Удосконалення методів комп'ютерного проектування калібровок і ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс

Размещено на http://www.allbest.ru

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СНІТКО СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.771.294

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ КОМП'ЮТЕРНОГО ПРОЕКТУВАННЯ КАЛІБРОВОК І РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ ШТАМПОВКИ І ПРОКАТКИ КОЛІС

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

ЯКОВЧЕНКО Олександр Васильович,

Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), професор кафедри “Обробка металів тиском”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

ЖУЧКОВ Сергій Михайлович,

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ), заступник директора із наукової роботи;

- кандидат технічних наук,

ШУМ Валентин Борисович,

ВАТ “Донецький металургійний завод” (м. Донецьк), головний калібрувальник заводу.

Провідна установа - Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Обробка металів тиском”, м. Маріуполь.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ навч. корпус.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 11.052.01, д.т.н., проф. В.В. Кравцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тенденції, що склалися для України і Росії на ринку залізничних коліс, призвели до відсутності повного завантаження наявних виробничих потужностей за рахунок внутрішніх замовлень і з країн СНД і, відповідно, до збільшення частки експортної продукції в країни далекого зарубіжжя. Розробку й освоєння технологій штамповки і прокатки коліс в умовах конкуренції необхідно здійснювати в гранично стислий термін, забезпечуючи високу якість продукції, її відповідність вимогам світових стандартів і зниження витрат металу.

Використовувані на практиці некомп'ютерні методи розробки калібровок вимагають, по-перше, значних витрат часу і, по-друге, вони не забезпечують глибоке пророблення технології штамповки і прокатки коліс, що призводить до проведення дослідних і дослідно-промислових прокаток. Тому необхідні комп'ютерні методи розробки калібровок і, відповідно, спеціалізовані для умов колесопрокатного виробництва комплекси програм. Існуючі комп'ютерні методи не охоплюють всі етапи проектування калібровок інструмента деформації. Крім того, вони вимагають удосконалень, що необхідні для розширення їхніх можливостей. У зв'язку з цим існує актуальна науково-технічна задача удосконалення математичних моделей, методів комп'ютерного проектування калібровок і на їхній основі ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс, розв'язанню якої і присвячена дисертаційна робота. штамповка прокатка колесо заготовка

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені відповідно до Програми підвищення якості й освоєння нових видів суцільнокатаних коліс для “Укрзалізниці”, затвердженої в 2002 р. Міністром транспорту України. Тема дисертації безпосередньо пов'язана з планами науково-дослідницьких робіт Донецького національного технічного університету. Базовими для підготовки дисертації виявилися роботи з цих планів, виконані на кафедрі “Обробка металів тиском” за темою “Узагальнення і подальший розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового, сортового прокату і залізничних коліс” (номера державної реєстрації: 0103U008069, 0103U002203) при особистій участі здобувача як виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення математичних моделей, методів комп'ютерного проектування калібровок і на їхній основі ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс за рахунок зменшення асиметрії колісних заготовок по всіх агрегатах пресопрокатної лінії, а також переходу на точні за масою заготовки.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні задачі:

-- розробити математичну модель процесу штамповки колісних заготовок для оперативного розрахунку ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сил штамповки;

-- удосконалити математичну модель розрахунку опору металу деформації в залежності від часу для врахування характеру процесу навантаження при розв'язанні задач обробки металів тиском;

-- одержати експериментальні дані по силових параметрах осадки, розгону і формовки колісних заготовок на пресах силою 50 МН і 100 МН;

-- удосконалити методи комп'ютерного проектування калібровок інструмента деформації для штамповки колісних заготовок і прокатки чорнових коліс;

-- створити нові й удосконалити існуючі технологічні схеми, способи і калібровки інструмента деформації, що забезпечують ресурсозбереження при штамповці і прокатці коліс;

-- виконати оцінку техніко-економічної ефективності роботи.

Об'єкт дослідження. Процеси штамповки і прокатки коліс.

Предмет дослідження. Математичні моделі і методи комп'ютерного проектування калібровок, технологічні схеми, способи і калібровки інструмента деформації для штамповки і прокатки коліс.

Методи дослідження. Моделювання вісесиметричного плину металу в осередку деформації й опору металу деформації в залежності від часу виконано аналітично і базується на основних положеннях теорії обробки металів тиском і механіки суцільного середовища. Розробка математичної моделі процесу штамповки колісних заготовок для оперативного розрахунку ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сили штамповки виконана на основі методів планованого розрахункового експерименту і кінцевих елементів з використанням сучасних комп'ютерних програм. Експериментальні дані отримані шляхом дослідно-промислових досліджень. Використано статистичні методи обробки даних і розробки регресійних залежностей.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Одержала подальший розвиток математична модель процесу штамповки колісних заготовок, необхідна для аналізу при проектуванні калібровок формозміни металу і встановлення причини перевищення силою штамповки її припустимого значення, коли воно має місце, шляхом розробки залежностей для оперативного розрахунку ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, у структуру яких включені ті ж технологічні фактори і їхні сполучення, що й у запропонованій у роботі залежності для розрахунку сили штамповки.

2. Удосконалено математичну модель розрахунку опору металу деформації в залежності від ступеня і швидкості деформації, а також часу за рахунок її представлення у виді системи нелінійних диференціальних рівнянь із залежними від часу коефіцієнтами, що визначаються на основі кривих зміцнення. Отримано аналітичну залежність типу , що дає можливість виконувати апроксимацію й екстраполяцію значень опору металу деформації, а також враховувати характер процесу навантаження при розв'язанні задач обробки металів тиском.

