Створення високопродуктивної технології виготовлення профілів з гофрами, які періодично повторюються

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

СТВОРЕННЯ високопродуктивної ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ПРОФІЛІВ З гофрами, ЯКІ ПЕРІОДИЧНО ПОВТОРЮються

Тришевський Олег Ігорович

Краматорськ - 2001

Анотація

Тришевський О.І. Створення високопродуктивної технології виготовлення профілів з гофрами, які періодично повторюються. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2001.

На основі комплексу теоретичних, експериментальних і технологічних досліджень одного зі складних і маловивчених процесів обробки металів тиском - валкового формування на листовій чи профільній заготівці гофрів, які періодично повторюються, у сукупності вирішена найважливіша науково-виробнича проблема одержання високоефективних профілів високої жорсткості для використання в різних галузях виробництва. На спеціалізованому агрегаті 1-5х300-1650 ММК вперше у світовій практиці створене промислове виробництво широкого сортаменту економічних профілів високої жорсткості для різних галузей промисловості, як в Україні, так і для задоволення потреб промисловості країн СНД. Промислові технологія й устаткування для виробництва профілів високої жорсткості захищені 66 авторськими свідоцтвами про винаходи і 4 патентами США і Канади. 7 винаходів впроваджено у виробництво з фактичним ефектом понад 0,5 млн. крб. (у цінах 1991 р.)

Освоєний на агрегаті 1-5х300-1650 сортамент складає більш 70 профілей. З освоєних профілів - 15 знайшли застосування в Україні і впроваджені на сімох підприємствах в обсязі 54,3 тис. т. Дольовий фактичний економічний ефект їх застосування складає 370 тис. грн. при економії 2,3 тис. т металу.

Ключові слова: валкове формування, періодичні гофри, напружено-деформований стан, енергосилові параметри, втрата стійкості.

1. Загальна характеристика роботи

метал деформований енергосиловий

Актуальність теми. Важливою тенденцією розвитку сучасного металоспоживання є організація виробництва найбільш ефективних видів продукції замість найбільш металоємких профілів і тієї частини листової сталі, що використовується у вигляді заготовок.

Одним з нових, прогресивних і найбільш економічних видів металопродукції є профілі високої жорсткості, що становлять собою листові чи профільні вироби, на плоских, найбільш навантажених ділянках яких виконані переривчасті гофри різної конфігурації і розташування. Основними споживачами цього виду металопродукції є такі галузі, як сільгоспмашинобудування, вагонобудування, автомобілебудування та інші, де профілі високої жорсткості використовуються як обшивання, настили і каркаси, тобто найбільш габаритні елементи конструкцій.

З огляду на перспективність широкого застосування такого, виду металопродукції, а також неможливість виготовити більшість профілів штампуванням на пресах, були розроблені і досліджені параметри нового технологічного процесу їхнього виготовлення. Він передбачає високопродуктивне формування за рахунок місцевого деформування металу листової заготівки гофрів, які періодично повторюються, у парі валків, один із яких має переривчасто розташовані по окружності бочки опуклі формуючі елементи, а другий - увігнуті - з переривчасто розташованими в них вставками-заглушками.

Істотні принципові розходження в характері протікання цих двох процесів не дозволили використовувати результати теоретичних і експериментальних досліджень відомого методу штампування гофрів на пресах для проектування нової технології. Тому в роботі вперше був виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень формоутворення періодичних гофрів у валках, що дозволив розробити наукові основи процесу виробництва профілів за цією технологією.

Отримані в роботі нові, науково обґрунтовані результати комплексу теоретичних, експериментальних і технологічних досліджень одного з складних і маловивчених процесів обробки металів тиском - валкового формування на листовій чи профільній заготівці гофрів, які періодично повторюються, в сукупності вирішують найважливішу науково-виробничу проблему одержання високоефективних профілів високої жорсткості для використання в різних галузях виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботи з даного напрямку виконувалися по координаційних планах Українського державного науково-дослідного інституту металів (УкрНДІМмет) і Харківського державного технічного університету сільського господарства (ХДТУСГ) відповідно до Програм Держкомітету з науки і техніки: на 1981-85 р. р. і на 1986-1990 р.р. по проблемі 0.08.12 п.05.02, 08.02, п. п. М 14 в, г; М 15 в, г; Державною науково-технічною програмою по пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки на 1997-1998 р. р. № 442 "Енерго- і ресурсозбереження в сільськогосподарському виробництві", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 20.12 97 № 1441; Комплексною програмою на період 1992-1994 р. р. "Підвищення надійності і експлуатаційних показників машин і устаткування для АПК за рахунок прогресивних технологій"; регіональною програмою "Найважливіші проблеми АПК на 1996 - 2005 роки".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є збільшення ефективності процесів виробництва великогабаритних листових виробів підвищеної жорсткості з періодичними гофрами на основі розробки і освоєння науково-обгрунтованої технології валкового формування.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

- в області теоретичних і експериментальних досліджень процесу: визначити гранично припустиму деформацію металу; максимально можливу висоту гофрів, що формуються при заданих механічних властивостях заготівки; оптимальний розмір плоских бічних ділянок профілю і критерії втрати ними стійкості; оцінити напружено-деформований стан металу у осередку деформації; дійсну форму і розмір осередка деформації; створити теоретичні основи розрахунку енергосилових параметрів процесу формоутворення, на базі яких розробити методику визначення зусиль, моментів, що крутять, необхідної потужності приводу і т. і.;

- в області розробки нової технології, її апробування, всебічного іспиту профілів високої жорсткості, виявлення можливих і перспективних галузей їх застосування: необхідно в лабораторних умовах (в масштабі 1:1) відробити технологію виробництва конкретних видів профілів для різних споживачів з постачанням їм дослідно-промислових партій та складанням нових зразків продукції, провести їх експлуатаційні іспити з висновками і рекомендаціями з промислового освоєння нової технології;

- в області створення вітчизняного спеціалізованого устаткування для виробництва профілів високої жорсткості: розробити і видати вихідні дані для проектування, виготовлення і впровадження у виробництво принципово нового, високопродуктивного спеціалізованого агрегату;

Об'єкт дослідження. Процеси формоутворення профілів з гофрами різної орієнтації і розмірів, які періодично повторюються, за рахунок місцевого деформування металу.

