Теория и практика абразивной разрезки труб

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 

АБРАЗИВНОЙ РАЗРЕЗКИ

ТРУБ

Монография

Москва

ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК

ИНФРА-М

201Е.А. Левченко

Н.И. Покинтелица

А.О. Харченко

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ

УДК 621.92(075.4)
ББК 34.638.7
 
Л38

© Левченко Е.А., 
   Покинтелица Н.И., 
   Харченко А.О., 2017
© Вузовский учебник, 2017

ISBN 978-5-9558-0599-3 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-013466-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106143-5 (ИНФРА-М, online)

Подписано в печать 05.04.2019. 

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 

Печать цифровая. Усл. печ. л. 10,0.

ППТ12. Заказ № 00000
ТК 669358-1027994-150917

Издательский Дом «Вузовский учебник»

127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52

www.vuzbook.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

Левченко Е.А.

Л38 
 
Теория и практика абразивной разрезки труб : монография / 

Е.А. Левченко, Н.И. Покинтелица, А.О. Харченко. — М. : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2019. — 142 с. — (Научная книга).

ISBN 978-5-9558-0599-3 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-013466-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106143-5 (ИНФРА-М, online)

В монографии рассматриваются вопросы повышения качества абра
зивной разрезки труб. Представлен анализ и выявлены причины снижения требуемой точности разрезки при работе режущего инструмента. 
Представлены результаты расчета отрезного круга, позволяющие прогнозировать характер изменения микрорельефа при обработке. Представлены результаты экспериментальных исследований новых конструкций 
отрезных кругов и даны рекомендации по их проектированию и эксплуатации в производственных условиях с учетом выбора рациональных условий обработки.

Книга предназначена для научных и инженерно-технических работни
ков машиностроительных заводов, а также студентов вузов соответствующих направлений, связанных с металлообработкой.

УДК 621.92(075.4)

ББК 34.638.7

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Данная книга доступна в цветном 
исполнении в электроннобиблиотечной системе Znanium.com

ВВЕДЕНИЕ

Основным требованием современного производства является повы
шение конкурентоспособности выпускаемой продукции. В отрасли машиностроительного производства важное значение имеет разрезка материалов – одна из операций, требующая высокой точности и качества
поверхности при большом многообразии материалов заготовок.

Абразивная разрезка относится к сравнительно малоизученным про
цессам, внимание к которому значительно возросло в последнее время. 
Объясняется это тем, что разрезка деталей абразивными кругами широко применяется в промышленности ввиду её достаточно высокой производительности и экономичности. Однако, при всей своей, казалось бы, 
простоте кинематической схемы имеется все еще много резервов, использование которых может существенно отразиться на техникоэкономических показателях процесса.

Повышение производительности процесса разрезки труб отрезными

кругами с обеспечением необходимых требований к качеству обработанной поверхности является приоритетной задачей по развитию абразивной обработки материалов. Чаще всего в процессе разрезки наблюдается заклинивание инструмента и трение его боковых сторон о торцовую поверхность трубы. В результате действия высоких температур в
зоне контакта круга и трубы происходит интенсивный нагрев обрабатываемой поверхности, что влечет за собой возникновение трещин, прижогов, появление структурных изменений в сечении реза (заусенцы, 
неровности, деформирование материала и т. п.), приводящих к необходимости дальнейшей обработки. Образование дефектного слоя, прижогов и трещин нежелательно, так как это приводит к ухудшению обрабатываемости полученной поверхности, увеличению припусков под последующую обработку и, в конечном итоге, к ухудшению качества торцовой
поверхности трубы. Поэтому особенно важной и актуальной задачей является повышение эффективности процесса абразивной разрезки за счет
внедрения отрезных кругов с повышенным режущим микрорельефом
боковых поверхностей. Это позволит реализовать потенциальные возможности процесса разрезки, существенно увеличить его производительность при высоком качестве поверхностей реза. 

В монографии приведены результаты выполненных в Севастополь
ском государственном университете (кафедра «Технология машиностроения»), а также на промышленных предприятиях Крыма, г. Севастополя и
ближнего зарубежья комплексных теоретических и экспериментальных
исследований абразивной разрезки деталей. Даны рекомендации по проектированию новых конструкций отрезных кругов для обеспечения качества обработки и повышения точности процесса абразивной разрезки при
их промышленной эксплуатации. 