3. Одержало подальший розвиток уявлення про механізм заповнення металом штампів у зонах обода і маточини при штамповці колісних заготовок. Показано, що в осередку деформації крім нейтральної лінії, відносно якої виконується рівність мас відповідних частин заготовки й одержуваної з неї колісної заготовки, має місце інша нейтральна лінія, відносно якої виконується рівність коефіцієнтів укова у відповідних частинах колісної заготовки. На основі експериментально-розрахункової інформації встановлено, що в частинах колісної заготовки, розділених нейтральною лінією, відносно якої виконується зазначена рівність мас, відхилення коефіцієнтів укова не перевищують (7 - 10)% від коефіцієнта укова по колісній заготовці в цілому.

4. Уперше розроблена математична модель розрахунку параметрів осередку деформації заготовочного преса на основі формул для визначення координат точок спряжень елементів контурів фасонних заготовок, з яких на формувальному пресі штампують колісні заготовки з ободом, диском і маточиною. Показано, що вона разом з моделлю розрахунку формозміни і сили при штамповці колісних заготовок, а також моделями вікон програм для розрахунку контурів фасонних заготовок забезпечує функціонування методу комп'ютерного проектування калібровок для переходу “заготовочний прес - формувальний прес”.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Обґрунтованість наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використанням методів математичного аналізу й основних положень теорії ОМТ. Достовірність результатів отриманих теоретичних формул підтверджується їхньою задовільною збіжністю з даними експериментальних досліджень, виконаних в умовах промислового виробництва коліс, і з даними, отриманими при кінцево-елементному моделюванні процесів штамповки колісних заготовок у формувальних штампах.

Наукове значення роботи. Наукове значення має запропонований у дисертації метод одержання залежностей для оперативного розрахунку формозміни металу і сил при штамповці колісних заготовок на основі планування розрахункового експерименту з наступною його реалізацією шляхом комп'ютерного кінцево-елементного моделювання. Метод може бути використаний надалі для розробки аналогічних залежностей стосовно до процесу прокатки коліс.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення мають удосконалені методи комп'ютерного проектування калібровок інструмента деформації для штамповки і прокатки коліс, що забезпечують оперативність, наочність і зниження трудомісткості розрахунково-графічних робіт.

Запропоновано нові способи штамповки коліс і колісних заготовок, що забезпечують підвищення точності їхніх розмірів і зниження витрат металу, на які отримані патенти України.

Для кільцебандажної лінії ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод” (НТЗ) і колесопрокатної лінії ВАТ “Виксунський металургійний завод” (ВМЗ) розроблені калібровки інструмента деформації для коліс 650 мм і 864 мм відповідно, які використані в промислових умовах. Для умов ВАТ “Кулебакський металургійний завод” (КМЗ) виконаний аналіз концепції реконструкції пресопрокатної лінії “Banning”. Розроблено заходи щодо розширення її технологічних можливостей. На основі створених математичних моделей виконаний аналіз силового завантаження нового трипозиційного преса силою 60 МН при штамповці колісних заготовок.

Розроблені в дисертації математичні моделі і методи використовуються на кафедрі “Обробка металів тиском” ДонНТУ в навчальному процесі в рамках викладання курсу “Теорія і технологія ковальсько-штампувального виробництва” за фахом 6.090400 “Обробка металів тиском”.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї роботи, а також методики теоретичних і експериментальних досліджень належать автору. Результати досліджень, виконаних разом із працівниками ДонНТУ, ВАТ “НТЗ” і ВАТ “КМЗ” опубліковані зі співавторами. Конкретний особистий внесок здобувача в цих роботах даний у виді коротких анотацій після вказівки їхніх номерів у списку опублікованих робіт за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорені на: міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы и перспективы развития процессов и машин обработки давлением”, 23 - 26 квітня 2002 р., Краматорськ; науково-технічній конференції молодих вчених фізико-металургійного факультету ДонНТУ “Металлургия и обработка металлов”, 25 квітня 2002 р., Донецьк; міжнародній науково-технічній конференції “Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением”, 20 - 22 квітня 2004 р., Краматорськ; міжнародній науково-методичній конференції “Проблеми математичного моделювання”, 26 - 28 травня 2004 р., Дніпродзержинськ; XI міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера XXI века”, 14 - 16 вересня 2004 р., Севастополь; 14th international Metallurgical & Materials Conference “METAL 2005”, May 24 -26, 2005, Ostrava, Czech Republic; розширених засіданнях кафедри “Обробка металів тиском” ДонНТУ, 2004 р., 2006 р.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 12 наукових працях, у тому числі в 4 статтях наукових журналів, 6 статтях збірників наукових праць і 2 деклараційних патентах України на винаходи. З них 9 статей опубліковані у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (150 найменувань) і 6 додатків. Повний обсяг дисертації - 318 сторінок, загальний обсяг - 138. У розділах дисертації 53 рисунка (у тому числі 32 на окремих сторінках) і 7 таблиць (у тому числі 3 на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ “Сучасний стан технологій штамповки і прокатки коліс, а також методів їхньої розробки”. Проаналізовано дані літературних джерел, на основі яких виконаний порівняльний аналіз технологій штамповки і прокатки коліс в Україні (ВАТ “НТЗ”) і Росії (ВАТ “ВМЗ”) стосовно технологій провідних закордонних виробників коліс, таких як “Bochumer Verein” (Німеччина), “Valdunes” (Франція) і інших. Основні переваги технологій, що визначили на даних підприємствах високу якість коліс і зниження витрат металу, у першу чергу, пов'язані з істотним зменшенням асиметрії колісних заготовок і чорнових коліс по всіх агрегатах пресопрокатних ліній і переходом на точні по масі заготовки. Разом з тим, у літературних джерелах обмежена інформація, як про технологічні рішення, які забезпечили режими ресурсозбереження в колесопрокатному виробництві, так і про математичні моделі, методи і комп'ютерні програми, які забезпечили розробку сучасних технологій, що обґрунтовує необхідність їхнього створення.