Предмет дослідження. Нова високопродуктивна технологія та устаткування для виготовлення методами валкового формування широкого сортаменту економічних профілів високої жорсткості з гофрами, які періодично повторюються, для різних галузей промисловості.

Методи дослідження. Для теоретичного аналізу напружено-деформованого стану металу у осередку формоутворення гофрів і прилягаючих плоских бічних ділянок, визначення на цій основі енергосилових параметрів процесів формування був застосований метод механіки суцільних середовищ з використанням полів швидкостей переміщень елементарних часток. Деформований стан елементів профілю, довжину осередку деформації й утяжку плоского бічного елемента, що є визначальними при рішенні задач утрати стійкості при формоутворенні гофрів, досліджували за допомогою теорії кінцевих пластичних деформацій і енергетичного методу розрахунку стійкості пластин. Теоретичну величину стоншення гофрів на профілях високої жорсткості визначали на основі варіаційного методу.

Достовірність отриманих при теоретичному аналізі процесу результатів перевірювалась численними і різноманітними комплексними експериментальними дослідженнями, які проводились як на дослідно-промислових станах, так і в умовах реального промислового агрегату для виготовлення профілів високої жорсткості. Найбільш трудомісткі і матеріалоємні експериментальні дослідження нового технологічного процесу валкового формування проводили з використанням методів математичного моделювання. Дослідження якості, експлуатаційних характеристик профілів, а також визначення ступеня вірогідності отриманих при теоретичному аналізі залежностей проводили з використанням методів координатних сіток, зліпків, виміру твердості, тензометрії, а також ряду спеціально розроблених методик.

Наукова новизна роботи. Наукову новизну становлять наступні результати теоретичних і експериментальних досліджень, вперше отримані в дисертації.

- на основі енергетичного методу з використанням кінематичне можливих полів швидкостей переміщень металу розроблені теоретичні положення, що обґрунтовують параметри пластичної деформації нового технологічного процесу на найбільш напружених ділянках профілів. Отримані та проаналізовані математичні залежності, що описують поля швидкостей деформацій, а також самі деформації, їх інтенсивності, розподіл напружень в зоні формування гофрів та на суміжних плоских бічних елементах профілів при виготовленні гофрів, які періодично повторюються;

- на основі теорії кінцевих пластичних деформацій металу розроблена методика, що дозволяє визначити довжину осередку деформації та окремих його частин, величину утяжки плоского бічного елементу у зону формування. Визначені параметри необхідні для теоретичних досліджень втрати стійкості при формуванні профілів;

- встановлені причини утворення хвилястості на профілях - перевищення залишкових напружень стиснення, які виникають на бічному елементі профілю внаслідок перерозподілу деформацій при утяжці в зону формування, величини критичних напружень. Ця інформація використана при аналітичному рішенні задачі втрати стійкості і визначенні критичних сполучень механічних властивостей матеріалу і геометричних розмірів профілю;

- на підставі аналізу залишкових напружень і пружинення металу розроблена методика визначення дійсної висоти відформованого гофра після розвантаження. Вона базується на розрахунках величин відносної повздовжньої та пружної деформацій на ділянці формування гофра. Визначена залишкова деформація дозволяє при розрахунках калібрувань валків свідомо збільшувати діаметр формуючих елементів на величину пружинення і тим самим підвищувати якість профілів;

- виходячи зі знайденої залежності питомої роботи деформування отримане рівняння для визначення критичної висоти формування гофрів, а також критерії порушення суцільності як повздовжніх, так і поперечних гофрів. Використання даних залежностей при виборі і розробці раціонального сортаменту профілів високої жорсткості значно зменшило витрати на освоєння нової продукції оскільки дозволило закладати у креслення профілю розміри гофрів, що дійсно можуть бути отримані за даним процесом, та тим самим уникнути можливих переточувань валків і повторних освоювань при виникненні дефектів (тріщин) на гофрах;

- у результаті комплексу теоретичних досліджень процесів, що відбуваються у осередку деформації встановлена залежність характеру розподілу тисків металу на валки від умов формоутворення. Розроблено методику визначення сумарних тисків, роботи формоутворення, потужності привода необхідного устаткування, а також моментів, що крутять. Отримані рівняння для визначення енергосилових параметрів процесу, використання яких дозволяє визначити можливість виготовлення будь-яких профілів високої жорсткості з виявленого сортаменту на наявному устаткуванні, розробити креслення нових профілів, робити розрахунок устаткування при проектуванні спеціалізованих виробничих ліній;

- виконаний комплекс експериментальних досліджень умов формоутворення профілів високої жорсткості на дослідно-промислових і промислових станах і агрегатах дозволив: побудувати моделі, що кількісно описують залишкову хвилястість їх бічних елементів у залежності від співвідношення діаметрів робочих валків; визначити оптимальні швидкісні режими формування при використанні нових і зношених комплектів валків; одержати формули для визначення оптимальних значень основних діаметрів валків, висоти гофрів і розмірів їх поперечного переріза, що забезпечують мінімальні відхилення повздовжніх розмірів виробів від номінальних; визначити оптимальний рівень подавання заготівки у валки, що встановлюється при настроюванні стану і забезпечує одержання продукції з мінімальними залишковими деформаціями стиску на плоских бічних ділянках профілів.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані з використанням сучасних методів експериментальні дослідження підтвердили основні теоретичні положення, розроблені автором. Це дозволило створити основи промислового проектування нового устаткування і технології, придатні для практики методи визначення основних параметрів процесів валкового формування профілів високої жорсткості в широкому діапазоні їх розмірів.

