Введение. Изготовление продукции, не уступающей импортной, является приоритетным направлением в рамках индустриально-инновационной политики импортозамещения. В соответствии с поручением президента от 30 марта 2024 года № Пр-616, п.1 и) к 2030 году необходимо увеличить производство высокотехнологичных товаров, созданных на основе собственных линий разработки [1]. Для успешного решения задач этого направления необходим научно-обоснованный подход, а именно: использование актуальных методов математического и твердотельного моделирования, CAE-анализа [2–4].К одной из таких задач относится производство соединительных элементов трубопровода, а именно, крутоизогнутых отводов. В соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами, техническими условиями отвод – это бесшовное или сварное изделие в виде изогнутой на заданный угол и с заданным радиусом трубы. Основным предназначением отводов является перенаправление потока газообразных, жидких или твердых сыпучих веществ в трубопроводах [5]. Наиболее широкое применение крутоизогнутые отводы нашли в крупных отраслях промышленности: нефтегазовой, аэрокосмической, химической, энергетической, а также в коммунальной сфере и быту.Процесс подготовки производства отводов напрямую зависит от проведения научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ, по результатам которых можно определить основные факторы, степень их влияния, а также предложить рекомендации по оптимизации. Такая необходимость связана с тем, что прогнозирование поведения материала заготовки под действием приложенных сил и возникающих в процессе формообразования нагрузок является сложной задачей [6].Производство отводов позволяет получать изделия в соответствии с требуемыми параметрами [7, 8], варьирующимися в зависимости от: транспортируемой разного рода среды – газа, жидкости, мазута, кислоты, густой и жидкой смазки;условного давления перекачиваемого продукта – ниже атмосферного - вакуум, без избыточного давления, низкого – до 10 МПа, высокого – выше 10 МПа;рабочей температуры – холодной считается ниже нуля, нормальной – до 50 °С и горячей – свыше 50 °С;используемого материала - стали (углеродистой, легированной, высоколегированной), цветных металлов и сплавов (медных, латунных, титановых, свинцовых алюминиевых), чугуна и неметаллических материалов (полиэтилена, поливинилхлорида, фторопласта, стекла); территориального признака – внутрицеховые и межцеховые.В зависимости от способа изготовления отводы делятся на штампосварные, сварные секционные (секторные), точеные, гнутые и крутоизогнутые бесшовные.Отводы стальные штампосварные изготавливают путем штамповки из листовой стали с последующей сваркой сопрягаемых поверхностей одним или двумя продольными швами [9]. Для отводов с диаметром условного прохода Dу ≥1200  дополнительно рекомендуется использовать поперечный шов. В соответствии с ОСТ 36-20-77 могут быть изготовлены отводы с диаметром условного прохода Dу 600-1400  мм, радиусом гиба R=1.5Dу  под углом 30, 45, 60 и 90°. Из условий ОСТ 36-19-77 допустимая рабочая температура стенки отвода должна находиться в диапазоне от -30℃ до 300 ℃. Условное давление не должно превышать Py≤2.5  МПа (≈25  кгс/см2), что соответствует низкому.Такой способ применим для изготовления малоответственных изделий, т.к. прочность сварного шва, как правило, ниже прочности основного материала детали.Сварные секционные отводы изготавливают путем сварки вальцованных листов или секторов сложного лекального раскроя. Как правило, заготовки вырезают на станке газоплазменной резки с ЧПУ. Вальцовка осуществляется на четырехвалковой листогибочной машине [10].В соответствии с ОСТ 36-21-77 могут быть изготовлены отводы с диаметром условного прохода Dу 500-1400  мм, радиусом гиба R=1.5Dу  под углом 30, 45, 60 и 90°. Из условий ОСТ 36-19-77 допустимая рабочая температура стенки отвода должна находиться в диапазоне от -30℃ до 300 ℃. Т.к. все сварные швы изделий тщательно контролируются методами радиационной, ультразвуковой, магнитной или электромагнитной дефектоскопии, такие отводы при соблюдении эксплуатационных условий выдерживают низкое условное давление Py≤2.5  МПа(≈25  кгс/см2). Способ изготовления таких отводов является наименее затратным относительно всех остальных способов.Точеные отводы изготавливают из литой заготовки квадратной формы на промышленном токарном оборудовании высокой точности [11]. В соответствии с ГОСТ 22820-83 могут быть изготовлены отводы с диаметром условного прохода Dу 6-200  мм, под углом 45 и 90°. Допустимая рабочая температура стенки отвода должна находиться в диапазоне от -50℃ до 510 ℃. Условное давление в диапазоне 10≤Py≤100  МПа (≈1020  кгс/см2), что соответствует высокому. Для таких отводов характерны: высокая прочность, износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред. Способ изготовления таких отводов является наиболее время- и трудозатратным относительно всех остальных способов, а коэффициент использования материала может доходить до 0,2, т.