При розробці калібровок задачі аналізу сил штамповки і формозміни металу тісно пов'язані і повинні розв'язуватися одночасно. Найбільш точні результати дають комп'ютерні програми, засновані на кінцево-елементному методі моделювання. Але, тому що вони вимагають значних витрат часу, необхідний розвиток математичних моделей для оперативного розрахунку ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сил штамповки.

Удосконалення методів комп'ютерного проектування калібровок для штамповки колісних заготовок і прокатки чорнових коліс вимагає, по-перше, визначення сукупності математичних моделей для забезпечення їхнього функціонування і, по-друге, визначення основних особливостей режимів роботи калібрувальників у процесі розрахунків калібровок по металу й інструменту деформації, а також розробок креслень валків і штампів. Потрібно також удосконалення існуючих і створення нових моделей вікон і програм для проектування калібровок по металу для переходів “заготовочний прес - формувальний прес”, “формувальний прес - колесопрокатний стан”, калібровок по інструменту деформації, а на їхній основі креслень валків колесопрокатного стана (КПС).

Актуальне створення нових і удосконалення існуючих технологічних схем, способів і калібровок для штамповки і прокатки коліс, що забезпечують ресурсозбереження в колесопрокатному виробництві.

Другий розділ “Теоретичні дослідження процесу штамповки колісних заготовок”. Отримано диференціальне рівняння несталого вісесиметричного плину металу, розглянутого в осередку деформації як нестисливе лінійно-в'язке суцільне середовище

, (1)

де - функція току; - незалежні перемінні в циліндричній системі координат; - час; - коефіцієнт кінематичної в'язкості, .

Розв'язання крайових задач на основі рівняння (1) виконується шляхом перетворення вихідних функціональних рівнянь, що входять у їхню постановку, у систему лінійно-незалежних алгебраїчних рівнянь.

Удосконалено математичну модель розрахунку опору металу деформації у залежності від часу t за рахунок її представлення у виді системи нелінійних диференціальних рівнянь із залежними від часу коефіцієнтами

(2)

де - ступінь і швидкість деформації відповідно; ( 1, 2, 3, 4); - константи, що визначаються на основі кривих зміцнення.

Отримано аналітичне рішення

, (3)

яке дає можливість виконувати апроксимацію й екстраполяцію значень опору металу деформації, а також враховувати характер процесу навантаження при розв'язанні задач обробки металів тиском. Отримані рішення (1) - (3) мають теоретичне значення. Моделі (2), (3) закладають основи для врахування в перспективі нелінійних співвідношень між напруженнями і деформаціями, у тому числі і при штамповці колісних заготовок у фасонних штампах.

У процесі проектування калібровок необхідно знати, яким чином попередньо підготовлена фасонна заготовка, що задається у формувальні штампи, буде їх заповнювати, і відповідно до цього вносити необхідні коректування. Представлені нижче розробки спрямовані на одержання залежностей для оперативної оцінки ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сил при штамповці колісних заготовок.

Методика одержання залежностей передбачає реалізацію планованого розрахункового експерименту за планом другого порядку з застосуванням центрального композиційного ортогонального планування. Експеримент виконаний у залежності від чотирьох (n = 4) факторів : ; ; ; . Тут - глибина впровадження розганяльного пуансона на пресі силою 50 МН; - висота заготовки після преса силою 50 МН; , - маси обода і маточини колісної заготовки, відповідно; - товщина диска колісної заготовки; - поточне значення товщини диска колісної заготовки в процесі її штамповки. Інші фактори, такі як температура металу, коефіцієнт тертя, технологічний зазор д і інші використані відповідними тим, що мають місце на формувальному пресі. Природно, для даних умов розроблені моделі і будуть застосовні.

Для аналізу формозміни металу і його напруженого стану при штамповці колісних заготовок обрані наступні параметри : - ступінь заповнення металом штампів у зоні маточини; - ступінь заповнення металом штампів у зоні обода; - узагальнений коефіцієнт напруженого стану металу. Тут - висоти обода і маточини колісної заготовки відповідно; - поточні значення висот обода і маточини колісної заготовки відповідно.

Параметри визначені у виді поліномів другого степеня

, (4)

де - коефіцієнти полінома, що визначаються при реалізації планованого експерименту.

Для розрахунку сили штамповки використовували відому за структурою формулу

(5)

де - середня по верхньому і нижньому штампах площа горизонтальної проекції поверхні контакту металу з інструментом.

Для умов штамповки колісних заготовок у формувальних штампах (рис. 2), на основі методики Андрєюка Л.В. і залежностей для й отримана формула розрахунку середнього значення в осередку деформації для колісної марки сталі, що має наступний хімічний склад:

, (6)

де - швидкість опускання верхнього штампа; - середня температура металу в осередку деформації.

З технологічних розумінь обрані наступні границі зміни факторів: ; ; ; На основі значень факторів у дослідах, яких відповідно до плану-матриці експерименту треба було 25, розроблені креслення заготовок із преса силою 50 МН і креслення колісних заготовок, що визначили конфігурацію штампів формувального преса силою 100 МН. Реалізація дослідів виконана в системі кінцево-елементного моделювання QFORM 2D (див. рис. 2). Інформацію, отриману в результаті реалізації дослідів, використовували при розрахунку на базі програми STATISTIСA констант, що входять до регресійних рівнянь (4). Коефіцієнти кореляції при розрахунку констант для параметрів отримані рівними 0,95 - 0,98. Виконана перевірка статистики Фішера дала позитивні результати. Відносні помилки апроксимації склали: по силі штамповки - до 11%; по ступеню заповнення металом штампів у зоні обода - до 3%; у зоні маточини - до 2%.