Глава 1
ОБЗОР И АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ АБРАЗИВНОЙ
РАЗРЕЗКИ ДЕТАЛЕЙ

1.1  Сравнительный анализ способов разрезки труб

Научно-технический прогресс, определивший в последнее время раз
витие многих процессов механической обработки металлов резанием, в
известной мере, связан с важной ролью отрезных операций [48, 49]. 

На сегодняшний день известно много различных способов разрезки

материалов с использованием широкой номенклатуры инструментов и
технологий.

В мировой практике широко используются кроме общепринятых ме
тодов (отрезным резцом, дисковой фрезой, ленточными полотнами, абразивными кругами и др.) также физико-химические (электроискровой, 
электроконтактный, газовый, анодно-механический, плазменный, ультразвуковой и др.). Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, но растущим требованиям по производительности и качеству
ни один из них уже не удовлетворяет. 

При использовании физико-химических способов разрезки (плазмой

или лазером, рис. 1.1), а также при разрезке фрикционными пилами, 
дисками трения и абразивными кругами происходит температурный
нагрев металла, который приводит к структурным изменениям в поверхностном слое и повышению его твердости, что не всегда является
допустимым [35, 46, 58]. 

Например, в случае разрезки труб с помощью газовой и плазменно
дуговой обработки металл, расплавленный пламенем плазменной или
газовой горелки, выдувается из места резки направленной струей газа
или воздуха. Способы весьма просты и удобны в эксплуатации, но им
присущи такие недостатки, как дорогостоящее оборудование, низкая
производительность (15 – 30 резов в час) и значительный расход (ширина реза достигает 10 мм), низкое качество поверхностей реза, неровный
рез, наплавления, окалины и прочее. Кроме того, происходит закалка
торцов детали, что затрудняет их последующую обработку, вызывая
быстрый износ, а нередко и поломку инструмента [8, 13]. 

Обрабатываемость при анодно-механической разрезке различна. 

Лучше других режутся материалы, обладающие малой теплопроводностью и низкой температурой плавления, такие как свинец и олово. Плохо обрабатываются твердые сплавы.

Рис. 1.1. Схема способов разрезки труб

Достоинство анодно-механической разрезки – высокая точность, но

способ имеет и ряд недостатков, таких как: низкая производительность
(30 – 50 резов в час), повышенный расход инструмента и ухудшение
условий труда. Анодно-механическая разрезка используется в основном в
серийном производстве для разрезки труб диаметром до 300 мм [36, 41].

Методы электроннолучевой и светолучевой разрезки труб весьма

эффективны и основаны на тепловом воздействии лучевого излучения
при непрерывном перемещении источника теплоты, сформированного в
пятно с высокой плотностью мощности с помощью специальной оптической системы. Это в свою очередь потребует немалых материальных
затрат на приобретение оптической системы и дорогостоящего оборудования в целом. Рассматривая качество поверхности резов после обработки, следует учесть, что при разрезке углеродистых и нержавеющих
сталей, титановых и алюминиевых сплавов характерно образование грата, что значительно снижает точность обработки лучом.

Ультразвуковая разрезка требует специального оборудования, что

вызывает сложности применения данного способа. Качество поверхности обрабатываемых торцов зависит от свойств материала детали. 
Обычно средняя высота микронеровностей колеблется в пределах Ra = 
2,7…21,4 мкм [46]. Приведенные значения шероховатости указывают на
низкие показатели качества поверхности, что вызывает необходимость

дополнительной финишной обработки, снижая при этом производительность и эффективность применения данного способа.

Электроискровая, электроконтактная и электроабразивная разрезки

труб отличаются нагревом в зоне резания электрическим током, что в
свою очередь ускоряет разогрев материала детали в зоне контакта до
пластического состояния и деформирования формы поперечного сечения трубы, а это следует отнести к недостаткам указанных способов
обработки [60]. 

Разрезка с помощью взрыва предназначена для обработки высоколе
гированных сталей и сплавов на основании использования механических импульсов высокой энергии. Для разрезки деталей типа труба, 
взрывчатое вещество должно иметь форму кольца. Данный способ дает
возможность обрабатывать крупногабаритные детали из труднообрабатываемых материалов, но обладает ограниченной энергоемкостью и
требует изготовления сложных установок.

Наряду с физико-химическими способами разрезки труб очень широ
ко в производстве используются и механические. К ним относятся: разрезка резцами; фрезами и дисковыми пилами; ножовками и ленточными
пилами; дисками и лентами трения, а также абразивными кругами.

