Донбаська державна машинобудівна академія

ДВОРЖАК АРТЕМ ІВАНОВИЧ

УДК 621.771.01: 621.771.061: 621.771.23

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ОБЛАДНАННЯ
ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ПЛЮЩЕННЯ ЗАГОТОВОК
ЗІ СКЛАДНИМ ПРОФІЛЕМ ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ

Спеціальність 05.03.05
"Процеси та машини обробки тиском"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню
кандидата технічних наук

Краматорськ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор
Патапкін Віктор Федорович,
завідуючий кафедри
“Автоматизовані металургійні машини та обладнання”
Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Капланов Василь Ілліч,

Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь, проректор з наукової роботи;

кандидат технічних наук, професор

Луценко Віктор Олександрович,

Донбаський гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ, завідуючий кафедрою “Обробки металів тиском та матеріалознавство”.

Провідна установа: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 19 " грудня 2003 р. о 1200 годин на засіданні спеціалізованого вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаський державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

З дисертацією можливо ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

Автореферат розіслано " 18 " листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 12.105.01, д.т.н., професор О.В. Сатонін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Одним з найбільш перспективних напрямків у розвитку чорної і кольорової металургії України є виробництво складнопрофільного металопрокату, пов'язане з необхідністю максимального наближення форми і розмірів заготовок до форми і розмірів готової металопродукції. Рішення зазначених задач вимагає проведення подальших досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників відповідних технологічних процесів і устаткування.

Актуальність теми. Необхідність зниження витрат металу, економії матеріальних ресурсів і підвищення конкурентноздатності при виробництві вітчизняної металопродукції загострює задачу одержання довгомірних заготовок зі складним профілем поперечного перерізу. Ефективність застосування складнопрофільного металопрокату як заготовки даного типорозміру визначається великою кількістю взаємозалежних факторів і полягає в підвищенні коефіцієнту використання металу, а також у зниженні трудомісткості на наступних технологічних переділах. При цьому для виробництва деяких видів виробів використання фасонної заготовки є єдино можливим технічним рішенням. До таких виробів, зокрема, можуть бути віднесені пружини підвищеної жорсткості, а також дозуючі рами щебнеочищувачів номенклатури АТ “Старокраматорський машинобудівний завод”, які виробляють з довгомірних заготовок із трапецієподібним чи трапецєідально-закругленим профілем поперечного перерізу.

В основі технологічної схеми виробництва даних видів металопрокату ефективним є використання процесу плющення дроту або катанки в робочих валках з похилою формою активної утворюючої. Процес плющення вивчений досить повно з погляду виробництва відносно простих симетричних профілів. Разом з тим, наявність кута нахилу й асиметрії форми поперечного перерізу вносять істотні зміни в механізм формування як напруженого, так і деформованого станів металу. Відзначене вимагає проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розвиток методів розрахунку, а також на розширення технологічних і конструктивних задач оптимізаційного плану.

Таким чином, актуальність теми роботи і її практична спрямованість визначаються необхідністю підвищення техніко-економічних показників і розширення сфери використання процесу плющення, які здійснюються на основі підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку “Створення нових і удосконалювання діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві” однієї з ведучих наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (накази №463 від 28.12.98, №507 від 30.10.2000, №551 від 23.11.2000, роботи 0199U001457, 0101U001747), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт з АТ CКМЗ і УкрНДІметалургмаш (роботи 0197U015740, 0100U001091).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки рекомендацій з удосконалення технологій і устаткування процесу плющення.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:– 

уточнити і розширити математичні моделі напруженого, деформованого і кінематичного станів металу при реалізації процесів плющення і виправлення заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу;– 

розробити математичні моделі по прогнозуванню імовірності появи внутрішніх дефектів, а також по автоматизованому розрахунку точності геометричних характеристик, рівнів і ступеня стабільності механічних властивостей, що мають місце при плющенні складнопрофільних заготовок;– 

уточнити вихідні дані і дати експериментальну оцінку ступеня вірогідності результатів чисельної реалізації отриманих теоретичних рішень і відповідних програмних засобів;

– проаналізувати вплив і розробити програмні засоби по автоматизованому проектуванню технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування процесу плющення заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу;

– розробити і впровадити технічні рішення, а також практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу плющення складнопрофільних заготовок.