Третій розділ “Експериментальні дослідження силових параметрів процесу штамповки колісних заготовок”. Дослідження виконані з метою одержання інформації із силових параметрів процесів штамповки колісних заготовок у залежності від часу. Експериментальна інформація отримана в умовах промислового виробництва коліс 957 мм (ГОСТ 9036-88) за існуючою технологією на пресопрокатній лінії колесопрокатного цеху (КПЦ) ВАТ “ВМЗ” при осадці заготовок у технологічному кільці і їх розгоні на пресі силою 50 МН, а також формуванню колісних заготовок з ободом, диском і маточиною на пресі силою 100 МН.

У процесі виконання кожної з операцій (осадки, розгону і формування) робили по три - чотири виміри тиску рідини в гідросистемі пресів. У якості вимірювального приладу використовували манометр надлишкового тиску МП4-УУ2 (з діапазоном показань 0 - 60 МН/м², ціною поділки 1 МН/м² і класом точності 1,5). Фіксування показань манометра виконали шляхом відеозйомки цифровою камерою PENTAX OPTIO 330 GS з наступною передачею всієї інформації в комп'ютер. Обробка результатів відеозйомок включала побудову масивів даних по тисках у залежності від часу деформації. Відповідні значення сил штамповки розрахували шляхом множення експериментально зафіксованих тисків на площу поперечного переріза плунжера робочого циліндра преса.

Аналіз отриманих даних показав, що при осадці заготовок на гладких плитах у нижньому технологічному кільці, що плаває, сила, що дорівнює (46 - 47) МН, і при штамповці колісних заготовок у формувальних штампах сила, що дорівнює (89 - 90) МН, є близькими до припустимих на даних пресах. При розгоні заготовок пуансоном максимальні значення сил не перевищили (18 - 19) МН. Тому зроблений висновок про доцільність удосконалення технологічної схеми формовки колісних заготовок, а також перерозподілу деформації металу і, відповідно, силових навантажень між пресами силою 20 МН, 50 МН і 100 МН із метою зменшення циклів на заготовочному і формувальному пресах, а також забезпечення силових навантажень на пресах, близьких до припустимих.

Виконано виміри висот ободів і маточин відштампованих колісних заготовок. Отримані відхилення склали 2 мм щодо їхніх номінальних розмірів. Експериментальну інформацію використовували для перевірки точності розроблених теоретичних формул розрахунку сил штамповки і ступеню заповнення металом штампів у зонах обода і маточини на формувальному пресі силою 100 МН. Порівняльний аналіз відносних похибок показав, що відхилення по силам штамповки рівні (10 - 15)%, а по ступеню заповнення металом штампів у зонах обода і маточини - до 2%, що свідчить про можливість використання розроблених формул при проектуванні калібровок інструменту деформації.

Четвертий розділ “Методи комп'ютерного проектування калібровок для штамповки і прокатки коліс”. Методи комп'ютерного проектування калібровок створені для розробки калібровок по металу й інструменту деформації. Їхнє функціонування забезпечується математичними моделями розрахунку: основних параметрів осередків деформації; координат точок спряжень контурів заготовок і колісних заготовок; формозміни металу і сил штамповки (4), (5), а також моделями вікон програм, у яких безпосередньо проектуються калібровки.

Калібровка по металу для переходу “заготовочний прес 50 МН - формувальний прес 100 МН” являє собою контур перетину заготовки (див. рис. 4), одержуваної на пресі силою 50 МН, що визначає режим деформації металу у формувальних штампах преса силою 100 МН. Даний контур слід розробляти на основі попередньо спроектованого контуру перетину колісної заготовки. Як вихідна інформація при її розрахунку задаються: величина розгону S, радіуси і , що визначають ступінь виконання заготовки; величина похилу технологічного кільця f, радіус контуру заготовки в місці розгону й інші величини. Потім визначають параметри видавки, одержуваної на формувальному пресі силою 100 МН. Наступний етап проектування виконується у вікні програми “Нейтральна лінія”, у якому аналітично точно знаходяться усі варіанти (у границях заданих обмежень) технологічно можливих заготовок із преса силою 50 МН. Для них даються результати розрахунків уковів, як по всій колісній заготовці, так і окремо в зоні обода і маточини. Калібрувальник вибирає один із варіантів і у вікні програми “Контроль заходу заготовки” перевіряє захід отриманої заготовки у формувальні штампи. Потім на основі залежностей (4) і (5) виконується розрахунок ступеня заповнення металом штампів у зоні обода і маточини, а також сили штамповки. Якщо при цьому, наприклад, встановлене переповнення металом штампа в зоні маточини і перевищення припустимої сили штамповки, то калібрувальник вибирає інший варіант заготовки, з меншим уковом по маточині і повторює всі перевірки. Після завершення всіх розрахунків автоматично видруковується повна інформація про спроектовану заготовку і її креслення.

Калібровкою по металу для переходу “формувальний прес 100 МН - КПС” є контур перетину колісної заготовки, яка одержана на пресі силою 100 МН, що визначає величини осьового обтиску металу обода і прилягаючої до нього частини диска похилими валками і його радіального обтиску натискними і головними валками на КПС. Цей контур розробляється на основі попередньо спроектованого контуру перетину чорнового колеса, що прокатується на КПС. Удосконалено моделі вікон програм для проектування калібровок по металу для зазначеного переходу шляхом виключення роздільного розрахунку по верхній (що включає обід) і нижній (що включає маточину) її частинам, з наступним їхнім об'єднанням, що, по-перше, підвищує оперативність роботи калібрувальників і, по-друге, дозволяє охопити більш широке коло варіантів конфігурацій дисків колісних заготовок.

