Розвиток методу розрахунку параметрів холодної пільгерної прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.774.35.016.3

Розвиток методу розрахунку параметрів холодної пільгерної прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нагній Олександр Станіславович

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Григоренко Володимир Устинович, Національна Металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сокуренко Віктор Павлович, Державне підприємство "Науково-дослідний конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади", м. Дніпропетровськ, перший заступник директора з наукової роботи;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бєліков Юрій Михайлович, ТОВ "Нікополь Стейнлесс Менеджмент", науковий консультант.

Захист відбудеться " 09 " жовтня 2007р. о 12:30годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д8.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровська, пр.Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4

Автореферат розісланий " 04 " вересня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський



Анотація

Нагній О.С. Розвиток методу розрахунку параметрів холодної пільгерної прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті. - Рукопис. деформація прокатка пільгерний гребень

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. - Процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України. Дніпропетровськ, 2007.

Вперше виконано розрахунковий аналіз впливу пружної деформації кліті на деформаційні та силові параметри процесу холодної пільгерної прокатки труб по довжині робочого конусу. Отримав подальший розвиток метод розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб завдяки врахуванню пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході і налагоджувального зближення валків при визначенні абсолютного обтиску у миттєвому осередку деформації. Запропоновано новий режим розподілу величини радіусу гребеня ручаю калібру по довжині робочого конусу з урахуванням пружної деформації кліті при прямому й зворотному ході. Для цих досліджень і розробок створена програма "ХПТ-параметри".

Запропоновано при дослідженні процесу окрім замірів геометричних параметрів у контрольних перерізах робочого конусу використовувати заміри твердості труби й за допомогою розробленої комп'ютерної програми "ХПТ-експертиза" розраховувати фактичні параметри процесу.

Отримано нові експериментальні дані про величину і характер зміни пружної деформації кліті стану холодної пільгерної прокатки труб по довжині робочого конусу.

Результати роботи у виді комп'ютерних програм "ХПТ-параметри" і "ХПТ-експертиза" передані одному з провідних спеціалізованих підприємств трубної промисловості України ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" для використання при проектуванні і аналізі процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб. Результати роботи також використовуються в навчальному процесі НМетАУ.

Ключові слова: холодна пільгерна валкова прокатка труб, пружна деформація кліті, робочий конус.



АННОТАЦИЯ

Нагний А.С. Развитие метода расчета параметров холодной пильгерной прокатки труб при учете упругой деформации клети.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. - Процессы и машины обработки давлением. - Национальная металлургическая академия Украины. Днепропетровск, 2007.

Впервые выполнен расчетный анализ влияния упругой деформации клети на деформационные и силовые параметры процесса холодной пильгерной прокатки труб по длине рабочего конуса.

Получил дальнейшее развитие метод расчета параметров холодной пильгерной валковой прокатки труб с учетом упругой деформации клети и настроечного сближения валков при прямом и обратном ходе клети. Новый подход предлагает отступление от традиционного подхода определения абсолютного обжатия в мгновенном очаге деформации, основанном на разделении общего абсолютного обжатия стенки трубы в мгновенном очаге деформации при помощи эмпирических коэффициентов для прямого и обратного хода. В новом математическом описании применяются новые зависимости для расчета абсолютного обжатия стенки в мгновенном очаге деформации, учитывающие упругую деформацию клети при прямом и обратном ходе и величину настроечного сближения валков.

Предложен новый режим распределения радиуса гребня ручья калибра по длине рабочего конуса с учетом упругой деформации клети при прямом и при обратном ходе.

Разработана компьютерная программа "ХПТ-параметры", в которой заложены разработки по учету упругой деформации клети.

Получены новые расчетные, экспериментально-расчетные и экспериментальные данные о величине и характере упругой деформации клети стана холодной пильгерной валковой прокатки по длине рабочего конуса при прокатке тонкостенных и толстостенных труб.

Предложено при исследовании процесса кроме замеров геометрических параметров в контрольных сечениях рабочего конуса использовать замеры твердости и с помощью разработанной компьютерной программы "ХПТ-экспертиза" рассчитывать фактические параметры процесса.

Проведенные экспериментальные исследования упругой деформации клети при прокатке тонкостенных и толстостенных труб на стане ХПТ показали хорошую сходимость с расчетными величинами, полученными с использованием математического описания и программы "ХПТ-параметры", и с экспериметнально-расчетными результатами, полученными с применением экспериметнально-расчетной методики и программы "ХПТ-экспертиза".

Результаты исследований в виде компьютерных программ "ХПТ-параметры" и "ХПТ-экспертиза" переданы для использования одному из ведущих специализированных предприятий трубной промышленности Украины ОАО "Днепропетровский трубный завод" для использования при проектировании и анализе процесса холодной пильгерной валковой прокатки труб. Результаты работы также используются в учебном процессе НМетАУ.

Ключевые слова: холодная пильгерная валковая прокатка труб, упругая деформация клети, рабочий конус.



