ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Бобровников Владимир Владимирович
Е-mail:bobr_v@ukr.net
"Исследование процесса качественного резания тонкостенных труб и разработка режущего устройства с улучшенными конструктивными параметрами."
кафедра "Механическое оборудование заводов черной металлургии"
Категория работы: Автореферат магистерской работы
Руководитель работы: Еронько Сергей Петрович
Структура реферата
Актуальность темы.Цель работы.
Научная новизна.
Практическая ценность.
Реализация результатов работы.
Методы исследования.
Содержание работы.
Основные результаты работы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВЕННОЙ РЕЗКИ ТРУБ МАЛОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА.
1.1 Критерии качества выпускаемого трубного проката.
Трубы изготавливают из коррозионностойких марок стали 12Х18Н10Т, 09Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 06Х18Н10Т, 03Х18Н12ВИ, 08Х18Н10ВТ-О, 05Х18Н10Т-ВТ-О, 36НХТЮ, ЭИ-702, 40Х13, 20Х13, коррозионно-стойких сплавов в средах высокой агрессивности 06ХН28МДТ, ХН65МВ, Н7ОМФВ-ВИ, жаростойкого сплава 78НМ и др.
В зависимости от содержания основных легирующих элементов коррозионно-стойкие стали подразделяют на хромистые(12-30%Cr), хромоникелевые (в некоторых марках до 21% Ni), хромоникельмолибденовые (2-4%) и др. Наибольшее распространение получили хромоникелевые стали, имеющие высокую коррозионную стойкость, хорошие пластические свойства и пригодные для сварки.
Химический состав стали, определяется его микроструктурой. По этому показателю принято выделять следующие классы стали:
- мартенситные стали;
- ферритные стали;
- аустенитные стали.
Размеры труб изменяются в широких пределах: по диаметру от 0,3 до32 мм, а по толщине стенки от 0,1(0,06) до 2,5 мм. Трубы малых размеров (от 0,3 до 4 мм) изготавливают обычной и повышенной точности. С согласования заказчика трубы могут поставляться с комбинированными допускаемыми отклонениями: например, по наружному диаметру - повышенной, а по толщине стенки - обычной точности и т.п. Предприятиям-потребителям готовые трубы поставляются как немерной длины (не меньше 0,3 м), так и мерной длины в пределах 7 м ± 15 мм. По согласованию с заказчиком трубы могут поставляться также в бунтах длиной не более 160 м. Кривизна труб устанавливается соглашением сторон. Наружная поверхность труб должна быть светлой, ровной, чистой. Допускается зачистка отдельных рисок, царапин и пологих вмятин, не выводящих размеры труб за пределы допускаемых отклонений (приведены в приложении 1).
Трубы малого размера (до 4 мм) по требованию заказчика испытывают на герметичность путем нагнетания сухого воздуха под давлением 4-5 МПа под водой без появления утечки. Трубы диаметром более 5 мм, работающие под давлением, подвергают гидроиспытанию под давлением с выдержкой не менее 10 с. Испытания на межкристалитную коррозию (МКК) проводят по методу, указанному в заказе. В некоторых случаях к трубам в зависимости от их назначения предъявляют специальные требования, соответствие которым проверяется испытаниями на стендах по нормам, устанавливаемым согласованием сторон.
Качество поверхностного слоя труб после механической обработки характеризуется геометрическими, физико-механическими и поверхностными дефектами. К геометрическим показателям относят волнистость и шероховатость поверхности. Волнистостью называют отклонение поверхности от заданной формы с периодическими возвышенностями и впадинами. Шаг волны должен превышать базовую длину (по ГОСТ 2789-73).Шероховатость образуют неровности поверхности профиля с относительно малыми шагами, рассматриваемые в пределах участка, длина которого равна базовой длине, внутри которого волнистостью можно пренебречь.