Проектування калібровок і креслень валків є завершальним етапом роботи. Розроблено моделі вікон програм для проектування калібровок верхніх і нижніх похилих валків. У даному випадку калібровкою є та частина контуру похилого валка, що у процесі прокатки контактує з металом і реалізує заплановані при проектуванні колісної заготовки обтиски по диску й ободу. На початковому етапі роботи цифрова інформація про контури перетинів колісної заготовки і чорнового колеса передається в зазначене вище вікно. У ньому передбачена можливість роботи з будь-якими типами чорнових коліс і колісних заготовок. Вихідна інформація про похилий валок, що проектується, задається в таблицю, розташовану під схемою. Передбачена сполучена контрольна побудова похилого валка, як з колісною заготовкою, так і з чорновим колесом. Коректуванням розмірів валка досягається його необхідне взаємне положення з колісною заготовкою в перший момент прокатки і з чорновим колесом в останній. На заключному етапі в автоматичному режимі виконується побудова креслень похилих валків і шаблонів для їхнього виготовлення.

У дисертації розроблений метод удосконалення калібровок, освоєних в умовах промислового виробництва. На першому етапі він передбачає відновлення контурів перетинів заготовок і коліс, що фактично мали місце при їхній штамповці і прокатці, на всіх агрегатах пресопрокатної лінії. Розрахунки ґрунтуються, по-перше, на ряді фактичних вимірів, по-друге, на інформації, що береться з креслень штампів і валків і, по-третє, на результатах розрахунків частини параметрів з використанням комп'ютерних програм по розробці калібровок. Для чорнових коліс (850 - 990) мм, освоєних в умовах промислового виробництва, були відновлені такі контури. Їхній аналіз дозволив вивчити механізм заповнення металом штампів у зонах обода і маточини при штамповці колісних заготовок. Показано, що в осередку деформації крім нейтральної лінії, відносно якої виконується рівність мас відповідних частин заготовки й одержуваної з неї колісної заготовки, має місце інша нейтральна лінія, відносно якої виконується рівність коефіцієнтів укова у відповідних частинах колісної заготовки. На основі експериментально-розрахункової інформації встановлено, що в частинах колісної заготовки, розділених нейтральною лінією, відносно якої виконується зазначена рівність мас, відхилення коефіцієнтів укова не перевищують (7 - 10)% від коефіцієнта укова по колісній заготовці в цілому. Отримані співвідношення дозволяють оперативно розробляти перші варіанти калібровок, які потім можливо аналізувати і доопрацьовувати на основі створених моделей і удосконалених методів комп'ютерного проектування. Удосконалення калібровок, освоєних в умовах промислового виробництва, запропоновано виконувати шляхом аналізу і коректувань відновлених фактичних контурів перетинів колісних заготовок і чорнових коліс у вікнах комп'ютерних програм по проектуванню калібровок.

П'ятий розділ “Удосконалення технологій штамповки і прокатки коліс”. Створені та представлені в дисертації математичні моделі і методи комп'ютерного проектування калібровок використовували для удосконалення технологій штамповки і прокатки коліс на пресопрокатних лініях ВАТ “НТЗ” і ВАТ “ВМЗ”. Удосконалено спосіб штамповки коліс малого діаметра (600 - 850) мм гребенем нагору на кільцебандажній лінії ВАТ “НТЗ” шляхом формування на пресі силою 40/20 МН диска колісної заготовки у вигнутому виді для вирівнювання обода відносно маточини з зовнішньої сторони колеса. Це дало можливість транспортувати колісні заготовки до прошивного і формувального пресів по неспеціалізованим для цих цілей рольгангам. Розроблені на основі даного способу калібровки використані при виконанні на ВАТ “НТЗ” замовлень по штампуванню трьох профілерозмірів коліс 650 мм.

Для умов штамповки на пресі силою 40/20 МН, що має незалежний хід пуансона, на рівні винаходів розроблено два способи, один із яких забезпечує нормований плин металу в обід і маточину, а інший - формування колісних заготовок в одному штамповому рівчаку.

Виконано комп'ютерне проектування калібровок для штамповки і прокатки коліс 864 мм на пресопрокатній лінії ВАТ “ВМЗ” по існуючій технологічній схемі. Для переходу “заготовочний прес 50 МН - формувальний прес 100 МН” виконане нормування уковів в ободі і маточині для того, щоб їхні відхилення від середнього укова по профілю не перевищували 2,5%, що дало практично одночасне заповнення штампів металом у зонах обода і маточини.

Для умов КПЦ ВАТ “ВМЗ” розроблена нова технологічна схема (рис. 6) штамповки колісних заготовок (для коліс 957 мм) з точних (відмінність за вагою до 5 кг) і зменшених по масі до (470 - 475) кг вихідних заготовок. Передбачено: осадка заготовок на пресі силою 20 МН у верхньому технологічному кільці; кантовка і сполучена осадка-розгін заготовок верхньою фігурною плитою чи штампом з попереднім формуванням частини обода і маточини на пресі силою 50 МН; центрування отриманих заготовок верхнім формувальним кільцем і штамповка колісних заготовок з ободом, диском і маточиною на пресі силою 100 МН. При цьому досягається близьке до припустимого силове навантаження на зазначених пресах і скорочення циклів на пресах силою 50 МН і 100 МН за рахунок виключення операцій центрівки нижнього технологічного кільця, розгону заготовок пуансоном, а також їхнього центрування триважільним центрувачем. На представлену технологію подана заявка на винахід (Укрпатент встановив дату подання заявки на винахід 11.04.2005 р.).

ВИСНОВКИ

У дисертації розв'язана актуальна науково-технічна задача удосконалення математичних моделей, методів комп'ютерного проектування калібровок і на їхній основі ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс за рахунок зменшення асиметрії колісних заготовок по всіх агрегатах пресопрокатної лінії, а також переходу на точні за масою заготовки.