е. до 80% металла в процессе обработки отходит в стружку.Гнутые отводы изготавливают способом холодной гибки, в документации обозначаются как ГО (холодноизогнутый) по ГОСТ 24950-2019 или способом горячего гнутья, т.е. с разогревом зоны деформации трубы-заготовки, в документации обозначаются как ОГ (горячедеформированный) [12].При производстве холодноизогнутого отвода используются специализированные установки для гибки труб. Полость заготовок может быть заполнена сыпучим материалом, что позволит нагрузке равномерно распределяться по стенкам в зоне деформации, в таком случае по краям монтируются заглушки.Горячедеформированные отводы получают в процессе разогрева заготовки в месте деформации индукционным способом или газовоздушной горелкой. В процессе контролируются такие параметры как: подача нагревательного элемента, радиус изгиба, объем подачи охлаждающей жидкости и прочие. После этого обрезаются и разделываются под приварку кромки, производится контроль толщины стенки в зоне изгиба с наружной и внутренней стороны.В соответствии с ГОСТ 24950-2019 могут быть изготовлены отводы наружного диаметра Dн 57-1420  мм включительно, радиусом гиба R=1.5Dу  под углом не более 90°. Допустимая рабочая температура стенки отвода должна находиться в диапазоне от -50 ℃ до 510 ℃. Условное давление в диапазоне 10≤Py≤100  МПа (≈1020  кгс/см2), что соответствует высокому. Такой способ применим для изготовления ответственных изделий, а отсутствие сварных швов позволяет использовать отводы с толщиной стенки меньшей на 15–20 %, чем у штампосварных и сварных отводов.Отводы крутоизогнутые бесшовные изготавливаются методом штамповки или протяжки по рогообразному сердечнику. В соответствии с ГОСТ 17235-2001 могут быть изготовлены отводы с диаметром условного прохода Dу 15-1000  мм, радиусом гиба R=1Dу  под углом 30, 45, 60, 90 и 180° (Рис. 1 1). Из условий ГОСТ 17380-2001 допустимая рабочая температура стенки отвода должна находиться в диапазоне от -70 ℃ до 450 ℃. Условное давление не должно превышать Py≤16  МПа (≈163  кгс/см2), что соответствует высокому. Данный способ наиболее производительный и экономичный, т.к. коэффициент использования материала может доходить до 1, т.е. при изготовлении практически не остается отходов [13, 14]. Помимо всего прочего данный способ позволяет изготавливать отводы с относительным радиусом гиба 1–1,5 и относительной толщиной стенки 0,025-0,05.  Рис. 1. Отводы крутоизогнутые бесшовные по ГОСТ 17375-2001  Сущность способа протяжки по рогообразному сердечнику заключается в нагреве трубы-заготовки 1 с помощью индуктора 2 до температуры пластической деформации и одновременном с этим скольжении благодаря графитовой смазке по рогообразному сердечнику 3 (рис. 2). Перемещение с заданным усилием P и скоростью обеспечивается подающим механизмом пресса 4 [15, 16]. Из этого следует, что на процесс формообразования могут оказывать влияние следующие факторы: материал заготовки и сердечника, температурно-силовые режимы, конструкция и геометрия сердечника.  Рис. 2. Схема протяжки по рогообразному сердечнику  Способ горячей протяжки по рогообразному сердечнику в настоящее время внедряется в производственных условиях на предприятии ООО «Белэнергомаш – БЗЭМ» (рис. 3) для изготовления отводов крутоизогнутых ⌀57х5 мм из труб марки 08Х18Н10Т по ТУ 14-3Р-197-2001 на установке УПО-100. Эти отводы используются в трубопроводах котлов атомных электростанций. В качестве оснастки применяется рогообразный сердечник, выполненный из жаропрочной стали марки 1Х14Н75Ю5ТЗЛ в соответствии сТУ 1-812-0055-81.  Рис. 3. Процесс горячей протяжки  Методика. Проблема заключается в том, что в процессе изготовления крутоизогнутых отводов из жаропрочной стали марки 08Х18Н10Т происходит разрыв сердечника, как правило, в начале деформирующей зоны.Для определения основных причин были проведены эксперименты.Из труб ⌀45х6 марки 08Х18Н10Т и стали 20 производилась протяжка отводов ⌀57х5 по рогообразному сердечнику из жаропрочной стали 1Х14Н75Ю5ТЗЛ. Использовалась оснастка от нескольких поставщиков.При протяжке заготовки из аустенитной стали произошел разрыв сердечника №1 через 50 мм от начала деформирующей зоны (рис. 4). Давление пресса в момент разрыва составило 40–45 атм, температура нагрева заготовки была в районе 1000-1060 ℃, скорость протяжки колебалась от 8 до 9 мм/с.Сердечник №2 повел себя аналогичным образом: при заходе заготовки из аустенитной стали на калибрующую часть, произошел разрыв оснастки в начале деформирующей части. В момент разрыва давление пресса достигло 40 атм, а температура нагрева заготовки не превышала950 ℃.