Abstract

Nagniy O.S. The development of a calculations method for the cold-pilger rolling process parameters with stand-springing consideration. - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.05. - Processes and machinery for plastic working. National metallurgical academy of Ukraine. Dnipropetrovs'k, 2007.

For the first time the calculation analysis of stand springing influence on the deformation and power parameters of the cold-pilger rolling process has been carried out. The calculations method of cold-pilger rolling process parameters with stand springing consideration and roll adjustment closing-in at forward and reverse strokes of a stand in definition of reduction in an instant center of deformation has been further developed. A new roll-pass design of ridge radius distribution mode along the processed cone with stand springing consideration at the forward and reverse strokes has been suggested. The program "HPT-parametry" has been developed for these research and developments.

Research of the process led to utilizing the measurements of tube hardness with tube geometrics measurements at the control sections and by means of a computer program "HPT-ekspertiza" to calculate actual parameters of the process.

New experimental data about the values and nature of a cold-pilger rolling mill stand springing along the processed cone has been obtained.

The results of the research in the form of the computer programs "HPT-parametry" and "HPT-ekspertiza" have been given to Joint Stock Company "Dnipropetrovs'k Tube Works", one of the leading specialized enterprises in Ukraine of tube industry, for engineering application in cold-pilger rolling process designing and analysis. The results of the research are also utilized in the curriculum of the National metallurgical academy of Ukraine.

Key words: cold-pilger rolling of tubes by rolls, stand springing, workable cone.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з основних процесів обробки металів тиском у виробництві холоднодеформованих труб є процес холодної пільгерної валкової прокатки на станах періодичної дії (станах холодної прокатки труб - ХПТ). Труби високої точності, що прокатують на станах ХПТ, використовують у високотехнологічних галузях промисловості.

Процес обтиску на стані холодної пільгерної валкової прокатки труб здійснюється при наявності пружного деформування кліті, яка виконує прямий і зворотний ходи. Валковий зазор не є постійною величиною і змінюється внаслідок різної величини пружної деформації кліті по довжині її ходу. Оскільки зміна валкового зазору при прояві пружної деформації кліті впливає на геометричні параметри труб і обумовлює необхідність додаткового зближення валків при налагодженні, витримати жорсткі допуски на розміри труб складно. При цьому радіус гребеня калібру, реалізований в калібровці для здійснення запланованого розподілу обтисків по довжині робочого конусу, не враховує змінного впливу пружної деформації кліті. Отже фактична прокатка не забезпечує належного розподілу обтисків по довжині робочого конусу.

Існуючий до наявної роботи метод розрахунку параметрів процесу не враховував пружну деформацію кліті вимушене і додаткове зближення валків при прямому і зворотному ході. При цьому параметри прямого і зворотного ходу розраховувались на базі емпіричного визначення обтиску у миттєвому осередку деформації як частини від загального обтиску. Одночасно було недостатньо вивчено вплив пружної деформації кліті на параметри процесу холодної пільгерної валкової прокатки. Розрахункові калібровки прокатного інструменту також не враховували пружної деформації кліті. Відсутність врахування пружної деформації кліті ставало причиною додаткових витрат часу і заготовки при налагодженні стану.

Отже робота, спрямована на розвиток методу розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні змінної по довжині робочого конусу пружної деформації кліті для її прямого і зворотного ходу, є актуальною.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні й експериментальні етапи виконання дисертаційної роботи пов'язані з тематичними планами кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках тематики держбюджетних науково-дослідних робіт ДР №0103U003217 і ДР №0106U002225. Автор був виконавцем зазначених робіт.

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є розвиток методу розрахунку параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні сумарної пружної деформації деталей робочої кліті.

Для досягнення мети поставлені наступні задачі:

? виконати аналіз існуючого методу розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб на станах ХПТ, розглянути явище зміни валкового зазору, викликане пружною деформацією кліті, та підходи для її врахування у розрахунках параметрів, у тому числі абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації при прямому і зворотному ході кліті;

? виконати аналітично-розрахункове дослідження зміни параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні впливу пружної деформації кліті;

? виконати аналітичне обґрунтування нового підходу до визначення абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації при прокатці на стані ХПТ із урахуванням пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході і налагоджувального зближення валків;

? розробити новий математичний опис закономірностей процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті й налагоджувального зближення валків для визначення обтиску при прямому й зворотному ході кліті та виконати комп'ютерну реалізацію опису у програмі "ХПТ-параметри";

? розробити нову експериментально-розрахункову методику визначення фактичних параметрів процесу і відповідну програму "ХПТ-експертиза" і провести оцінку пружної деформації кліті по довжині робочого конусу при холодній пільгерній валковій прокатці труб;

? виконати експериментальне дослідження зміни пружної деформації кліті по довжині робочого конусу в процесі холодної пільгерної валкової прокатки труб і виконати порівняння розрахункових, експериментально-розрахункових і експериментальних даних;

? розробити новий режим розподілу радіусу гребеня калібру по довжині робочого конусу з урахуванням пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході при холодній пільгерній валковій прокатці труб;

? програмні продукти "ХПТ-параметри" і "ХПТ-експертиза" передати на виробництво і для використання в навчальному процесі.

