Розвиток методів розрахунку калібровок для прокатки кутових профілів різної конфігурації

Размещено на http://allbest.ru

Інститут чорної металургії ім. З.І. некрасова

НаціонАльна академія наук України

Спеціальність 05.03.05 --“Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розвиток методів розрахунку калібровок для прокатки кутових профілів різної конфігурації

Штода Максим Миколайович

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі обробки металів тиском Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник -- доктор технічних наук, професор,

Ілюкович-Страковський Будимир Михайлович,

завідувач кафедри обробки металів тиском ДДТУ

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор

Жучков Сергій Михайлович,

заступник директора ІЧМ ім. З.І. Некрасова, м. Дніпропетровськ

Кандидат технічних наук

Огінський Йосип Кузьмич,

старший науковий співробітник

кафедри обробки металів тиском НМетАУ, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

кафедра обробки металів тиском, м. Донецьк

Захист відбудеться “_20_” __січня__ 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, за адресою: 40050, м. Дніпропетровськ, майд. Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, за адресою: 40050, м. Дніпропетровськ, майд. Академіка Стародубова, 1.

Автореферат розісланий “_7_” _грудня_ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, К 08.231.01 Г.В. Левченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. При розробці раціональних калібровок валків важливе значення має знання розподілу течії металу в подовжньому і поперечному напрямках, а також реального значення енергосилових параметрів процесу. Комплексне урахування цих характеристик процесу дозволяє ефективно удосконалювати діючі і розраховувати нові раціональні калібровки валків, а також проектувати прокатні стани з мінімальними витратами засобів. Однак, сучасне уявлення про залежність формозміни металу від геометричних параметрів заготовок і конструкції калібрів при прокатці кутових профілів різної конфігурації і засновані на них методики розрахунку калібровок не дозволяють врахувати вплив на значення коефіцієнтів формозміни металу ряду важливих факторів, які визначають параметри осередку деформації для цих умов. Вказана обставина часто не дає можливості з високою точністю розрахувати розширення штаби при прокатці в кутових калібрах різної конфігурації. Крім того, слід зазначити, що розрахунок сили прокатки та інших енергетичних параметрів процесу прокатки кутових профілів за методом приведеної штаби часто приводить до великих погрішностей, іноді досягаючих 50 %.

Таким чином, існуючі методики розрахунку коефіцієнтів формозміни та енергосилових параметрів прокатки кутових профілів у калібрах різної форми, вимагають уточнення. Актуальність даної роботи полягає в тому, що її результати дозволяють зменшити кількість теоретичних і експериментальних досліджень при освоєнні нових кутових профілів, а також зменшити суб'єктивізм у процесі розробки калібровок валків для прокатки кутових профілів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до основних тематичних планів наукових досліджень, а також розробки теоретичних і експериментальних основ калібровок прокатних валків, кафедри обробки металів тиском Дніпродзержинського державного технічного університету і відповідно до планів держбюджетної роботи "Дослідження і розробка оптимальних схем прокатки і калібровки для профілів особливо складної форми" № д/р 0103U003453, 2003 р.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є вивчення закономірностей формозміни металу й енергосилових параметрів процесу прокатки від геометричних розмірів заготовки і робочого інструменту і розробка, на підставі отриманих результатів, нового методу розрахунку калібровок кутових рівнополичних і нерівнополичних профілів різної конфігурації.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити ряд технічних і технологічних задач:

1. Розробити методику побудови тривимірних полів швидкостей, яка дозволяє вирішити об'ємну задачу при мінімумі припущень.

2. Розробити математичні моделі процесу прокатки кутових профілів у фасонних калібрах і одержати залежності коефіцієнтів формозміни та енергосилових параметрів. калібровка прокатка профіль кутовий

3. На підставі експериментальних досліджень перевірити адекватність отриманих математичних моделей.

4. Розробити рекомендації і методику розрахунку калібровки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів.

Об'єкт дослідження -- процес прокатки сталевих кутових профілів у формуючих, чорнових розгорнутих і чистових калібрах.

Предмет дослідження -- формозміна металу і силові умови при прокатці в кутових калібрах різної форми.

Методи дослідження -- математичне і фізичне моделювання процесу прокатки кутових профілів із застосуванням систем розгорнутих калібрів.

Наукова новизна.

1. Удосконалено варіаційний метод дослідження процесів прокатки кутових профілів різної конфігурації.

Удосконалення дозволяє вирішувати задачі обробки металів тиском при тривимірній течії металу з урахуванням умови непроникності і нестисливості і при цьому описувати поле швидкостей близько до такого, що реально існує.

2. Отримано нові залежності коефіцієнтів формозміни металу при прокатці прямокутних штаб у перших формуючих калібрах, штаб з перших формуючих калібрів у чорнових розгорнутих калібрах, штаб з розгорнутих калібрів у калібрах подібної форми й у чистових кутових калібрах.

