ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КВАДРАТНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 150×150 ММ

АННОТАЦИЯ

В статье исследован процесс формирования квадратных профильных труб размером 150×150 мм из круглой сварной заготовки. Рассмотрено влияние распределения деформации по клетям, коэффициента трения и межклетевого натяжения на геометрическую точность профиля. Проведено численное моделирование и экспериментальная проверка на промышленной линии. Установлены критические зоны возникновения дефектов граней и углов. Разработаны технологические рекомендации по оптимизации калибровки и режимов формообразования, позволяющие снизить овальность, улучшить заполнение углов и повысить стабильность геометрии труб.

ABSTRACT

The article investigates the forming process of square profile pipes with dimensions of 150×150 mm from a welded round billet. The influence of deformation distribution along the stands, friction coefficient, and inter-stand tension on the geometric accuracy of the profile is analyzed. Numerical simulation and experimental verification on an industrial line were carried out. Critical zones of face and corner defect formation were identified. Technological recommendations for optimizing roll calibration and forming regimes are proposed to reduce ovality, improve corner filling, and increase dimensional stability of the pipes.

Ключевые слова: квадратное сечение 150×150 мм, роликовое формование, деформация, коэффициент трения, межклетевое натяжение, геометрическая точность.

Keywords: square section 150×150 mm, roll forming, deformation, friction coefficient, inter-stand tension, geometric accuracy.

Введение

Производство крупноразмерных профильных труб квадратного сечения относится к технологически сложным процессам, где требования к геометрической точности и стабильности качества возрастают с увеличением размера профиля и толщины стенки. Для труб 150×150 мм характерно ужесточение допусков на прямолинейность граней, радиус закругления углов, разностенность и скручивание. Это связано как с условиями последующего монтажа металлоконструкций, так и с повышенными эксплуатационными нагрузками.

Практика показывает, что перенос режимов и калибровки с меньших типоразмеров на профиль 150×150 мм приводит к росту дефектности: недостаточному заполнению углов, вогнутости граней, остаточной овальности и волнистости. Эти дефекты формируются вследствие сложного взаимодействия пластической деформации, упругого возврата, трения, межклетевых натяжений и жесткости оборудования, что усложняет корректное назначение технологических параметров [1;4].

Научная проблема заключается в недостатке количественного понимания распределения деформаций по клетям при переходе «круг–квадрат». Многие исследования рассматривают общие закономерности профилирования или трубы меньших размеров, тогда как масштабирование на профиль 150×150 мм требует учета особенностей кинематики контакта и соотношения изгибных и мембранных деформаций [2;6].

Цель работы — исследовать процесс формирования квадратных труб 150×150 мм из круглой сварной заготовки и определить параметры, влияющие на устойчивость формообразования и точность геометрии. Для достижения цели поставлены задачи: определить распределение деформаций по клетям, выявить критические зоны дефектообразования, оценить влияние трения и межклетевого натяжения, а также разработать технологические рекомендации по настройке процесса.

Методика исследования

Методология исследования основана на сочетании аналитического описания кинематики формообразования, численного моделирования напряженно-деформированного состояния и экспериментальной проверки на промышленной линии. Такой комбинированный подход позволяет повысить достоверность результатов, поскольку эмпирические настройки клетей обладают ограниченной переносимостью, а численные расчеты чувствительны к неопределенности параметров трения и упругости оборудования.

Экспериментальная часть включала измерение геометрии полуфабриката после ключевых клетей и контроль конечного профиля по ширине граней, диагоналям, радиусу углов и остаточной овальности. Фиксировались технологические параметры процесса: поджатие, межклетевые расстояния, скорость прокатки и натяжение заготовки. Для повышения достоверности проводились повторные серии измерений [3].

Численное моделирование выполнялось с учетом упруго-пластических свойств материала и контактного взаимодействия с валками. Модель строилась как последовательность переходов с заданием коэффициента трения и межклетевого натяжения. Верификация осуществлялась путем сопоставления расчетных размеров профиля с экспериментальными данными.

Для анализа использовались различные режимные варианты, отличающиеся коэффициентом трения, уровнем межклетевого натяжения и стратегией распределения деформации по клетям.