Об'єкт дослідження. Технологічні режими і механічне устаткування процесу плющення заготовок з асиметричною формою поперечного перерізу.

Предмет дослідження. Основні закономірності і методи розрахунку механізму формування напружено-деформованого стану (НДС) й основних показників якості при реалізації процесів плющення і виправлення заготовок з асиметричною формою поперечного перерізу.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень було покладено методи теорії пружності, а також теорії пластичності, що включає метод полів ліній ковзання, метод верхньої оцінки і чисельні рекурентні рішення скінчено-різницевих форм умови статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів металу у осередку деформації. Рішення задач по автоматизованому проектуванню було здійснено з використанням елементів теорії дослідження операцій, що включають використання імітаційного моделювання, методів математичної статистики, постановку і рішення задач оптимізаційного плану.

Експериментальні методи дослідження містили в собі фізичне моделювання в лабораторних і промислових умовах, методи тензометрії, вимір геометричних параметрів і механічних властивостей, а також кількісну оцінку форми, якості поверхні й інших споживчих властивостей одержуваних довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають її наступні основні результати і положення:

– вперше стосовно до процесу плющення відносно товстих заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу на основі чисельних інтерпретацій методу верхньої оцінки і методу полів ліній ковзання розроблені математичні моделі НДС металу, що дозволяють врахувати реальну геометрію осередку деформації, неоднорідність розподілів механічних властивостей і асиметрію пластичного плину металу при одночасному забезпеченні можливості прогнозування імовірності появи внутрішніх дефектів суцільності в осьовій зоні;

– уточнені і розширені в область умов реалізації процесів плющення і виправлення відносно тонких складнопрофільних заготовок математичні моделі НДС металу, засновані на чисельному рекурентному рішенні скінчено-різницевих форм умов статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів, що дозволяють врахувати реальний характер розподілів граничних умов для кожного окремого поперечного перерізу осередку деформації;

– вперше стосовно до різних технологічних схем процесу плющення заготовок з асиметричним профілем поперечного переріза на основі методів передаточних коефіцієнтів, граничних оцінок і імітаційного моделювання розроблений комплекс математичних моделей і програмних засобів, що дозволяють прогнозувати точність геометричних характеристик, а також рівень і ступінь стабільності механічних властивостей одержуваного металопрокату;

– уточнені кількісно уявлення про характер впливу, сформульовані і вирішені програмно задачі по автоматизованому проектуванню технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування плющильних станів, призначених для виробництва складнопрофільних заготовок;

– розроблено технологічні і конструктивні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готової металопродукції при реалізації процесу плющення заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу.

Практична цінність одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють її наступні основні результати:

– комплекс програмних засобів по автоматизованому розрахунку НДС та основних показників якості, що дозволяють оцінити і намітити шляхи удосконалення умов реалізації процесів промислового виробництва довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу;

– комплекс програмних засобів по автоматизованому проектуванню технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування плющильних станів, що забезпечують зниження трудомісткості та економію матеріальних ресурсів при виконанні проектно-конструкторських і проектно-технологічних робіт в області виробництва складнопрофільних заготовок;

– технологічні і конструктивні рекомендації, спрямовані на підвищення ефективності і зниження питомих капітальних витрат при удосконаленні діючих і створенні нових технологій і устаткування процесу промислового виробництва довгомірних заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів і практичних рекомендацій використані на АТ “Старокраматорський машинобудівний завод” (АТ СКМЗ) при проектуванні технології і устаткування спеціалізованого плющильно-волочильного стану 280х200, Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування (УкрНДІметалургмаш, м. Слов'янськ) і в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) при проектуванні технологічних режимів виробництва досвідно-промислових партій плющених заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу.

