Моделирование процессов изготовления профильных труб

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. С. Паршин
Н. В. Семенова

МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
15.03.02 — Технологические машины 
и оборудование

Под общей редакцией доктора технических наук,
профессора В. С. Паршина

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.643.07(075.8)
ББК 34.748я73
          П18
Рецензенты:
кафедра автомобилестроения УГЛТУ (завкафедрой д‑р техн. наук, проф. 
Е. Е. Баженов);
д‑р техн. наук, проф. О. С. Лехов (РГППУ)

Паршин, В. С.
П18    Моделирование процессов изготовления профильных труб [Электронный
ресурс] : учебное по собие / В. С. Паршин, Н. В. Семенова. — 2-е изд., стер. —
М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. —  124 с.

ISBN 978-5-9765-3203-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978‑5‑7996‑1714‑1 (Изд-во Урал. ун-та)

Учебное пособие соответствует программе курса «Математическое моделирова‑
ние технологических процессов», а также может быть использовано при изучении кур‑
са «Программное обеспечение САПР».
Рассмотрено оборудование для производства профильных труб. Разработаны мо‑
дели процесса получения профильных труб. Дан анализ результатов моделирования 
и приведены рекомендации по совершенствованию рассматриваемого процесса.

Библиогр.: 11 назв. Табл. 3. Рис. 52.

УДК 621.643.07(075.8)
ББК 34.748я73

Учебное издание

Паршин Владимир Сергеевич
Семенова Наталья Владимировна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ

ISBN 978-5-9765-3203-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978‑5‑7996‑1714‑1 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный
     университет, 2016

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

Введение

М

етод моделирования широко применяется при изу‑
чении процессов и предметов материального мира. 
Модель — искусственно созданная система, ото‑
бражающая некоторые из свойств реального объекта (процес‑
са или машины). Основными типами моделей являются: мыс‑
ленные (идеальные), математические модели — такие, которые 
описывают реальный процесс при помощи математических за‑
висимостей и, наконец, физические модели.
В данном учебном пособии на примере моделирования про‑
цесса изготовления профильных труб рассмотрены все его эта‑
пы: разработка твердотельной и конечно‑элементной модели, 
реализация ее с помощью программного комплекса, анализ ре‑
зультатов и разработка рекомендаций по совершенствованию 
составляющих процесса профилирования.
Одной из характерных особенностей современного промыш‑
ленного производства в Российской Федерации, да и в мире 
в целом, является набирающая силу переориентация техноло‑
гий в сторону энерго‑ и ресурсосбережения. Развитие подобных 
технологий в металлургическом и машиностроительном произ‑
водстве означает прежде всего экономию топливных и сырье‑
вых ресурсов, а также экономию производимого металла в виде 
создания металлоэкономных изделий с необходимыми потре‑
бительскими свойствами. Приоритетным должно стать повы‑
шение эффективности использования ресурсов над увеличени‑
ем объемов добычи сырья и производства продукции.

Введение

Одним из таких изделий, позволяющим максимально пол‑
но использовать механические свойства металла, затраченного 
для их производства, являются трубы экономичных профилей 
(профильные трубы). Профильными трубами могут быть на‑
званы полые изделия большой протяженности, имеющие по‑
перечное сечение, отличное от круглого, или отличную от ци‑
линдрической внутреннюю или наружную поверхность. Кроме 
того, к этому классу могут быть отнесены круглые конические, 
ступенчатые и прочие круглые трубы, имеющие продольный 
профиль (например, винтовой).
Поле применения таких труб в современной технике доста‑
точно широко. В то же время большой эффект от применения 
таких труб позволяет говорить о том, что расширение поля ис‑
пользования труб со специальным профилем позволит добиться 
еще более значительного прироста потребительских и эксплу‑
атационных свойств изделий, сконструированных с их приме‑
нением.
Производство авиационных, транспортных и сельскохозяй‑
ственных машин требует использования профильных труб са‑
мого разнообразного профиля. Такое использование создает 
принципиальную возможность создания некоторых конструк‑
ций (например, изготовление особо крупных роторов верто‑
летов требует применения овальных или каплевидных равно‑
прочных труб переменного по длине сечения), что приводит 
к значительному снижению веса конструкции и, как следствие, 
экономии горючего, повышению ресурса машины и другим по‑
ложительным эффектам.
Вместе с тем, при конструировании ряда неответственных 
изделий, не имеющих особых требований по соотношению 
«масса конструкции — ее потребительские свойства», профиль‑
ные трубы не применяются ввиду их более высокой, по сравне‑
нию с обычными трубами, стоимостью.
Вариантов решения вопроса о снижении стоимости произ‑
водства профильных труб несколько. Возможно дальнейшее 