Об'єкт дослідження. Процес холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням пружної деформації кліті для прямого і зворотного ходу і налагоджувального зближення валків.

Предмет дослідження. Вплив пружної деформації кліті на параметри, що характеризують процес холодної пільгерної валкової прокатки труб, і розвиток методу розрахунку цих параметрів з урахуванням пружної деформації кліті по довжині робочого конусу і налагоджувального зближення валків.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження, у тому числі математичний опис параметрів, що характеризують процес холодної пільгерної валкової прокатки труб, засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском і теорії прокатки. Моделювання для визначення зміни валкового зазору в процесі холодної пільгерної валкової прокатки труб виконане із застосуванням залежностей пружних деформацій від силових параметрів процесу й від геометричних розмірів деталей робочої кліті при відомих модулях пружності. Експериментальні дослідження проведені з використанням стандартизованих методик.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна результатів теоретичних і експериментальних досліджень містить наступні положення:

1. Вперше розрахунковим аналізом виявлено величини, характер і суттєвість впливу пружної деформації кліті на деформаційні й силові параметри процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб по довжині робочого конусу труби.

Відмінність полягає в урахуванні змінної пружної деформації кліті при розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб по довжині робочого конусу на основі аналізу впливу складових частин конструкції станів ХПТ. Корисність є в тому, що врахування впливу пружної деформації кліті на параметри процесу дає можливість зберегти запланований режим розподілу параметрів по довжині робочого конусу.

2. Отримав подальший розвиток метод розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб при прямому і зворотному ході кліті.

Відмінність полягає в тому, що враховано пружну деформацію кліті й налагоджувальне зближення валків у розрахунку абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації при прямому і зворотному ході кліті. Це дозволяє отримувати розрахункові значення параметрів, максимально наближені до фактичних значень параметрів процесу прокатки і надає можливість зменшувати витрати часу і заготовки при налагодженні стану.

3. Експериментально отримані нові результати про величини і характер пружної деформації кліті по довжині робочого конусу труби в процесі холодної пільгерної валкової прокатки труб.

Відмінність полягає в отриманні значень пружної деформації кліті по довжині робочого конусу відповідно маршруту і умовам прокатки для тонкостінних і товстостінних труб. Це дає можливість проводити практичну оцінку розрахункових значень пружної деформації кліті.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження дозволяють:

– здійснювати за допомогою програми "ХПТ-параметри" розрахункове моделювання і аналіз процесу прокатки на стані холодної пільгерної валкової прокатки труб з визначенням істинного абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації при прямому і при зворотному ході з урахуванням пружної деформації кліті і налагоджувального зближення валків;

– виконувати прокатку труб на стані холодної пільгерної валкової прокатки труб із застосуванням геометрії калібру, що враховує сумарну пружну деформацію деталей кліті при прямому і зворотному ході кліті й забезпечує протікання процесу з параметрами близькими до розрахункових;

– здійснювати експериментально-розрахунковим шляхом за допомогою програми "ХПТ-експертиза" оцінку процесу й робити висновки про технічний стан технологічного інструменту по вимірах геометричних параметрів й твердості труби по перерізах робочого конусу;

– використовувати результати роботи у виді комп'ютерних програм "ХПТ-параметри" і "ХПТ-експертиза", що передані ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" для використання при розробці й аналізі процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб (акт від 04.04.2007р.).

– застосовувати результати роботи при проведенні навчального процесу на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України (акт від 04.06.2007р.).

Особистий внесок здобувача. Всі результати досліджень, представлені в дисертаційній роботі, засновані на теоретичній та експериментальній роботі, проведеній автором. У дисертаційній роботі не використані ідеї співавторів.

