Розвиток теорії прокатки, розробка технології та впровадження тонкостінних профілів зниженої металомісткості у промисловість

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ПРОКАТКИ, РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ТОНКОСТІННИХ ПРОФІЛІВ ЗНИЖЕНОЇ МЕТАЛОМІСТКОСТІ У ПРОМИСЛОВІСТЬ

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”.

ЧИГИРИНСЬКИЙ Валерій Вікторович

Дніпропетровськ-1999

Дисертація у вигляді рукопису Роботу виконано у державній металургійній академії України Науковий консультант Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор ГРУДЕВ Олександр Петрович (Дніпропетровська державна металургійна академія України, завідуючий кафедрою обробки металів тиском, професор); Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ІЛЮКОВИЧ Будимир Михайлович (Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедрою обробки металів тиском, професор); доктор технічних наук, професор СОКУРЕНКО Віктор Павлович (Дніпропетровський державний науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості Міністерства промислової політики України, заступник директора, професор); доктор технічних наук ЖУЧКОВ Сергій Михайлович (Дніпропетровський Інститут чорної металургії ім.З.И.Некрасова Національної академії наук України, завідуючий прокатним відділом). Провідна організація Державна інженерна академія Міністерства освіти України, м.Запоріжжя. Захист відбудеться “20” жовтня 1999 р. в 12.30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.084.02 в державній металургійній академії України за адресою 320635, м.Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4 З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці державної металургійної академії україни (320635, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4 Автореферат розіслано “20 вересня” 1999 р. Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д.т.н., професор Комаров О.М.

пластична деформація прокату обід колесо

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з показників роботи господарського комплексу країни, що визначає ефективність промислового виробництва, є металомісткість продукції. Необхідність її використання диктується у значній мірі великими обсягами споживаного металу та випереджаючими темпами розвитку світового машинобудування. Бїльш вигідно забезпечити потребу держави у металі не стільки за рахунок подальшого збільшення його виробництва, скільки завдяки підвищенню якості, більш економному використанню металу. Розробка та впровадження ефективних технічних рішень, не повязаних із значними капітальними витратами, є найважливішим напрямком, що забезпечує економію прокату на всіх стадіях його виробництва та споживання.

На металургійних підприємствах зниження витрат металу визначається багатьма факторами, передусім: виробництвом у звуженому та мінусовому полі допусків, використанням сучасного устаткування і технології, розвитком і удосконаленням сортаменту продукції, за рахунок впровадження економічних видів металопрокату і т.ін. Ефект від створення рівноміцного полегшеного прокату є очевидним, бо 70-85 % його вартості складає вартість металу. Використання профілів зниженої металомісткості дозволяє реально знизити ціну виробу пропорційно зменшення його маси, що збільшує конкурентоздатність продукції.

Існує достатня кількість розробок, спрямованих на удосконалення існую -чого сортаменту, але значний резерв розвитку нових конструкцій економічних профілів прокату не використовується, бо не враховуються технологічні особливості та можливості виробництва.

Нагромаджено великий досвід ефективного застосування металу в вироб-ництві, зниженя металомісткості готових прокатних виробів. Зокрема, на металургійному заводі ім. Петровського велика увага приділяється розробці та впровадженню нових економічних профілів прокату. Багато років тут вироб- ляють основи ободів коліс вантажних автомобілів, автобусів та тролейбусів. Профілі відзначаються складністю форми і дуже високими вимогами, які ставлять до них споживачі стосовно конфігурації, властивостей металу. Прокат- ка ведеться зі спеціальної сталі з підвищеними вимогами щодо вмісту вуглецю, фосфору та сірки. Завод був і є найбїльшим виробником прокату такого типу. Наприкінці 80-х років він поставляв 87 % загального обсягу вироблених ободів у СРСР. Їх питома вага у сортаменті середньосортного стана 550-1 сягала 36,5%. При такій насиченості сортаменту використання економічного металопрокату видається ефективним заходом для народного господарства країни. Освоєння нових профілів типу 228Г і 254Г (тороїдальні посадочні полиці) замість старих забезпечило щорічну економію металу у межах 13,3 тис.тон.