Залежності, що раніше застосовувалися для розрахунку коефіцієнтів формозміни металу, не враховували ряд важливих факторів. Залежності, які отримані в цій роботі за допомогою регресійного аналізу з результатів математичного моделювання процесів прокатки кутових профілів, дозволяють збільшити точність прогнозування геометричних розмірів поперечного перерізу кутових профілів.

3. Визначено взаємозв'язок між початковим і кінцевим радіусами на стику полиць, а також радіусом, по якому розгортається полиця профілю, і коефіцієнтами формозміни металу при прокатці штаб у розгорнутих калібрах.

Раніше вибір цих параметрів форми осередку деформації базувався тільки на рекомендаціях, заснованих на практичних даних і досвіді працівника, який розробляє калібровки. Отримані залежності дозволяють розробляти калібровки, виходячи з економічної і технологічної ефективності, тобто підвищення продуктивності процесу виробництва кутових профілів і зниження витрат металу.

4. Визначено взаємозв'язок між початковим і кінцевим радіусами на стику полиць і коефіцієнтами формозміни металу при прокатці в чистових калібрах.

Дотепер урахування впливу цього параметра на коефіцієнти формозміни металу при прокатці в чистових кутових калібрах був не можливий. Застосування нових залежностей для розрахунку деформації металу при прокатці в чистових кутових калібрах дозволяє підвищити ефективність використання розроблених калібровок кутових профілів і якість готової продукції.

5. Визначено ступінь впливу геометричних параметрів осередку деформації на енергосилові параметри процесу при прокатці в кутових калібрах різної форми.

Дотепер при розрахунку силових параметрів процесу прокатки у кутових калібрах різної конфігурації урахування деяких геометричних параметрів осередку деформації був можливий тільки при застосуванні методів з невеликою точністю. Застосування отриманих залежностей дозволяє з точністю, достатньою для інженерних розрахунків, визначити енергосилові параметри процесу й алгоритмізувати їх.

6. Показано, що при прокатці в кутових чистових калібрах деформація, що виникає в наслідок випрямлення полиць, істотно не впливає на формозміну металу в осередку деформації та енергосилові параметри процесу.

Літературний огляд виявив наявність протиріччя щодо впливу на коефіцієнти формозміни деформації, яка виникає в результаті випрямлення полиць. Результати спеціальних експериментів показали, що при такому деформованому стані коефіцієнти деформації слабко відрізняються від одиниці, тобто течія металу практично відсутня. Значення енергосилових параметрів такого процесу досить малі, тому ними можна зневажати.

Практичне значення отриманих результатів. Результати математичеого моделювання і експериментальних досліджень, які відображені в дисертаційній роботі, широко використовуються в навчальному процесі на кафедрі ОМТ ДДТУ. Результати математичного моделювання можуть бути використані при розробці нових технологічних процесів виробництва кутових профілів, а також при удосконаленні вже існуючих технологічних процесів. Розроблений комплекс програм для розрахунку деформованого стану на ЕОМ може бути використаний для дослідження і проектування процесів прокатки кутових профілів.

Результати досліджень прийняті до впровадження на ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського"; рекомендації і методика розрахунку калібровок валків використовувалися при розробці на НДІ "Профіль" технології виробництва асиметричного кутового профілю 63х42,5х15,5х8 мм в умовах малотоннажного виробництва на стані 300 ЧСПЗ, розроблена технологія передана для промислового освоєння на ЗАТ "Сєвєрсталь-Метиз".

Особистий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні дослідження, викладені в дисертаційній роботі і публікаціях виконані автором самостійно під керівництвом наукового керівника і при консультативній допомозі інших співавторів опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладені і обговорені на:

-- міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні", 22-25 квітня 2002 р., м. Краматорськ;

-- VІ міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів", вересень 2002 р., м. Дніпропетровськ;

-- міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні", 21-24 квітня 2003 р., м. Краматорськ.

Публікації. Основні положення дисертації викладені в дев'ятьох статтях, опублікованих у наукових журналах, збірниках наукових праць, що рекомендовані ВАК України для опублікування результатів дисертаційних робіт.

Структура й обсяг роботи. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків загальним обсягом 229 стор., з них 69 ілюстрацій на 39 сторінках, 24 таблиць на 19 сторінках, 4 додатки на 28 сторінках і список використаних джерел з 156 найменувань на 14 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність, наукова новизна і необхідність виконаних у роботі досліджень і розробок.

У першому розділі виконаний аналітичний огляд технічної літератури і патентної документації й обрані напрямки досліджень.

Показано, що тепер існує велика номенклатура кутових профілів, що виробляються на прокатних станах заводів України. Проаналізовано варіанти виготовлення кутових рівнополичних і нерівнополичних профілів: прокатка з прямими полицями при одночасній зміні кута розкриття полиць, прокатка з розгорнутими полицями в закритих калібрах, прокатка у відкритих калібрах з вільним розширенням.

Вивченням, розробкою і розвитком методик розрахунку калібровок, а також особисто калібровками кутової сталі зі згином розгорнутих полиць займалися багато видатних учених: Б.П. Бахтінов, Д.І. Старченко, М.М. Штернов, В.С. Смірнов, Б.В. Мєрєкін, І.І. Кучко, М.В. Літовченко, О.П. Чєкмарьов, І.М. Кочетов, Б.М. Ілюкович та багато інших.