Введение

развитие технологий, позволяющих получать профильные тру‑
бы непосредственно из листовой заготовки, например гнутых 
и гнуто‑сварных профилей. Также имеется возможность со‑
вершенствования процессов профилирования труб из круглых 
трубных заготовок.
Значительные проблемы существуют при проектировании 
и изготовлении профилировочного инструмента, в частности 
отмечается недостаточная точность производимых профиль‑
ных труб, что в первую очередь может быть обусловлено несо‑
вершенством методики проектирования инструмента. Кроме 
того, в ряде случаев имеет место его недостаточная стойкость.
Решение этого ряда проблем требует всестороннего иссле‑
дования как технологии производства, так и процесса профи‑
лирования, с точки зрения конкретных рекомендаций по их 
совершенствованию, повышению выхода годного, снижению 
расхода материала на производство инструмента.
В данной работе из всего многообразия профильных труб 
рассмотрены те из них, которые производятся волочением 
из круглой заготовки в профильных волоках, а также некото‑
рые вопросы теории профилирования труб, полученных фор‑
мовкой из листа.
Имеющиеся в настоящее время теоретические и экспери‑
ментальные исследования касаются в основном изучения вли‑
яния параметров процесса на усилие профилирования. Име‑
ются лишь отдельные исследования, посвященные вопросам 
калибровки инструмента. Разработка технологии производит‑
ся часто на основе эмпирических зависимостей и накопленно‑
го производственного опыта.
Задачи определения рациональной формы волочильного ка‑
нала, давления металла на инструмент, формоизменения при 
профилировании, напряженно‑деформированного состояния 
и степени использования запаса пластичности металла для тя‑
нутых труб практически не исследованы. Не изучены вопросы 
определения пластичности металла для формования из листа 

Введение

труб при наложении тангенциального подпора или растяже‑
ния в калибре.
Эти вопросы изучены в представленной работе.
Пособие рекомендуется использовать при изучении курсов: 
«Математическое моделирование технологических процессов», 
«Программное обеспечение САПР», «Пакеты прикладных про‑
грамм», а также в курсовом проектировании и при выполнении 
выпускной квалификационной работы бакалаврами по направ‑
лению «Технологические машины и оборудование».

1. Оборудование для производства 
профильных труб. Методы теоретического 
исследования процесса

1.1. Сортамент профильных труб
И

спользование тех или иных видов профильных труб 
обусловлено областью и технологическими особен‑
ностями процесса их применения, а также конструк‑
цией узла или машины, где они применяются. В этой связи 
большинство видов профильных труб имеют свое, достаточно 
специальное, назначение.
Профильные трубы условно могут быть разделены на три 
основные группы:

1. Трубы с профильным поперечным сечением, не изменя‑
ющимся по длине.

2. Трубы с профильным (переменным) продольным сече‑
нием.

3. Трубы сложной продольной конфигурации (например, 
углы, отводы, полые валы и др.).
Последние две группы профильных труб хоть и достаточно 
распространены, но применение их узко специализировано и, 
в этой связи, они редко производятся крупными партиями. По‑
этому в дальнейшем рассмотрим подробнее трубы, имеющие 
профильное поперечное сечение, не изменяющееся по длине.

1. Оборудование для производства профильных труб. Методы теоретического исследования процесса

На данный момент может быть произведено несколько де‑
сятков типов профиля поперечного сечения трубы. По суще‑
ствовавшим ГОСТам и техническим условиям изготавлива‑
ются восьмигранные трубы с высотой профиля от 12 до 40 мм 
и толщиной стенки от 1 до 3,5 мм, восьмигранные трубы с кру‑
глым отверстием, двухканальные трубы (двух типов: А — в виде 
«восьмерки», В — с плоской центральной частью), с вогну‑
тым или выпуклым желобком на одной из стенок (диаметром 
от 32 до 73 мм), а кроме того, звездообразные трубы. ГОСТ пред‑
усматривал большой сортамент каплевидных труб (высота про‑
филя от 12 до 120 мм с толщиной стенки 1–2 мм), в том числе 
с несколькими видами поперечного сечения. Сортамент ква‑
дратных труб охватывал высоту профиля поперечного сечения 
трубы от 12 до 110 мм с толщиной стенки от 0,8 до 9 мм, пря‑
моугольных — от 10 до 180 мм (по большей высоте профиля) 
со стенкой 0,8–12 мм, овальных — с высотой профиля от 6×3 мм 
до 90×30 мм при толщине стенки от 0,5 до 2,5 мм.
В отдельный вид могут быть выделены несколько подвидов 
плоскоовальных труб с большей высотой профиля: по ГОСТ 
от 13,5 до 50 мм и толщиной стенки 1–2,5 мм.
Применяются также трубы с крестообразным профилем 
и ребристые, имеющие достаточно разнообразные конфигу‑
рации. Сортамент шестигранных труб, а также шестигранных 
с круглым отверстием, так называемого «гаечного» профиля, 
по ГОСТ ограничен высотой трубного профиля от 9 до 75 мм 
(толщина стенки от 1,5 до 6 мм).
Области применения профильных труб также весьма разноо‑
бразны. Так, в сельскохозяйственном машиностроении широко 
применяются квадратные профили со сторонами от 25 до 100 мм 
и со стенкой толщиной от 3 до 8 мм, прямоугольные размерами 
от 40×25×3 до 100×50×7 мм, треугольные и др. В горном ма‑
шиностроении применяются квадратные трубы со сторонами 
от 32 до 42 мм и со стенкой толщиной от 3 до 6 мм. Квадрат‑
ные трубы со стороной от 80 до 110 мм и со стенкой толщиной 