Поставлені споживачам партії профілів, виготовлені за розробленою технологією, дозволили зібрати з їх використанням головні зразки конструкцій, провести експлуатаційні іспити, уточнити ряд вимог по якості продукції, що поставляється, здійснити організаційні заходи щодо переходу на випуск продукції при масових постачаннях профілів високої жорсткості.

Проведені дослідження дозволили розробити і передати Старокраматорському машинобудівному заводу (СКМЗ) вихідні дані для проектування спеціалізованого устаткування, а також - додаткові, що стосуються особливостей виробництва, уточнити ряд технологічних параметрів і склад устаткування, що розширило технологічні можливості виготовленого на СКМЗ агрегату 1-5х300-1650 для Магнітогорського металургійного комбінату (ММК).

Окремі результати роботи використовуються на кафедрах технології матеріалів і ремонту машин ХДТУСГ у розділах курсів "Технологія конструкційних матеріалів", "Технологія ремонту машин".

Реалізація результатів роботи. Комплекс досліджень, виконаний у роботі, є основою організації на спеціалізованому агрегаті 1-5х300-1650 ММК промислового виробництва широкого сортаменту економічних профілів високої жорсткості для різних галузей промисловості як в Україні, так і для задоволення потреб промисловості країн СНД. Освоєний на агрегаті 1-5х300-1650 сортамент складає більш 70 профілів. Вони поставляються підприємствам країн СНД. В Україні вони впроваджені: на Крюковському вагонобудівному заводі (КВЗ) - профілі обшивань, кришок люків вагонів; Стахановському, Дніпродзержинському вагонобудівних заводах; Маріупольському ВО важкого машинобудування; Харківському заводі тракторних самохідних шасі, Дружківському машинобудівному заводі та ін.

Сумарний обсяг виробництва профілів високої жорсткості перевищив 2,0 млн. т. Підтверджений економічний ефект упровадження 37 типових профілів з освоєного сортаменту в обсязі 175 тис. т. складає 13,2 млн. крб.(у цінах 1991 р.) при економії 50,6 тис. т металу. З освоєних профілів 15 застосовуються на Україні і впроваджені на 7 підприємствах в обсязі 54,3 тис. т. Економічний ефект складає близько 3 млн. грн. при економії 2,3 тис. т металу. Підтверджена частка впроваджень розробок автора дисертації складає 1,67 млн. крб. і 370 тис. грн. відповідно.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні теоретичних і експериментальних комплексних досліджень, спрямованих на розробку і створення нового технологічного процесу валкового формування профілів високої жорсткості, участі у виготовленні дослідно-промислових і промислових партій профілів нового типу для різних машинобудівних заводів країни на дослідному та промисловому обладнанні.

Наукові ідеї роботи сформульовані автором самостійно. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. Творчий внесок автора у створення нового технологічного процесу складається з розробки його наукових основ, розробки методів теоретичного визначення основних технологічних параметрів процесу: тиску металу на валки і моментів, що крутять, критичної висоти формування гофрів без утворення дефектів, критеріїв пластичної втрати стійкості плоских ділянок профілів. Теоретичні й експериментальні дослідження, виконані безпосередньо здобувачем, дозволили розробити для Старокраматорського машинобудівного заводу необхідні вихідні дані для створення спеціалізованого устаткування Це дозволило значно розширити технологічні можливості агрегату 1-5х300-1650.

Здобувач безпосередньо виконував роботи по освоєнню нової технології і спеціалізованого агрегату на ММК. Їм проведені значні удосконалення промислової технології, поліпшена якість нових профілів і організовано їх широке застосування.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації повідомлені на науково-технічному семінарі "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 1980 р.); Всесоюзному науково-технічному семінарі "Расширение сортамента, повышение качества проката и задачи по освоению новых профилей" (м. Москва, 1981 р.); Всесоюзному науково-технічному семінарі "Организация производства новых прогрессивных видов металлопродукции с целью повышения эффективности её потребления" (м. Москва, 1982 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Использование листовых профильных изделий в строительстве" (м. Софія, Болгарія, 1989 р.); Міжнародній конференції виробників гнутих профілів (м. Нанкін, КНР, 1990 р.); Республіканській науково-технічній конференції "Перспективні напрямки розвитку прокатного виробництва України" (м. Харків, 1993 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Нові технології й організаційні структури на автомобільному транспорті" (м. Вінниця, 1994 р.), ІV Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, освіта, здоров'я" (м. Харків, 1996 р.), Міжнародних науково-технічних конференціях "Перспективні технології й устаткування обробки металів тиском у металургії і машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1998, 2000 р.р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Напрямки розвитку технічного сервісу в ХХІ сторіччі" (м. Харків, 2000 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві" (м. Харків 2001 р.), та на науково-технічних семінарах кафедр “Обробка металів тиском” Національного технічного університету України “Харківський політехнічний інститут” та Донбаської державної машинобудівної академії (м.Краматорськ) у 2001 р.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковані 135 друкованих праць, у тому числі: 1 брошура, 64 статей в наукових журналах, з них 7 - у фахових виданнях ВАК України, 17 - у журналах "Сталь", "Кузнечно-штамповочное производство", "Чёрная металлургия", "Вестник машиностроения", 32 статті в збірниках наукових праць, 8 - у матеріалах і тезах конференцій, 66 авторських свідоцтв на винаходи, 7 з яких впроваджені в виробництво, 4 патенти США і Канади.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з одного тому, що включає вступ, шість розділів, висновки, перелік використаних джерел (224 найменування) і 14 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 486 сторінок. Основна частина викладена на 280 сторінках тексту, містить 45 таблиць на 32 окремих сторінках і 133 малюнків на 104 окремих сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі з урахуванням прогресивних тенденцій розвитку сучасного металоспоживання визначені перспективи і можливості організації виробництва одного з найбільш ефективних видів металопродукції - профілів високої жорсткості. Вони представляють собою листові чи профільні вироби, на плоских, найбільш навантажених ділянках яких виконані переривчасті гофри, що підвищують жорсткість усієї деталі. Обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, приведені дані про практичну значність і наукову новизну.

