Развитие теории проектирования роликовых волок бесстанинного типа для обеспечения производства калиброванного проката с заданными отклонениями размеров

Пластическая деформация происходит не во всей исследуемой области заготовки, а только ее части. Граница между упругой и пластической зонами заранее не известна. Обозначим границу упругой области через , а границу пластической области - . При этом считаем, что части этих областей граничат, если напряжения в упругой области и пластической области совпадают, а их интенсивность не превышает критериального значения энергетического условия Губера-Мезиса.

Математическое описание напряженно-деформированного состояния заготовки при формоизменении в роликовом калибре проводилось на основе совместного решения уравнений линейной упругости и теории пластичности. После приведения переменных величин к безразмерному виду и несложных преобразований, уравнения линейной упругости и пластичности представляются в инвариантном виде:

(39)

где - компоненты тензора напряжений; - плотность материала заготовки; - компоненты тензора деформаций; - модуль сдвига; - постоянная Ламме; - компоненты вектора перемещения; - компоненты метрического тензора; - температурный коэффициент линейного расширения материала; - объемный модуль упругости; - модуль Юнга первого рода; - коэффициент теплопроводности; - температура заготовки; - компоненты вектора скорости перемещений; - теплоемкость материала; - компоненты тензора скоростей деформаций; - интенсивность скоростей деформаций; - интенсивность напряжений; - среднее напряжение; - коэффициент Пуассона; - критериальное число Эйлера; - критериальное число Фурье; .

На область действуют внешние поверхностные силы, которые можно заменить их равнодействующими (37) и (38). В начальный момент времени заданы геометрические параметры заготовки, а также компоненты тензора напряжений , вектора скорости , вектора перемещений и температура во всех точках области . Задача решалась в упругой области в перемещениях, а в пластической области - в скоростях перемещений, для этого на внешней поверхности деформируемой заготовки задавались кинематические граничные условия:

(40)

. (41)

На свободной боковой поверхности заготовки, не находящейся в контакте с деформирующим инструментом, полагалось, что:

. (42)

На поверхностях контакта заготовки с роликами в областях скольжения использовался закон трения Амонтона - Кулона:

, (43)

где , - касательная и нормальная составляющие вектора поверхностного напряжения соответственно; - коэффициент трения.

Граничные условия для температуры имели вид:

, (44)

, (45)

где - критериальное число Био; - безразмерный конвективный коэффициент теплообмена; - безразмерная температура окружающей среды.

Подставив характерные значения величин для рассматриваемой задачи, получим:

. (46)

Так как величина имеет значения в указанных пределах, то первые дифференциальные уравнения систем (39) являются сингулярно возмущенными, поэтому решение проводилось в виде асимптотических рядов:

(47)

. (48)

Верхний индекс над величиной означает степень. В остальных случаях индекс s означает суммирование, который при необходимости можно поднимать или опускать над соответствующей переменной.

Для нахождения решений первых дифференциальных уравнений систем (39) использовался псевдонестационарный метод. Идея этого метода заключается в получении решения стационарной задачи путем построения эквивалентной нестационарной задачи и ее последующего решения маршевым методом вплоть до достижения стационарного состояния. При проведении численных расчетов использовалась явная схема: «время вперед центральная производная» (ВВЦП). Она обеспечивает высокую вычислительную сходимость, и устойчивость при достаточно большой вариации параметров задачи. Решение систем уравнений (39)проводилось по представленным итерационным схемам:

(49)

(50)

где и - коэффициенты, которые подбираются из условия, чтобы их произведение на вспомогательный временной шаг , минимизировали общее число временных шагов, необходимых для достижения сходимости.

На соответствующих поверхностях заготовки выполняются граничные условия:

- на свободной поверхности:

, (51)

, ; (52)

- на поверхности контакта с роликом в зоне прилипания:

, , (53)

, ; (54)

- на поверхности контакта с роликом в зоне скольжения:

, , (55)

, . (56)

Величины , и определялись при дискретизации области исследования для конкретной решаемой задачи.