Особистий внесок здобувача відображено в публікаціях у спеціалізованих фахових збірниках, що відповідають переліку ВАК України, і полягає в наступному: [1] - визначення налагоджувального валкового зазору, що враховує пружну деформацію кліті на станах холодної пільгерної прокатки труб; [2], [8] - розробка режиму деформування робочого конусу на станах холодної пільгерної прокатки труб з урахуванням пружних деформацій деталей кліті; [3], [9] - розробка й проведення експериментально-розрахункової оцінки процесу холодної пільгерної прокатки труб і визначення фактичних параметрів процесу із застосуванням розробленої автором програми "ХПТ-експертиза"; [4], [7] - розробка математичного опису процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням пружної деформації кліті та її комп'ютерна реалізація з метою аналізу процесу та вибору раціональних параметрів за допомогою розробленої автором програми "ХПТ-параметри"; [5] - розвиток методу визначення параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням пружної деформації кліті й особливостей її зворотного ходу; [6] - експериментальне дослідження пружної деформації кліті при холодній пільгерній валковій прокатці труб.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи представлені на: Міжнародній науково-технічній конференції "Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением" (м.Краматорськ, 25-28 квітня 2006р.); Молодіжному науково-практичному форумі "Интерпайп-2006" (м.Дніпропетровськ, 17-19 травня 2006р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Наука та інновації - '2005" (м.Дніпропетровськ 17-31 жовтня 2005р.); II Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні наукові дослідження - '2006" (м.Дніпропетровськ 20-28 лютого 2006р.); II Міжнародній конференції "Стратегия качества в промышленности и образовании" (м.Варна, Болгарія, 02-09 червня 2006р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Физико-механические проблемы формирования структуры й свойств материалов методами обработки давлением" (м.Краматорськ, 24-27 квітня 2007р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 6 статтях у спеціалізованих фахових виданнях і додатково в 3 статтях у тематичних збірниках наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, викладена на 129 сторінках, містить таблиць - 7, рисунків - 38, список використаних джерел з 82 найменувань, додатків - 2.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описані суть, стан і значущість наукової задачі, наведене обґрунтування актуальності роботи, викладений зв'язок з тематичними планами, науковими темами, визначені мета й задачі дослідження, об'єкт, предмет і методи досліджень, обґрунтовані наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача й апробація отриманих результатів роботи.

Аналіз існуючого методу розрахунку параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб. Холодна пільгерна валкова прокатка труб являє собою один з основних процесів обробки металів тиском при виробництві труб відповідального призначення.

Із застосуванням холодної пільгерної прокатки виробляють труби для таких сучасних галузей діяльності людини як авіація, космонавтика, атомна енергетика й ін.

У розвиток математичного опису пільгерної прокатки труб та його удосконалення значний внесок зробили такі провідні вчені як Ємельяненко П.Т., Шевакін Ю.Ф., Тєтєрін П.К., Соколовський В.І., Осада Я.Ю., Сокуренко В.П., Хаустов Г.Й., Попов М.В., Данченко В.М. та інші.

Комплексний існуючий метод розрахунку параметрів прокатки на конічній оправці за Шевакіним Ю.Ф. включає в себе вибір конусності оправки, визначення розподілу товщини стінки по довжині робочого конусу по контрольних перерізах по запропонованій математичній формулі та послідовно розрахунки основних параметрів:

– для прямого ходу: абсолютного обтиску стінки у миттєвому осередку деформації як (1 - K_t) від загального обтиску стінки в і-му перерізі; сумарного обтиску поперечного перерізу труби (абсолютного і відносного); ширини осередку деформації; горизонтальної проекції площі контакту калібру з трубою з урахуванням сплющення валків; межі міцності; сили прокатки; осьової сили; моменту прокатки;

– для зворотного ходу: абсолютного обтиску стінки у миттєвому осередку деформації як K_t від загального обтиску стінки і всіх параметрів по аналогії з розрахунком при прямому ході.

В цьому методі основним є визначення сумарного абсолютного обтиску стінки в миттєвому осередку деформації по контрольних перерізах за формулою, виведеною Роговим М.Б. і також Тєтєріним П.К.:

, (1)

де ?S_{x i} - загальний абсолютний обтиск стінки у миттєвому осередку деформації, мм; m - величина подачі, мм; ?_i - наростаючий по перерізах робочого конусу коефіцієнт витяжки; tg?_i - конусність калібру на даній ділянці; tg? - конусність оправки.

За допомогою введеного Шевакіним Ю.Ф. емпіричного коефіцієнту, що узагальнює експериментальні дані по відношенню величини лінійного зсуву при зворотному ході до сумарного лінійного зсуву, загальний обтиск (1) розподіляється на абсолютний обтиск у миттєвому осередку деформації:

- при прямому ході



, (2)

- при зворотному ході

, (3)

Значення обтиску у миттєвому осередку деформації залежить від розподілу товщини стінки по довжині робочого конусу та від подачі.

Від розподілу обтиску по контрольних перерізах залежатиме розподіл всіх похідних параметрів процесу (обтиску в миттєвому осередку деформації, значень сумарного відносного обтиску, межі міцності, сили прокатки, осьової сили, моменту прокатки). Визначення обтиску у миттєвому осередку деформації є емпіричним і не залежить від конкретного маршруту і умов прокатки. Важливо при визначенні обтиску у миттєвому осередку деформації враховувати пружну деформацію кліті й налагоджувальне зближення валків.

