ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА ХОЛОДНОЙ ГИБКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ С РАСКАТЫВАНИЕМ

​THE ANALYSIS OF THE MAIN FEATURES WHEN USING THE METHOD OF COLD BENDING OF METAL PIPES WITH ROLLING

Ivan Sashko

student, Department of Mechanical Engineering Technologies, Trekhgorny Technological Institute-branch of the National Research Nuclear University MEPhI,

Russia, Trekhgorny

Aleksander Prokhorov

student, Department of Mechanical Engineering Technologies, Trekhgorny Technological Institute-branch of the National Research Nuclear University MEPhI,

Russia, Trekhgorny

Andrey Bobylev

scientific supervisor, Ph.D. tech. sciences, associate professor, head Department of “Engineering Technology, Machines and Tools”,

South Ural State University,

Russia, Zlatoust

Alexander Kozlov

scientific supervisor, doctor of technical sciences sciences, associate professor, prof. Department of “Engineering Technology, Machines and Tools”, South Ural State University,

Russia, Zlatoust

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается разработанный в ЮУрГУ метод холодной гибки труб с раскатыванием деформирующими элементами (шариками). Выявлены положительные стороны применения метода холодной гибки труб с раскатыванием шариковым раскатником. Показаны возникающие при применении этого метода напряжения в сечении изгибаемой трубы. Обоснована целесообразность применения малого числа деформирующих элементов при применении метода холодной гибки труб с раскатыванием.

ABSTRACT

This article discusses the method of cold bending of pipes with rolling out deforming elements (balls) developed at SUSU. The positive aspects of the application of the method of cold bending of pipes with rolling out with a ball rolling machine are revealed. The stresses arising from the application of this method in the section of the bent pipe are shown. The expediency of using a small number of deforming elements when using the method of cold bending of pipes with rolling is justified.

Ключевые слова: гибка труб; раскатывание; деформирующие элементы, пластические и упругие деформации, напряжение, натяг.

Keywords: pipe bending, rolling, deforming elements, plastic and elastic deformations, stress, tension.

Анализ технической литературы, посвященной вопросам гибки труб, показывает, что значительное число авторов чаще всего подразделяют все имеющиеся способы на 3 группы [2]: холодная гибка труб, гибка труб с предварительным нагревом заготовки и штамповка криволинейных участков труб. Такая классификация является наиболее общей и каждая группа в частности включает в себя различные способы гибки труб, применяемые в зависимости от характера производства и гибки.

В ЮУрГУ разработан метод гибки труб, раскатываемых с большими натягами. Этот метод обладает рядом преимуществ, устраняя ряд недостатков других способов.

Важной составляющей процесса гибки туб с использованием раскатного инструмента является определение необходимого натяга [3], зависящего от скорости подачи трубы, количества деформирующих элементов в раскатнике и величины вылета раскатника относительно центра гибочного ролика, который обеспечивает нужный радиус гиба и принимает на себя нагрузку.

Разработанный в ЮУрГУ метод гибки труб, раскатываемых с большими натягами [1], представлен схематично на рисунке 1.

Рисунок 1. Гибка труб, раскатываемых с большими натягами деформирующими элементами (шариками)

Сущность метода заключается в следующем: раскатник, помещенный в трубу с некоторым натягом, совершает вращение, гибка происходит от приложения небольшого изгибающего момента.

На рисунке 2 изображены изгибные напряжения, возникающие в точках поперечного сечения.

Рисунок 2. Возникающий в точках кольцевой зоны раскатывания знакопеременный изгиб

Во всех точках области сечения изгибаемой трубы, подвергаемой раскатыванию, образуется знакопеременный изгиб, отличающийся тем, что при нем изгибные напряжения в краткий промежуток времени достигают значения предела текучести материала s_Т. Этим и обуславливается приложение достаточно малого изгибающего усилия j₂, которое и позволяет производить процесс гибки в перемещающейся с течением времени кольцевой зоне раскатывания трубы.

Установлено, что основными преимуществами метода гибки труб путем создания натяга с помощью деформирующих элементов раскатника [7] являются следующие свойства:

– возможность снизить усилия изгиба;

– гибке данным методом можно подвергать трубы с толстыми и тонкими стенками;

– обеспечивается минимальная деформация поперечного сечения трубы;

– оборудование, предназначенное для данного способа гибки, не требуется защищать от температурных воздействий – переохлаждения или, наоборот, перегрева;

– данный способ можно отнести к методам холодной гибки труб, при котором обеспечивается высокая безопасность производимых работ.

Как было показано в ряде работ [6, 7], основным параметром, который рассчитывается для процесса холодной гибки труб, раскатываемых с большим натягом, является величина рабочего натяга, создаваемого деформирующими элементами в процессе гибки и необходимого для образования пластических шарниров [5].

При гибке труб с раскатыванием обычно используется малое число деформирующих элементов (шариков) по причине более простого их изготовления и срока службы, однако при этом возрастает величина создаваемого натяга.

Раскатывание отверстий в тонкостенных деталях многороликовыми и многошариковыми раскатниками с целью повышения точности и снижения шероховатости известно. Применение большого числа деформирующих элементов позволяет приблизить форму инструмента к форме раскатываемого отверстия, что в сочетании с малым натягом обеспечивает минимальные деформации раскатываемых деталей. При гибке же с раскатыванием именно деформациями поперечного сечения трубы обеспечивают снижение изгибающих усилий, что требует создания значительно меньших натягов, чем при большом числе деформирующих элементов сделать непросто.