Так как при решении задачи определяется граница между упругой и пластической зонами исследуемой области, то для нахождения скорости движения металла в зонах скольжения можно применить закон сохранения массы. Полагалось, что в области скольжения металл течет с одинаковой скоростью . Для двух последовательных сечений и очага деформации, перпендикулярных оси , исходя из закона сохранения массы, запишем:

, (57)

где и - площади, занимаемые упругой и пластической областями деформации в -м сечении; - угол между осью и касательной к деформирующей поверхности ролика. Таким образом, зная начальную скорость движения металла в упругой области, находим скорость в любом -м сечении.

На свободной поверхности заготовки:

. (58)

В областях скольжения :

. (59)

Дискретизация области исследования проводилась методом конечных разностей. По осям и шаг сетки дискретизации неравномерный, а по оси - равномерный. Для нахождения границы между пластической и упругой зонами строился итерационный процесс с использованием энергетического условия Губера - Мизеса . На первом шаге итерации считалось, что вся область , кроме контакта инструментов с заготовкой , является упругой. После нахождения тензоров перемещений, скоростей перемещений, деформаций, напряжений и поля температур определялась граница . Итерационный процесс продолжался до тех пор, пока граница на предыдущей итерации не совпадёт с границей на вычисляемой итерации.

Определив границу между пластической и упругой областями исследуемой области и распределение напряжений, по уравнениям (36) и (37) определялись силовые параметры процесса формоизменения заготовки в роликовом калибре.

При построении схем деформирующего оборудования для производства калиброванного шестигранного проката была использована разработанная методика определения силовых параметров, учитывающая влияние напряжений от пластической и упругой деформации заготовки. Наиболее унифицированной заготовкой для получения различных профилей является горячекатаный круг. Поэтому на первоначальном этапе за основу была принята двухступенчатая схема деформации (круг - треугольник - шестигранник) за один проход в сдвоенном комплекте роликовых волок. При этом треугольные калибры расположены с поворотом вокруг оси волочения на угол в 60⁰ относительно друг друга. Предпочтение треугольным калибрам было отдано ввиду равномерного распределения деформации между двумя ступенями.

Размеры «под ключ» калиброванного шестигранного металла, предполагаемого к освоению, имеют значительный интервал по площади поперечного сечения от 55 до 1833 мм². С целью рационального распределения всего интервала размеров шестигранного профиля по соответствующим характеристикам параметрического ряда роликовых волок и усилиям волочения станов проводился расчет энергосиловых параметров деформации.

Расчеты усилий проводились методом конечных разностей. При этом деформируемый металл рассматривался как вязкопластический материал. Совместное решение уравнений (39) линейной упругости и теории пластичности позволило учитывать влияние напряжений упругой и пластической деформаций на силовые параметры волочения. Для проведения расчетов численным методом конечных разностей проводилась дискретизация области исследования, начальных и граничных условий процесса формоизменения заготовки. На основании анализа проведенных расчетов силовых параметров формоизменения заготовки, весь рассматриваемый ряд калиброванного шестигранного проката был распределен на отдельные диапазоны в соответствии:

- с характеристиками роликовых волок;

- стандартным усилием волочильных машин.

Результаты распределения сведены в табл. 2.

Таблица 2. Распределение калиброванного шестигранного проката

Точность геометрических размеров профиля обеспечивалась определением действительных положений линий калибра с учетом упругой деформации клети за счет силового воздействия на ролики. Для этого уравнения пластической деформации металла в калибре (39)-(58) были дополнены уравнением (12) действительных размеров калибра. Решение проводилось относительно начальных параметров калибра , обеспечивающих требуемые размеры готового профиля по уравнению:

. (59)

Так как в рассматриваемой зависимости начальные параметры калибра не могут быть выражены явно, то они определялись численным методом последовательных приближений. Результаты проведенных вычислений на стадии проектирования показали, что получение калиброванного шестигранного проката из нескольких марок стали, которые близки по своим физико-механическим свойствам, с заданными отклонениями возможно.

Для повышения экономической эффективности в условиях калибровочного цеха ОАО «МКЗ» было необходимо обеспечить производство шестигранного профиля из марок сталей с широким диапазоном физико-механических свойств на одном комплекте роликов. С целью унификации параметров рабочей поверхности роликов была спроектирована и рассчитана трехступенчатая схема волочения, которая обеспечивает получение калиброванного проката, производимого из всей номенклатуры марок сталей, с требуемыми отклонениями размеров. Суть этой схемы волочения заключается в использовании преимуществ деформации в роликовых калибрах и монолитной волоке. Сохраняя схему формоизменения заготовки в роликовых волоках, на третьей ступени в линию волочения устанавливается монолитная волока (патент №2235614 РФ).