Основні наукові положення і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Виконано порівняльний аналіз технологій штамповки і прокатки коліс в Україні (ВАТ “НТЗ”) і Росії (ВАТ “ВМЗ”) стосовно технологій ведучих закордонних виробників коліс, таких як “Bochumer Verein” (Німеччина), “Valdunes” (Франція) і інших. Основні переваги, що визначили на даних підприємствах високу якість коліс і зниження витрат металу, у першу чергу пов'язані з істотним зменшенням асиметрії колісних заготовок і чорнових коліс по всій пресопрокатній лінії і переходом на точні по масі заготовки. Разом з тим, у літературних джерелах обмежена інформація як про технологічні рішення, які забезпечили режими ресурсозбереження в колесопрокатному виробництві, так і про математичні моделі, методи і комп'ютерні програми, які забезпечили розробку сучасних технологій, що обґрунтовує необхідність проведення досліджень у даних напрямках.

2. Розроблено залежності для розрахунку ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сил при штамповці колісних заготовок, що мають обід, диск і маточину, на основі методу планованого експерименту, реалізація якого здійснена шляхом кінцево-елементного моделювання зазначеного процесу штамповки. Показано, що дані залежності в процесі розробки калібровок для переходу “прес 50 МН - прес 100 МН” забезпечують можливість не тільки оперативно встановлювати факт перевищення силою штамповки її припустимого значення, коли воно має місце, але і визначати причину такого перевищення, пов'язуючи її з переповненням металом штампів у зоні маточини чи обода, що дає конкретний напрямок подальшого коректування калібровки.

3. Удосконалено математичну модель розрахунку опору металу деформації в залежності від часу за рахунок її представлення у виді системи нелінійних диференціальних рівнянь із залежними від часу коефіцієнтами, що визначаються на основі кривих зміцнення. Показано, що отримане аналітичне співвідношення типу дає можливість виконувати апроксимацію й екстраполяцію значень опору металу деформації, а також враховувати характер процесу навантаження при розв'язанні задач обробки металів тиском.

4. Виконано експериментальні дослідження силових параметрів осадки, розгону і формування колісних заготовок для коліс 957 мм (за ГОСТ 9036-88) на пресах силою 50 МН і 100 МН по існуючій у колесопрокатному цеху ВАТ “ВМЗ” технології. Аналіз результатів експериментальних вимірів тисків і відповідних їм сил показав, що при осадці заготовок на гладких плитах у нижньому технологічному кільці, що плаває, сила, що дорівнює (46 - 47) МН, і при штамповці колісних заготовок у формувальних штампах сила, що дорівнює (89 - 90) МН, є близькими до припустимого на даних пресах. При розгоні заготовок пуансоном максимальні значення сил не перевищили (18 - 19) МН. Тому зроблений висновок про доцільність удосконалення технологічної схеми формування колісних заготовок, а також перерозподілу деформацій металу і, відповідно, силових навантажень між пресами силою 20 МН, 50 МН і 100 МН із метою одержання їх близькими до припустимих.

5. Виконано перевірку точності теоретичних формул розрахунку сил штамповки і ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини на формувальному пресі силою 100 МН стосовно даних, отриманих на основі експериментальної інформації. Порівняльний аналіз виконаний для завершального, найбільш відповідального етапу заповнення штампів, що відповідає максимальному значенню сили. Аналіз відносних похибок показав, що відхилення по силі рівні (10 - 15)%, а по ступеню заповнення штампів металом у зонах обода і маточини - до 2%, що свідчить про можливість використання розроблених формул для оперативної оцінки сил і формозміни при проектуванні калібровок інструменту деформації.

6. Показано, що функціонування методів комп'ютерного проектування калібровок по металу для переходів “заготовочний прес 50 МН - формувальний прес 100 МН” і “формувальний прес 100 МН - КПС” забезпечується математичними моделями розрахунку параметрів осередку деформації і координат точок спряжень контурів колісних заготовок, формозміни металу і сил штамповки, а також моделями вікон програм, у яких безпосередньо проектуються калібровки. Створено моделі вікон програм для проектування калібровок по металу для переходу “заготовочний прес 50 МН - формувальний прес 100 МН”. Удосконалено моделі вікон програм для проектування контурів перетинів колісних заготовок, що є калібровками по металу для переходу “формувальний прес 100 МН - КПС”, шляхом виключення роздільного розрахунку по верхній (що включає обід) і нижній (що включає маточину) її частинам, з наступним їхнім об'єднанням, що підвищило оперативність роботи калібрувальників і дозволило охопити більш широке коло варіантів конфігурацій дисків колісних заготовок.

7. Встановлено, що методи комп'ютерного проектування калібровок повинні включати наступні етапи: розробку калібровки по металу у вікні програми, у якому передбачена контрольна побудова контуру, що проектується, сполученого з попереднім контуром, на основі якого він створюється; розробку калібровки по інструменту деформації у вікні, у якому передбачена контрольна побудова тієї частини контуру інструмента, що обтискає метал, сполученої з контуром заготовки, що деформується; розробку креслення інструмента деформації у вікні, у якому додатково до отриманої на попередніх етапах інформації задаються габаритні і посадочні розміри штампів і валків. У методах передбачена автоматична передача цифрової інформації між вікнами. Тому можливо змінювати режими роботи, коректувати будь-які розміри в передбачених таблицях, виявляти технологічні помилки. Удосконалені методи забезпечують оперативність і наочність процесу проектування калібровок, знижують трудомісткість розрахунково-графічних робіт і терміни освоєння технологій штамповки і прокатки коліс.

8. Одержало подальший розвиток уявлення про механізм заповнення металом штампів у зонах обода і маточини при штамповці колісних заготовок. Показано, що в осередку деформації крім нейтральної лінії, відносно якої виконується рівність мас відповідних частин заготовки й одержуваної з неї колісної заготовки, має місце інша нейтральна лінія, відносно якої виконується рівність коефіцієнтів укова у відповідних частинах колісної заготовки. На основі експериментально-розрахункової інформації встановлено, що в частинах колісної заготовки, розділених нейтральною лінією, відносно якої виконується зазначена рівність мас, відхилення коефіцієнтів укова не перевищують (7 - 10)% від коефіцієнта укова по колісній заготовці в цілому. Отримані співвідношення дозволяють оперативно розробляти перші варіанти калібровок, які потім можливо аналізувати і допрацьовувати на основі створених моделей і удосконалених методів.