Аналіз робіт різних дослідників виявив, що існують певні залежності між коефіцієнтами деформації металу і деякими технологічними параметрами процесу прокатки. Наприклад, практично всі дослідники вказують на те, що чим більше кут нахилу полиць, тим більше величина розширення штаби в калібрі. На думку Я.Б. Фурмана і В.І. Грідневського в розгорнутих кутових калібрах на величину розширення істотно впливає співвідношення прямої і вигнутої ділянок полиць калібру.

Найбільший недолік проведених раніше досліджень -- це те, що в них не були враховані деякі важливі фактори осередку деформації. Крім того, літературний аналіз виявив, що існуючі методики розрахунку силових параметрів при прокатці кутових профілів часто не дають необхідної точності.

З аналізу методів математичного моделювання тривимірних задач обробки металів тиском (ОМТ) видно, що в даний час найбільш інтенсивно розвиваються і використовуються наступні методи моделювання: метод Рітца, метод граничних елементів і метод кінцевих елементів. Найбільші перспективи серед них має метод кінцевих елементів, тому що його застосування дозволяє вирішувати найбільш складні задачі процесів ОМТ і, крім того, цей метод є найбільш універсальним. Однак він не позбавлений і певних недоліків: складність розробки і реалізації моделі, яка часто потребує роботи цілого колективу фахівців; низька швидкість розрахунків. Крім того, вузьким місцем методу є урахування умови нестисливості елементів штаби і контактних умов деформації металу.

Результати аналізу публікацій, пов'язаних з дослідженнями технологічних параметрів процесу прокатки кутових профілів у калібрах різної форми, стали основою для постановки мети і визначення задач цієї дисертації.

В другому розділі приведені результати розробки методу теоретичних досліджень деформованого стану при прокатці кутових профілів. При виведенні математичних моделей використовували новий метод отримання тривимірних полів швидкостей течії металу.

Особливість методу полягає в тім, що пропоновані підходи при виведенні тривимірного поля швидкостей наближають отриманий математичний опис течії металу до такого, яка реально існує в осередку деформації. При цьому, на відміну від гіпотези плоских перерізів, подовжня складова швидкості течії металу залежить не від однієї, а від двох координат, що надалі дасть можливість одержати значення напруг і деформацій у кожній точці осередку деформації.

При отриманні подовжньої складової швидкості течії металу вважаємо, що для якогось вертикального ребра значення однакові та аналогічні умови виконуються на інших вертикальних ребрах. Позначимо ці швидкості через деякі числа, що варіюються, відповідно V1, V2, V3 та V4. Тоді граничні умови для подовжньої складової швидкості запишуться у вигляді:

-- площина I;

-- площина II. (1)

Після нескладної інтерполяції граничних умов одержимо:

. (2)

Після визначення функції виводимо вираження швидкостей вертикальних і поперечних переміщень у геометричному осередку деформації.

Швидкість вертикального переміщення знаходимо у вигляді:

.

Задовольняючи граничним умовам

(3)

де , -- рівняння поверхонь верхнього і нижнього валків відповідно;

к -- позначає точку контакту металу з валком,

одержимо

. (4)

Відповідно до умови непроникності вертикальні складові швидкості течії металу на контактних поверхнях описуються залежностями:

; (5)

. (6)

Поперечна складова швидкості течії металу знаходиться з умови нестисливості:

. (7)

Після одержання всіх компонентів тензора швидкостей деформацій складаємо варіаційне рівняння жорстко-пластичного середовища:

, (8)

де -- межа текучості при чистому зсуві;

Н -- інтенсивність швидкостей деформацій зсуву;

-- напруження зсуву на контактній поверхні;

-- швидкість ковзання на контактній поверхні.

, (9)

де , , -- компоненти швидкості часток металу на контактній поверхні;

, -- компоненти швидкості валків .

Інтенсивність швидкостей деформацій зсуву визначається вираженням:

. (10)

Сума інтегралів у варіаційному рівнянні (8) являють собою не що інше, як повну потужність прокатки N, а самі інтеграли -- це потужність внутрішніх сил опору, потужність сил зрізу і сил тертя на контакті штаби з валками.

Таким чином, результатами рішення варіаційного рівняння для кінематично можливого поля швидкостей є поле швидкостей, близьке до дійсного, і значення величини повної потужності прокатки, що знаходиться в безрозмірному вигляді .

Знаючи значення швидкостей, що варіюються, можна визначити значення коефіцієнту подовження для процесу, який моделюється:

; (11)

де -- середнє арифметичне між швидкостями, що варіюються, в площині виходу штаби з геометричного осередку деформації.

Потім, відповідно до правила замкнутих контурів, визначаємо коефіцієнт розширення . Знаючи подовження і розширення, з умови сталості об'єму можна визначити значення утяжки профілю .