Окремі теоретичні та експериментальні розробки використовуються на кафедрі “Автоматизовані металургійні машини і обладнання” ДДМА в рамках ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 8.090218 “Металургійне обладнання”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав теоретичні дослідження і проектно-конструкторське пророблення, розробив методику і взяв участь у проведенні експериментальних досліджень. Сформулював практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників технологій і устаткування процесу плющення довгомірних заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить розробка математичних моделей, їх алгоритмізація, програмування, чисельна реалізація та аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені і обговорені на Всеукраїнських науково-технічних конференціях "Перспективні технології і устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1999, 2000, 2001, 2002, м. Краматорськ-Слов'янськ, 2000; м. Краматорськ-Хмельницький, 2002); на міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003); на міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (м. Дніпропетровськ, 2002); на науково-технічних радах АТ СКМЗ і УкрНДІМеталургмаша; на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (м. Краматорськ, 1999-2003); на розширеному науковому семінарі кафедри АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2003).

Публікації. Матеріали і основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 12 наукових статтях у 10 спеціалізованих згідно з рекомендаціями ВАК України науково-технічних виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 235 сторінок, у тому числі 135 сторінок основного тексту, 65 малюнків на 65 сторінках, список використаних джерел з 153 найменувань, 3 додатка на 35 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження. Відзначено особистий внесок здобувача, дана характеристика наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також їхньої апробації і промислового використання.

Технологічні режими, методи розрахунку, склад і конструктивні особливості механічного устаткування плющильних станів (стан питання)

В даний час виробництво довгомірних металовиробів зі складним профілем поперечного перерізу, заснованих на використанні процесів прокатки, пресування, волочіння і плющення, вивчені досить повно в роботах Астахова І.Г., Бричко Г.А., Бровмана М.Я., Видріна В.Н., Деребаса Л.Я., Злотникова М.І., Ілюковича Б.М., Качанова Л.М., Клименко В.М., Когоса А.М., Косивцева М.П., Мінаєва А.А., Перліна І.Л., Пуртова Ю.А., Рукера В.Н., Северенко В.П., Серебреникова А.М., Соколовського В.В., Чекмарьова О.П. і цілого ряду інших вчених. При цьому було показано, що стосовно до виробництва високоточних профілів зі складним трапецієдальним і трапецієдально-закругленим профілями поперечного перерізу найбільш ефективним є використання процесу плющення, заснованого на обтисканні дроту чи катанки між двома робочими валками з нахиленими стосовно один одному утворюючими поверхнями.

Різноманіття технологічних схем плющення обумовлює різноманіття конструктивного виконання відповідного механічного устаткування, що включає різні конструктивні виконання валкових вузлів і натискних механізмів, використання попередньо напружених робочих клітей, вибір раціональних калібрувань і так далі. З погляду кількісної оцінки НДС при реалізації процесу плющення круглої заготовки було показано, що домінуючим є поперечний пластичний плин металу. Виходячи з викладеного вище, серед теоретичних методів аналізу процесу плющення відносно товстих заготовок найбільше поширення одержали метод полів ліній ковзання і метод верхньої оцінки, що дозволяють повною мірою врахувати двомірний характер пластичного формозмінення. Стосовно ж до умов реалізації процесу плющення відносно тонких заготовок широке поширення одержали аналітичні і чисельні методи, засновані або на інтегруванні диференціального рівняння рівноваги, або на рекурентному рішенні скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги, розглянутого в рамках кожного окремого виділеного елементарного об‘єму осередку деформації. Відомими також є методи розрахунку НДС металу, засновані на використанні варіаційних методів, а також методів кінцевих або граничних елементів. Однак значна трудомісткість, що має місце при реалізації даних підходів, робить проблематичним використання їх при рішенні різноманітних задач оптимізаційного плану. Використання емпіричних та полуемпіричних методів дослідження є обмеженим як по факторному простору, так і по об‘ємам наданої інформації.

Крім того, наявність асиметричного профілю поперечного перерізу плющеної заготовки дуже істотно видозмінює схему НДС металу, зокрема, залишається відкритим у цьому випадку питання про траєкторію його пластичного плину, що визначає результуючі геометричні характеристики готового металопрокату.

Невирішеними також стосовно до процесу плющення довгомірних заготовок з асиметричним профілем поперечного перерізу є питання прогнозування точності геометричних характеристик, а також рівня і ступеня стабільності результуючих механічних властивостей.

Виходячи з викладеного вище, актуальними є питання автоматизованого проектування і удосконалення технологічних режимів, а також конструктивних параметрів механічного устаткування плющильних станів, призначених для виробництва заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу.

