Основы теории прокатки и волочения труб
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
ФЛИНТА
Автор:
Орлов Георгий Александрович
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 204
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9765-3195-6
Артикул: 680704.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Приведены теоретические основы технологических процессов прокатки и волочения труб. Кратко изложены основы теории обработки металлов давлением.
Значительное внимание уделено методикам расчетов калибровок инструмента,
энергосиловых параметров, технологическим ограничениям процессов прокатки и волочения труб. Методики иллюстрированы многочисленными примерами.
Предназначено для студентов направления «Металлургия», может быть полезна магистрам и аспирантам.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина Г.А. Орлов ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОКАТКИ И ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 150400 — Металлургия Москва Издательство «ФЛИНТА» Издательство Уральского университета 2017 2-е издание, стереотипное
УДК 621.774.3(075.8) ББК 34.748.12я73 О‑66 Рецензенты: кафедра обработки металлов давлением Института цветных металлов и ма‑ териаловедения Сибирского федерального университета (завкафедрой— проф., д‑р техн. наук С.Б. Сидельников); директор Института машиноведения РАН, д‑р техн. наук С.В. Смирнов Научный редактор — проф., д‑р техн. наук В.П. Швейкин. Орлов, Г. А. Основы теории прокатки и волочения труб [Электронный ресурс]: учебное пособие / Г. А. Орлов. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 204 с. ISBN 978-5-9765-3195-6 (ФЛИНТА) ISBN 978‑5‑7996‑1619‑9 (Изд-во Урал. ун-та) Приведены теоретические основы технологических процессов прокатки и во‑ лочения труб. Кратко изложены основы теории обработки металлов давлением. Значительное внимание уделено методикам расчетов калибровок инструмента, энергосиловых параметров, технологическим ограничениям процессов прокат‑ ки и волочения труб. Методики иллюстрированы многочисленными примерами. Предназначено для студентов направления «Металлургия», может быть по‑ лезна магистрам и аспирантам. Библиогр.: 26 назв. Табл. 6. Рис. 72. УДК 621.774.3(075.8) ББК 34.748.12я73 © Уральский федеральный университет, 2016 Учебное издание Орлов Григорий Александрович ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОКАТКИ И ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ Редактор Н. П. Кубыщенко Верстка О.П. Игнатьевой Подписано в печать 28.02.2017. Электронное издание для распространения через Интернет. ООО «ФЛИНТА», 117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17-Б, комн. 324. Тел./факс: (495) 334-82-65; тел. (495) 336-03-11. E-mail: flinta@mail.ru; WebSite: www.flinta.ru О‑66 ISBN 978-5-9765-3195-6 (ФЛИНТА) ISBN 978‑5‑7996‑1619‑9 (Изд-во Урал. ун-та)
Оглавление Введение ....................................................................................................5 1. Основные сведения из теории ОМД .......................................................6 1.1. Характеристики напряженного состояния ........................................6 1.2. Характеристики деформированного состояния ..............................11 1.3. Сопротивление деформации ............................................................20 1.4. Система дифференциальных уравнений теории пластичности .....22 1.5. Пластичность и разрушение ............................................................25 1.6. Работа и мощность пластической деформации ..............................29 1.7. Обрабатываемость давлением металлов и сплавов .........................30 2. Винтовая прокатка ...............................................................................39 2.1. Разновидности винтовой прокатки .................................................39 2.2. Очаг деформации при винтовой прокатке ......................................42 2.3. Кинематические условия винтовой прокатки.................................44 2.4. Шаг винтовой линии движения заготовки ......................................46 2.5. Частное обжатие ...............................................................................48 2.6. Расчет ширины контактной поверхности .......................................49 2.7. Условия устойчивости ......................................................................50 2.8. Энергосиловые параметры ...............................................................56 3. Продольная прокатка труб ...................................................................62 3.1. Классификация способов продольной прокатки труб....................62 3.2. Валки и калибры для продольной прокатки труб ...........................63 3.3. Геометрические характеристики очага деформации ......................66 3.4. Скоростные условия продольной прокатки ....................................72 3.5. Расчет энергосиловых параметров ...................................................76 3.6. Условия устойчивости продольной прокатки .................................86 3.7. Особенности непрерывной прокатки труб ......................................91 3.8. Особенности пилигримовой прокатки ............................................97 4. Прокатка на станах ХПТ .................................................................... 103 4.1. Основные понятия и определения ................................................. 103 4.2. Соотношения в мгновенном очаге деформации ........................... 107 4.3. Анализ и пути совершенствования калибровок инструмента ...... 116