Відповідно до описаної вище методики були одержані математичні моделі для випадків прокатки заготовок прямокутного перерізу в перших формуючих калібрах, заготовок з формуючих калібрів у кутових розгорнутих калібрах, штаб з чорнових розгорнутих калібрів у калібрах подібної форми і при прокатці в чистових калібрах.

Крім використання нового методу виведення тривимірних полів швидкостей течії металу в осередку деформації отримані математичні моделі мають наступні особливості:

-- моделі, що описують процеси прокатки в чорнових розгорнутих і чистових кутових калібрах, передбачають найбільш загальний випадок конфігурації чорнового калібру з різними кутами нахилу короткої і довгої полиць, що робить моделі найбільш універсальними;

-- поверхні валків криволінійних ділянок осередку деформації при прокатці в розгорнутих калібрах описані як тіло обертання парабол, кожна з яких проведена через три характерні крапки. Це дозволяє легко розв'язувати інтеграли при виведені складових тензора швидкостей деформацій і, у той же час, при проведенні чисельних експериментів ввести параметри, що враховують радіуси розгортання полиць;

-- для спрощення виведення моделі процесу прокатки в чистовому калібрі радіус заокруглення на стику полиць профілю замінили прямолінійними ділянками. Це дозволило враховувати вплив обтиснення вершини профілю при прокатці в чистових кутових калібрах.

Результати виведення математичних моделей процесів прокатки штаби в перших формуючих, чорнових розгорнутих і чистових калібрах приведені в тексті дисертації.

У третьому розділі описані результати регресійної обробки даних, отриманих при математичному моделюванні процесу прокатки в кутових калібрах різної форми.

При моделюванні процесу прокатки прямокутної штаби в першому формуючому калібрі було прийняте наступне позначення незалежних параметрів осередку деформації

.

Межі варіювання параметрів обмежили наступними величинами:

У результаті обробки експериментальних даних одержали нові залежності для розрахунку коефіцієнтів подовження, розширення, утяжки і безрозмірної потужності прокатки:

;

;

; (12)

.

Отримані залежності дозволяють проаналізувати вплив того чи іншого параметра як на зміну форми і розмірів заготовки, так і на енергетичні параметри процесу в цілому. Найбільшу цінність має рівняння для розрахунку коефіцієнту утяжки гребеня профілю, тому що це питання дотепер залишалося найменш вивченим і освітленим.

Розміщення основних розмірів осередку деформації при реалізації чисельного експерименту процесу прокатки в чорнових розгорнутих калібрах штаб після формуючого калібру приведені на рис. 2. Відповідно до прийнятих позначень, як незалежні параметри геометричного осередку деформації були прийняті наступні безрозмірні величини:

Межі варіювання факторів обмежили наступними величинами:

Відповідно до прийнятого позначення безрозмірних параметрів варіювання і на підставі їхніх меж варіювання, був складений план чисельного експерименту процесу прокатки штаби з першого профільного калібру в чорновому розгорнутому калібрі. Обробка експериментальних даних за допомогою регресійного аналізу дозволила одержати нові залежності для коефіцієнтів подовження, розширення і безрозмірної величини повної потужності:

;

. (13)

.

На підставі отриманих результатів проведений аналіз впливу геометричних параметрів на деформований стан і енергосилові параметри при прокатці штаб з формуючого калібру в розгорнутих чорнових калібрах.

Розміри осередку деформації при прокатці в чорнових розгорнутих калібрах штаб з подібних калібрів показані на рис. 3. Як незалежні параметри геометричного осередку деформації були прийняті наступні безрозмірні величини:

Межі варіювання факторів обмежили наступними величинами:

У результаті обробки експериментальних даних одержали залежності для визначення коефіцієнтів подовження і розширення:

(14)

Нові математичні моделі дозволили проаналізувати вплив параметрів на коефіцієнти формозміни штаби та енергосилових параметрів, урахування яких раніше був неможливий: кривизна полиць розгорнутих штаб і радіусів заокруглення на стику полиць у заготовки і на калібрі. Збільшення параметра приводить до збільшення коефіцієнту розширення і зменшенню коефіцієнту подовження. Такий вплив параметра можна пояснити тим, що при його збільшенні зменшується кривизна полиць, тому полегшується течія зміщеного металу з похилих ділянок до країв полиць профілю.

Збільшення радіуса на стику полиць у заготовки (параметр ) і зменшення радіуса на стику полиць розгорнутого калібру (параметр ) приводить до збільшення подовження і зменшенню розширення (рис. 5). Пояснюється така залежність тим, що в цьому випадку обтиснення при вершині профілю збільшується в порівнянні з обтисненням кромок. У результаті цього метал тяжіє текти в напрямку до вершини, де виникає більш значне подовження. Таким чином, радіуси на стику полиць заготовки та калібру впливають на течію металу в осередку деформації. Вплив інших параметрів проаналізовано в тексті дисертації.