Огляд підходів до розробки калібровки інструменту станів ХПТ для реалізації розподілу параметрів процесу по довжині робочого конусу. Є декілька застосовуваних підходів:

- після визначення конусності оправки чи форми кривої, що характеризує поздовжній профіль оправки розподіл товщини стінки і відповідно радіусу гребеня калібру визначають по різним залежностям, наприклад по залежності Шевакіна Ю.Ф., що найбільш застосовується на практиці;

- відповідно калібровці Державного підприємства "Науково-дослідний конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади" і калібровці ВАТ "Чепецький механічний завод" визначають форми кривої, що характеризують поздовжні профілі оправки і ручаю калібру, а різниця між цими кривими по вертикальній вісі дає значення розподілу товщини стінки по довжині робочого конусу;

- відповідно розробкам виконаним в НМетАУ визначають форми кривої, що характеризують поздовжній профіль оправки, потім планують розвалку калібру, і потім в залежності від розподілу розвалки по контрольних перерізах знаходять розподіл товщини стінки по довжині робочого конусу;

- є пропозиція Куйбишевського політехнічного інституту при визначенні товщини стінки зменшувати її у контрольних перерізах на величину пружної деформації кліті при прямому ході, але у цьому випадку не враховувався вплив зворотного ходу.

Оскільки важливим моментом є необхідність врахування впливу змінної пружної деформації кліті по довжині робочого конусу, слід розробити режим розподілу радіусу гребеня калібру по довжині робочого конусу з урахуванням пружної деформації кліті не тільки при прямому, але й при зворотному ході, тому що зворотний хід формує кінцеві розміри труби по діаметру і стінці.

Особливості урахування пружної деформації кліті. При прокатці на стані ХПТ в результаті дії перемінної сили прокатки по ходу кліті відбувається пружна деформація деталей кліті, що призводить до змінного збільшення зазору між валками. Визначення пружної деформації кліті враховує, в основному, пружну деформацію валків, підшипників, поперечок і стійок станини, натискних клинів і подушок.

Для станів ХПТ абсолютні величини пружної деформації кліті в залежності від сили прокатки визначені в роботах Соколовського В.І. зі співавторами.

На практиці врахування пружної деформації здійснюють таким чином: після прокатки налагоджувальної труби (або труб) заміряють геометричні розміри труби на предмет відповідності вимогам стандартів або технічних умов і удаються до попереднього зближення валків і переміщають оправку в осьовому напрямку. Однак величина попереднього зближення валків, як правило, невідома, тому доводиться знаходити її шляхом регулювання положення верхнього валка безпосередньо при роботі стану, що призводить до втрати металу і до зменшення ефективності використання устаткування. При цьому внаслідок дії пружної деформації й налагоджувального зменшення зазору між калібрами порушується запланований режим розподілу проектних параметрів процесу.

Отже, потрібно мати методику для розрахункового моделювання процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб з метою аналізу процесу і отримання фактичних параметрів з урахуванням дії пружної деформації кліті.

Визначення параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході і налагоджувального зближення валків. Ключовим моментом у визначенні параметрів процесу в математичному описі є підхід у визначенні абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації при прямому й зворотному ході кліті.

Рівняння, що визначає товщину стінки для прямого ходу кліті по перерізах робочого конусу для реального процесу прокатки з пружною деформацією кліті і з налагоджувальним зближенням валків, має вигляд:

, (4)

де - теоретична товщина стінки по довжині робочого конусу, що розрахована без урахування пружної деформації кліті; _{пр і} - пружна деформація кліті відповідно миттєвому осередку деформації по перерізах робочого конусу при прямому ході кліті; _настр - величина зближення валків, що дорівнює пружній деформації кліті в кінці передоздоблювальної ділянки; _{і-настр} - різниця між половиною пружної деформації кліті по перерізах робочого конусу і половиною величини зближення валків у кінці передоздоблювальної ділянки.

Відмінність полягає в тому, що за допомогою другої частини формули (4) враховано пружну деформацію кліті й налагоджувальне зближення валків у розрахунку товщини стінки.

У кожному миттєвому осередку деформації відповідно перерізам робочого конусу обтиск, що враховує _{і-настр} - різницю між половиною пружної деформації кліті і половиною величини зближення валків, визначили по аналогії з формулою Шевакіна Ю.Ф.:

, (5)

де - первинний розрахунок абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації по аналогії з формулою Осади Я.Ю.; - радіус гребеня калібру по перерізах робочого конусу; - конусність розгортки ручаю калібру.

Рівняння для розрахунку абсолютного обтиску по перерізах робочого конусу при зворотному ході має вид:

, (6)

де _{звор і} - пружна деформація кліті відповідно миттєвому осередку деформації при зворотному ході кліті.

Запропонований новий підхід у визначенні абсолютного обтиску стінки в миттєвому осередку деформації при прямому й зворотному ході кліті в процесі холодної пільгерної валкової прокатки труб являє собою відступ від традиційної практики розрахунку абсолютного обтиску з використанням емпіричних коефіцієнтів як частину від сумарного аналітично визначеного обтиску. Новий підхід враховує пружну деформацію кліті при прямому й зворотному ході і величину налагоджувального зближення валків.