Вибір напрямку і методів досліджень

Застосування комплексного підходу, що припускає проведення теоретичних і експериментальних досліджень не тільки енергосилових параметрів процесу плющення, а й таких показників якості, як точність геометричних характеристик, показники форми й інші, дозволяє підвищити ступінь наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень і розширити обсяг наданої інформації. При цьому, з метою зниження питомих капітальних витрат і термінів освоєння, можливість використання отриманих результатів повинна бути забезпечена ще на стадії проектно-технологічних і проектно-конструкторських робіт. Тому доцільним є зміщення акценту убік теоретичних досліджень, розробки комплексних математичних моделей і відповідних їм програмних засобів. Результати ж експериментальних досліджень можуть бути використані для уточнення вихідних даних, а також для оцінки ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень.

Теоретичні дослідження процесу плющення довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу при співвідношенні ширини контакту до середньої товщини менш 2,5...3,0 було проведено на основі методів верхньої оцінки і полів ліній ковзання, що дозволяють повною мірою врахувати двомірний характер пластичного формозмінення металу. У випадку ж наявності відносно тонких перерізів, тобто при >2,5-3,0 математичне моделювання НДС було здійснено на основі чисельного рекурентного рішення скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об‘єму металу у осередку деформації, що забезпечує урахування реальних розподілів граничних умов.

Математичне моделювання основних показників якості готового металопрокату було здійснено на основі методів передаточних коефіцієнтів, граничних оцінок і імітаційного математичного моделювання з використанням методу Монте-Карло.

Отримані детерміновані математичні моделі НДС і основних показників якості були покладені в основу постановки і рішення задач по автоматизованому проектуванню технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування для реалізації процесу плющення складнопрофільних заготовок. Ці ж рішення були використані для розробки практичних рекомендацій з удосконалення відповідних технологій і устаткування, достатній ступінь ефективності яких підтверджено як у лабораторних, так і в безпосередньо промислових умовах.

Математичне моделювання НДС металу при реалізації процесів плющення
та правки довгомірних заготовок зі складним асиметричним
профілем поперечного переріза

У самому загальному випадку в осередку деформації при реалізації процесу плющення присутні дві зони, що характеризуються наявністю відносно товстих і відносно тонких поперечних перерізів заготовки. Така диференціація відповідно до сучасних уявлень теорії обробки металів тиском вимагає різних підходів до аналізу НДС.

В основу математичного моделювання НДС металу в кожному поперечному перерізі при <2,5…3,0 була покладена чисельна побудова і наступний аналіз кінематично можливих полів характеристик у фізичній площині і площині годографа швидкостей. При цьому, за аналогією з традиційними схемами процесу плющення, у якості основного було використане допущення про винятково поперечний пластичний плин металу в рамках кожного окремого перерізу. Крім того, у наслідок симетрії відносно осінаступний кількісний аналіз здійснювали по відношенню тільки до верхньої половини осередку деформації (рис.1).

Безпосередньо математичне моделювання локальних і інтегральних показників НДС металу полягало в розбивці всієї довжини зони пластичного формозмінення на елементарні поперечні перерізи (j-ий цикл) (див. рис.1а), що є паралельними площині осей обертання робочих валків, і в наступному чисельному аналізі кожного з них (i-ий цикл).

Виходячи з відомих значень товщин і кута нахилу утворюючої (див. рис.1б), геометричні координати особливих точок кінематично можливих полів у фізичній площині ZY (див. рис. а) відповідали:

Вважаючи спочатку геометричну координату умовно відомою, визначали кутові характеристики , звідки, виходячи з принципу ортогональності характеристик у фізичній площині ZY і площини годографа швидкостей геометричні координати особливих точок 4, 5 і 7 (див. рис.1в) можуть бути визначені як:

де - вертикальна складова швидкості переміщення деформуючого інструмента, що задається кількісно у вигляді масштабу побудови кінематично можливого поля характеристик (див. рис. 1в).

Власне побудову кінематично можливих полів характеристик було зведено до визначення геометричної координати , що відповідає мінімуму сумарної потужності зсуву , яке визначали наступним чином:

де - поточні по довжині осередку деформації значення опору зсуву металу на відповідних границях зони пластичного формозмінення (див. рис.1б).