При моделюванні процесу прокатки в чистових калібрах розміщення основних розмірів осередку деформації було прийнято таким, як показано на

Незалежні параметри геометричного осередку деформації:

Межі варіювання факторів обмежили наступними величинами:

У результаті обробки експериментальних даних одержали вирази для визначення коефіцієнтів подовження, розширення і безрозмірної потужності прокатки:

(15)

Нова математична модель процесу прокатки в чистовому кутовому калібрі дозволила визначити ступінь впливу нерівномірності деформації на течію металу в калібрі та енергосилові параметри процесу. Величина нерівномірності деформації визначається параметром (рис. 7). Аналіз показує, що його збільшення приводить до того, що товщина штаби, що задається в калібр, у вершини стає більше, при цьому гребінь нижнього валка чистового калібру стає гостріше. У результаті цього, умови деформації в калібрі стають більш схожі на деформацію в розрізних калібрах, тому збільшення параметра приводить до зменшення величини подовження і збільшенню розширення. Аналіз впливу інших параметрів геометричного осередку деформації на деформований стан штаби приведений у тексті дисертаційної роботи.

Перевірка отриманих математичних моделей за критерієм Фішера показала, що вони адекватно описують деформований стан і енергосилові параметри процесу при прокатці кутових профілів в калібрах різної форми.

У четвертому розділі описані експериментальні дослідження деформованого стану та енергосилових параметрів при прокатці кутових профілів у калібрах різної форми. Основною метою проведення експериментальних досліджень було підтвердження працездатності раніше розроблених математичних моделей процесу прокатки штаб у кутових калібрах.

Результати порівняння розрахункових значень коефіцієнтів деформації і повної сили з експериментальними даними дозволяє рекомендувати програми, розроблені з використанням вказаних моделей, для практичного застосування. Найбільші погрішності при розрахунку коефіцієнту розширення відповідають випадку прокатки штаби з розгорнутого калібру в чорновому калібрі подібної форми. Однак і в цьому випадку отримані погрішності в два рази менше в порівнянні з погрішностями, отриманими при розрахунку по методу приведеної штаби (див. табл. 1).Аналогічні результати отримані і при розрахунку повної сили прокатки (табл. 1).

Таблиця 1

Коефіцієнти розширення і повна сила прокатки, порівняння

з експериментальними даними

Коефіцієнти розширення	Похибка розширення, %	Сила прокатки, кН	Похибка сили, %
1,057	1,093	1,055	1,093	1,073	63,76	4,28	63,66	28,07	214,48	73,69	177,51	65,64	17,24
1,071	1,066	1,039	1,067	1,075	6,50	45,15	6,29	5,63	188,36	103,40	185,19	45,10	1,68
1,425	1,675	1,402	1,501	1,424	58,74	5,41	17,83	0,24	530,44	314,82	480,28	40,64	8,53
1,300	1,400	1,245	1,318	1,369	33,26	14,40	6,06	23,00	603,85	351,89	601,36	41,72	0,41
1,077	1,021	1,013	1,024	1,054	72,16	83,50	69,17	29,87	57,21	33,32	57,62	41,75	0,72
1,085	1,030	1,018	1,032	1,073	64,52	79,08	62,08	14,12	81,23	64,77	100,57	20,26	23,80
1,570	1,746	1,459	1,552	1,604	34,07	19,55	3,21	5,96	342,11	371,63	346,29	8,63	1,22
1,466	1,550	1,330	1,401	1,558	18,01	29,21	13,90	19,74	452,56	469,85	456,88	3,82	0,95
					43,88	35,57	30,27	15,83				33,44	6,82

Вивчення літератури, що описує процеси прокатки в кутових калібрах, виявило існування протиріччя, яке полягає в тому, що деякі дослідники затверджують про сильну залежність коефіцієнтів формозміни від деформації вигину штаби (яка найбільш істотна в чистових калібрах), а інші навпаки -- визначають, що ця залежність несуттєва.

Для усунення існуючого протиріччя було вирішено провести спеціальні досліди, у яких штабу з чорнового розгорнутого калібру прокатували в чистовому кутовому калібрі без обтиснення. Для наближення умов деформації при дослідних прокатках до практичних умов виробництва кутових профілів, було вирішено використовувати зразки виготовлені зі сталі 45 та прокатувати їх при температурі 1100°С. Для того, щоб найбільше точно визначити чи змінювалася довжина середньої лінії після виходу штаби з валків, чи ні, зупиняли кожну штабу під час прокатки. Після цього відбиралися поперечні перерізи від деформованої і недеформованої частин зразка . Отримані зразки сканували разом з лінійкою для занесення даних на комп'ютер і наступного виміру геометричних параметрів за допомогою спеціальної програми вимірювача.

Для перевірки впливу величини деформації вигину на значення енергосилових параметрів при прокатці кутових профілів у чистових калібрах зразки прокатувалися цілком.

Довжини середніх ліній і товщини полиць зразків до і після прокатки практично не мінялися, а, отже, не було ні розширення, ні подовження зразків. Таким чином, проведені спеціальні експерименти показали, що вигин полиць при прокатці кутових профілів практично не впливає на коефіцієнти деформації металу.

Крім того, зміна кута розкриття і розпрямлення полиць при прокатці кутових профілів у гарячому стані практично не позначається на силових умовах процесу і цим впливом можна зневажити.