Процесс формообразования отвода из углеродистой стали прошел стабильно при давлении пресса 30-40 атм и температуре нагрева заготовки 900–950 ℃.Во время осмотра вышедшей из строя оснастки были обнаружены многочисленные трещины на цилиндрической и деформирующей частях сердечника, вероятно, являющиеся концентраторами напряжения, вследствие чего мог произойти разрыв. Рис. 4.  Разрыв сердечника  Проблема разрыва сердечника может быть устранена решением комплекса задач:Определения оптимального материала сердечника;Нахождения оптимальной конструкции и геометрии сердечника при заданных условиях;Определения оптимальных температурно-силовых режимов.В соответствии с этими задачами необходимо определить механические и технологические свойства материала, обеспечивающие требуемые режимы формообразования. А также провести сравнительный анализ возможных вариантов подобранных материалов для работы в условиях рассматриваемого технологического процесса. При этом наиболее целесообразным будет использование методов имитационного моделирования напряженно-деформированных состояний конструкций сердечника из различных материалов.Для решения задачи нахождения оптимальной конструкции и геометрических параметров сердечника необходимо выполнить анализ конструкций, методик расчетов их геометрических параметров на основе патентных исследований и литературного обзора в том числе справочных и научно-технических источников.Для определения оптимальных силовых и температурных режимов, реализуемых в ходе процесса формообразования необходимо провести анализ фактических температур в зоне формообразования. Особенность процесса является необходимость периодической дозагрузки заготовок в подающее устройство с прерыванием рабочей подачи. В связи с этим требуется анализ изменений температур в различных участках в зоне деформирования, которые проявляются в силу инертности процесса нагрева заготовок.Основная часть.Известно, что глубина прогрева аустенитных сталей в холодном и горячем состоянии отличается незначительно [17], из этого следует, что рогообразный сердечник при протяжке заготовок из аустенитной стали нагревается в большей степени (с поверхностных слоев к центру), т.к. отсутствует температурный перепад между заготовкой и оснасткой, это приводит к значительному сокращению стойкости оснастки.Существуют сердечники разной конструкции и геометрии [1818], в первом приближении – это изогнутый стержень (рис. 5), состоящий из следующих частей:Хвостовик предназначен для крепления к штанге, по которой подаются заготовки к сердечнику;Направляющая часть является продолжением штанги;Переходная часть служит для правильного позиционирования заготовки при наталкивании на сердечник;Деформирующая (формообразующая) часть предназначена для постепенного придания заготовке основной геометрии и размеров будущего отвода;Калибрующая часть необходима для придания отводу правильной (спиралевидной) и точной формы.  Рис. 5. Обобщённая схема рогообразного сердечника  В процессе патентного анализа были обозначены работы, посвященные вопросам геометрии сердечника. Так для устранения эллипсности, спиральности геометрической оси, утяжки переднего конца и повышенного расхода материала было предложено формообразующую часть разделить на три зоны: предварительной деформации, окончания деформации и калибрующей, что позволит улучшить качество получаемых отводов и снизить расход металла на 8–15 % [19].Проблема искажения формы отвода ввиду повышенного усилия протяжки затрагивается в работе [20]. Исправление формы можно достигнуть выполнением наружной образующей сердечника по дуге, сопрягаемой с дугой на участке за рабочим профилем, эквидистантной внутренней дуги на том же участке.Для повышения качества получаемых отводов калибрующую часть можно выполнить сечениями разных диаметров, при этом диаметр калибрующей части, прилегающей к формообразующей, выполнен большим диаметра другого участка [21]. Тот же эффект можно достичь выполнением калибрующей части с переменным по форме сечением, круглым на стыке с деформирующей частью и постепенно переходящим в овал с сохранением периметра по всей длине и расположением оси овала в плоскости изгиба сердечника. При этом меньшая ось овала не должна превышать внутреннего диаметра готового отвода [22].В случае отхода заготовки от поверхности сердечника, происходит искажение формы концов отвода. В работе [23] деформирующую часть предложено выполнить по синусоидальному закону (1), что обеспечит плавные соединения между переходной, деформирующей и калибрующей частями сердечника.