Оглавление 4.4. Расчет силовых параметров ............................................................ 137 4.5. Расчет поврежденности .................................................................. 147 4.6. Технологические ограничения....................................................... 148 4.7. Оценка технологичности ................................................................ 151 4.8. Учет деформационного разогрева .................................................. 153 5. Прокатка на станах ХПТР ................................................................. 156 5.1. Особенности конструкции станов ................................................. 156 5.2. Скоростные условия роликовой прокатки .................................... 159 5.3. Соотношения в мгновенном очаге деформации ........................... 161 5.4. Расчет силовых параметров ............................................................ 165 5.5. Расчет поврежденности металла .................................................... 174 5.6. Технологические ограничения....................................................... 175 6. Волочение труб ................................................................................... 177 6.1. Разновидности волочения .............................................................. 177 6.2. Трубоволочильный инструмент ..................................................... 182 6.3. Очаг деформации при волочении .................................................. 189 6.4. Расчет усилий волочения ............................................................... 191 6.5. Расчет поврежденности .................................................................. 195 6.6. Проверка технологических ограничений ...................................... 197 Заключение ............................................................................................ 201 Библиографический список ................................................................. 203
Введение П роизводство труб является одним из важных разделов об‑ работки металлов давлением (ОМД). Прогресс в таких от‑ раслях, как нефте‑ и газодобыча, самолето‑ и ракетострое‑ ние, медицина, атомная энергетика, судостроение, машиностроение невозможен без современных технологий трубного производства из‑ готовления трубопроводов, трубчатых деталей и полых узлов машин и аппаратов. В 2013 году в России произведено около 9,7 млн тонн труб (10 % мирового производства), из них примерно 35 % — бесшовные трубы, теоретическим основам производства которых посвящено настоящее учебное пособие. Пятая часть бесшовных труб — холоднодеформиро‑ ванные; низкая доля холоднодеформированных труб в общем выпуске частично объясняется их малыми размерами, а также определенным отставанием России в плане разработки новых видов оборудования, технологических смазок и инструмента для получения высокоточных труб. В связи с развитием нефте‑ и газодобывающих отраслей про‑ мышленности наибольшую долю в выпуске бесшовных труб состав‑ ляют трубы нефтяного сортамента и газопроводные. В настоящем учебном пособии рассмотрены теоретические осно‑ вы классических способов прокатки и волочения труб, приведены ал‑ горитмы и примеры технологических расчетов при производстве го‑ ряче‑ и холоднодеформированных труб. Рассмотрены теоретические аспекты прокатки труб как на трубопрокатных агрегатах, так и холод‑ ной прокатки на валковых (ХПТ) и роликовых (ХПТР) станах. Работа рекомендуется студентам, освоившим дисциплины «Меха‑ ника сплошных сред» и «Оборудование трубных цехов». Учебное посо‑ бие соответствует программам дисциплин «Основы технологических процессов ОМД» и «Технология трубного производства» по направ‑ лению «Металлургия».
1. Основные сведения из теории ОМД Т еория ОМД базируется на основных положениях теории пла‑ стичности и оперирует характеристиками напряженно‑дефор‑ мированного состояния тела при его пластической деформации. 1.1. Характеристики напряженного состояния Напряжение — мера внешних или внутренних сил, это вектор, име‑ ющий величину и направление. В первом приближении напряжение можно определить как удельную силу, как отношение силы к пло‑ щади поверхности, на которую действует эта сила. Размерность на‑ пряжения Па = Н/м 2, в теории ОМД чаще пользуются размерностью МПа = Н/мм 2. Более точно понятие напряжения вводится в курсе сопротивления материалов. Различают внешние и внутренние напряжения. Рассмо‑ трим внешние напряжения, возникающие под действием приложен‑ ных к телу сил. Рассмотрим действие напряжения в декартовой си‑ стеме координат XYZ (см. рис. 1.1). Обозначим DF — элементарную площадку контактной поверхности тела в окрестности какой‑то точ‑ ки, DP — часть силы, приходящейся на эту площадку. Тогда вектором напряжения называется величина p P F F = ® lim / D D D 0 . (1.1) Или, применяя понятие производной, p = dP/dF. (1.2) Вектор напряжения раскладывают на составляющие вдоль коор‑ динатных осей, в данном случае это szz, szx, szy.