Действительно, при достаточно большом числе деформирующих элементов разница между максимальным упругим натягом и натягом, при котором возникают пластические шарниры стремится к нулю. Это говорит о том, что пластическое состояние возникает от растягивающих усилий, как и при дорновании, а роль изгибающих усилий и деформаций резко уменьшается. То есть при большом числе деформирующих элементов растягивающие усилия возрастают, а распределения нормальных напряжений в сечениях становятся резко асимметричными.

Также следует помнить, что во всех остальных сечениях, за исключением пластических шарниров, работают значительные напряжения, создающие растягивающие напряжения в окружном направлении, похожее на действие внутреннего гидростатического давления [2].

Именно поэтому метод раскатывания с большим числом деформирующих элементов схож с дорнованием с натягом, ведь в том случае также появляются окружные напряжения, достигающие предела текучести s_Т, и отличием в данной случае можно назвать тот факт, что силы трения трубы с вводимым инструментом пренебрежимо малы.

Следовательно, раскатыванием с большим числом деформирующих элементов также можно неограниченно снижать требующийся изгибающий момент при гибке на пологие радиусы кривизны, аналогично дорнованию с пренебрежимо малым трением (или при гидростатическом нагружении).

Если же число деформирующих элементов невелико, то растягивающие усилия малы и распределения нормальных напряжений в сечениях А и В практически симметричны, что показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Распределение нормальных напряжений в сечениях изгибаемой трубы: а – при большом числе деформирующих элементов; б – при малом числе деформирующих элементов

При этом на каждую точку сечения детали синхронно частоте вращения инструмента действуют растягивающие и сжимающие нормальные напряжения, но хотя они и достигают предела текучести, тонкостенная втулка в окружном направлении почти не растягивается и не сжимается. И в этом состоянии пластичность материала периодически достигается в каждой точке раскатываемого сечения, и даже очень малые напряжения в продольном направлении приводят к необратимым деформациям [6]. То есть даже при моменте, достаточном лишь для упругого изгиба трубы на радиус r₀=(500…600)D_трубы при раскатывании с необходимыми для образования пластических шарниров натягами, изгибная деформация трубы становится необратимой при крайне незначительном увеличении диаметра, что показано на рисунке 4.

Рисунок 4. График распределения моментов гибки труб при различных радиусах их изгиба

Однако вопрос о том, возможно ли при гибке крутоизогнутых отводов существенное снижение потребного изгибающего момента при небольшом числе деформирующих элементов и при незначительном увеличении диаметра трубы [5], остается пока открытым, в то время как невозможность этого для раскатывания с большим числом деформирующих элементов или дорнования совершенно очевидна из вышеизложенного.

Действительно, при наличии в раскатке 3–4 шариков может возникать не более 6–8 пластических шарниров, которые при минимальных натягах локализованы в узких областях, в то время как остальная часть материала трубы находится практически не в напряженном состоянии [4].

Вряд ли при этих минимальных натягах можно снизить в раскатываемом сечении потребный для крутого изгиба момент более чем в 1,5…2 раза [5]. Факт, что натяги можно и увеличить, и практически без изменения радиальных сил расширить локальные зоны пластических шарниров, но неизвестно, насколько нужно увеличить натяги. Кроме того, и при малом числе деформирующих элементов действующие небольшие растягивающие усилия приводят к некоторой асимметрии пластических шарниров, а это обязательно приводит к медленному, но неуклонному увеличению диаметра трубы и, следовательно, к уменьшению натяга.

Для проведения дальнейших исследований необходимо окончательно определиться со схемой нагружения трубы, произвести теоретический расчет для деформируемого сечения трубы при гибке с раскатыванием. Результатом анализа должен стать составленный алгоритм программы для ЭВМ, который позволит рассчитывать область допустимых натягов и подач, которые бы можно было безопасно назначать при гибке труб с раскатыванием деформирующими элементами без разрушения труб при настройке режимов их гибки. Выше представленные предложения будут развиты в дальнейших статьях.

Список литературы:

1. Пат. РФ 818707 Российская Федерация, МКИ В 21 D 9/14. Способ гибки труб / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич. – № 2713945/25; заявл. 17.06.79; опубл. 07.04.81, Бюл. № 13. – 3 с.
2. Гальперин А.И. Гнутье труб. – М,: Госстройиздат, 1958. - 131 с.
3. Козлов А.В., Бобылев А.В. Гибка труб, раскатываемых с большими натягами: Учебное пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999. – 65 с.
4. Козлов, А. В. Оценка натягов и усилий при гибке труб с раскатыванием / А.В. Козлов, Я.М. Хилькевич / Вестник ЮУрГУ. – 2004. – № 5 (34). – c. 125–132.
5. Козлов, А.В. Напряженное состояние в трубе при ее гибке с раскатыванием n парами близко расположенных деформирующих элементов / А.В. Козлов, В.Г. Шеркунов, Я.М. Хилькевич / Вестник машиностроения. – 2009. – № 8. – c. 67–70.
6. Бобылев, А.В. Повышение эффективности процесса формообразования криволинейных деталей трубопроводов за счет воздействия на трубу вращающимся раскатником: дис. ... канд. тех. наук: 05.03.01 / А.В. Бобылев. – Челябинск, 2002. – 162 с.
7. Козлов, А. В. Развитие теории, технологии и оборудования для холодной гибки тонкостенных труб с воздействием на трубу вращающимся деформирующим инструментом: автореф. дис. ... док. тех. наук: 05.02.09 / А. В. Козлов; ЮУрГУ. – Челябинск, 2010. – 35 с.