У п'ятому розділі на підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено нову методику розрахунку калібровки рівнополичних і нерівнополичних кутових профілів. Пропоновано схему прокатки нерівнополичних кутових профілів, яка дозволяє реалізовувати процес прокатки в більш стійкому режимі, що сприятливо позначається на якості готової продукції.

Для досягнення стійкості процесу прокатки при виробництві нерівнополичних кутових профілів запропоновано наступну схему прокатки: чорнові калібри виконувати з однаковими кутами розкриття довгої і короткої полиць, а чистовий і передчистовий калібри виконувати з різними кутами нахилу полиць.

При розрахунку калібровки кутових профілів найбільш важливе значення має правильний вибір коефіцієнтів висотної деформації і числа проходів. Досвід показує, що для одержання гострого кута при вершині готового кутового профілю товщина заготовки, що задається в перший профільний калібр, повинна перевищувати максимальну товщину профілю, що прокатується, не менш чим у 4,0-6,0 разів. Зі збільшенням товщини заготовки більше зазначених меж, умови для правильного виконання кута поліпшуються. Тому на практиці, найчастіше, товщину заготовки приймають у 6-8 разів більше максимальної товщини профілю, що прокатується. Однак, найчастіше, це приводить до невиправданого збільшення числа проходів. Тому при розрахунку калібровок кутових профілів за новою методикою рекомендується інтенсивний режим обтиснень.

Теоретичні дослідження показують, що чим більше радіуси розгортання полиць у чорнових калібрах, тим більше розширення при прокатці в них. Тому при розрахунку радіусів розгортання в передчистових калібрах рекомендують наступні співвідношення:

а) для рівнополичних кутових профілів

, (16)

де -- довжина полиці у відповідності зі стандартом чи технічною умовою;

-- радіус розгортання полиць у передчистовому калібрі.

б) для нерівнополичних профілів

; , (17)

де , -- відповідно, довжини великої і малої полиць у відповідності зі стандартом чи технічною умовою;

, -- радіуси розгортання, відповідно, довгої і короткої полиць у передчистовому калібрі.

Величина обтиснення при вершині чистового профілю впливає на розподіл течії металу між подовжнім і поперечним напрямками. Так, теоретичні дослідження показали, що чим менше різниця між радіусами на стику полиць заготовки і на калібрі, тим більше подовження і менше розширення. Тому радіус на стику полиць у передчистовому калібрі збільшуємо незначно і приймаємо рівним:

, (18)

де , -- радіуси на стику полиць, відповідно, для передчистового і чистового калібрів;

-- абсолютне обтиснення по полицях чистового калібру.

При прокатці в чорнових калібрах з розгорнутими полками вплив радіусів заокруглення на стику полиць зворотній в порівнянні з чистовим калібром, тому для більшої ефективності роботи чорнових калібрів при розрахунку радіуса на стику полиць у чорнових калібрах рекомендується використовувати наступну залежність:

, (19)

де , -- радіуси на стику полиць для калібру, відповідно, того, що розраховується і попереднього по ходу розрахунку;

-- коефіцієнт висотної деформації для полиць попереднього по ходу прокатки калібру;

-- різниця між висотними деформаціями для полиць і вершини попереднього по ходу розрахунку калібру.

Розрахунок підкату для першого профільного калібру полягає в тому, що визначаються його висота і ширина. Висота заготовки визначаються з режиму обтиснень, а ширина -- з розширення середніх ліній полиць при прокатці в першому фасонному калібрі. Після визначення розмірів заготовки визначають величину утягування гребеня профілю при прокатці в першому фасонному калібрі і при необхідності їх коректують.

Розрахунок інтенсивності зносу в характерних поздовжніх перерізах чорнового та чистового кутових калібрів за методикою М.М. Воронцова і В.Т. Жадана показав, що запропонований метод калібровки окрім більш точного розрахунку коефіцієнтів деформації дозволяє продовжити термін експлуатації валків чистової кліті за рахунок зменшення нерівномірності зносу по ширині профілю.

За запропонованою методикою було розроблено калібровку нерівнополичного кутового профілю 110х70х8 мм (рис. 9) для умов крупносортного стану 500 Магнітогорського металургійного комбінату. При розрахунку калібровки за новим методом число проходів і режим обтиснень залишили такий же, як і для діючої калібровки. Розрахунок інтенсивності зносу на підставі отриманих полів швидкостей показує, що при прокатці нерівнополичних кутових профілів 110х70х8 мм по запропонованій калібровці, інтенсивність зносу валків, у порівнянні зі старим методом, знижується у всіх клітях у середньому на 17,6%; при цьому максимальне значення зниження -- 25,8%, а мінімальне -- 5,1%

Розроблений комплекс програм для розрахунку деформованого стану на ЕОМ може бути використаний для дослідження і проектування процесів прокатки кутових профілів. Очікуваний економічний ефект від застосування розроблених програм складає 24932,5 грн. на рік.