Розробка математичного опису розрахунку параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб для прямого та зворотного ходу з урахуванням впливу пружної деформації кліті і величини налагоджувального зближення валків та його комп'ютерна реалізація "ХПТ-параметри". Для отримання систематизованої картини фактичної зміни параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб створено математичний опис процесу, що враховує вплив пружної деформації кліті й величину налагоджувального зближення валків. Для розрахунку зміни параметрів по довжині робочого конусу його розбивають на ряд контрольних перерізів. Розраховуються значення товщини стінки S_i у контрольних перерізах i. При цьому можливо застосовувати будь-яку з відомих формул для теоретичного визначення товщини стінки у контрольних перерізах. В описі по аналогії з відомими формулами, наведеними у методиці Шевакіна Ю.Ф., визначають для кожного і-го перерізу: абсолютний обтиск стінки в миттєвому осередку деформації для прямого ходу, відносний обтиск поперечного перерізу, межу текучості матеріалу труби, середній контактний тиск на контакті металу з валком, площу горизонтальної проекції контактної поверхні труби, силу прокатки, осьову силу. Після визначення сили прокатки для кожного i-го перерізу визначається пружна деформація кліті, що представляє собою суму пружних деформацій п'яти основних елементів кліті: валків, підшипників, подушок, станини і натискних клинів. Аналогічно виконується розрахунок і для зворотного ходу.

Далі для прямого ходу і потім для зворотного ходу повторно виконується розрахунок абсолютного обтиску в миттєвому осередку деформації з урахуванням пружної деформації кліті й величини додаткового обтиску від налагоджувального зближення валків і здійснюється аналогічний попереднім розрахунок похідних параметрів.

Комп'ютерна реалізація наведеного математичного опису виконана в програмі "ХПТ-параметри". Математичний опис процесу і розрахунки в програмі "ХПТ-параметри" дозволяють виконати аналіз зміни параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті і величини налагоджувального зближення валків.

Обґрунтування раціонального режиму розподілу величини радіусу гребеня калібру по довжині робочого конусу при холодній пільгерній валковій прокатці труб з урахуванням пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході. Пружна деформація кліті стану і величина налагоджувального зближення валків змінюють при прокатці теоретичний розподіл товщини стінки по довжині робочого конусу, а отже - всі похідні деформаційні й силові параметри.

Для отримання закономірності розподілу товщини стінки по довжині ходу кліті, близької до теоретичної, слід вжити заходів щодо нейтралізації негативного впливу пружної деформації кліті, змінної в кожному перерізі робочого конусу. Для цього при холодній пільгерній валковій прокатці труб можливо не зближати валки (не зменшувати зазор) на необхідну величину пружної деформації кліті у кожному її положенні, а збільшити радіус гребеня калібру в кожному перерізі робочого конусу на величину, що враховує пружну деформацію кліті. Збільшення радіусу гребеня калібру в перерізах робочого конусу рекомендується на величину середньоарифметичну від пружної деформації кліті для прямого і зворотного ходу:

(7)

Відповідно зменшується і розрахункова товщина стінки.

Аналіз значень пружної деформації кліті і її впливу на параметри процесу. Наведений математичний опис процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб і його комп'ютерна реалізація "ХПТ-параметри" дають можливість аналізувати параметри процесу з урахуванням пружної деформації кліті для ефективного керування процесом і внесення необхідних коректив.

На ПЕОМ реалізували розрахунок пружної деформації кліті для варіанту прокатки труб по маршруту 573.5>302.0 зі сталей марки 20 і 12Х18Н10Т на стані ХПТ-55. При цьому половина пружної деформації кліті становить для вказаних марок сталі відповідно у середньому до 11% і 32% від поля допуску по товщині стінки, а пружна деформація кліті від поля допуску по діаметру відповідно становить 18% та 43%. Це вказує на суттєвість впливу пружної деформації кліті на точність труб по стінці і по діаметру.

Розрахунковий аналіз показав характер і величини впливу пружної деформації кліті на параметри процесу до 7% зменшується коефіцієнт витяжки по стінці й абсолютний обтиск у миттєвому осередку деформації, а сила прокатки зменшується лише до 5%.

Експериментально-розрахункова оцінка процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням впливу пружної деформації і налагодження кліті. Визначення фактичних параметрів процесу та їхнє порівняння з теоретичними розрахунковими параметрами потрібно для контролю відповідності розрахункових і фактичних параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки. З цією метою запропонували експериментально-розрахункову методику досліджень параметрів процесу, що включає відбір робочого конусу, його розрізку на патрубки, заміри діаметру і товщини стінки та додатково заміри твердості по контрольних перерізах. Ці параметри вводяться в комп'ютерну програму "ХПТ-експертиза". Програма "ХПТ-експертиза" створена на базі складеного автором математичного опису, в основу якого покладені основні залежності програми "ХПТ-параметри" з визначення параметрів процесу.