Новая разработанная трехступенчатая компоновочная схема получения калиброванного шестигранного проката обеспечивает снижение энергозатрат и получение профиля с требуемыми геометрическими размерами.

Трехступенчатая компоновачная схема была внедрена в производство в калибровочном цехе ОАО «МКЗ» со схемой волочения из бунта в пруток:

- на линии волочения и отделки прутков 1028 конструкции ИЗТМ (усилие волочения - 100 кН) были освоены размеры «под ключ» от 8 до 15 мм;

- на линии волочения и отделки прутков 1628 конструкции ИЗТМ (усилие волочения - 150 кН) были освоены размеры «под ключ» от 16 до 24 мм.

Производство остальных размеров калиброванного шестигранного металла было освоено по схеме волочения из прутка в пруток за два прохода на цепных волочильных станах линейного типа с параметром усилия волочения 300 и 500 кН. Экономический эффект от внедрения за первые три года (2002-2004 гг.) составил более 14 млн рублей.

Кроме калиброванного шестигранного проката методика была использована для расчета калибровки роликов профилей по ГОСТ 11850-72 «Проволока стальная для пружинных шайб» из марок сталей 65Г и 70 (ГОСТ 14959-79). Размеры профилей и их отклонения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для получения профилей была использована одноступенчатая схема деформации из круглой заготовки с применением четырехроликового калибра.

Волоки со смещенными парами роликов были использованы для получения плоского профиля 5Ч10 с отклонением размеров - 0,1 для решеток газовых плит из Стали 20 по ГОСТ 1050-74 (см. табл. 3). Формоизменение профиля осуществлялось за один проход из круглой заготовки только с применением роликового калибра.

Производство этих профилей с использованием созданных роликовых волок бесстанинного типа было освоено на ОАО «МКЗ». Таким образом, разработанная теория нашла экспериментальное подтверждение в промышленном производстве.

Заключение

В диссертационной работе изложены и научно обоснованы технические решения по проектированию роликовых волок бесстанинного типа и построению компоновочных схем волочения, обеспечивающие получение изделий с требуемыми отклонениями геометрических размеров.

В процессе решения поставленных задач были получены следующие результаты:

1. Предложены новые параметры представления калибра, обеспечивающие унификацию при определении показателей формоизменения заготовки в волоке с четным и нечетным числом роликов и несимметричным расположением в клети.

2. Разработан аналитический метод определения действительных положений линий калибра, образованного произвольным количеством роликов, основанный на векторном представлении зависимости перемещение - усилие с матричным описанием показателей жесткости клети. Предложенный метод позволяет учитывать реальные перемещения линий калибра в плоскости, обусловленные упругой деформацией клети, с учетом взаимного силового влияния роликов, а также перераспределение внутренних усилий в клети, обусловленных начальным предварительным напряжением ее элементов.

3. Разработаны новые компоновочные схемы построения волок бесстанинного типа с калибрами, образованными тремя и четырьмя роликами, основанные на принципах соединения осей защемлением и сопряжением роликов «в замок».

4. Разработана методика расчета распределения внутренних усилий и показателей упругой деформации соединения осей волок бесстанинного типа, основанная на матричном представлении описания жесткости клети.

5. Разработана методика расчета роликовых волок бесстанинного типа, основанная на оптимизационном синтезе параметров, обеспечивающая максимальную жесткость клети при минимальной массе.

6. Построен параметрический ряд валок с условным диаметром роликов 100, 125, 160, 200, 250 и 320 мм, обеспечивающий получение разнообразных профилей с площадью сечения до 1900 мм².

7. На основе волок с трех- и четырехроликовым калибром были построены сдвоенные комплекты.

8. Определены условия компоновки клети со смещенными парами роликов, обеспечивающие настройку калибра на заданные размеры по сопрягаемым поверхностям «замка» роликов.

9. Разработана методика расчета силового воздействия металла на ролики, учитывающая совместное влияние напряжений пластических и упругих деформаций, возникающих в заготовке при изменении размеров и формы.

10. На основе предложенной структурной схемы компоновки трехроликовых волок и методик расчета параметров деформирующих поверхностей роликов с учетом упругой деформации клети разработан процесс получения калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки с требуемыми отклонениями размеров.