У першому розділі приведений аналіз стану питання й обґрунтований обраний напрямок досліджень. На підставі порівняльного аналізу можливих способів одержання профілів високої жорсткості показано, що найбільш продуктивним і економічно вигідним є високопродуктивне валкове формування профілів з гофрами, які періодично повторюються. Основними перевагами цього способу виробництва профілів є: можливість одержання гофрів будь-якої конфігурації з забезпеченням необхідної точності виконання і високої якості поверхні, які досягаються унаслідок вільного проходження смуги між валками; відносна простота виготовлення робочих валків; можливість виробництва великогабаритних профілів практично будь-якої довжини; висока продуктивність процесу, що забезпечує його високі техніко-економічні показники.

При аналізі як закордонної, так і вітчизняної науково-технічної літератури не виявлено публікацій, що стосуються питань проектування технології валкового формування профілів високої жорсткості, розрахунку калібрувань валків, вибору режимів формування, теоретичних, або експериментальних досліджень формоутворення профілів з переривчастими гофрами у валках, а також напрямків таких досліджень.

Встановлено істотні принципові відмінності в характері протікання процесу валкового формування періодичних гофрів за рахунок місцевої деформації металу від одержання переривчастих гофрів штампуванням на пресах, що не дозволяють використовувати результати численних досліджень відомих процесів виробництва для надійного проектування нової технології, створення спеціалізованого устаткування для її реалізації. Достовірні дані по одержанню профілів високої жорсткості формуванням у валках також відсутні.

Обґрунтована необхідність, важливість і актуальність проведення комплексу робіт з теоретичного, експериментального дослідження нового прогресивного технологічного процесу, формування рекомендацій з раціонального проектування обладнання, а також підготовки й організації промислового виробництва нового виду металопродукції - профілів високої жорсткості.

Другий розділ роботи присвячений створенню теоретичних обґрунтувань раціонального проектування технологічних процесів виготовлення широкого сортаменту якісних профілів високої жорсткості з гофрами, які періодично повторюються. Виконаний огляд методів оцінки пластичності більшості існуючих процесів і операцій ОМТ показав, що усі вони в основному базуються на сучасній теорії деформування, наукові основи якої закладені в роботах Губкіна С.І., Ільюшина О.А., Колмогорова В.Л., Полухіна П.І., Попова Є.О., Смірнова-Аляева Г.А., Тарновського І.Я., Томленова О.Д., Шофмана Л.А. Подальший розвиток ця теорія одержала у роботах Алексєєва Ю.М., Бровмана М.Я., Гуна Г.Я., Евстратова В.О., Ілюковича Б.М., Лисова М.І., Овчіннікова О.Г., Огороднікова В.А., Піменова О.Ф., Штерна М.Б. і інш. Рішенню окремих прикладних задач теорії пластичності присвячені роботи Алюшина Ю.О., Лаптєва О.М., Матвєєва О.О., Потапкіна В.Ф., Романовського В.П., Соколова Л.Н., Соколовского В.В., Стеблюка В.И., Унксова Е.П., Яковлєва С.П., а також Хілла Р., Джонсона У., Кудо Х., Кіучі и других.

Разом з тим, представляючи безсумнівний інтерес у загальнотеоретичному плані, а також для рішення окремих прикладних задач ОМТ, матеріали цих робіт не передбачають теоретичного рішення проблем валкового формування нового виду металопродукції - профілів високої жорсткості, оскільки раніше профілі подібного типу прокаткою взагалі не виготовлялися. Істотні принципові відмінності характеру протікання процесу формування періодичних гофрів у валках і при виготовленні таких же гофрів штампуванням на пресах, кінематиці руху інструмента і заготівки, формі і розмірах виникаючого осередка деформації не дозволяють використовувати відомі рішення в штампувальному виробництві для раціонального проектування і розрахунку основних технологічних параметрів нового технологічного процесу.

Експериментальні дослідження показали, що гофри на заготівках формуються в результаті місцевої деформації металу. Процес формоутворення повздовжніх гофрів супроводжується виникненням утяжки плоского бічного елемента, що прилягає до гофра. Утяжка виникає на деякій відстані l_n від осьової площини валків і досягає максимальної величини _max в цій площині.

Кінематичний аналіз і експериментальні дослідження процесу формоутворення гофрів даного типу показали, що осередок деформації досить близько описується рівнянням поверхні F(xyz), утвореної двома взаємно пересічними косінусоідами:

(1)

Зміну утяжки можна описати відбиттям:

.(2)

У відбиттях (1) і (2): H- висота гофра, що формується; l_г - довжина осередка деформації в зоні формування гофра; b_г - половина ширини осередка деформації; l_n -зміна утяжки в будь-якому поперечному перерізі на відстані z від початку осередка деформації.

Припускаючи, що формування відбувається за одиницю часу, поля швидкостей переміщень часток металу у осередку формоутворення гофра і прилягаючих до нього крайніх плоских бічних ділянок описані рівняннями:

V_x=0; V_z=0; k;(3)

де k=[(м/с) / м] - коефіцієнт узгодження розмірності, що враховує прийняте допущення про формоутворення гофра за одиницю часу.

.(4)

З урахуванням відомих залежностей методу механіки суцільних середовищ з використанням знайдених виражень полів швидкостей переміщень отримані складові деформованого і напруженого стану на розглянутих ділянках профілів, що мають вид: для деформацій -

e_xx=e_yy= e_zz=e_xz=0;

; (5)

e_xx=e_yy= e_zz=e_xy=e_yz=0; . (6)

_xx=_yy=_zz=0;

(7)

(8)

_xz=Ksign

;

_xy=0; _yz=0,(9)

де: К и m - коефіцієнти ступеневої функції, що враховують зміцнення металу.