Висновки

У дисертації вирішена науково-технічна задача, яка полягає в зниженні показників енерговитрат та витрат валків, а також у підвищенні точності геометричних розмірів готових профілів.

1. Запропоновано новий метод побудови тривимірних полів швидкостей при математичному моделюванні процесів прокатки кутових профілів. Відповідно до запропонованого методу параметрами, що варіюються, є швидкості течії металу на ребрах елемента осередку деформації.

2. На підставі енергетичного методу і відповідно до запропонованої методики виведення полів швидкостей розроблені математичні моделі процесів прокатки у формуючих, чорнових і чистових кутових калібрах, що дозволило отримати вирази для розрахунку коефіцієнтів деформації та безрозмірної потужності при їхній прокатці.

3. Експериментальні дослідження деформованого стану штаби при прокатці в кутових калібрах різної форми підтвердили адекватність запропонованих математичних моделей і прийнятих при їхній розробці припущень. Установлено, що різниця між даними моделювання та експериментальними даними не перевищує . Це підтверджує можливість застосування результатів досліджень для визначення технологічних параметрів при прокатці кутових профілів.

4. Установлено, що при прокатці кутових профілів з використанням розгорнутих калібрів можна не враховувати вплив деформації вигину полиць профілю, як для розрахунку деформованого стану, так і для розрахунку енергосилових параметрів. Таким чином, розв'язане протиріччя, що існувало раніше.

5. Експериментальні дослідження енергосилових параметрів при прокатці штаб у кутових калібрах різної форми підтвердили адекватність запропонованих математичних моделей. Установлено, що помилка між даними моделювання та експериментальними даними не перевищує . Це підтверджує можливість застосування результатів досліджень для визначення технологічних параметрів при прокатці кутових профілів.

6. На підставі результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку калібровки кутових рівнополичних і нерівнополичних профілів, що дозволяє знизити показники зносу валків по клітям стану до 18%. Розроблено прикладну програму на ПЕОМ, що забезпечує зниження витрат і часу на конструкторсько-технологічну підготовку виробництва кутових профілів.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Илюкович Б.М., Капелюшный В.П., Штода М.Н. Применение рациональной конструкции калибров закрытого типа // Теория и практика металлургии. -- 2002.-- №2 -- С. 40-42.

2. Илюкович Б.М., Штода М.Н. Влияние формы первого формирующего калибра на коэффициенты вытяжки и уширения // Тематичний збірник наукових праць “Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні”.-- Краматорськ, 2002. -- С. 366-370.

3. Илюкович Б.М., Ершов С.В., Штода М.Н. Анализ формы очага деформации при прокатке угловых профилей в развернутых калибрах // Металлургическая и горнорудная промышленность. -- 2002.-- №1. -- С. 37-40.

4. Илюкович Б.М., Ершов С.В., Галицкий Е.В., Нехаев Н.Е., Штода М.Н., Кашуба А.А., Толстопят А.Л. Возможности, преимущества и недостатки современных способов измерения энергосиловых параметров прокатки // Металлургическая и горнорудная промышленность, спецвыпуск, Материалы VI международной научно-технической конференции “Пластическая деформация металлов”.-- Днепропетровск, 2002. -- С. 260-264.

5. Илюкович Б.М., Ершов С.В., Штода М.Н. Метод построения трехмерных полей скоростей // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів. -- Дніпропетровськ, 2002. -- С. 118-121.

6. Илюкович Б.М., Ершов С.В., Штода М.Н. Математическая модель процесса прокатки углового профиля в черновом калибре // Тематичний збірник наукових праць "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні".-- Краматорськ, 2003. -- С. 184-188.

7. Илюкович Б.М., Штода М.Н., Капелюшный В.П. Метод калибровки неравнополочной угловой стали // Теория и практика металлургии. --2003.-- №5-6. -- С. 72-75.

8. Илюкович Б.М., Ершов С.В., Штода М.Н. Исследование энергосиловых параметров при прокатке угловой стали с применением систем развернутых калибров // Тематичний збірник наукових праць "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні".-- Краматорськ, 2005. -- С. 409-414.

9. Илюкович Б.М., Штода М.Н. Исследование деформации и силовых параметров при прокатке развернутых уголков в чистовых калибрах без обжатия // Тематичний збірник наукових праць "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні".-- Краматорськ, 2005. -- С. 478-480.

Анотація

Штода Максим Миколайович. Розвиток методів розрахунку калібровок для прокатки кутових профілів різної конфігурації. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05 -- “Процеси і машини обробки тиском”. -- ІЧМ ім. З.І. Некрасова НАН України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена математичному моделюванню та експериментальному дослідженню формозміни металу та енергосилових параметрів при прокатці штаб у кутових калібрах і розробці на цій основі методики розрахунку калібровок валків для прокатки кутових профілів.

Удосконалено варіаційний метод досліджень процесу прокатки кутових профілів різної конфігурації. Проведено чисельні експерименти процесів прокатки штаб різної конфігурації в кутових калібрах. В результаті обробки даних математичного моделювання та експериментальних даних одержали нові вирази для визначення коефіцієнтів формозміни і безрозмірної потужності прокатки. Установлено, що випрямлення полиць у чистовому кутовому калібрі при гарячій прокатці практично не позначається на деформований стан металу та енергосилові параметри процесу.