1.1. Характеристики напряженного состояния На рис. 1.1 оси выбраны так, что ось Z направлена перпен‑ дикулярно площадке DF, а оси X и Y — в ее плоскости. Напряже‑ ние, действующее перпендику‑ лярно данной площадке, назы‑ вается нормальным (в данном случае это szz). Напряжение, действующее в плоскости, на‑ зывается касательным (szx, szy). Напряжение условно счита‑ ют положительным (растяги‑ вающим), если его направле‑ ние совпадает с координатной осью, на рис. 1.1 это напряже‑ ние szy. Отрицательное (сжимающее) напряжение направлено против координатной оси, в рассматриваемом случае это szz и szx. В теории ОМД нормальное напряжение, действующее на инстру‑ мент, обычно называют давлением, а касательные нормальные на‑ пряжения представляют собой напряжения трения. В данном случае (рис. 1.1) вектор напряжения трения t s s = + zx zy . Напряжения трения и давления связаны, например, законом Ку‑ лона: t = fp, где f — коэффициент трения; р = –szz — нормальное давление. В любом процессе ОМД сила деформации и сила, действующая на инструмент (валки, оправки, бойки и т. п.), рассчитываются оди‑ наково: нормальное давление умножается на площадь контактной по‑ верхности. В общем случае сила деформации рассчитывается по урав‑ нению (1.2): P pdF Fk = т 0 , (1.3) где Fk — площадь контактной поверхности. z ∆F x y σzz σzх σzу 0 ∆Р р Рис. 1.1. Схема действия напряжений
1. ОснОвные сведения из теОрии ОМд Обычно полагают, что давления распределены равномерно по кон‑ тактной поверхности, а контактную поверхность заменяют ее горизон‑ тальной проекцией, и формулу (1.3) используют в упрощенном виде: P pFk = , где р — среднее нормальное давление. Аналогично вводится понятие внутренних напряжений. В инте‑ ресующей точке деформируемого тела рассматривается ориентиро‑ ванная определенным образом площадка, тело мысленно рассекается плоскостью, проходящей через рассматриваемую площадку, действие отброшенной части заменяется силой и рассматривается часть силы, действующая на выделенную площадку (см. рис. 1.1). Далее рассужде‑ ния повторяются как при рассмотрении поверхностных напряжений. В общем случае в окрестности данной точки в декартовой системе ко‑ ординат можно выделить три взаимно перпендикулярные площадки (грани элементарного параллелепипеда) и на каждой площадке рас‑ смотреть три проекции вектора напряжений (см. рис. 1.1). Эти девять проекций составляют тензор напряжений второго ранга: Ts s s s s s s s s s = ж и з з з ц ш ч ч ч xx xy xz yx yy yz zx zy zz . (1.4) Для сокращения записи принято использовать тензорные обозна‑ чения и тензор записывать в виде Тs = (sij), где i, j принимают значе‑ ния x, y, z. С помощью тензора напряжений можно найти напряжения на лю‑ бой наклонной площадке в выбранной системе координат: p n j ij i = s , где ni — направляющие косинусы между нормалью к площадке и со‑ ответствующей осью координат. Например, p n n n x xx x yx y zx z = + + s s s . Из условия равенства нулю суммы моментов всех сил, приложен‑ ных к элементарному параллелепипеду, можно получить закон парно‑ сти касательных напряжений sij = sji, то есть касательные напряжения,
1.1. Характеристики напряженного состояния расположенные симметрично главной диагонали тензора напряжений (формула (1.4)), равны друг другу. Поэтому тензор напряжений назы‑ вается симметричным. Возникающие в деформируемом теле напряжения удовлетворяют трем уравнениям равновесия, которые при отсутствии массовых и инер‑ ционных сил записываются с учетом правила суммирования по повто‑ ряющимся индексам: sij, j = 0. В развернутом виде: ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ = ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ = ¶ ¶ s s s s s s s xx xy xz yx yy yz zx x y z x y z / / / ; / / / ; / 0 0 x y z zy zz + ¶ ¶ + ¶ ¶ = м нп оп ь эп юп s s / / . 0 (1.5) Главные нормальные напряжения действуют на площадках, на ко‑ торых отсутствуют касательные напряжения, они обозначаются s11, s22, s33. Индексы при главных нормальных напряжениях назначают по правилу: s11 і s22 і s33. Тензор напряжений через главные напря‑ жения записывается так: Ts s s s = ж и з зз ц ш ч чч 11 22 33 0 0 0 0 0 0 . Схемы напряженного состояния различаются направлением напря‑ жений и их наличием по каким‑либо осям. Возможные схемы разделя‑ ют на три группы (см. рис. 1.2), включающие девять различных схем. Уровень нормальных напряжений в некоторой точке деформируе‑ мого тела характеризуют средним нормальным напряжением s = (s11 + s22 + s33)/3 = (sxx + syy + szz)/3 = sii/3. Напряженное состояние характеризует также интенсивность каса‑ тельных напряжений T = + + 1 6 11 22 2 22 33 2 33 11 2 [( ) ( ) ( ) ] s s s s s s . (1.6)