Виробництво профілів ободів коліс завжди повязано із великими втратами, тому освоєння нових видів металопродукції супроводжується погір- шенням технологічних параметрів процесу, що у багатьох випадках негативно позначається на впровадженні високоефективних видів прокату народно- господарського значення. Збільшення зусиль формозмінення, що визначається масою профілю (через температуру), не дозволяє розвязувати нові задачі, пов'язані із впровадженням полегшених ободів коліс. Виникає необхідність створення нових підходів, які дозволили б компенсувати зростання тиску за рахунок напруженого стану в осередку деформації.

Таким чином, дослідження закономірностей пластичної течії в умовах неоднорідної деформації, виявлення технологічних ефектів та особливостей через зусилля прокатки та режими формозмінення у чистових проходах, що визначають форму тонкостінних профілів зниженої металомісткості, є актуальними, мають наукове і практичне значення.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Більшість проведених НДР проходили координацію у головному інституті сортопрокатного виробництва УкрНДІМет і були включені до планів науково-дослідних робіт МЧМ України, металургійних заводів та Дніпропетровського металургійного інституту (нині державна металургійна академія України).

Науково-дослідна робота "Дослідити та розробити нові конструкції профілів прокату і технології їх виробництва в умовах нерівномірної деформації по ширині" (Тема № А824030003) була представлена на Республіканський конкурс кращих НДРовських робіт.

За підсумками даної розробки гарячекатані профілі 7.0-20-03, 7.5В-20-03, 8.0В-20-03, 8.5В-20-03 були включені до плану освоєння нової техніки у 1984 ро- ці під назвою "Профілі прокату, гарячекатані фасонні, нові, економічні" як Державне завдання Ради Міністрів СРСР та УРСР з нової техніки № 1.08.4.001. Впроваджені, в ході виконання роботи, вони атестовані на найвищу категорію якості (свідоцтво про атестацію продукції № 605015417 від 31.07.86 р.).

Розроблене технічне рішення, авторське свідоцтво СРСР № 1136863, яке багаторазово брало участь у різних конкурсах з економії металу і відзначено нагородами та дипломом. Постановою Колегії Міністерства чорної металургії УРСР, Президії Українського республіканського комітету профспілки робітників металургійної промисловості та Українського республіканського правління НТТ Чорної металургії № 43/51/3 від 22.03.86 р. винаходу "Обід колеса для пневматичної шини" присуджено друге місце у конкурсі. Крім того, цей винахід є лауреатом Республіканського огляду використання у народному господарстві високоефективних винаходів та раціоналізаторських пропозицій, започаткованого Українською Радою профспілок, Комітетом народного контролю УРСР та редакцією газети "Правда України", постанова № П-55-4 від 31.03.86 р. Запропонований вище напрямок було включено до Цільової комплексної науково-технічної програми "Метал", РНЦ 002, затвердженої постановою РМ УРСР від 11.07.86, № 250, автор був персональним розробником та виконавцем завдання 10.01.05.

Мета і задачі дослідження. Виявлення та використання технологічних особливостей та ефектів прокатки в умовах нерівномірної деформації при розробці нових конструкцій профілів автомобілебудування, впровадження їх у промислове виробництво.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати низку теоретичних, експериментальних і практичних задач обробки металів тиском, до яких можна віднести:

аналітичне дослідження особливостей неоднорідної пластичної деформації при плоскій та просторовій течії металу;

дослідження особливостей просторової течії металу, які враховують поздовжню взаємодію суміжних дільниць штаби;

визначення аналітичних залежностей між силовими характеристиками взаємодії елементів профілю та кінематикою течії металу в умовах нерівномірної деформації;

виявлення та аналіз технологічних особливостей прокатки складних профілів при неоднорідній пластичній формозміні;

експериментальна оцінка впливу кінематики неоднорідної течії металу сильнодеформованого елемента або параметрів хвилеподібної форми елемента на зусилля прокатки;