З аналізу характеру розподілу деформацій і напружень у зоні формування, випливає, що визначальною є деформація e_xy, її максимальні значення суттєво більше аналогічних для деформації e_yz. Максимальні значення ця деформація приймає наприкінці осередка деформації (в осьовій площині валків), де ширина і висота осередка деформації дорівнюють таких параметрів у гофра, що формується.

Аналіз напружень, що виникають у осередку деформації, показав, що їхній розподіл аналогічний відповідним деформаціям. Найбільш напруженими є ділянки сполучення радіусів вершини і виходу гофрів у площину. Саме вони і є найбільше сприятливими зонами для порушення суцільності металу при формуванні.

Проведений аналіз напружено-деформованого стану металу при формуванні повздовжніх гофрів дозволив отримати аналітичні залежності для визначення основних величин, необхідних для розрахунків енергосилових параметрів процесу.

Аналіз напружено-деформованого стану плоского бічного елемента профілів високої жорсткості з повздовжніми гофрами дозволив виявити дві зони у осередку деформації. Першу - від перетину, у якому починається утяжка, до перетину, де повздовжня кривизна крайки змінює знак. Ця зона характеризується розтягуванням. Другу - від зазначеного перетину до осьової площини валків, що характеризується укороченням розмірів крайки до первісних і виникненням, відповідно до теореми про розвантаження, залишкових напружень стиску, що можуть викликати втрату стійкості плоского бічного елемента.

Для проведення теоретичних досліджень втрати стійкості плоских ділянок профілів з повздовжніми гофрами необхідно визначити довжину осередка деформації і величину утяжки в зону формування. Відповідно до теорії кінцевих пластичних деформацій листового матеріалу запропонована методика, що дозволяє визначити ці параметри.

Для визначення повної роботи формоутворення профілю робота деформування гофра і плоского бічного елемента була просумована по всім ділянкам, що розглянуті.

З огляду на те, що відбуття для повної роботи деформування А є функцією тільки двох невідомих параметрів: максимальної утяжки плоского бічного елемента в зону формування _max і радіуса R_1,2 кола, що апроксимує форму осередка деформації в повздовжньому напрямку, їхню величину знаходили відповідно до принципу мінімуму роботи внутрішніх сил шляхом рішення системи диференціальних рівнянь.

Рішення цієї системи робили шляхом прямого числового варіювання відбуття А. За дійсні значення приймали ті параметри R_1,2 і _max, що варіюються, при яких повна робота деформування профілю мала мінімальне значення.

З умови порівняння залишкових напружень стиску критичним, отримане аналітичне рішення задачі визначення втрати стійкості плоского бічного елемента при формуванні профілів з повздовжніми гофрами. Плоский бічний елемент профілю розглядали як довгу пластинку, що знаходиться під дією рівномірно розподіленого навантаження, пружно закріплену на стороні, прилягаючої до гофру. Умова відсутності втрати стійкості плоского бічного елемента дозволяє проектувати технологічний процес без утворення хвилястості та має вигляд:

.

Встановлено, що зі збільшенням довжини осередка деформації (L_г), товщини заготівки (S), міцністних властивостей металу, наявністю відбіртівок та зменшенням максимальної утяжки, ширини плоского бічного елемента (b_n) і довжини пружної зони осередка деформації (l_упр), схильність плоского бічного елемента до хвилєутворення знижується.

З аналізу залишкових напружень і пружинення металу, що виникають при формуванні гофрів, отримане вираження для відбуття дійсної висоти відформованого гофра після розвантаження.

.(13)

Відбуття (13) дає можливість визначити величину зміни висоти гофра у осередку деформації при пружиненні металу:

ДH = H - H_ост.=.(14)

Використання цього відбуття при розрахунку калібрувань валків дозволяє свідомо збільшувати діаметр їх формуючих елементів на величину пружинення H і тим самим підвищувати якість профілів, що виготовляються.

При визначенні критичної глибини формування гофрів застосована відома методика, відповідно до якої критерієм руйнування матеріалів при пластичній формозміні є величина, що враховує накопичення енергії в різних частинах тіла. Питома робота деформування одиничного обсягу розривного зразка до руйнування є такою величиною. На підставі умови пластичності Губера-Мізеса цей критерій можна поширити на різні схеми напружено-деформованого стану. Аналіз залежності питомої роботи деформування у осередку деформації дозволив визначити висоту гофрів і критерії порушення їхній суцільності. З аналізу формули для визначення питомої роботи деформування А_уд зроблено висновок, що визначальною величиною, від якої прямопропорційно залежить зміна цієї характеристики, є відносна висота гофра Н/b_г. Її можна прийняти за критерій порушення суцільності. З аналізу отримана залежність для визначення критичної висоти формування гофрів:

.(15)

Використання отриманої залежності для визначення критичної висоти формування при виборі і розробці раціонального сортаменту профілів високої жорсткості дозволило значно знизити витрати на їх освоєння, поліпшити якість виробів.

У третьому розділі роботи приведені результати теоретичних досліджень енергосилових параметрів процесів валкового формування профілів з гофрами, що періодично повторюються.

Рішенням умови рівноваги елементарного обсягу металу в зоні формоутворення гофра з використанням знайдених відбиттів складових напруженого стану (7), (8) були отримані залежності для визначення питомого тиску металу на валки при формуванні гофрів, які періодично повторюються. У випадку повздовжніх гофрів, з урахуванням сил тертя, що виникають при формуванні, ця залежність має вид:

+

(16)

Сумарне зусилля, що виникає в осередку деформації при формуванні повздовжніх гофрів, визначається з відбиття:

P_сум=_FпрqdF.(17)

Аналіз підінтегрального відбиття, що входить у (17) показує, що його інтегрування за допомогою аналітичних методів неможливо. Тому, було використано чисельне інтегрування за допомогою ЕОМ. Поставлена задача одержати загальне рішення, що визначає величину сумарного зусилля, необхідного для формоутворення гофра при виробництві будь-якого конкретного профілю з періодичними гофрами існуючого сортаменту. Формоутворення розглядали як функцію від вхідних геометричних параметрів і постійних зміцнення, що для кожного конкретного профілю мають свої значення P=f(b_г,l_г,H,S,K,m).