9. Запропоновано спосіб штамповки коліс малого діаметра (600 - 850) мм гребенем нагору на кільцебандажній лінії ВАТ “НТЗ” шляхом формування на пресі силою 40/20 МН диска колісної заготовки у вигнутому виді для вирівнювання обода щодо маточини з зовнішньої сторони колеса. Реалізація запропонованого способу забезпечила можливість транспортування колісних заготовок по неспеціалізованих рольгангах до прошивного (силою 8 МН) і формувального (силою 60 МН) пресів. Розроблені на основі створених моделей і даного способу калібровки були використані на ВАТ “НТЗ” при виконанні замовлень по штампуванню трьох профілерозмірів коліс 650 мм для підприємств Росії, Німеччині і Болгарії.

10. Удосконалено спосіб штамповки колісних заготовок на пресопрокатних лініях по виробництву коліс шляхом поділу процесу формування обода і маточини на два етапи, один із яких виконується при розгоні заготовки пуансоном і забезпечує одержання з її верхньої сторони не менш (75 - 85)% від об'єму відповідної частини обода і не менш 50% від об'єму відповідної частини маточини у відштампованій колісній заготовці, а інший виконується при її остаточній штамповці на формувальному пресі. Показано, що запропонована технологія штамповки забезпечує центрування заготовок, у яких з верхньої сторони попередньо підготовлена частина обода і маточини, виконуване верхнім формувальним кільцем.

11. Удосконалено технологічну схему одержання колісних заготовок на осадочному (20 МН), заготовочному (50 МН) і формувальному (100 МН) пресах шляхом осадки вихідних заготовок на пресі силою 20 МН у верхньому технологічному кільці, сполученої осадки-розгону заготовок верхньою фігурною плитою чи штампом з попереднім формуванням частини обода і маточини на пресі силою 50 МН, центрування отриманих заготовок верхнім формувальним кільцем і остаточної штамповки колісних заготовок з ободом, диском і маточиною на пресі силою 100 МН. На прикладі розробки технології штамповки колісних заготовок для коліс 957 мм із точних (відмінність за вагою до 5 кг) і зменшених по масі до (470 - 475) кг заготовок показано, що при цьому досягається, по-перше, близьке до припустимого силове навантаження на зазначених пресах і, по-друге, скорочення циклів на пресах силою 50 МН і 100 МН за рахунок виключення операцій центрівки нижнього технологічного кільця, розгону заготовок пуансоном, а також їхнього центрування триважільним центрувачем.

12. На основі створених моделей і методів виконане комп'ютерне проектування калібровок для штамповки і прокатки коліс 864 мм на пресопрокатній лінії КПЦ ВАТ “ВМЗ”. Для переходу “заготовочний прес силою 50 МН - формувальний прес силою 100 МН” виконане нормування уковів в ободі і маточині для того, щоб їхні відхилення від середнього укова по профілю не перевищували 2,5%, що дало практично одночасне заповнення штампів металом у зонах обода і маточини. Відповідно до заводського акта впровадження результатів дисертації, розроблені калібровки дозволили скоротити одну дослідну прокатку. По розроблених калібровках у 2003 році прокатано і відвантажено 1500 коліс 864 мм за стандартом AAR M-107-84. Очікуваний річний економічний ефект дорівнює 164,9 тис. грн. (частка здобувача - 82,5 тис. грн.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яковченко А.В., Снитко С.А., Ивлева Н.И. Пути совершенствования компьютерных программ проектирования калибровок инструмента деформации для производства штамповано-катаных железнодорожных колес // Металл и литье Украины. - 2003. - № 6. - С. 30 - 35.

2. Компьютерное проектирование калибров и построение чертежей наклонных, нажимных и главных валков колесопрокатных станов / А.В. Яковченко, С.А. Снитко, Собхи Хасан, Н.И. Ивлева // Металл и литье Украины. - 2005. - № 1-2. - С. 26 - 30.

3. Моделирование формоизменения металла и силы при штамповке колесных заготовок / А.В. Яковченко, С.А. Снитко, А.С. Волков, Собхи Хасан, Н.И. Ивлева // Наукові праці ДонНТУ. Металургія: Зб. наук. пр. - Донецьк, 2005. - Вип. 102.- С. 124 - 135.

4. Яковченко А.В., Собхи Хасан, Снитко С.А. Моделирование сопротивления металла деформации в зависимости от времени // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - № 10. - С. 247 - 254.

5. Яковченко А.В., Снитко С.А., Ивлева Н.И. Нестационарное поле скоростей при осесимметричном течении металла в очаге деформации // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ, 2002. - С. 320 - 323.

6. Яковченко А.В., Снитко С.А., Ивлева Н.И. Экспериментально-теоретический метод компьютерного проектирования калибровок для штамповки колесных заготовок // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ, 2004. - С. 589 - 594.

7. Освоение технологии производства черновых железнодорожных колес малого диаметра в кольцебандажном цехе / А.В. Яковченко, В.А. Новохатний, Е.В. Горб, А.И. Донской, И.М. Иващенко, В.Н. Зелинская, С.А. Снитко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 7. - С. 78 - 80.

8. Яковченко А.В., Снитко С.А. Совершенствование технологии штамповки колесных заготовок и железнодорожных колес // Наукові праці ДонНТУ. Металургія: Зб. наук. пр. - Донецьк, 2005. - Вип. 102.- С. 97 - 104.

9. Яковченко А.В., Снитко С.А., Собхи Хасан. Новые технологические схемы и калибровки для производства колес из точных и уменьшенных по массе заготовок // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ, 2005. - С. 100 - 107.

