Известно [1], что основным недостатком непрерывной валковой формовки труб является появление в процессе формоизменения искривленных участков кромок трубной заготовки — так называемых гофров, представляющих собой следствие появления в кромках продольных сжимающих напряжений, определяющих их устойчивость. Причиной возникновения таких напряжений являются пластические деформации растяжения и сжатия, которые происходят при непрерывном знакопеременном гибе полосы в валках формовочного стана. Гофрообразование затрудняет или делает невозможной последующую сварку заготовки. Этот недостаток наиболее явно проявляется при производстве тонкостенных труб или же труб из сталей высоких классов прочности.
Чтобы определить картину распределения продольных деформаций в зависимости от траектории центрального волокна трубной заготовки был проведен анализ процесса формовки труб на ТЭСА 203−530 АО «ВМЗ». Исследование проведено в специализированном программном комплексе конечно-элементного моделирования COPRA FEA RF [2], основанном на базе решателя MSC Marc. В качестве объекта исследования выбрана труба диаметром 325 мм и толщиной стенки 5 мм. Труба изготавливается из двух марок сталей (20 и К56), причем гофрообразование наблюдается только в случае использования стали класса прочности К56.
Исходными данными для моделирования послужила компоновка формовочно-сварочного стана непрерывной валковой формовки (рис. 1), реализованная в COPRA RF.
Результаты моделирования формовки показали, что, не меняя текущую настройку стана, стабильность процесса сварки возможно обеспечить только при производстве труб Ø325×5 мм из стали 20, так как при формовке трубной заготовки, изготовленной из стали класса прочности К56, кромка теряет продольную устойчивость в межклетьевом промежутке FP1-FP2. Внешний вид излома показан на рис. 2.
|
|
|
а — сталь 20; б — сталь К56 Рис. 2. Продольная пластическая деформация трубной заготовки в межклетьевом промежутке FP1-FP2 при производстве трубы Ø325×5 мм (вид сверху) |
В ходе анализа очага формоизменения были определены причины возникновения гофров. Одной из причин оказалось увеличение расстояния между кромками полосы и ее высоты перед клетью FP1 вследствие большего распружинивания профиля трубной заготовки при формовке в предыдущих клетях стана (рис. 3). Поскольку увеличивается траектория перемещения кромок, становится больше и величина продольных деформаций, что способствует потере продольной устойчивости кромок в межклетьевом промежутке FP1-FP2.
Также установлено, что немаловажной причиной гофрообразования в группе клетей с закрытым профилем калибра FP1−3 является несовершенство схемы формоизменения в клетях стана предварительной формовки FFX (PR1-CL3), а именно неравномерность деформации кромок полосы по длине очага сворачивания. Как видно из рис. 4, единовременная большая величина опускания дна трубной заготовки в плоскости клети RVS ведет к перегибам кромки в межклетьевом промежутке BD4-RVS (рис. 5) с периодом возникновения ~1200 мм, равным половине межклетьевого расстояния.
Кроме того, при формовке труб из стали К56 происходит увеличение траектории перемещения кромки за счет ее большего распружинивания (рис. 6) на выходе из клети BD4, что приводит к увеличению продольных деформаций и, как следствие, способствует формированию излома кромки в межклетьевом промежутке BD4-RVS по принципу, описанному выше.
Чтобы предотвратить потерю кривизны кромки заготовки, необходимо увеличить ширину подгибаемого участка профиля, скорректировав положение валков клети BD4 согласно принципиальной схеме «доформовки», представленной на рис. 6.
Таким образом, устранить исходные перегибы кромки, способствующие формированию гофров в группе клетей с закрытым профилем калибра, позволит оптимизация схемы формоизменения заготовки в клетях стана предварительной формовки FFX за счет изменения координат положения рабочего инструмента. Схема «цветка формовки», оптимального для производства труб Ø325×5 мм из стали К56 (отражает геометрию профиля трубной заготовки на различных этапах ее формоизменения), представлена на рис. 7.
Устранение описанных причин гофрообразования в группе клетей FP необходимо, но недостаточно для обеспечения продольной устойчивости кромки. В ходе исследования было установлено, что главной причиной появления изломов является продольное течение металла прикромочной области при обжатии трубной заготовки из стали К56 в клетях с закрытым профилем калибра. Как видно на рис. 8, при обжатии заготовки из стали К56 не происходит утолщения прикромочной области — в отличие от формовки труб из стали 20.
Обнаружено, что вследствие применения ниспадающей схемы опускания дна трубной заготовки на стане FFX кромка «отстает» от тела формуемой трубы, как показано на рис. 9. Этот факт и отмеченное ранее течение металла прикромочной области в направлении формовки создают его избыток в межклетьевом промежутке FP1-FP2, формируя излом. Период образования непроваров сварного соединения, как и период формирования изломов кромки в межклетьевых промежутках группы клетей FP1−3, одинаков и равен ~600 мм — половине расстояния между ними.
Для обеспечения продольной устойчивости кромки предложено исключить обжатие трубной заготовки по периметру в первых двух клетях группы FP, предотвратив продольное течение металла прикромочной области, за счет уменьшения ширины исходной заготовки Bo на величину Δ, определяемую по представленной ниже формуле:
Δ = Bo — (ПкалибFP2 — k * t)
где ПкалибFP2 — периметр калибра клети FP2, мм;
t — толщина стенки трубной заготовки, мм;
k — коэффициент увеличения наружного периметра заготовки в клетях FFX.
Полученные закономерности имеют универсальный характер и на данный момент успешно подтверждены при производстве труб из стали К56 (диаметр 530 мм, стенка 6 мм).