На підставі цих даних складено програму та у результаті перерахування всіх можливих сполучень перемінних отримана залежність, що являє собою поверхню, яка була апроксимована відбиттям, що є загальним рішенням визначення зусиль деформування. У випадку формування повздовжніх гофрів воно має вигляд:

.

Інтегруванням по обсягу функцій дисипації енергії, отриманих при теоретичному дослідженні напружено-деформованого стану, визначені відбуття роботи деформування, затрачуваної на формування профілів, як з повздовжніми, так і поперечними гофрами. Повна робота, затрачувана на формування профілів з повздовжніми гофрами, з урахуванням робіт на подолання сил тертя при формоутворенні і сил, які виникають у підшипниках формуючого стану, дорівнює:

.(19)

Отримані залежності для визначення потужності формоутворення, зокрема, при формуванні подовжніх гофрів:

N=A_nV_n/L,, (20)

де: L - довжина гофра, а V_n - швидкість руху смуги при формуванні. Для даного процесу V_n вибирається в межах 20-40 м/хв.

При формуванні профілів, як з повздовжніми, так і поперечними гофрами, величина потужності формування залежить від швидкості руху заготівки. Її збільшення спричиняє зріст необхідної потужності. Тому, при проектуванні устаткування для виробництва профілів високої жорсткості необхідно вибирати оптимальне співвідношення між потужністю і швидкістю руху заготівки.

Отримані відбиття, що дозволяють визначити величини виникаючих в процесі формування моментів, які крутять. Для повздовжніх гофрів це:

M_кр=0,975А_пD_осн/L_г..(21)

Аналіз отриманих залежностей дозволив зробити висновок, що для обох випадків (виробництво повздовжніх чи поперечних гофрів) величина моменту, що крутить, залежить від сумарного зусилля формування й основного діаметра валків. Збільшення останніх веде до зростання величини моменту, що крутить.

Використання отриманих залежностей для оцінки енергосилових параметрів дозволяє визначити можливість виготовлення профілів високої жорсткості з числа виявленого сортаменту на агрегаті 1-5х300-1650, розробляти креслення нових профілів високої жорсткості, робити розрахунок устаткування при проектуванні нових спеціалізованих ліній по виробництву профілів високої жорсткості різного сортаменту.

У четвертому розділі роботи приведені основні результати виконаного на дослідно-промислових і промислових станах і агрегатах УкрНДІМету і ММК комплексу експериментальних досліджень розробленого технологічного процесу з оцінки властивостей отриманих профілів високої жорсткості.

Для проведення досліджень деформованого стану й енергосилових параметрів процесу формування стосовно до стану 1-4х50-300 розроблене універсальне калібрування валків, що дозволяє використовуючи базовий комплект, формувати гофри з різними геометричними розмірами, (експерименти проводили на 15 типах профілів).

З аналізу характеру розподілу поверхневих деформацій і стоншення металу слідує, що максимальні значення відповідають місцям сполучення дуг радіусів вершини і виходу гофрів у площину. На внутрішній і зовнішній поверхні гофра спостерігали тільки деформації розтягання, а на плоских ділянках профілю між гофрами деформації й стоншення відсутні. З цього слідує, що гофри на профілі формуються тільки за рахунок місцевої деформації металу. Аналогічність характеру розподілу стоншення, поверхневих деформацій і інтенсивності деформацій у осередку формування підтверджує вірогідність вибору полів швидкостей переміщень, прийнятих за основу для визначення напружено-деформованого стану. Розбіжність визначених теоретично й експериментально одержаних значень параметрів деформованого стану не перевищують 15%.

Безпосереднє порівняння розрахункових і експериментальних величин довжини осередку деформації дозволило встановити, що погрішність не перевищує 14 мм (11%). При визначенні довжин осередку на гофрах більш великих розмірів погрішність зменшується до 2-3% що вказує на можливість використання теоретичних залежностей при розрахунках довжини осередку деформації.

Порівняння результатів експериментальних досліджень енергосилових параметрів процесу, виконаних методами електротензометрії, з даними, отриманими по теоретичних відбиттях, показали, що максимальна величина погрішності не перевищує для сумарних зусиль - 19,6%, для моментів, що крутять - 22,2%. Це прийнятне в інженерних розрахунках при проектуванні нового спеціалізованого обладнання і технології виробництва профілів високої жорсткості.

Приведені результати одержані на основі розробленої методики комплексу експериментальних досліджень закономірностей утворення і поширення основного дефекту на профілях - хвилястості плоского бічного елемента на заготівках товщиною від 1,5 до 5 мм із шириною полиці від 56 до 230 мм і висотою гофра від 15 до 30 мм. За геометричні характеристики хвилястості по крайках профілів прийнята довжина хвилі і її амплітуда k, а за показник якості профілю - відношення к/,

що є критерієм хвилястості: при к/ = 0 хвилястість відсутня. При к/= на полках профілів утворюються складки. При 0 к/ на полках профілів утворюється хвилястість.

Показано, що при формуванні профілів з різною шириною плоского бічного елемента на ньому можливе виникнення трьох зон якості: а) зони, де хвилястість відсутня, внаслідок малої ширини плоского бічного елемента, а, отже, значної його стійкості; б) зони, де спостерігається стійка хвилястість, що змінюється по її ширині по параболічному закону з максимумом посередині; в) зони, де хвилястість відсутня внаслідок зменшення утяжки бічного елемента в напрямку формування до 0 через велику його ширину.

Для теоретичної оцінки закономірностей зміни хвилястості на плоских бічних ділянках профілів використані результати аналізу напружено-деформованого стану плоских бічних елементів профілів, що дозволив встановити причину втрати ними стійкості - перевищення залишковими напруженнями стиску, що виникають унаслідок розвантаження, величини критичних напружень.