Материалы выполненных исследований были использованы при освоении производства калиброванного шестигранного проката по ГОСТ 8560-78 с размерами «под ключ» от 8 до 46 мм в условиях калибровочного цеха ОАО «МКЗ». Экономический эффект за первые три года (2002-2004 гг.) составил более 14 млн рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Славин В.С. Уравнение упругой деформации роликовых волок с многороликовым калибром / В.С. Славин // Изв. вузов. Черная металлургия. -2007. -№ 7. -С. 24-30. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

2. Славин В.С. Уравнение упругой деформации клетей с предварительным напряжением / В.С. Славин // Изв. вузов. Машиностроение. -2008. -№8. -С. 57-66. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

3. Славин В.С. Волочение фасонных профилей высокой точности в клетях-волоках с многовалковым калибром / В.С. Славин, И.Д. Костогрызов // Производство проката. -1999. -№ 7. -С. 23-26. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

4. Славин В.С. Выбор параметров для описания очага деформации, образованного произвольным количеством роликов / В.С. Славин // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. -Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2009. -С. 34-35. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

5. Костогрызов И.Д. Клеть-волока с поступательной связью осей валков / И.Д. Костогрызов, В.С. Славин // Производство проката. -2000. -№ 3. -С. 26-31. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

6. Славин В.С. Комбинированная технологическая схема производства калиброванного шестигранного проката / В.С. Славин, С.М. Вершигора, В.С. Пантелеев // Сталь. -2007. -№ 2. -С. 91-93. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

7. Славин В.С. Роликовые волоки с трехвалковым калибром бесстанинного типа / В.С. Славин, И.М. Кутлубаев, С.М. Вершигора // Сталь. -2007. -№ 4. -С. 65-66. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ).

8. Славин В.С. Роликовые волоки бесстанинного типа: монография / В.С. Славин. - Магнитогорск: МаГУ, 2010. -186 с.

9. Костогрызов И.Д. Применение клетей-волок в технологии производства профилей / И.Д. Костогрызов, В.С. Славин // Труды четвертого конгресса прокатчиков: сб.: в 2 т. -М., 2002. -Т.2. -С. 181-182.

10. Славин В.С. Роликовые волоки с многороликовым калибром бесстанинного типа / В.С. Славин // Наука и технологии: труды XXVI Российской школы. -М.: РАН, 2006. -Т. 2. -С. 115-126.

11. Славин В.С. Развитие и совершенствование конструкций роликовых волок / В.С. Славин, И.М. Кутлубаев // Необратимые процессы в природе и технике: труды четвертой Всерос. конф. 29-31 янв. 2007 г.-М.: МГТУ им. М.Э. Баумана; ФИАН, 2007. -С. 460-464.

12. Костогрызов И.Д. Клети новой конструкции с четырехроликовой волокой / И.Д. Костогрызов, В.С. Славин, Е.И. Гарасимюк // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация», 1983.-№18.-С. 44-45.

13. Костогрызов И.Д. Многороликовые волоки для производства проволоки и калиброванного металла / И.Д. Костогрызов, Е.И. Гарасимюк, В.С. Славин // Черметинформация: Обзорная информация. Сер. Метизное производство. -М., 1984. -Вып.2. -30 с.

14. Костогрызов И.Д. Геометрические и силовые параметры клетей-волок с поступательной связью осей валков / И.Д. Костогрызов, В.С. Славин, Ю.А. Панфилов // Процессы и оборудование металлургического производства: сб. науч. тр./ под ред. Ю.В. Жиркина. -Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 1999. -С. 6-11.

15. Славин В.С. Разработка роликовой волоки с трехвалковым калибром для производства калиброванного шестигранника и исследование ее упругой деформации / В.С. Славин, В.П. Анцупов, В.С. Пантелеев // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2003. -С. 168-174.

16. Славин В.С. Определение показателей жесткости рамы клети с трехроликовым калибром / В.С. Славин, В.П. Анцупов, В.С. Пантелеев // Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий: сб. науч. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. ЮНЕСКО, 25-28 ноября 2003 г. -М.: МГИУ, 2003. -С. 274-277.

