинТЗ» позволяют обеспечить данные требования с использова- нием имеющихся производственных мощностей. При этом существующая на сегодняшний день на заводе технология изготовления прецизионных труб обеспечивает изготовление труб внутренним диаметром 12 мм и более и характеризуется использованием на заключительных операциях способа волочения на удерживаемой цилиндроконической оправке. Использование удерживаемой оправки для труб меньших размеров затрудняется ввиду конструктивных сложностей изготовления и крепления оправки к стержню, ограниченной прочности самого стержня при уменьшении его сечения и виду увеличения вероятности появления дефекта «кольцеватости» на внутренней поверхности труб.

Анализ существующих технологий изготовления холоднодеформированных прецизионных труб рассматриваемого сортамента показал, что перспективным и эффективным является использование на заключительных этапах в технологической схеме производства способа волочения на самоустанавливающейся оправке.

Актуальность использования для труб меньших размеров способа волочения в монолитной волоке на самоустанавливающейся оправке обусловлена минимальными затратами на переоснащение существующего производства в направлении максимального использования всего комплекса действующих мощностей.

Способ волочения труб на самоустанавли-вающейся оправке, удерживаемой в очаге деформации за счет равновесия действующих на нее втягивающих и выталкивающих сил, получил широкое распространение при изготовлении длинномерных холоднодеформированных сварных и бесшовных труб из медных и алюминиевых сплавов, сворачиваемых в бунты [1–3]. Причинами ограничения применения его в промышленных масштабах в доле сортамента стальных труб и особенно труб из коррозионно-стойкой стали являются трудности обеспечения требуемых условий трения на контактных поверхностях инструмента с металлом трубы и необходимость изготовления оправок из высокопрочных материалов, например твердых сплавов, обработка которых требует специализированного оборудования.

В связи с этим программой освоения данного процесса в условиях ОАО «СинТЗ» было предусмотрено проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований и опытноконструкторских работ, направленных на решение следующих задач:

• –    определение рациональной конструкции, профилировки и технологии изготовления самоус-танавливающихся оправок;

• –    разработка инженерной методики расчета силовых параметров деформации при волочении труб на самоустанавливающейся оправке;

• –    оценка качественных показателей процесса оправочного волочения прецизионных труб с использованием различных технологических смазок;

• –    определение рациональных режимов деформации труб с заданным внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм;

• –    разработка предложений по реализации производства прецизионных стальных труб с заданным внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм в условиях ОАО «СинТЗ».

Изучение видов оборудования, необходимого для реализации волочения труб на самоустанавли-вающейся оправке, показало эффективность осуществления данного способа на трубоволочильных барабанных станах с получением длинномерных труб в бунтах. При этом, основываясь на опыте действующих предприятий, освоивших процесс волочения на самоустанавливающейся оправке, целесообразным на этапе исследования данного процесса (отладки режимов деформации, подборе технологического инструмента и смазок) является использование трубоволочильных цепных линейных станов.

Анализ результатов ряда исследовательских работ [2–5] по оценке влияния профилировок само-устанавливающихся оправок на точность получаемых труб показал возможность обеспечения точности размера внутреннего диаметра 0,05–0,06 мм. Учитывая, что точность труб при волочении на оправке цилиндро-конической формы в большей степени (около 70 %) определяется исходной точностью заготовки [6], целесообразным является получение труб-заготовок под волочение на само-устанавливающейся оправке с использованием способа холодной прокатки или волочения на удерживаемой оправке.

На основе анализа технологии изготовления проектных самоустанавливающихся оправок и их конструкции была разработана рациональная конструкция самоустанавливающейся оправки, оформленная в виде технического решения [7], позволяющего уменьшить трудоемкость изготовления оправок, повысить срок их службы и повысить точность внутреннего диаметра труб.

Опытно-промышленное опробование предлагаемой технологии с получением труб трех типоразмеров - 16,0 х вн12,0 мм, 12,0 х вн9,0 мм и 9,0 х вн6,0 мм - из стали 10 было реализовано в трубоволочильном цехе В-2 ОАО «СинТЗ» на действующем цепном трубоволочильном стане усилием 80 кН с использованием цеховой технологической смазки и проектных самоустанавливаю-щихся оправок.

В ходе проведения опытного волочения была решена основная задача – показана принципиальная возможность использования способа волочения на самоустанавливающейся оправке в действующем технологическом процессе на имеющихся производственных мощностях. Также был выявлен ряд особенностей проектирования режимов деформации и осуществления таких операций, как введение и извлечение самоустанавливающейся оправки.