1.1. Сортамент профильных труб

от 4 до 9 мм служат для крепления шахтных выработок. В кол‑
лекторах паровых котлов и теплообменниках применяются тол‑
стостенные квадратные и прямоугольные трубы со сторонами 
от 110 до 152 мм и со стенкой толщиной от 12 до 20 мм. Ква‑
дратные и прямоугольные трубы широко применяются в авто‑
мобиле‑, тракторо‑ и вагоностроении.
В самолетостроении необходимы трубы обтекаемой формы: 
каплевидные с осями от 12×6 до 120×60 мм и со стенкой тол‑
щиной от 1,0 до 2,5 мм, овальные с осями от 6×3 до 90×30 мм 
и со стенкой толщиной от 0,5 до 2,5 мм, а также трапецеидаль‑
ные с большим основанием размером от 22 до 33,8 мм и со стен‑
кой толщиной от 0,5 до 1,0 мм.
Для мотоциклетной и велосипедной промышленно‑
сти изготовляются трубы D‑образного профиля размерами 
от 15×7,5 до 42×18 мм и со стенкой толщиной от 1,0 до 2,0 мм.
Для стыкования токонесущих проводов линий электропере‑
дач применяются плоскоовальные трубы размерами от 17×8,5 
до 29,4×13,4 мм и со стенкой толщиной 1,7 и 2,0 мм. Некото‑
рые виды поперечных сечений наиболее часто применяющих‑
ся в промышленности профилей изображены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Некоторые виды поперечных сечений профильных труб

Как видно из приведенных примеров, даже для достаточно 
универсальных профилей труб прослеживается достаточно чет‑
кая область применения.
В основном, могут быть установлены отдельные причины, 
приводящие к необходимости применения профильных труб. 

1. Оборудование для производства профильных труб. Методы теоретического исследования процесса

Так, например, использование квадратных (прямоугольных) 
труб чаще всего обусловлено конструкцией, требующей соз‑
дания деталей типа плоских рам. Реже применение таких труб 
имеет место в связи с повышенным моментом сопротивления 
таких труб при плоском изгибе, наиболее часто имеющем место 
в несущих конструкциях (фермах и пр.). Известно, что момент 
сопротивления квадратной трубы плоскому изгибу на 30 % боль‑
ше равной ей по весу круглой трубы. Применение шестигран‑
ных труб с круглым отверстием для производства гаек и резьбо‑
вых муфт позволяет добиться значительной экономии металла 
при практически безотходном производстве. В значительном 
количестве случаев корпусные детали, ранее изготавливаемые 
точением и фрезерованием, можно заменить тонкостенными 
профильными трубами.
В зависимости от формы профиля поперечного сечения труб 
могут быть предложены несколько признаков классификации 
таких труб.

1. По симметричности профиля: симметричные относитель‑
но одной или нескольких продольных по отношению к трубе 
плоскостей симметрии; симметричные с поворотной относи‑
тельно центра степенью симметрии; несимметричные.

2. По степени толстостенности готовой трубы: особотолсто‑
стенные (с «игольчатым» отверстием или несколькими отвер‑
стиями); толстостенные; тонкостенные; особотонкостенные.

3. По типу стенок трубного профиля: со сплошными стенка‑
ми, имеющие специальные стенки (с перфорацией, пористые 
и др.); со стенками, имеющими собственный мелкий профиль 
(канавки, насечки, выступы и др.).

4. По типу выполнения углов трубного профиля: трубы 
с плавным профилем (овальные и др.); трубы с нормальным 
профилем (в пределах стандартов); трубы с малыми и сверхма‑
лыми радиусами закруглений в углах трубного профиля.

5. По профилю стенок: с неизменной толщиной стенок 
по всему трубному профилю (например, обычные квадратные