Для здійснення експерименту були обрані рядові приклади прокатки тонкостінних і товстостінних труб по маршруту 573.5>302.0 і 577.5>305.0 зі сталі 20. Прокатані робочі конуси були розрізані на патрубки довжиною близько 45-50 мм кожний. На кожному патрубку були здійснені заміри діаметру в чотирьох площинах через 45° і товщини стінки в 16 точках по периметру патрубку а також твердості поверхні патрубку в 5 точках по периметру патрубку.

Розрахунки в ПЕОМ на базі експериментальних даних зміни геометричних параметрів і твердості по довжині робочого конусу дозволяють отримати графічні залежності фактичної зміни деформаційних і силових параметрів, що були при прокатці.

Параметри, що характеризують процес, враховують пружну деформацію кліті, тому що вони розраховані залежно від вимірювань геометричних параметрів і твердості безпосередньо на реальному робочому конусі.

Точність розрахунку механічних і силових параметрів і пружини кліті обумовлюється тільки формулами, що застосовуються в програмі "ХПТ-експертиза".

Експериментальне дослідження пружної деформації кліті. Теоретично всі параметри холодної пільгерної валкової прокатки труб є змінними по довжині ходу кліті. Але вони є ще змінними додатково в кожному перерізі внаслідок пружної деформації кліті, оправки й металу, недостатньої точності виготовлення й установки інструменту, недостатньої точності здійснення механізмом, що подає, величини подачі, різностінності, зміни діаметру й механічних властивостей труби-заготовки.

Для дослідження пружної деформації кліті й перевірки математичного опису і програми "ХПТ-параметри", експертної методики і програми "ХПТ-експертиза" для кожного з обраних маршрутів прокатки 573.5>302.0 і 577.5>305.0 в зазорі між ребордами калібрів були прокатані дві вузькі планки з відпаленої латуні: одна при холостому ході кліті, інша - при прокатці труб за обраним маршрутом прокатки. Різниця між значеннями товщини планок представляє собою зміну пружної деформації кліті по довжині робочого конусу труби.

Аналіз розрахункових (математичний опис і програма "ХПТ-параметри"), експериментально-розрахункових (експериментально-розрахункова методика і програма "ХПТ-експертиза") і експериментальних даних пружної деформації кліті для однакових маршрутів і умов прокатки показує дуже близьке розташування відповідних кривих. Це показує порівнянність результатів розрахунків.

Програма "ХПТ-параметри" і рекомендації щодо її застосування. Програма "ХПТ-параметри" являє собою завершений програмний продукт.

Програма "ХПТ-параметри" створена на базі математичного опису, наведеного в дисертаційній роботі. Застосування програми "ХПТ-параметри" дозволяє отримати наочну картину зміни основних параметрів, що характеризують процес холодної пільгерної валкової прокатки труб з урахуванням пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході, а також величини налагоджувального зближення валків.

Програма "ХПТ-експертиза" і рекомендації щодо її застосування. Створена на основі програми "ХПТ-параметри" програма "ХПТ-експертиза" являє собою завершений програмний продукт.

Застосування програми "ХПТ-експертиза" дає можливість розраховувати зміни фактичних значень параметрів при використанні в якості вихідних експериментальні дані геометричних параметрів робочого конусу і твердості в контрольних перерізах. Це дає можливість проводити практичну оцінку реального процесу холодної пільгерної прокатки труб.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичні узагальнення і нове вирішення науково-прикладної задачі, що виявляється в розвитку методу розрахунку параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті. Задача вирішена на основі: розрахункового дослідження впливу пружної деформації кліті на деформаційні та силові параметри процесу; розвитку методу розрахунку параметрів процесу з урахуванням пружної деформації кліті й налагоджувального зближення валків і виконаних експериментів з визначення пружної деформації кліті. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості проведення моделювання, розробці і аналізі процесу прокатки на стані ХПТ з урахуванням пружної деформації кліті і налагоджувального зближення валків, у можливості проведення прокатки труб на стані ХПТ із застосуванням геометрії калібру, що враховує пружну деформацію кліті при прямому і зворотному ході й забезпечує протікання процесу з фактичними параметрами близькими до розрахункових.

1. З аналізу літературних джерел можна зробити такий висновок: стан методу розрахунку параметрів процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб такий, що розподіл обтиску у миттєвому осередку деформації задається за допомогою узагальнених емпіричних коефіцієнтів. При цьому не враховується пружна деформація кліті й налагоджувальне зближення валків відповідно марці сталі, маршруту і умовам прокатки труб. Фактичні значення деформаційних і силових параметрів процесу не відповідають розрахунковим. Відсутність врахування пружної деформації кліті стає причиною додаткових витрат часу і заготовки при налагодженні стану. Це зумовлює актуальність роботи.

2. Вперше розрахунковим аналізом виявлено величини, характер та суттєвість впливу пружної деформації кліті на деформаційні й силові параметри процесу холодної пільгерної прокатки труб по довжині робочого конусу. Вплив пружної деформації кліті при прокатці труб зі сталі 12Х18Н10Т на стані ХПТ-55 з подачею 6 мм зменшує до 7% коефіцієнт витяжки по стінці й абсолютний обтиск у миттєвому осередку деформації, а сила прокатки при цьому зменшується лише на 5%. При цьому пружна деформація кліті сягає 43% від поля допуску по діаметру, а половина пружної деформації кліті - 32% від поля допуску по стінці.