В результате опытных работ готовая продукция была получена только на размере 16,0 х вн12,0 мм в количестве 70 % от заданного объема. Из них количество труб, удовлетворяющих требованиям DIN EN 10305-1 к предельным отклонениям размеров, составляет 100 %. На наружной и внутренней поверхности труб видимых визуально дефектов обнаружено не было. Труб готовым размером 12,0 х вн9,0 и 9,0 х вн6,0 мм получить не удалось. Анализ режима работы проектных самоустанавли-вающихся оправок в процессе опытного волочения показал, что на протяжении всего цикла деформации оправка работает с нарушением условий ее равновесного положения, причиной чего являются неправильно подобранные режимы деформации и некорректная профилировка оправки.

Было выявлено, что главным параметром, определяющим требуемый режим работы самоуста-навливающейся оправки и в целом стабильность процесса волочения, является соотношение между углами наклона образующей конических участков волочильного кольца α_вол и оправки α _опр или так называемый угол смазочного клина А _ск, определяемый по формуле

^А ск = ^авол — ^аопр . (1)

Обработка металлов давлением

По данным опытно-промышленного волочения была получена зависимость изменения доли годных труб (полученных в процессе волочения при работе оправки в установившемся режиме) от угла смазочного клина А _ск (рис. 1), согласно которой вероятность нарушения процесса волочения труб тем больше, чем больше А _ск .

Рис. 1. Доля годных труб, тянутых на самоустанавли-вающихся оправках при различном угле смазочного клина Δ ск

Для уточнения выявленных особенностей, а также исследования влияния типа технологической смазки на стабильность процесса волочения на самоустанавливающейся оправке в условиях ОАО «РосНИТИ» было проведено его экспериментальное исследование на специально спроектированной лабораторной волочильной установке с получением труб размером 9,0 х вн6,0 мм.

Основные задачи данного исследования заключались в сравнительном анализе влияния типа смазки на стабильность процесса волочения и качество труб и оценке применимости технологической смазки, используемой в цехе В-2 в процессах волочения на удерживаемой оправке в настоящее время.

Сравнительную оценку технологических смазок проводили с использованием двух критериев – тянущего усилия и шероховатости внутренней поверхности труб.

Технологическая смазка, используемая в настоящее время в цехе В-2 ОАО «СинТЗ», является реактивной, жидкой и не требует нанесения вспомогательных медного или фосфатного покрытий. В сравнении с цеховой смазкой в рамках выполняемого исследования были выбраны технологические смазки трех видов: с вязкостью соответственно п = 70, 135 и 25 000 мм²/с.

Результаты данного исследования показывали, что предпочтение при реализации процесса волочения на самоустанавливающейся оправке необходимо отдавать жидким смазкам, которые способствуют образованию на поверхности трубы тонкой прочной пленки, обладающей высокой адгезией. Вязкие и высоковязкие смазки при волочении на самоустанавливающейся оправке выдавливаются из очага деформации, что может служить причиной появления дефектов на внутренней поверхности труб.

Обобщая результаты опытно-экспериментальных работ, а также учитывая, что, при прочих равных условиях, увеличение угла α _опр сопровождается более интенсивным увеличением степени деформации и соответственно упрочнением металла труб, и может привести к потере запаса прочности переднего конца, была определена рекомендуемая величина А _ск - от 2,0 до 2,5°.

Одновременно с экспериментальными работами было проведено теоретическое исследование силовых параметров при волочении на самоуста-навливающейся оправке. Сравнительный анализ существующих моделей аналитического описания процесса волочения труб на самоустанавливаю-щейся оправке и их и численная оценка [8] показали, что актуальным является решение задачи с учетом приращения сопротивления пластической деформации металла трубы d σ _S по длине очага деформации в результате упрочнения и корректной задачи геометрических параметров профилировки и положения оправки в очаге деформации [9].

Задача была решена инженерным методом с получением линейного неоднородного дифференциального уравнения. С применением известных в механике сплошных сред методов приближенного решения краевой задачи, а именно МКЭ и проекционного метода Бубнова – Галеркина, решение было представлено следующей оригинальной системой линейных уравнений (в общем виде):

П + 1      n x i + 1

ЕPiЕ J ф'j)(x) (А-Вф(j)(x))dx = i=1 j=1 xi n xi+1 f , x f           ,

= E J   ф ⁽ j ) ^{( x} ) С ° 5 ⁽ j )

j = 1 x i (          I

- D

dx

dx ,

))

где P_i – узловое значение j -го элемента искомой функции; ф i^j ) ( x ) - функция формы j -го элемента; ° ₅ ^{( j} ) , d ° ₅ ^{( j} ) - сопротивление металла пластической деформации и его приращение для j -го элемента.

