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 моделирование технологических процессов», а также может быть использовано при изучении курса «Программное обеспечение САПР».
Рассмотрено оборудование для производства профильных труб. Разработаны модели 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 изучении процессов и предметов материального мира. 
Модель — искусственно созданная система, отображающая некоторые из свойств реального объекта (процесса или машины). Основными типами моделей являются: мысленные (идеальные), математические модели — такие, которые 
описывают реальный процесс при помощи математических зависимостей и, наконец, физические модели.
В данном учебном пособии на примере моделирования процесса изготовления профильных труб рассмотрены все его этапы: разработка твердотельной и конечно‑элементной модели, 
реализация ее с помощью программного комплекса, анализ результатов и разработка рекомендаций по совершенствованию 
составляющих процесса профилирования.
Одной из характерных особенностей современного промышленного производства в Российской Федерации, да и в мире 
в целом, является набирающая силу переориентация технологий в сторону энергои ресурсосбережения. Развитие подобных 
технологий в металлургическом и машиностроительном производстве означает прежде всего экономию топливных и сырьевых ресурсов, а также экономию производимого металла в виде 
создания металлоэкономных изделий с необходимыми потребительскими свойствами. Приоритетным должно стать повышение эффективности использования ресурсов над увеличением объемов добычи сырья и производства продукции.

Введение

Одним из таких изделий, позволяющим максимально полно использовать механические свойства металла, затраченного 
для их производства, являются трубы экономичных профилей 
(профильные трубы). Профильными трубами могут быть названы полые изделия большой протяженности, имеющие поперечное сечение, отличное от круглого, или отличную от цилиндрической 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 достаточно широко. В то же время большой эффект от применения 
таких труб позволяет говорить о том, что расширение поля использования труб со специальным профилем позволит добиться 
еще более значительного прироста потребительских и эксплуатационных свойств изделий, сконструированных с их применением.
Производство авиационных, транспортных и сельскохозяйственных машин требует использования профильных труб самого разнообразного профиля. Такое использование создает 
принципиальную возможность создания некоторых конструкций (например, изготовление особо крупных роторов вертолетов требует применения овальных или каплевидных равнопрочных труб переменного по длине сечения), что приводит 
к значительному снижению веса конструкции и, как следствие, 
экономии горючего, повышению ресурса машины и другим положительным эффектам.
Вместе с тем, при конструировании ряда неответственных 
изделий, не имеющих особых требований по соотношению 
«масса конструкции — ее потребительские свойства», профильные трубы не применяются ввиду их более высокой, по сравнению с обычными трубами, стоимостью.
Вариантов решения вопроса о снижении стоимости производства профильных труб несколько. Возможно дальнейшее 

Введение

развитие технологий, позволяющих получать профильные трубы непосредственно из листовой заготовки, например гнутых 
и гнуто‑сварных профилей. Также имеется возможность совершенствования процессов профилирования труб из круглых 
трубных заготовок.
Значительные проблемы существуют при проектировании 
и изготовлении профилировочного инструмента, в частности 
отмечается недостаточная точность производимых профильных труб, что в первую очередь может быть обусловлено несовершенством методики проектирования инструмента. Кроме 
того, в ряде случаев имеет место его недостаточная стойкость.
Решение этого ряда проблем требует всестороннего исследования как технологии производства, так и процесса профилирования, 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 некоторые вопросы теории профилирования труб, полученных формовкой из листа.
Имеющиеся в настоящее время теоретические и экспериментальные исследования касаются в основном изучения влияния параметров процесса на усилие профилирования. Имеются лишь отдельные исследования, посвященные вопросам 
калибровки инструмента. Разработка технологии производится часто на основе эмпирических зависимостей и накопленного производственного опыта.
Задачи определения рациональной формы волочильного канала, давления металла на инструмент, формоизменения при 
профилировании, напряженно‑деформированного состояния 
и степени использования запаса пластичности металла для тянутых труб практически не исследованы. Не изучены вопросы 
определения пластичности металла для формования из листа 

Введение

труб при наложении тангенциального подпора или растяжения в калибре.
Эти вопросы изучены в представленной работе.
Пособие рекомендуется использовать при изучении курсов: 
«Математическое моделирование технологических процессов», 
«Программное обеспечение САПР», «Пакеты прикладных программ», а также в курсовом проектировании и при выполнении 
выпускной квалификационной работы бакалаврами по направлению «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 особенностями процесса их применения, а также конструкцией 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 изменяющимся по длине.

2. Трубы с профильным (переменным) продольным сечением.

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. Поэтому 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 десятков типов профиля поперечного сечения трубы. По существовавшим ГОСТам и техническим условиям изготавливаются восьмигранные трубы с высотой профиля от 12 до 40 мм 
и толщиной стенки от 1 до 3,5 мм, восьмигранные трубы с круглым отверстием, двухканальные трубы (двух типов: А — в виде 
«восьмерки», В — с плоской центральной частью), с вогнутым или выпуклым желобком на одной из стенок (диаметром 
от 32 до 73 мм), а кроме того, звездообразные трубы. ГОСТ предусматривал большой сортамент каплевидных труб (высота профиля от 12 до 120 мм с толщиной стенки 1–2 мм), в том числе 
с несколькими видами поперечного сечения. Сортамент квадратных труб охватывал высоту профиля поперечного сечения 
трубы от 12 до 110 мм с толщиной стенки от 0,8 до 9 мм, прямоугольных — 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 конфигурации. 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 разнообразны. 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 машиностроении применяются квадратные трубы со сторонами 
от 32 до 42 мм и со стенкой толщиной от 3 до 6 мм. Квадратные 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 коллекторах паровых котлов и теплообменниках применяются толстостенные квадратные и прямоугольные трубы со сторонами 
от 110 до 152 мм и со стенкой толщиной от 12 до 20 мм. Квадратные и прямоугольные трубы широко применяются в автомобиле‑, тракторои вагоностроении.
В самолетостроении необходимы трубы обтекаемой формы: 
каплевидные с осями от 12×6 до 120×60 мм и со стенкой толщиной 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 трапецеидальные с большим основанием размером от 22 до 33,8 мм и со стенкой толщиной от 0,5 до 1,0 мм.
Для мотоциклетной и велосипедной промышленности 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 электропередач применяются плоскоовальные трубы размерами от 17×8,5 
до 29,4×13,4 мм и со стенкой толщиной 1,7 и 2,0 мм. Некоторые виды поперечных сечений наиболее часто применяющихся 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 четкая 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 создания 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 % больше равной ей по весу круглой трубы. Применение шестигранных труб с круглым отверстием для производства гаек и резьбовых 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 относительно одной или нескольких продольных по отношению к трубе 
плоскостей симметрии; симметричные с поворотной относительно центра степенью симметрии; несимметричные.

2. По степени толстостенности готовой трубы: особотолстостенные (с «игольчатым» отверстием или несколькими отверстиями); толстостенные; тонкостенные; особотонкостенные.

3. По типу стенок трубного профиля: со сплошными стенками, 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 сверхмалыми радиусами закруглений в углах трубного профиля.

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