17. Славин В.С. Проектирование роликовых волок с трехвалковыми калибрами для волочения калиброванной шестигранной стали / В.С. Славин, В.П. Анцупов, В.С. Пантелеев // Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук (ЗНТК-2004): сб. статей Междунар. заоч. науч.-техн. конф. (1 окт. - 20 дек. 2004 г.). -Ульяновск: УлГТУ, 2004. -С. 215-218.

18. Новая технология производства калиброванного шестигранного проката в роликовых волоках / В.С. Славин [и др.] // Молодежь России - науке будущего (ЗНТК-2005): сб. статей Междунар. заоч. науч.-техн. конф. (1 окт. - 31 дек. 2005 г.). -Ульяновск: УлГТУ, 2006. -С. 112-114.

19. Славин В.С. Построение параметрических рядов роликовых волок бесстанинного типа / В.С. Славин, В.С. Пантелеев, К.В. Останина // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / под ред. О.С. Железкова. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. -Вып. 7. -С. 276-282.

20. Славин В.С. Развитие технологии производства фасонных профилей высокой точности / В.С. Славин, И.М. Кутлубаев, В.С. Пантелеев // Фундаментальные проблемы машиноведения. Новые технологии и материалы: тез. док. Всеросс. науч.-техн. конф. РАН., посв. 20-летию Нижегородского филиала института машиноведения им. А.А. Благонравова. -Нижний Новгород, 2006. -С. 95.

21. Славин В.С. Выбор обобщенного показателя жесткости для оптимизации геометрических параметров роликовой волоки / В.С. Славин, В.С. Пантелеев, А.С. Шигорин // Вестник МаГУ: период. науч. журнал. Естественные науки. -Магнитогорск: МаГУ, 2004. -Вып. 5. -С. 277-279.

22. Славин В.С. Методика оценки точности размеров калиброванного шестигранного проката, получаемого волочением в клетях-волоках / В.С. Славин, В.С. Пантелеев // Современные технологии в машиностроении: Межрегион. сб. науч. тр. - Пенза: ГОУ ВПО «ПДЗ», 2005. - С. 87 - 91.

23. Славин В.С. Методика расчёта обобщённого показателя жёсткости рамы роликовой волоки с трёхвалковым калибром / В.С. Славин, В.С. Пантелеев // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. -Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова, 2004. - С. 105-109.

24. А.с. 1079320 СССР, МКИ³ В21 В 13/10, Клеть с многовалковым калибром / И.Д. Костогрызов, Б.А. Никифоров, В.С. Славин, Е.И. Гарасимюк (СССР).). № 3539443/02-22; Заявл. 21.01.83. Опубл. 15.03.84. Бюл. № 10.

25. А.с. 1447463 СССР, МКИ⁴ В21 С 1/00, Способ волочения фасонных профилей / Б.А. Никифоров, И.Д. Костогрызов, В.С. Славин, (СССР). Опубл. 30.12.88. Бюл.№48.

26. А.с. 971540 СССР, МКИ³ В21 В 13/10, Клеть с многовалковым калибром / И.Д. Костогрызов, В.С. Славин, Т.Н. Вахомская и др. (СССР). № 3275426/22-02. Заявл. 16.04.81. Опубл. 07.11.82. Бюл. №41.

27. Патент РФ на полезную модель № 14018 МКИ⁷ В21 С 3/08, Комплект деформирующих валков клети / Славин В.С., Костогрызов И.Д., Панфилов Ю.А.; заявитель и патентообладатель Магнитогорск. Славин В.С.; - № 99126487. Заявл. 15.12.99. Опубл. (Зарегист.) 27.06.2000.

28. Патент РФ на полезную модель № 39515 МКИ⁷ В21 С 3/08, Клеть-волока для деформации металла / Славин В.С., Шигорин А.С.; заявитель и патентообладатель Магнитогорск. Славин В.С.; - № № 2004110171. Заявл. 05.04.04. Опубл. (Зарегист.) 10.08.2004, Бюл. №22.

29. Патент РФ на изобретение № 2235614 МКИ⁷ В21 С 1/00, Способ получения калиброванного шестигранного профиля / В.С. Славин, С.И. Платов, В.П. Анцупов и др.; заявитель и патентообладатель Магнитогорск. ООО «ПромИнвест» - № 2003111451/02. Заявл. 22.04.2003. Опубл. 10.09.2004.

Размещено на Allbest.ru