Один из распространенных способов разрезки труб – обработка рез
цами. Общие преимущества данного способа – высокая точность, универсальность и небольшие затраты, легкость и простота в обслуживании. Но способ также имеет и ряд значительных недостатков: невозможность разрезки деталей некруглого профиля и необходимость обеспечения люнетами при обработке длинных деталей; значительный расход металла в стружку, вызванный большой шириной реза (толщиной
режущего инструмента); низкая производительность и ограниченная
стойкость режущего инструмента.

При разрезке стальных труб фрезами и дисковыми пилами наблю
даются следующие процессы: нагрев контактной зоны до температуры
плавления; образование мелкой сливной стружки; нагрев сечения трубы, особенно непосредственно прилегающего к зоне резания. Данные
явления указывают на то, что в основе процесса разрезки металлов вышеуказанными инструментами лежит тепловой процесс нагрева трением материала в зоне резания. Данный способ дает возможность обрабатывать детали диаметром до 500 мм.

Дисковые пилы довольно быстро изнашиваются и износ имеет раз
личный характер. Наиболее опасно появление трещин в радиальном
направлении. Причины появления трещин в пиле: перекос труб при подаче на пилу; слоистость и другие пороки в материале пилы; биение
пилы в результате износа подшипников или плохой балансировки; пло

хая рихтовка пилы; наклеп материала по контуру. Из вышесказанного
следует сделать вывод о том, что способы обработки фрезами и дисковыми пилами имеют ряд недостатков, а именно: необходимость частого
приобретения режущего инструмента вследствие его быстрого износа; 
переналаживание оборудования требует на установку режущего инструмента значительных временных затрат, что в свою очередь снижает
производительность труда; процессы вызывают нагрев зоны резания до
температуры плавления, что повлечет за собой деформирование детали.

Разрезка труб на станках с помощью ножовочных полотен осу
ществляется при неподвижной детали в приспособлении с возвратнопоступательным движением инструмента. Величина хода ножовочного
полотна составляет 100…150 мм. Разрезка ножовочными полотнами
самая низкопроизводительная (15 – 20 резов в час), поэтому применяется в единичном и мелкосерийном производствах. Хотя ширина реза
трубы (0,8…3,5 мм) меньшая по сравнению с другими методами, сам
разрезанный торец получается перекошенным, что снижает целесообразность использования данного способа.

Обработка труб дисками трения отличается весьма интенсивным

нагревом детали в зоне реза, который происходит настолько быстро, что
за несколько первых секунд контакта с диском температура приближается к температуре плавления металла, что влечет за собой деформирование детали. К достоинствам разрезки дисками трения следует отнести
предельную простоту конструкции отрезного станка и изготовление
дисков из обычных конструкционных сталей (стали марок 50Г, 65Г и
т.п.). К недостаткам способа следует отнести шум, создаваемый диском
в процессе работы, образование наплывов на торцах сечения труб, для
удаления которых приходится вводить дополнительную операцию.

Разрезка с помощью лент трения осуществляется на ленточно-отрезных

станках. Торцы ленты подогнаны и припаяны, вследствие чего она превращена в бесконечную замкнутую ленту с зубьями. Производительность таких станков в 5 – 6 раз выше ножовочных и в 1,5 – 2 раза – фрезерноотрезных станков. Для разрезки труб применяют также ленту толщиной до
1 мм, но трудность изготовления и невысокая стойкость ограничивают ее
применение. Существенным недостатком данного способа является маломощное оборудование, что ограничивает их применение для разрезки материалов, предел прочности которых превышает 600 МПа.

Способ разрезки труб с помощью абразивных кругов является

наиболее экономичным из всех существующих. Одним из его достоинств является экономия разрезаемого материала посредством минимизации ширины реза, которая составляет 0,5…5 мм. Отклонение от перпендикулярности плоскости среза обычно не превышает 0,05 мм, а вы

сота микронеровностей с учетом оптимальной зернистости круга и режима разрезки составляет Ra = 2 мкм. Разрезка стальных труб с помощью абразивных кругов в 3 – 6 раз дешевле по сравнению с другими
способами. Способ имеет достаточно высокую производительность (120 
– 200 резов в час), обеспечивает получение поверхности, которая не
нуждается в последующей обработке. Разрезка абразивными кругами
отличается отсутствием заусенцев и структурных изменений на поверхности деталей при правильно подобранных режимах резания и качестве
отрезных кругов, низким уровнем шума, отсутствием переточек инструмента и связанных с ними затрат [147]. 