розробка нових конструкцій полегшених ободів коліс із хвилеподібною центральною частиною;

технологічне відпрацювання та експериментальна оцінка нових конструкцій профілів у виробничих умовах.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі запропоновані нові підходи аналітичного розв'язання задач прикладної теорії пластичности, які дозволяють враховувати неоднорідність напружено-деформованого стану металу. Вони виявляють себе в тому, що опір пластичному зсуву для середовища,що зміцнюється, приймається змінним у пластичній зоні. Напруга текучості, що залежить від багатьох факторів, до яких належать хімічний склад, структура, ступінь та швидкість деформації, температура, історія навантаження т.ін., у відповідності до гіпотези єдиної кривої однозначно визначається цими параметрами в умовах не тільки простого напруженого стану, але й складного. Якщо кінематичні характеристики реального осередку деформації неоднорідні, тобто їх розподіл залежить від координат зони пластичної течії, то напруга текучості також неоднорідна і є величиною змінною у цій ділянці. Математичне та фізичне розв'язання плоскої задачі теорії пластичності у замкненому вигляді визначається виключно особливостю даного підходу.

Уведено до розгляду просторовий фактор, який становить собою функціональну залежність опору зсуву від координат осередку деформації, що дозволяє знайти похідні по координатах різних порядків і звести задачі у напругах та швидкостях деформаціїї до однакових неоднорідних диференціальних залежностей у частинних похідних гіперболічного типу. Тригонометричні та експоненціальні заміни змінних спрощують задачу і сприяють визначенню класу функцій, які задовольняють відзначеним диференціальним рівнянням. У підсумку це сприяє вияву впливу технологічних факторів процесу на механічні характеристики оброблюваного металу і відпрацюванню математичної моделі технологічного регулювання їх властивостей.

Просторова задача теорії обробки металів тиском розглядається як сукупність плоских задач відповідних пар координат осередку деформації. Напруги та швидкості деформацій при об'ємній пластичної течії визначаються у вигляді суми складових, які характеризують, з одного боку, плоску деформацію середовища уздовж будь-якої з координатних осей, та, з другого, взаємодію у поздовжньому напрямку суміжних елементів штаби.

Запропоновано розвязання 15-ти рівнянь теорії пластичності.

З позицій результатів обємної задачі одержала подальший розвиток теорія додаткових напруг, яка враховує взаємодію суміжних ділянок деформованої штаби. Залежність останньої від кінематики течії металу в даному проході дозволила ефективно аналізувати процес прокатки складних профілів в умовах нерівномірної деформації. Удосконалено низку положень та розрахункових виразів, які використовуються при калібровці несиметричних профілів. До них належать: моменти сил з боку лінійок та проводок, умови прямолінійного руху штаби в калібрі з боку входу та виходу з осередку деформації, заповнення складного калібру в умовах нерівномірної деформації і температури по перерізу профілю та ін.

Одним з досягнень роботи є виявлення і дослідження нового технологічного ефекту, повязаного із зниженням зусилля прокатки в умовах нерівномірної деформації. Це сприяло створенню технологічного резерву при освоєнні нових видів продукції та реалізації можливостей процесу в самій конструкції профілю. З урахуванням технологічних особливостей прокатки, розроблені профілі ободів коліс, які досліджено у виробничних умовах. Відпрацьована методика, яка повязує масу профілю з параметрами процесу прокатки.

Уперше одержано експериментальні дані, що визначають критичну нерівномірність деформації, пов'язану із усталеністю зовнішніх зон. Це дозволило скоректувати розміри прокатуваних виробів нової конструкції.

Практичне значення отриманих результатів. Робота має теоретичне та практичне значення. Результати теоретичних розробок мають як самостійний, так і чітко зорієнтований напрям, повязаний із прикладним характером роботи. Отримані рішення можна використовувати для розрахунку напружено-деформованого стану металу в обємі і на контакті, при розгляданні задач обробки металів тиском, сприяючи виявленню деяких особливостей формозмінення середовища в умовах неоднорідного деформованого стану.