На підставі досліджень отримані вираження для визначення залишкової і критичної деформації при виникненні хвилястості:

_ост= _кр ;(22)

де: _max і L_пл - максимальні утяжка і довжина осередку деформації, які визна чаються по залежностях, виведених у розділі 2; а також показника якості k/ і максимальної амплітуди напівхвилі k:

.(23)

= 1,070 b.(24)

Аналіз зміни відбиттів е_ост і е_кр по ширині плоского бічного елемента показує, що вони змінюються по гіперболічних залежностях і перетинаються в двох точках, що дозволяє виділити три області значень ширини бічного елемента. Вони розрізняються за знаком різниці е_ост - е_кр та цілком відповідні зонам виникнення хвилястості, визначеним експериментально.

Проведено дослідження параметрів вільного осередку деформації, що робить значний вплив на площинність бічних ділянок профілів, яке виконували з використанням методу планування експерименту. Для рішення двохфакторної задачі обрані незалежні перемінні R₁/(R₂+H)та b/L, де R₁ і R₂ - радіуси верхнього і нижнього валків відповідно, b -ширина бічної ділянки профілів, що формуються, L-залежна від висоти гофра H розрахункова довжина осередку деформації.

Ці перемінні в повних факторних експериментах варіювали на двох рівнях. Побудовано дві моделі, що кількісно описують залишкову хвилястість бічних елементів профілів високої жорсткості, у залежності від співвідношення діаметрів робочих валків (2R₁,2R₂) і розмірів профілів(b,H), після перетворення яких отримані відбиття для оцінки технологічності профілів по двох параметрах (максимально припустимим значенням висоти гофра і ширини плоскої бічної ділянки):

; ,(25)

де: H_кр,b_кр - критичні параметри (висота, ширина бічної ділянки) профілів високої жорсткості; T=2R- довжина кола бочки робочого валка (для агрегату 1-5х300-1650 ММК дорівнює 1600 - 2230 мм).

Це дозволяє при розробці технології виробництва профілів високої жорсткості і розрахунках калібрувань валків вибирати такі їх розміри, при яких хвилястість по полицях не виникає.

Як показала практика освоєння і виробництва нових типів профілів високої жорсткості на спеціалізованому агрегаті 1-5х300-1650 ММК, ефективним засобом поліпшення їх якості за рахунок зменшення хвилястості плоских бічних ділянок, є зміна рівня подавання металу, тобто штучне обмеження параметрів осередку деформації, зсувом вхідної проводки щодо площини рознімання валків.

У результаті дослідження впливу зміни рівня подавання металу у валки встановлено, що при цьому відбувається кількісний перерозподіл повздовжніх знакозмінних деформацій, який призводить до появи різних по величині залишкових повздовжніх деформацій на плоских бічних ділянках профілів. При зміні рівня подавання заготівки від + 40 мм до - 20 мм величина залишкових деформацій стиску на бічних ділянках профілю зменшується від 2,1-2,5% до мінімальних значень 0,7-1,2%, а потім знову трохи зростає до 1,1-1,8% при рівні подавання - 40 мм.

Результати визначення різними експериментальними методами (з використанням тензорезісторів, тензорезісторних перетворювачів, методом ділильних сіток, вимірами крайок) залишкових деформацій на бічних ділянках профілів мають розбіжності в межах 15%. Це підтверджується результатами аналізу якості профілів по хвилястості, що виникає на таких ділянках. Мінімальна інтенсивність хвилястості, оцінена показником к/, має місце при подаванні листового металу в діапазоні рівнів від -20 мм до 0.

Експериментальними дослідженнями встановлено вплив рівня подавання листового металу на кривизну періодичних гофрів, що формуються. Зміна рівня подавання металу у валки від - 40 мм до + 40 мм призводить до збільшення кривизни періодичних гофрів по лінійній залежності. Облік цієї залежності при розробці технології дозволяє цілеспрямовано вибирати необхідний рівень подавання смуги при настроюванні стану і, відповідно, одержувати продукцію з кривизною, що задовольняє вимогам замовників:

H_i=K(f_I - f₀),,(26)

де f_i- необхідна стріла прогину гофрів;

f₀- стріла прогину при нульовому рівні подавання заготівки; K- емпіричний коефіцієнт. У розглянутих випадках він рівний 3,845, що дозволяє одержувати профілі високої жорсткості з періодичними гофрами необхідної кривизни - f_i.

Як показав досвід виробництва профілів високої жорсткості, стабільність розмірів готових профілів по періоду суттєво залежить від величини прослизання заготівки у валках. Вона залежить від різниці лінійних швидкостей на поверхні контакту формуючих валків із заготівкою, що, у свою чергу, визначається переднім і заднім її натягом в технологічному потоці. Натяг визначається розмотувателем і профілеправильною машиною, а також залежить від висоти гофрів, що формуються.

Для моделювання і дослідження умов формоутворення профілів високої жорсткості, з обліком переднього і заднього натягу смуги, і підготовки рекомендацій з обліку його впливу при формуванні використано повний факторний експеримент плану 2². У якості перемінних обрані співвідношення основного радіуса формуючої кліті до максимального радіуса по вершині гофрів R/(R+H) у діапазоні 0,87 - 0,98 і лінійної швидкості валків на границі контакту кліті, що тягне чи гальмує, до лінійної швидкості на границі контакту формуючої кліті [v_ф- (v_i/v_ф)] у діапазоні 0,88 - 1,13. Границі зміни діапазонів охоплюють весь сортамент профілів високої жорсткості, що випускається на промисловому агрегаті, й умови їхнього формування.

Для формування експериментального профілю 400х2х942х15х2 мм розроблене калібрування, визначені розміри валків формуючої кліті, а також валків клітей, що забезпечують передній і задній натяг металу, що характеризуються наступними чисельними значеннями незалежних перемінних. Так, для формуючої кліті основний діаметр валків - 300 мм; для валків першої кліті - 285, 275, 265 мм; для валків третьої кліті - 340, 330, 320 мм.