∆d=D0-d02sinπ∙lL-12+1             (1)Похожий результат можно получить благодаря приданию формы эллипса деформирующей части [24], причем наибольшая разница между полуосями эллипса определяется соотношением (2):D-d04≤b-a≤2∙D-d03                  (2)Цель получения равнонапряженных отводов может быть достигнута изменением формы деформирующей части сердечника 3, выполненной в виде симметричного овала, который очерчен с выпуклой и вогнутой сторон двумя окружностями разных радиусов (Рис. 6). Радиусы плавно увеличиваются от начала до конца участка. К окружностям проведены две касательные прямые. Окружность большего радиуса располагается на вогнутой части участка [25].  Рис.6. Деформирующая часть сердечника в виде симметричного овала Повышение прочности сердечника возможно за счет увеличения жесткости на изгиб участка, имеющего наименьший момент сопротивления изгибу в круглом сечении Wк  и овальном Wо :Wк=0,1×d3                       (3)Wо=b×h26                            (4)Конструктивным особенностям сердечника, посвящены следующие работы. Так для повышения жесткости полого сердечника [26] продольную полость рекомендуется выполнить с поперечным сечением в виде эллипса, большая ось которого расположена в плоскости симметрии сердечника [27]. Замкнутая полость заполнена средой, передающей давление (вода или пар). При нагреве в замкнутой полости за счет парообразования создается давление, величина которого регулируется настройкой предохранительного клапана. Причем для большей жесткости продольную полость для подачи жидкости можно сместить относительно оси [2828]. Принципиально отличающаяся конструкция представлена в работах [29–32].Тот же эффект достигается выполнением деформирующей части сердечника с выступами по внешней образующей [33], скругленными по радиусам на половине периметра поперечного сечения и впадинами, причем размеры выступов и впадин определяются по зависимостям (5–7):Hi=Ai20                              (5)Ri=Di2                              (6)r=0.3-0.5∙Di                   (7)Получение отводов требуемого качества без необходимости в объемной правке можно достичь выполнением стабилизирующего участка в виде части тора, ограниченного углом не менее 90° с диаметром сечения, как у калибрующего участка. Такая конструкция позволяет увеличить производительность процесса горячей протяжки и повысить качество отводов благодаря снятию внутренних напряжений в материале отвода [34]. Тот же эффект можно достичь выполнением дополнительного калибрующего участка [35].Для возможности гибки труб на малые радиусы без потери устойчивости стенки заготовки на вогнутой стороне сердечника необходимо выполнить паз, в котором установлена система вращающихся роликов, центр кривизны образующих которых совпадает с центром кривизны поперечных сечений сердечника, проходящих через оси вращения роликов [36].Получение отводов разного радиуса гиба или диаметра возможно при использовании модульных конструкций: дополнительного формоизменяющего (деформирующего) участка в виде съемной секторной части тора с радиусом гиба отвода [37] или в виде съемной втулки направляющего участка [38].Образование задиров и рисок на внутренней части отводов вследствие налипания металла трубы на рабочую поверхность калибрующей части сердечника можно предотвратить. Для этого предложено использовать съемную калибрующую часть, выполненную из материала с низкой магнитной проницаемостью (12Х18Н10Т или ВНЛ-3) [39].Повышенные технологические усилия, пониженный срок службы пресса, невозможность изготовления тонкостенных отводов возможно устранить путем выполнения восьми симметричных относительно плоскости гиба канавок вдоль всей формоизменяющей (деформирующей) и в начале калибрующей частей сердечника [40]. Такая конструкция приводит к уменьшению площади контакта на 40–50 %. Выполнение канавок винтовой формы предложено для устранения формирования продольных выступов, копирующих канавки формоизменяющего (деформирующего) участка [41].ВыводыПроведен анализ основных способов изготовления крутоизогнутых отводов, определен оптимальный вариант, коим является горячая протяжка по рогообразному сердечнику.Проведен анализ способа горячей протяжки и схемы процесса формообразования отвода крутоизогнутого. Выдвинуто предположение, что такие факторы как: материал заготовки и сердечника, температурно-силовые режимы, конструкция и геометрия сердечника, могут оказывать влияние на процесс формообразования.Проведен анализ проблемы предприятия, из-за которой оснастка, применяемая для изготовления крутоизогнутых отводов из жаропрочной стали, преждевременно выходит из строя. Сформулирован комплекс задач, решение которых может привести к устранению проблемы.Выполнен краткий анализ конструкций, методик расчетов их геометрических параметров на основе патентных исследований и литературного обзора в том числе справочных и научно-технических источников.