В основном поверхности, получаемые после механической обработки, имеют много поверхностей. Встречаются однородные поверхности, имеющие неровности примерно одинаковой высоты и одинаковое расстояние между ними, Это в основном поверхности классов 1-6 (по ГОСТ 2789-73), получаемые при точении. Шероховатость этих поверхностей можно охарактеризовать средним значением отдельных высот неровностей, т.е. критерием Rz. При шлифовании и других видах чистовой обработки, когда шероховатость находится в пределах классов 6-12; распределение неровностей носит случайный характер. Для оценки шероховатости таких поверхностей используют критерий Ra. Царапины, раковины и другие подобные дефекты поверхности при определении шероховатости не учитываются. При необходимости требования к таким дефектам должны быть установлены отдельно. Для измерения шероховатости поверхности труб наиболее распространенными являются отечественные приборы ПТС - 1(для грубо обработанных поверхностей, Rz от 320 до 80 мкм) и ПСС - 2(Rz от 40 до 1,6 мкм), щуповые профиломеры модели 253(Ra от 2,5 до 0,04 мкм), профилограф-профилометр модели 202 и др.
1.2 Пути повышения качества торцевых поверхностей после разделение на мерные длины.
Под доводческими работами понимаются:
-снятие слоя металла с торца с помощью абразивных кругов;
-отрезание не качественного торца тонкими абразивными пилами.
Для проведения данных работ необходимо заранее, при резке назначать длину мерной заготовки несколько больше установленного размера. Это производится с целью соответствию размеров труб требованию заказчика. Так же дополнительные операции требуют дополнительного времени и затрат по человеко-часам, так как доводческие операции производятся вручную. Все это ведет к повышению стоимости трубного проката.
Качество торцевых поверхностей можно улучшить с помощью использования штампов.
Главным направлением повышения качества торцевых поверхностей является улучшение качества реза на ножницах стоящих в главной линии прокатки для вывода из технологического процесса дополнительных операций. Этого можно достигнуть применением агрегата для порезки труб с улучшенными технико-экономическими показателями.
Анализ публикаций показывает что, информация, касающаяся определения усилия при порезке труб, отсутствует.
В связи с этим задачей исследования является разработка методики определения усилия резания при различных факторах и конструирование устройства для порезки труб с улучшенными технико-экономическими показателями.
В ходе работы выведена зависимость для определения усилия реза при порезке труб на мерные длины.
С помощью полученной, в ходе работы, зависимости, спроектированно устройство,обеспечивающее требуемое качество торцевых поверхностей, с минимальным количеством материала уходящего в обрезь.
Данные результаты привели к увеличению технико-экономических показателей, по сравнению с устройствами этого класса, служащих для тех же целей.
Результаты работы ещё не реализованны, так как готовиться заявка на изобретение.
Для контроля силовых параметров процесса резки труб на суппорте клиновидного ножа были наклеены тензометрические датчики, соединенные между собой по мостовой схеме и образующие тензорезисторный преобразователь.
Предварительно протарированный тензорезисторный преобразователь подключался к измерительной системе, основанной на использовании аналогово-цифрового преобразователя промышленного исполнения (L-1250) в комплексе с ЭВМ. Структурная схема применявшейся измерительной системы приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема
Для сопоставления состояния торцовых поверхностей трубок, разрезаемых клиновым ножом по традиционной схеме и с применением предварительного надреза, были проведены две серии опытов, во время которых осуществляли контроль усилия резания и формы сечения трубок. Учитывая быстротечность процесса разделения трубки на части (0,01 с. при скорости движения ножа 1 м/с), АЦП настраивался на частоту опроса 5 кГц.
1.1 Критерии качества выпускаемого проката.
1.2 Пути повышения качества торцнвых поверхностей после разделение на мерные длины.
1.3 Цель задачи исследования.
2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ РЕЖУЩИХ УСТРОЙСТВ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КАЧЕСТВЕННУЮ ПОРЕЗКУ ТРУБ.
2.1 Конструкции с использованием дисковых пил.