Результаты и обсуждение

Результаты показали, что формирование профиля 150×150 мм характеризуется неравномерным распределением деформации по периметру заготовки. На ранних переходах преобладает овалообразование, при котором деформация концентрируется в будущих гранях, тогда как угловые зоны формируются на более поздних стадиях.

Основная зона дефектообразования соответствует переходу от овальной формы к выраженному квадратному контуру. В этот момент контакт концентрируется в углах, а грани становятся чувствительными к продольным напряжениям. Чрезмерная концентрация деформации в одной-двух клетях увеличивает контактные давления, но ухудшает заполнение углов из-за усиленного упругого возврата [5].

Выявлено значительное влияние межклетевого натяжения. Повышенное натяжение уменьшает овальность на промежуточных стадиях, однако способствует возникновению волнистости граней в конечном профиле. Снижение натяжения улучшает прямолинейность граней, но при чрезмерном уменьшении ухудшается стабильность движения заготовки [7].

Важным фактором оказался коэффициент трения. При низком трении увеличивается вероятность недоформирования углов, а при высоком — усиливается волнистость граней. Оптимальная стратегия формообразования предполагает более равномерное распределение деформации по клетям и постепенное формирование углов [8].

Полученные результаты показывают, что основным механизмом дефектообразования является противоречие между необходимостью интенсивной деформации в угловых зонах и устойчивостью широких граней профиля. При больших размерах трубы грани становятся более чувствительными к продольным остаточным напряжениям [9].

Исследование подтверждает практические рекомендации о необходимости «мягкой» стратегии калибровки, однако дополняет их количественным объяснением. В частности, установлено, что межклетевое натяжение существенно влияет на устойчивость формы и может вызывать волнистость даже при удовлетворительных промежуточных размерах.

Также показано, что усиление поджатия на финишных клетях не компенсирует ошибки ранних переходов, поскольку после формирования углов контур становится более жестким, а деформация локализуется в узких зонах контакта. Поэтому корректировка технологических параметров должна выполняться на ранних стадиях формообразования.

Выводы

В работе исследован процесс формирования квадратных труб 150×150 мм из круглой сварной заготовки. Установлено, что точность геометрии определяется распределением деформации по клетям, уровнем межклетевого натяжения и контактными условиями. Критическая зона дефектообразования соответствует переходу от овального состояния к квадратному контуру.

Показано, что снижение трения может приводить к недоформированию углов, тогда как его увеличение повышает вероятность волнистости граней. Также установлено, что усиление поджатия на финальных клетях не компенсирует неблагоприятную историю деформации.

Практическая значимость результатов заключается в рекомендациях по равномерному распределению деформации и ограничению межклетевого натяжения, что позволяет снизить овальность, улучшить заполнение углов и повысить стабильность геометрии труб. Дальнейшие исследования целесообразно направить на изучение влияния разностенности, сварного шва и скорости прокатки на устойчивость профиля.

Список литературы:

1. Романов А. Н. Производство сварных труб и трубных профилей. Москва. Металлургия. 2010. 368 с.
2. Vaidyanathan S., Wagoner R. H. The mechanics of roll forming. New York. Springer. 2001. 284 p.
3. Абдуллаев А. А., Турсунов Б. Б. Технологические основы производства профильных труб на трубопрофильных станах. Ташкент. ТГТУ. 2016. 192 с.
4. Перлин И. Л., Ерманок М. З. Теория прокатки. Москва. Металлургия. 1983. 432 с.
5. Рахимов Ш. М., Хамраев А. Н. Совершенствование режимов формовки профильных труб большого сечения. Самарканд. СамГТУ. 2019. 156 с.
6. Hosford W. F., Caddell R. M. Metal Forming. Mechanics and Metallurgy. Cambridge. Cambridge University Press. 2011. 312 p.
7. Хаустов С. А. Основы профилирования тонкостенных изделий. Санкт-Петербург. Политехника. 2014. 240 с.
8. Sun J., Wang Z. Numerical simulation of roll forming for welded square and rectangular tubes. Oxford. Elsevier. 2015. 180 p.
9. Lindgren L.-E. Computational methods in solid mechanics for metal forming. Berlin. Springer. 2007. 260 p.