При пошуку оптимальних режимів формування в якості критеріїв ефективності використовували показники точності лінійних розмірів профілів. Для одержання математичної моделі процесу й оцінки впливу факторів було поставлено по двох повних експериментів за планом 2².

Були отримані наступні математичні моделі:

а) для умови гальмування б) для умови прискорення

y₁ =-1,888+0,035x₁+0,785x₂ ; y₁=1,544+0,025z₁+0,945z₂;

y₂=-1,364-3,165x₁+3,165x₂; y₂=7,178-2,522z₁+1,527z₂;

y₃=-3,291-3,165x₁+4,085x₂; y₃=8,460-2,522z₁+2,750z_2,

де: y₁-довжина плоскої повздовжньої ділянки профілю між гофрами; y₂- довжина гофра; y₃-довжина періоду профіля; x₁; x₂-значення факторів R/(R+H) та () відповідно при сумісної роботі клітей в умовах гальмування; z₁; z₂ - значення факторів R/(R+H) та () відповідно при сумісної роботі клітей в умовах прискорення.

Отримані моделі, з достатньої для інженерних розрахунків точністю, описують основні закономірності процесу формування.

Оптимальний режим при гальмуванні смуги для фактора R/(R+H) близький до 0,91, для фактора (v_i/v_ф) - до 0,95. З огляду на те, що при дослідженнях формоутворення з урахуванням натягу смуги, як фактори прийняті відносні величини, що характеризують геометричні розміри валків і швидкісний режим формування, отримані в експериментах оптимальні їх значення можливо використовувати при виготовленні всіх профілів реального сортаменту стану 1-5х300-1650.

Режим прискорення рекомендований застосовувати для зношених валків у тому випадку, коли основні діаметри не забезпечують формування заданого періоду. При цьому вибір оптимальних режимів по незалежним перемінним R/(R+H) і (v_i/v_ф) варто здійснювати на основі вимірів відхилення періодів профілів, що формуються, від заданих за кресленням. Для усунення впливу профілеправильної машини при використанні нових комплектів формуючих валків фактор (v_i/v_ф) повинний бути рівним одиниці.

На основі експериментальних досліджень проаналізовані основні фактори, що впливають на точність повздовжніх розмірів профілів високої жорсткості: діаметри нижнього (D₁=2R₁) і верхнього (D₂=2R₂) валків; параметри геометричного осередку деформації - довжина (L), центральні кути контакту металу з верхнім () і нижнім () валками в повздовжньому напрямку; площі контакту металу з нижнім (F₁) і верхнім (F₂) валками; товщина металу (S) і його фізико-механічні властивості (_m,_в,₅,).

При проведенні досліджень по підвищенню якості, у тому числі точності повздовжніх розмірів профілів високої жорсткості, зниження їхньої металоємкості і трудовитрат у споживачів, використовували метод математичного планування експерименту. Для рішення двохфакторної задачі вибрали перемінні, що характеризують відношення основних діаметрів валків R₁/(R₂+H) і площ їхнього контакту з металом (F₁/F₂), що варіювали на двох рівнях (0,84-0,94) і (1-2) відповідно. Прийняті діапазони забезпечують дослідження 98% факторного полю промислового агрегату 1-5х300-1650 ММК.

На основі рівняння регресії отримані відбиття для визначення оптимальних чень основних діаметрів, висоти гофрів і розмірів їхнього поперечного переріза, що забезпечують мінімальні відхилення повздовжніх розмірів профілів високої жорсткості від номінальних:

R₁=(R₂+H)(0,2r₁+2,7r₂)/4,2r₂;

R₂=4,2R₁r₂/(2,7r₂+0,2r₁)-H;

H=4,2R₁r₂/(2,7r₂+0,2r₁)-R₂;(27)

r₁=[4,2R₁-2,7(R₂+H)]r₂/0,2(R₂+H);

r₂=0,2r₁(R₂+H)/[4,2R₁-2,7(R₂+H)].

Підготовлено практичні рекомендації з використання отриманих результатів при проектуванні технології. При розробці технології валкового формування нових профілів рекомендується дотримувати наступних етапів:

а) оцінювати відповідність розмірів переріза гофрів значенням залежностей Н, r₁, r₂, отриманим при проведенні експериментів для визначення технологічності й оптимізації параметрів процесу. При невідповідності розмірів робити їх коректування;

б) визначивши необхідний для формування періоду один з основних діаметрів валків, розрахувати по рівнянню (27) значення другого, тобто обчислити R₁, чи R_2.

Проведені експериментальні дослідження дозволили визначити величину прогину валків. Запропоновано аналітичні залежності, що описують прогин і сплющення валків при формуванні профілів високої жорсткості.

У результаті досліджень після прокатки 4482 т профілів виявлені 4 зони з різною інтенсивністю зносу валків: I - формуючі елементи нижнього валка - максимальна інтенсивність зносу 1,05 мм; II - шайби (набірні циліндричні елементи) верхнього валка, формуючі плоскі бічні ділянки профілю. Їхній знос у даній зоні на 35% менше, ніж у зоні I і не перевищує 0,65 мм; III - шайби (набірні циліндричні елементи) нижнього валка, формуючі плоскі бічні ділянки профілю. Знос шайб даної зони на 76% менше, ніж у - I і складає 0,25 мм; IV - шайби (набірні циліндричні елементи) верхнього і нижнього валків, формуючі плоскі міжгофрові ділянки профілів. Знос їх на 92% менше, ніж у I зоні і складає 0,08 мм.

На підставі експериментальних досліджень зносу робочих валків отримані аналітичні залежності, що дозволяють з високою точністю прогнозувати знос нових комплектів валків (розбіжність теоретичних і експериментальних даних по зносу не перевищує 5%).