На рис. 1.2 по данным фирмы "MoLeMab" (Италия), показана сум
марная стоимость 1 реза детали диаметром 50 мм из стали 20 при разрезке труб различными способами. Причем стоимость 1 реза (у.е./рез) 
дается дифференцированно по основным статьям затрат, а именно: машинные затраты (стоимость эксплуатации оборудования); стоимость
инструмента; стоимость потерь (отходов) металла; расходы, связанные с
зарплатой рабочего [46]. 

Рис. 1.2. Суммарная стоимость реза при разрезании деталей из

стали 20, диаметром 50 мм различными способами: 

1 – разрезка ленточными пилами; 2 – разрезка абразивными кругами;

3 – разрезка ножовками; 4 – разрезка дисковыми пилами;

5 – разрезка лентами и дисками трения

Из рис. 1.2. видно, что наиболее экономичным процессом является

разрезка труб абразивными кругами, исходя из суммарной стоимости 1 
реза. С изменением формы и размеров поперечного сечения деталей, 
как отдельные составляющие процесса, так и их суммарная величина, 
существенно меняются.

Абразивные отрезные круги особенно эффективны при разрезании

труб и деталей из труднообрабатываемых материалов за счет большой
производительности.

Эффективность использования отрезных кругов с режущими боковы
ми поверхностями может быть увеличена при разрезке деталей, нагретых
до температуры 870…1090°С. Как показал анализ производительность и
коэффициент шлифования увеличиваются в 2 раза, а потребляемая
мощность снижается в 1,5 раза [50, 54]. 

Рис. 1.3. Зависимость среднего коэффициента шлифования Кш

от диаметра dз сечения разрезаемой детали для сталей различной

прочности и различного содержания легирующих элементов

В структуре потребления черного металлопроката по отраслям труб
ная отрасль занимает долю порядка 40% [55]. Темпы роста рынка трубной продукции из черных металлов интенсивно растут, и на момент докризисной ситуации составляли в среднем около 13% ежегодно. В связи с
развитием промышленного потенциала и внедрением инвест-программ
предприятий дальнейшие темпы роста будут улучшаться и в перспективе
ближайших двух лет показывать положительную динамику.

В стоимостном выражении объем рынка трубной продукции из чер
ных металлов стабильно увеличивается, темпы роста за истекшие 6 лет
стабильно превышали 60%. Российские производители труб на сегодняшний день демонстрируют темпы роста, превышающие средние по
промышленности. Процесс потребления стальных труб в целом имеет
положительную динамику (рис. 1.4). В структуре российского рынка
металлических труб в натуральном выражении большую долю занимает
продукция отечественных производителей. По данным маркетингового
исследования компании «ТМК» (Трубная металлургическая компания), 
российские производители занимают около 84%. Доля импорта состав

ляет порядка 16%. Большая доля импорта приходится на бесшовную и
литую трубную продукции из черных металлов. В ней доля продукции
из чугуна составила чуть менее 2%, стальные трубы заняли около 98%.

Выпуск тонкостенных электросварных труб, главным образом по
требляемых машиностроением, вырос почти в 50 раз при увеличении их
доли в сортаменте труб более чем в 8 раз (с 0,7 до 5,8%).

Рис. 1.4. Динамика потребления труб в России

Таким образом, из вышеуказанного следует вывод, что в связи с раз
витием трубной промышленности, актуальной задачей остается разрезка
деталей – одна из технологических операций, требующая высокой точности и качества. Однако, несмотря на многообразие способов разрезки
труб, выбор наиболее рационального из них затруднителен. Проблема
во многом усложняется отсутствием систематизированного аналитического обзора по данному вопросу. Многие сведения отсутствуют или
носят противоречивый характер. Положительным результатом такого
анализа мог бы быть не только выбор оптимального способа, но и его
дальнейшее развитие и совершенствование.

Процесс разрезки абразивным инструментом с физической точки зре
ния весьма сложный, т.к. во взаимодействии с разрезаемой поверхностью
участвует большое количество режущих элементов, что приводит к возникновению
широкого
комплекса
явлений: резание, поверхностно
пластическое деформирование, трение, объемное разрушение и т.д. В связи