2.2 Конструкции с использованием обкатных роликов.
2.3 Конструкции с использованием режущего штампа с клиновыми ножами.
2.4 Выбор оптимального технического решения.
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗКИ ТРУБ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ.
3.1 Описание конструкции лабораторной установки и принцип её действия.
3.2 Применяемая система измерения и аппаратура.
3.3 Методика проведения эксперимента.
3.4 Результаты лабораторных исследований.
4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЕЖУЩЕГО УСТРОЙСТВА С УЛУЧШЕННЫМИ РАБОЧИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.
4.1 Конструктивные особенности предлагаемого устройства.
4.2 Расчет конструктивных параметров.
4.2.1 Механизм зажима.
4.2.2 Механизм подреза.
4.2.3 Механизм основного реза.
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ.
5.1 Снижение массы и уменьшение геометрических размеров устройства.
5.2 Повышение качества реза.
5.3 Снижение количества металла в обрезь.
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ РЕЖУЩИХ УСТРОЙСТВ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КАЧЕСТВЕННУЮ ПОРЕЗКУ ТРУБ.
Механическое оборудование использующееся для порезки труб в настоящее время, можно разделить на три группы:
-ножницы;
-пилы;
-обкатные резцовые устройства.
Конструкции с использованием дисковых пил.
В качестве режущего элемента в устройствах данной конструкции используется дисковые пилах [1]. Пилы разделяют на две группы (в зависимости от конструкции диска): для горячего и холодного резания (пилы трения). У пил, относящихся к первой группе, диски зубчатые. У пил второй группы диски гладкие: резание происходит вследствие расплавления металла при трении быстро вращающегося диска. Производительность этих пил значительно меньше производительности пил горячего резания с зубьями. "Бесконечная" труба, выходящая из калибровочного стана, разрезается летучей пилой (Рис.1) на трубы мерной длины, которые поступают на стеллаж охлаждения.
Летучая двухдисковая пила для резки труб состоит из устройства 1 служащего для синхронизации скорости пилы со скоростью выхода трубы из калибровочного стана (80-420 м/мин) и главного привода вращения стола 2.Основной частью механизма является стол 3, непрерывно вращающийся в горизонтальной плоскости. На столе находится планетарный редуктор 6, коронная (солнечная) шестерня которого неподвижна. На вертикальных валах двух периферийных шестернях-сателлитах на столе смонтированы две каретки 4, перемещающиеся поступательно при вращении стола. Режущий диск 5 каретки, диаметром 600 мм и толщиной 3 мм, снабжён приводом от электродвигателя переменного тока. При подходе диска к рольгангу движущаяся труба приподнимается механизмом 7 и происходит резание. Все механизмы стола динамически уравновешены, что обеспечивает устойчивую работу пилы при больших скоростях.
Рисунок 2 - Машина для резки трубы на мирные длины.
Также используется схема с летучей дисковой пилой (Рис.2).При прохождении трубы через аппарат управления 1, тележка 2 с колесами 3 приводится в движение гидроцилиндром 4. После совпадения скорости тележки и трубы с помощью прижимного устройства 7, заготовка 8 подводится к диску пилы 6, приводимому во вращение электродвигателем 5, закрепленным на тележке. После реза труба отжимается и тележка возвращается в исходное положение. Для порезки на ходу, используют пилы диаметром до 100 мм. Главными недостатками пил являются их малая производительность и повышенный расход режущего инструмента - зубчатого или гладкого диска. Так же при использовании зубчатого диска на торце трубы наблюдается волнистость больше допустимой.
Рисунок 3 - Дисковая пила с перемещением вдоль главной оси стана.
Конструкции с использованием обкатных роликов.
Конструкции с использованием режущего штампа с клиновыми ножами.