1. ОснОвные сведения из теОрии ОМд Название этой величины поясняет понятие главных касательных напряжений: s s s s s s s s s 12 11 22 23 22 33 13 11 33 2 2 2 = = = ( ) / ; ( ) / ; ( ) / . (1.7) С учетом этого T = + + 1 24 12 2 23 2 13 2 ( ) s s s . Таким образом, s характеризует действие нормальных напряжений, а Т — касательных. В общем схему напряженного состояния оценива‑ ют безразмерным показателем напряженного состояния s/Т. Отрица‑ тельные значения s/Т свидетельствуют о преобладании сжимающих напряжений, а положительные — растягивающих. С точки зрения возможности разрушения наиболее опасны растягивающие напряже‑ ния, то есть положительные значения s/Т. От показателя напряжен‑ ного состояния сильно зависит пластичность металла, то есть спо‑ собность деформироваться без макроскопического разрушения, о чем будет сказано далее. σ33 1 σ11 2 σ22 3 σ33 σ33 4 σ11 σ11 5 σ22 σ11 6 σ22 σ33 σ22 7 σ33 σ11 σ33 8 σ22 σ11 σ11 9 σ22 σ33 Рис. 1.2. Схемы напряженного состояния: 1, 2 — линейные; 3, 4, 5 — плоские; 6, 7, 8, 9 — объемные
1.2. Характеристики деформированного состояния Разница главных напряжений оценивается коэффициентом Лоде: m s s s s s = 2 1 22 33 11 33 ( ) / ( ) . (1.8) Коэффициент Лоде, наряду с показателем напряженного состо‑ яния, оказывает влияние на пластичность металла [1] и изменяется в пределах от –1 до +1. Для одноосного растяжения по формуле (1.8) (s22 = s33 = 0) ms = –1; для одноосного сжатия (s11 = s22 = 0) ms = +1; для чистого сдвига (s11 = –s33; s22 = 0) ms = 0. 1.2. Характеристики деформированного состояния Деформация — это изменение формы и размеров деформируемо‑ го тела. Для оценки этих изменений применяют различные характе‑ ристики. Деформация происходит за определенный промежуток вре‑ мени. В процессе деформации под действием внешних сил все точки тела перемещаются и изменяется их взаимное положение. Рассмотрим деформацию двух взаимно перпендикулярных отрезков АВ и АС вбли‑ зи точки А в плоскости XOY (рис. 1.3). После деформации точка А пе‑ реместилась в положение А1, а отрезки заняли положение А1 В1 и А1 С1. Вектор перемещения точки А при пластической деформации обозна‑ чен U, его проекции на оси координат Ux и Uy. C x Uy 0 y Ux A B B1 C1 A1 α β dx dy U Рис. 1.3. Малые деформации в окрестности точки Линейные деформации оцениваются отношением удлинения или укорочения отрезка к его исходной длине. В данном случае деформа‑
1. ОснОвные сведения из теОрии ОМд ции (относительные удлинения) вдоль соответствующих осей при до‑ пущении малости углов a и b: exx A B AB AB = 1 1 ; eyy AC AC AC = 1 1 . Относительные удлинения могут быть растягивающими (поло‑ жительными) и сжимающими (отрицательными). В данном случае (см. рис. 1.3) деформация вдоль оси Y отрицательна: eyy < 0 , а вдоль оси Х — положительна: exx > 0 . Деформации сдвига оцениваются изменением углов, в данном случае e a b xy = + 2 . Используя дифференциальные соотношения и некоторые упроще‑ ния, считая деформации малыми (не более 0,1), отрезки прямолиней‑ ными, можно получить следующие дифференциальные соотношения Коши в плоскости XOY (см. рис. 1.3) для определения относительных удлинений и сдвигов: e e e xx x yy y xy x y U x U y U y U x = ¶ ¶ = ¶ ¶ = ¶ ¶ + ¶ ¶ ж и з ц ш ч ; ; 1 2 . (1.9) В общем случае вблизи точки рассматривают элементарный парал‑ лелепипед с ребрами dx, dy, dz. При деформации изменяются линей‑ ные размеры ребер (но линии остаются прямыми), изменяются углы между ребрами. Линейная деформация параллелепипеда связана с из‑ менением его объема. Угловая деформация сдвига не связана с из‑ менением объема, а приводит к изменению формы тела. Рассматри‑ вая деформации граней параллелепипеда, можно записать еще шесть дифференциальных соотношений, подобных выражению (1.9), и вве‑ сти тензор малых деформаций, который определяет деформированное состояние в окрестности произвольной точки деформируемого тела: Te e e e e e e e e e = ж и з з з ц ш ч ч ч xx xy xz yx yy yz zx zy zz . Деформации тела называются малыми порядка d≪1, если для лю‑ бых i, j в каждой точке в данный момент времени | eij | Ј d и величиной d 2 можно пренебречь. Обычно принимается d = 0,1.
Доступ онлайн
В корзину