Теоретичні розробки та експериментальні дослідження виявили технологічний ефект, повязаний із кінематикою течії металу в даному проході в умовах нерівномірного обтиску. Це дозволило повязати конструкцію профілю з технологією його виробництва. Використовуючи результати запропонованих досліджень, були розроблені та випробувані у виробництві нові профілі ободів коліс вантажних автомобілей з хвилеподібною центральною частиною. В умовах металургійного заводу ім. Петровського (м. Дніпропетровськ) та Єнакієвського металургійного заводу були випробувані такі профілі прокату: 7.0-20-03, 7.5В-20-03, 8.0В-20-03, 8.5В-20-03, 228Г-020-01, 254Г-020-01, 228Г-020-02, 7.0-20-04, 7.5В-20-04, 8.0В-20-04, 8.5В-20-04, 7.0-20-05, 7.0-20 (двохкомпонентної конструкції). По результатах роботи були освоєні такі види спецпрофілів для автомобілебудування: 7.0-20-03, 7.5В-20-03, 8.0В-20-03, 8.5В-20-03, 228Г-020-01, 7.0-20-04, 7.5В-20-04, 8.0В-20-04, 8.5В-20-04 и 7.0-20 (двохкомпонентної конструкції). В останному випадку перші чотири профілі були впроваджені у виробництво, починаючи с 1984 року, дали реальний річний економічним ефект 477,2 тис. крб. Профіль ободу 228Г-020-01 із тороїдальними посадочними полицями був освоєний у 1988 році і впроваджений у 1992 році. Профіль ободу 7.0-20 двохкомпонентної конструкції, типу "розкатна хвиля" був впроваджений у 1991 році, а профіль ободу 8.5В-20-04 пішов у виробництво з 1995 року. Ободи, які прокатуються згідно з технічними умовами, поставлялись та поставляються на колісні заводи України та Росії: Кременчуцький колісний та Челябінський кувально-пресовий заводи. Полегшені колеса використовуються при виробництві автомобілів у Мінську, Кременчуці, Москві (МАЗ, КрАЗ та ЗІЛ).

Особистий внесок здобувача. В усіх теоретичних, експериментальних та практичних розробках використані ідеї автора. У процесі виконання науково-дослідних робіт, результати яких одержані та опубліковані у співавторстві, автор здійснював наукове керівництво, планування лабораторних та виробничих експериментів, аналіз та узагальнення результатів, брав участь у проведенні дос- лідів, розробці нормативно-технічної документації, робочих креслень та розвязанні організаційних питань, повязаних із впровадженням технічних рішень у практику. Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були повідомлені та обговорені на наукових семінарах кафедри обробки металів тиском ДМетАУ і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (1991-1999 р.р.); галузевих координаційних нарадах по формуванню планів НДР (1980-1992 р.р.); 3-й Всесоюзній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ) 1980 р.; 4-й Всесоюзній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропет- ровськ) 1988 р.; науковому семінарі кафедри опору матеріалів МІСіС, під керівництвом Гуна Г.Я. (м. Москва) 1989 р.; науково- технічний конференції "Теорія і технологія процесів пластичної деформації-96" (м. Москва) 1996 р.; 2-му Міжнародному конгресі прокатників (м. Череповець) 1997 р.; 3-му Міжнародному симпозіумі металургів Хорватії (м. Шибеник) 1998 р.; 2-ій Міжнародній конференції "Теоретичні і технологічні проблеми сталі та деформованого металу " (м. Кошице ) 1999 р. Публикації. Зміст роботи опубліковано у 37 наукових статтях та доповідях конференцій. Одержано 11 авторських свідоцтв на винахід. Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7-ми розділів, висновків. Вона викладена на 332 сторінках машинописного тексту, містить 94 ілюстрації, 32 таблиці, список використаних джерел з 295 найменувань, а також 22 додатки. У ВСТУПІ обгрунтована актуальність роботи, її мета, висвітлені наукові та практичні результати, а також положення, які виносяться на захист.

ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ГАРЯЧЕКАТАНИХ ТОНКОСТІННИХ ПРОФІЛІВ ДЛЯ АВТОМОБІЛЕБУДУВАННЯ

Розглянуто конструкції коліс вантажних автомобілів у динаміці їх розвитку. Визначено один з основних напрямків їх удосконалення, повязаний із зниженням маси коліс різного призначення. Показані шляхи зниження ваги колеса та окремих його деталей. Визначені ділянки перерозподілу металу по перерізу основи ободу, за рахунок яких зменшена металомісткість профілю, отриманого гарячою прокаткою.

Наведено результати технологічних досліджень процесу прокатки гарячекатаних профілів ободів коліс, вивчено деякі особливості їх виробництва.

З аналізу наукових літературних джерел визначені питання, дослідженню яких присвячена ця робота. Їх розв'язання дозволило випробувати у промислових умовах та впровадити в масове виробництво нові конструкції високоефективних профілів для ободів коліс вантажних автомобілів. До них можно віднести:

виявлення тенденції розвитку конструкцій коліс вантажних автомобілів та окремих деталей, пов'язаних із зниженням ваги;

удосконалення конструкції основи ободу за рахунок перерозподілу металу по перерізу ;

визначення впливу маси профілю на технологічні параметрі прокатки;

визначення впливу кінематики течії металу на параметри процесу в умовах неоднорідної пластичної деформації;

урахування технологічних особливостей виробництва профілів при проектуванні ободів коліс;

розробку нових конструкцій полегшених профілів ободів коліс вантажних автомобілів;

розробку технології прокатки тонкостінних профілів зниженої металомісткості;

впровадження нових конструкцій у промисловість.

У цьому звязку виникають питання, повязані із теоретичними та експериментальними дослідженнями неоднорідного напружено-деформованого стану середовища, виявлення ефектів, які можна використати при проектуванні тонкостінних профілів ободів коліс зниженої металомісткості.

Неоднорідність пластичної деформації, яка супроводжує всі реальні способи обробки металів тиском в умовах складного напруженого стану,значною мірою, визначає технологічні параметри виробництва і за заданих умов дозволяє впливати на процес. Дослідження, повязані із цим ефектом, сприяють виявлен- ню особливостей прокатки профілів складної форми, застосуванню їх для оптимізації режимів деформування та проектування нових конструкцій профілів.

При розвязанні даної проблеми були використані фундаментальні положення математичної та прикладної теорії пластичності (теорія обробки металів тиском), теорії прокатки профілів складної форми, теорії калібровки, теорії пружності, методи математичної статистики.

Результати експериментальних досліджень отримані в лабораторних та виробничих умовах металургійної академії України та металургійного заводу ім. Петровського.

РОЗ'ЯЗАННЯ ПЛОСКОЇ ЗАДАЧІ ТЕОРІЇ ПЛАСТИЧНОСТІ НАПІВОБЕРНЕНИМ МЕТОДОМ

Дослідження напруженого стану в реальному процесі обробки металів тиском повязано із вивченням неоднорідності пластичної деформації в зоні обтиску. У середовища, що зміцнюється, розподіл інтенсивності дотичних напруг в об'єми та на контакті,неравномірний, тобто

. (1)

Розглянуто шість рівнянь теорії пластичності. Перші три-рівняння рівноваги та умова пластичності-трансформовано у відоме диференціальне рівняння виду з розвязувальною функцією . Другі три-рівняння зв'язку, нестисливості та нерозривності де величина, що визначається координатами осередку деформації та розв'язанням задачі в напругах.

Для виразу (3) невідомою функцією є поздовжня швидкість деформації .

Особливістю даної задачі є те, що рівняння (2) и (3) з урахуванням виразу (1) розв'язані без будь-яких спрощень. Для забезпечення єдиності розв'язання задано граничні умови по напругах та швидкостях деформації у вигляді

, .

Математична модель середовища, що зміцнюється

.

Для розв'язання диференціальних рівняннь (2) і (3) використано метод

заміни змінних

, . (4)

Шукані вирази мають вигляд

, , (10)

де ,

.

Формули для визначені як