Данные устройства относятся к отрезным резцовым устройствам[1]. Принцип действия основан на том, что после синхронизации скоростей к трубе 3 подводятся ролики 1, вращающиеся головки. С помощью роликов прикла-дывают нагрузки ? так, что при вращении головки 2 на трубе образуется канавка (рис. 3). Надрезанная труба поступает в ломательную машину. Там она попадает в тя-нущие ролики надламывающего механизма и направляется ими во вращающийся ротор. Валки ротора предварительно настраиваются так, чтобы проходящая труба подвергалась изгибу. Под действием многократного знакопеременного изгиба происходит усталостное разрушение по кольцевому надрезу, являющегося кон-центратором напряжений. Одновременно с этим труба выправляется, так как из-гибающий момент практически достигает упругопластического значения. Рисунок 3 - Рез трубы обкатными роликами Подобная машина установлена в линии стона 8 - 30 сварки труб постоянным током на Волгоградском трубном заводе. Механизм, синхронизирующий скорости перемещения трубы и валков (роли-ков), аналогичен механизмам синхронизации в устройствах использующих другой принцип реза. Недостатком данной конструкции является наличие большого количества ме-ханизмов: - прижима роликов; - синхронизации скоростей; - вращение головки с роликами. Также недостатком является наличие ломательного механизма. Данная конструкция получила наибольшее распространение в производстве тонкостенных электросварных труб из-за возможности использования при скоро-сти движения труб до 60-70 м/мин. Но после порезки на таких устройствах у труб наблюдается завальцовывание торца, то есть образуется внутренний заусениц по всему периметру сечения трубы. Возможно применение конструкции, где вместо обкатных роликов во вра-щающейся головке используются резцы. С их помощью с трубы снимается слой металла, в результате образуется кольцевая дорожка, служащая концентратором напряжения. 2.3 Конструкции с использованием режущего штампа с клиновыми ножами. Ножницы с клиновидными ножами применяют для порезки на ходу труб диаметром до 50 мм. Однако при их использовании наблюдается смятие в торце труб, которое образуется при входе ножа в металл. Лучших результатов разрешения проблемы качественной резки достигла ка-надская компания RAFTER, сотрудниками которой была предложена схема порез-ки труб на ножницах с клиновидным ножом, предполагающая предварительный подрез трубы. Порезка по такой схеме не дает смятия в торце трубы. Схема уст-ройства приведена на рис.4. Штамп для резки труб имеет неподвижную плиту 1 с установленными на ней механизмом зажима 4 трубы, штампами 5,6 и направляющими каретки 8, имею-щей подрезной нож 7.Штамп также имеет подвижную плиту 2. На ней закрепле-ны: штанга 3,приводящая в работу механизм зажатия трубы; копир 9 и отрезной нож 10 [2]. Штамп работает следующим образом. Разрезаемую трубу подают в устройство. Верхнюю плиту 2 перемещают вниз, при этом штанга 3 приводит механизм зажатия в движение. Штамп 5 при-жимает трубу к неподвижной части штампа 6.После закрепления трубы, при про-должении движения верхней плиты, каретка 8 отрезного ножа за счет профиля корпуса 9 начинает перемещаться влево. Во время этого подрезной нож 7 снимает слой металла. Рисунок 4 - Штамп для резки труб фирмы RAFTER. После занятия подрезным ножом крайнего левого положения происходит рез основным ножом10. Затем плита возвращается в исходное положение. При этом все механизмы штампа возвращаются в исходное положение в обратном порядке. В 1981 г. было зарегистрировано отечественное авторское свидетельство на штамп, использующий тот же принцип работы [3]. Штамп для резки труб содержит нижнюю плиту 1, несущую зажимы для крепления разрезаемой трубы 3, стоек 4 для размещения на осях вилкообразной державки 5 с расположенным на ней подрезным ножом, выполненным в виде сек-торной многозубой протяжки. На оси вилкообразной державки смонтирована опо-ра в виде шестерни 7, взаимодействующая с толкателем в виде зубчатой рейки 10, установленной жестко на верхней плите 8, к которой жестко прикреплен отрезной нож 9.