Розроблено методику розрахунку калібровки кутових профілів, яка заснована на використанні прикладної комп'ютерної програми, що дозволяє знизити інтенсивність зносу валків у середньому по усіх фасонних проходах на 17,6% і зменшити число фасонних калібрів.

Ключові слова: калібровка валків, процес прокатки, осередок деформації, коефіцієнти деформації, енергосилові параметри, розгорнуті кутові калібри, методика розрахунку калібровки.

Аннотация

Штода Максим Николаевич. Развитие методов расчета калибровок для прокатки угловых профилей различной конфигурации. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 -- “Процессы и машины обработки давлением”. -- ИЧМ им. З.И. Некрасова НАН Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена математическому моделированию и экспериментальному исследованию формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке полос различной конфигурации в формирующих, черновых развернутых и чистовых калибрах и разработке на этой основе методики расчета калибровок валков для производства угловых профилей.

Усовершенствован вариационный метод исследования процессов прокатки угловых профилей различной конфигурации.

Предлагаемый подход при выводе трехмерного поля скоростей приближает полученное математическое описание течения металла к реально существующему в очаге деформации. При этом, в отличие от гипотезы плоских сечений, продольная составляющая скорости течения металла зависит не от одной, а от двух координат, что в дальнейшем даст возможность получить значения напряжений и деформаций в каждой точке очага деформации.

Поиск решения вариационного уравнения основывается на том, что действительному полю скоростей соответствует минимум энергии, затрачиваемой на осуществление процессов, происходящих в очаге деформации.

Проведены численные эксперименты процессов прокатки полос различной конфигурации в первых формирующих, черновых развернутых и чистовых угловых калибрах. В результате обработки экспериментальных данных получили новые выражения для определения коэффициентов вытяжки, уширения, утяжки и безразмерной мощности прокатки. Полученные уравнения позволяют проанализировать влияние того или иного параметра, как на формоизменение, так и на энергетические параметры процесса в целом. Проверка полученных математических моделей по критерию Фишера показала, что они адекватно описывают деформированное состояние и энергосиловые параметры процесса прокатки угловых профилей в калибрах различной формы.

Экспериментальные исследования проводили на трехклетьевом полупромышленном стане 300 отраслевой лаборатории ДГТУ. Результаты сравнения расчетных значений коэффициентов деформации и энергосиловых параметров с экспериментальными данными позволяет рекомендовать разработанные программы для расчета формоизменения при прокатке в угловых калибрах для практического применения.

Экспериментально установлено, что при выпрямлении полок в чистовом калибре длины средних линий и толщины полок полос до и после прокатки практически не изменяются. Кроме того, изменение угла раскрытия и распрямление полок при прокатке угловых профилей в горячем состоянии практически не сказывается на силовых условиях процесса и этим влиянием можно пренебречь.

Разработана методика расчета калибровки угловых профилей, позволяющая снизить интенсивность износа валков, в среднем, по всем фасонным проходам на 17,6%. Применение интенсивного режима обжатий и специальной конфигурации первого формирующего калибра позволяет уменьшить число фасонных калибров. Разработанная методика отличается более точным расчетом коэффициентов формоизменения и энергосиловых параметров.

Для практического использования результатов выполненных исследований, представляемых громоздкими выражениями, разработана прикладная компьютерная программа.

Ключевые слова: калибровка валков, процесс прокатки, очаг деформации, коэффициенты деформации, энергосиловые параметры, развернутые угловые калибры, методика расчета калибровки.

Abstract

Shtoda Maksim Nikolayevich. Development of methods of account of calibrations for rolling of angular profiles of a different configuration. - the Manuscript.

The dissertation on Candidate's Degree of engineering science on a speciality 05.03.05 -- “Processes and machines of processing by pressure”, Iron and steel Institute of National Academy of Science of Ukraine by Z.I. Nekrasov, Dnepropetrovsk, 2005.

The dissertation is devoted to mathematical modelling and to an experimental research of change of form of metal and power parameters at a rolling of strips in angular calibres and development on this basis of a design procedure of calibrations for rolling of angular structures.

The variational method of researches of processes rolling of angular structures of a different configuration is advanced. Numerical experiments of processes rolling a staff of a different configuration in angular calibres are executed. In a basis of data processing of mathematical modelling and experimental data have received new expressions for definition of factors of change form and dimensionless capacity rolling. It is established, that straightening shelfs in fair angular calibre at hot a rolling practically does not affect on the deformed condition of metal and power parameters of process.

The design procedure of calibration of angular structures is developed, which based on use of the applied computer program which allows to lower intensity of deterioration of rolls on the average on all shaped passes on 17,6 % and to reduce number of shaped calibres.

Key words: calibration of rolls, rolling process, the centre of deformation, factors of deformation, the parameters of power, the developed angular calibres, the design procedure of calibration.

Размещено на Allbest.ru