10. Совершенствование процессов штамповки и прокатки колес / А.В. Яковченко, С.А. Снитко, Собхи Хасан, Н.И. Ивлева // Сб. тр. XI междунар. конф. “Машиностроение и техносфера XXI века”. - Севастополь, 2004. - Т.3. - С. 276 - 280.

11. Пат. 65077 Україна, МПК 7 В21 Н 1/04. Спосіб штамповки залізничних коліс і колісних центрів. О.В. Яковченко, С.О. Снітко, Н.І. Івлєва (Україна). - № 200354788; Заявл. 27.05.2003; Опубл. 15.03.2004, Бюл. № 3. - 10 с.: ил.

12. Пат. 60522 Україна, МПК 7 В21 Н 1/04. Спосіб штамповки чорнових залізничних коліс і колісних заготовок в одному рівчаку. О.В. Яковченко, С.О. Снітко (Україна). - № 2002119057; Заявл. 14.11.2002; Опубл. 15.10.2003, Бюл. № 10. - 8 с.: ил.

Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах:

[1, 2] - удосконалені моделі вікон програм для переходу “прес 100 МН - КПС” і методи комп'ютерного проектування калібровок; [3] - розроблена математична модель процесу штамповки колісних заготовок для оперативного аналізу формозміни і сил штамповки, експериментально перевірені теоретичні формули; [4, 5] - аналітично розроблені математична модель розрахунку опору металу деформації в залежності від часу і диференціальне рівняння несталого вісесиметричного плину металу в осередку деформації; [6] - створені математичні моделі і моделі вікон програм проектування калібровок для переходу “прес 50 МН - прес 100 МН”, вивчений механізм заповнення металом штампів у зонах обода і маточини при штамповці колісних заготовок; [7] - розроблені калібровки для штамповки трьох профілерозмірів коліс 650 мм; [8, 9] - удосконалені технологічні схеми і калібровки, що забезпечують зменшення асиметрії колісних заготовок; [10] - виконаний аналіз процесів штамповки колісних заготовок і визначені критерії, що їх характеризують при розробці калібровок; [11, 12] - запропоновані нові способи штамповки коліс малого діаметра.

АНОТАЦІЇ

Снітко С.О. Удосконалення методів комп'ютерного проектування калібровок і ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2006.

Розв'язана актуальна науково-технічна задача удосконалення математичних моделей, методів комп'ютерного проектування калібровок і на їхній основі ресурсозберігаючих технологій штамповки і прокатки коліс за рахунок зменшення асиметрії колісних заготовок по всіх агрегатах пресопрокатної лінії, а також переходу на точні за масою заготовки.

Розроблено математичну модель процесу штамповки колісних заготовок, що забезпечує при проектуванні калібровок оперативний розрахунок ступеня заповнення металом штампів у зонах обода і маточини, а також сил штамповки. Удосконалено методи комп'ютерного проектування калібровок для штамповки і прокатки коліс. Дані моделі і методи були використані для удосконалення технологічних схем, способів і калібровок на ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод”, ВАТ “Виксунський металургійний завод”, ВАТ “Кулебакський металургійний завод”.

Ключові слова: залізничні колеса, штамповка, прокатка, математична модель, метод комп'ютерного проектування калібровок.

Снитко С.А. Совершенствование методов компьютерного проектирования калибровок и ресурсосберегающих технологий штамповки и прокатки колес. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2006.

Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования математических моделей, методов компьютерного проектирования калибровок и на их основе ресурсосберегающих технологий штамповки и прокатки колес за счет уменьшения асимметрии колесных заготовок по всем агрегатам прессопрокатной линии, а также перехода на точные по массе заготовки.

Создана математическая модель процесса штамповки колесных заготовок, которая включает зависимости для расчета степени заполнения металлом штампов в зонах обода и ступицы, а также сил штамповки. Полученные зависимости в процессе разработки калибровок для перехода “заготовочный пресс - формовочный пресс” обеспечивают возможность не только оперативно устанавливать факт превышения силой штамповки ее допустимого значения, когда оно имеет место, но и определять причину такого превышения, связывая ее с переполнением металлом штампов в зоне ступицы или обода, что дает конкретное направление дальнейшей корректировки калибровки.

Изложены принципы построения методов компьютерного проектирования калибровок для штамповки и прокатки колес. Функционирование методов обеспечивается математическими моделями расчета параметров очага деформации и координат точек сопряжений контуров колесных заготовок, формоизменения металла и сил штамповки, а также моделями окон программ, в которых непосредственно проектируются калибровки. Усовершенствованные и представленные в диссертации методы включают следующие этапы: разработку калибровки по металлу в окне, в котором предусмотрено контрольное построение проектируемого контура, совмещенного с предыдущим контуром, на основе которого он создается; разработку калибровки по инструменту деформации в окне, в котором предусмотрено контрольное построение той части контура инструмента, которая обжимает металл, совмещенной с контуром деформируемой заготовки; разработку чертежа инструмента деформации в окне, в котором дополнительно к полученной на предыдущих этапах информации задаются габаритные и посадочные размеры штампов и валков.

Получило дальнейшее развитие представление о механизме заполнения металлом штампов в зонах обода и ступицы при штамповке колесных заготовок. Показано, что в очаге деформации кроме нейтральной линии, относительно которой выполняется равенство масс соответствующих частей заготовки и получаемой из нее колесной заготовки, имеет место другая нейтральная линия, относительно которой выполняется равенство коэффициентов укова в соответствующих частях колесной заготовки. На основе экспериментально-расчетной информации установлено, что в частях колесной заготовки, разделенных нейтральной линией, относительно которой выполняется указанное равенство масс, отклонения коэффициентов укова не превышают (7 - 10)% от коэффициента укова по колесной заготовке в целом. Полученные соотношения позволяют оперативно разрабатывать первые варианты калибровок, которые затем возможно анализировать и дорабатывать на основе созданных моделей и усовершенствованных методов.

...