На основе анализа опытно-экспериментальных режимов деформации и численной оценки параметров ресурса пластичности металла с использованием формулы (2) для процесса волочения труб внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм на самоустанавливающейся оправке были определены рациональные режимы деформации:

• –    максимальный коэффициент вытяжки при однопроходном волочении на самоустанавливаю-щейся оправке: ц _тх <  1,60;

• –    режимы обжатий по толщине стенки трубы в зависимости от α _опр (табл. 1).

Таблица 1

Режимы обжатия по толщине стенки при волочении на самоустанавливающейся оправке с α опр = 10°30' и α опр = 11°

α опр	Толщина стенки готовой трубы, S 1 , мм	Абсолютное обжатие по толщине стенки трубы, Δ S , мм
11°	от 1,0 до 1,5	от 0,15 до 0,20
10°30'	от 1,5 до 3,0	от 0,20 до 0,25

Также в ходе обобщения результатов проведенных исследований, была разработана классификация самоустанавливающихся оправок для труб внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм (табл. 2) и конструкторская документация на са-моустанавливающиеся оправки рациональной профилировки (рис. 2). Целесообразным является изготовление данных оправок в конструктивном исполнении по аналогии с решением в работе [7].

Основным результатом работы, является использование полученных данных для проектирования технологии изготовления стальных труб с внутренним диаметром от 6,0 до 12,0 мм на волочильных станах барабанного типа с использованием самоустанавливающихся оправок. Была решена задача по определению диаметра барабана, разработаны рациональные маршруты изготовления труб с учетом величины сплющивания и пружинения бунта, приведены технические предложения по организации современного специализированного участка с рекомендациями по выбору оборудования. Приведены рекомендации по выбору технологических смазок, обеспечивающих стабильность процесса бунтового оправочного волочения.

Технико-экономическая оценка технологии изготовления труб рассматриваемого сортамента на станах линейного и барабанного типа была выполнена по величине расхода металла.

Анализ полученных данных показал, что использование бунтовой схемы волочения даже при существующих технических ограничениях позволит уменьшить величину расхода металла примерно в 3,8 раза: с 43,8 до 11,4 кг на тонну готовой трубы. Следует отметить, что в однопроходных маршрутах преимущества бунтового волочения (при существующих возможностях цеха В-2 по длине трубы-заготовки под волочение) существенно снижаются. Таким образом, применение бунтового волочения наиболее эффективно при изготовлении труб с гарантированным внутренним диаметром в том случае, если в структуре заказных размеров труб по этому параметру превалируют размеры в диапазоне от 6,0 до 9,0 мм.

Таблица 2

Параметры рациональной профилировки самоустанавливающихся оправок для изготовления прецизионных труб с заданным внутренним диаметром 6,0–12,0 мм

* Параметры профилировки
α опр	d ц , мм	l ц , мм	l , мм к			Дб , мм
			при Δ S			при Δ S
			0,15	0,20	0,25	0,15	0,20	0,25
10°30'	6–12	6,0	–	4,5	5,0	–	d ц + 2,05	d ц + 1,85
11°	6–12	7,0	4,5	5,0	–	d ц +2,15	d ц + 2,35	–

*

Определены для волочильных колец с αвол = 13°.

Рис. 2. Рациональная профилировка самоустанавливающейся оправки

Обработка металлов давлением

Оценка снижения себестоимости изготовления труб по двум схемам, выполненная на примере изготовления труб размером 9,0 х вн6,10 мм, показала, что при бунтовом волочении снижение себестоимости изготовления труб обусловлено сокращением числа операций, трудоемкости их выполнения, а также экономией вспомогательных материалов и инструмента и составляет 5350,79 руб./т.

Выводы

• 1.    Оправки должны выполняться из твердосплавных материалов, при этом стоимость изготовления будет определяться их количеством, а, следовательно, объемом заказов на трубы.

• 2.    Проведение операции задачи оправок в полость трубы с использованием задающих стержней в ходе изготовления опытных партий труб представляло существенные трудности, для устранения которых предложен новый способ оправочного волочения (решение от 15.01.2015 о выдаче патента по заявке № 2013148176/02, МПК В 21 С 1/24. Способ волочения труб (варианты) / Б.В. Баричко, К.Ю. Яковлева, В.Н. Кузнецов и др.; заявл. 29.10.2013).

• 3.    Технико-экономическая оценка показала, что при объеме заказов на рассматриваемый сортамент прецизионных труб в объеме 1000 т/год и минимальном перечне требуемого дополнительного оборудования, бунтовое волочение будет более эффективно по сравнению с традиционной технологией.

• 4.    Дальнейшее развитие процесса изготовления прецизионных труб в бунтах должно быть связано с увеличением длины обрабатываемой трубы.