3. Отримав подальший розвиток метод розрахунку параметрів холодної пільгерної валкової прокатки труб завдяки врахуванню пружної деформації кліті й величини налагоджувального зближення валків при аналітичному визначенні обтисків у миттєвому осередку деформації при прямому і зворотному ході кліті. Це дає можливість отримувати розрахунковим шляхом значення деформаційних й силових параметрів, максимально наближених до дійсних значень фактичного процесу прокатки.

4. Запропоновано новий режим розподілу значень радіусу гребеня калібру по довжині робочого конусу з урахуванням пружної деформації кліті при її прямому і зворотному ході. Це забезпечує проведення процесу з фактичними параметрами, максимально наближеними до розрахункових. Пружна деформація кліті в кожному перерізі впливає на розрахункові значення товщини стінки та всіх похідних параметрів. Для маршруту прокатки 573.5>302.0 на стані ХПТ-55 за новим режимом значення фактичної товщини стінки відрізнятиметься від розрахункових значень відповідно новому режиму розподілу радіусу гребеня калібру для сталі 20 до 4.5%, а для сталі 12Х18Н10Т до 13.8%.

5. Отримано нові експериментальні дані зміни пружної деформації кліті по довжині робочого конусу відповідно маршруту і умовам прокатки тонкостінних і товстостінних труб (співвідношення діаметру до товщини стінки відповідно 15 і 6). Для маршрутів 573.5>302.0 і 577.5>305.0 зі сталі 20 на стані ХПТ-55 при подачі 6 мм пружна деформація кліті змінюється по довжині ходу кліті відповідно з 0.05 до 0.10мм і з 0.08 до 0.15мм.

6. Створено комплексний математичний опис параметрів, що характеризують процес холодної пільгерної валкової прокатки труб при врахуванні пружної деформації кліті при прямому і зворотному ході й величини налагоджувального зближення валків. Розроблено комп'ютерну програму "ХПТ-параметри" для реалізації математичного опису з метою швидкого аналізу параметрів процесу.

7. Запропоновано експериментально-розрахункову методику оцінки фактичних параметрів процесу холодної пільгерної прокатки труб для безпосередньої виробничої оцінки параметрів, що характеризують процес прокатки. Ця методика включає в себе розроблену комп'ютерну програму "ХПТ-експертиза".

8. Проведена практична оцінка пружної деформації кліті на стані ХПТ-55 при прокатці труб із сталі 20 по маршруту 573.5>302.0 із застосуванням математичного опису і програми "ХПТ-параметри", експериментально-розрахункової методики і програми "ХПТ-експертиза" і експериментальних замірів пружної деформації кліті. Розбіжність даних пружної деформації кліті, отриманих розрахунковим, експериментально-розрахунковим і експериментальним методом по довжині робочого конусу не перевищує 0.01-0.02 мм.

9. Результати роботи у виді комп'ютерних програм "ХПТ-параметри" і "ХПТ-експертиза" передані ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" для використання при проектуванні і аналізі процесу холодної пільгерної валкової прокатки труб (акт від 04.04.2007р.).

10. Результати роботи застосовуються на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України у навчальному процесі (акт від 04.06.2007р.).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Григоренко В.У., Нагний А.С. Определение настроечного зазора между валками на станах холодной периодической прокатки труб // Системні технології. - 2005. - №4'(39). - С. 78 - 83.

2. Григоренко В.У., Нагний А.С. Режим деформирования рабочего конуса на станах холодной периодической прокатки труб с учетом упругих деформаций деталей клети // Системні технології. - 2005. - №5'(40). - С.75 - 81.

3. Григоренко В.У., Середа Б.П., Нагний А.С., Кругляк И.В. Экспертная оценка процесса холодной пильгерной прокатки труб // Металургія. Зб. наук. праць. - Запоріжжя, 2006. - Вип. 13. - С. 80 - 86.

4. Григоренко В.У., Нагний А.С. Математическая модель холодной пильгерной валковой прокатки труб, ее компьютерная реализация и выбор рациональных параметров процесса // Удосконалення процесів і обладнання обробки металів тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. праць. - Краматорськ, 2006. - С. 97 - 102.

5. Нагний А.С. Развитие метода определения параметров процесса холодной пильгерной прокатки труб с учетом "пружины клети" и особенностей обратного хода // Удосконалення процесів і обладнання обробки металів тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. праць. - Краматорськ, 2007. - С. 458 - 463.

6. Григоренко В.У., Нагний А.С. Экспериментальное исследование "пружины клети" при холодной пильгерной прокатке труб // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №2. - С. 41 - 43.

Размещено на Allbest.ru