Безпосереднє визначення геометричної координати здійснювали ітераційно на основі методу цілеспрямованого перебору варіантів в рамках факторного простору =0,0…1,0. Визначаючи мінімальне значення сумарної потужності зсуву і відповідних йому геометричних координат всіх особливих точок кінематично можливих полів характеристик, робили розрахунок дотичних і нормальних контактних напружень , а також значень сили і моменту плющення, що діють у рамках даного j-го перерізу осередку деформації.

З аналізу отриманих розподілів (рис. ) випливає, що кількісна оцінка координати при нерівності показників опору зсуву зміщується у бік границі пластичної зони, яка характеризується більшими значеннями (рис. а), зазначене приводить до видозміни геометричної структури кинематично можливих полів характеристик, і, як наслідок, обумовлює зниження чи збільшення приведеного до одиниці ширини значення сили плющення (рис. б). Ступінь уточнення по енергосилових параметрах в цьому випадку може досягати 20-30% і більше.

В рамках даної роботи була також вирішена задача з розрахунку траєкторії переміщення заготовки. При цьому було використане допущення про співнаправленість відношення об‘ємів, що зміщуються, на (j+1) ділянці і відношення добутку площ і швидкостей переміщення відповідних жорстких зон, наданих полем характеристик у фізичній площині (див. рис. б) і площині годографа швидкостей (див. рис. в), на j-ділянці. Це дозволило врахувати наявність асиметрії у вертикальній площині не тільки з погляду напружень, деформацій і механічних властивостей, а і з погляду траєкторій пластичного плину заготовки, що деформується.

Критеріально методика, заснована на використанні чисельної інтерпретації методу верхньої оцінки, була перевірена з використанням методу полів ліній ковзання. Власне побудову характеристик у цьому випадку робили також чисельно і ітераційно, виходячи з умови рівноваги гідростатичних напружень в особливій точьці 1, отриманих, виходячи з умови статичної рівноваги відповідних зовнішніх зон.

При цьому порівняльний аналіз рішень, отриманих на основі методів верхньої оцінки і полів ліній ковзань, показав, що ступінь розходження не перевищив 8%.

За аналогією з розглянутим вище математичним моделюванням енергосилових параметрів процесу плющення відносно товстих заготовок, в основу математичного моделювання механізму утворення внутрішніх дефектів була покладена чисельна інтерпретація методу верхньої оцінки. Відмінною рисою отриманих у цьому випадку теоретичних рішень є врахування наявності зони потенційної несуцільності загальною довжиною (див. рис. б), у межах якої опір розриву матеріалу є меншим за аналогічний показник для іншого матеріалу заготовки. Рівняння (3) було доповнено складовою , а отримані результати показали, що зі зниженням напружень і геометричного відношення вірогідність внутрішніх дефектів суцільності підвищується досить істотно.

Математичне моделювання НДС металу при було здійснено на основі чисельного рекурентного рішення скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об‘єму осередку деформації (рис. ):

де - значення нормальних осьових і нормальних контактних напружень для лівого ad і правого bc граничних перерізів виділеного елементарного об‘єму, що мають товщини і , відповідно (див. рис. б);

- коефіцієнти зовнішнього тертя, що змінюються як по довжині осередку деформації (j-цикл), так і по ширині кожного окремого поперечного перерізу (i-цикл), що має крок розбиття .

З урахуванням початкових умов, умов зв'язку і інженерного варіанту умови пластичності рішення рівняння (4) було зведено до визначення однієї невідомої , стосовно якої маємо:

,

де - поточне значення подвоєного опору зсуву металу заготовки, що визначається для кожного елементарного перерізу з урахуванням його вихідних і результуючих геометричних параметрів (див. рис. і 3).

Крім рекурентного рішення (5) чисельне математичне моделювання НДС при реалізації процесу плющення відносно тонких заготовок з асиметричних профілем поперечного переріза містило в собі організацію ще ряду процедур, основними з який є наступні:

- ітераційна процедура по визначенню довжини ділянок із взаємо протилежним напрямком дотичних контактних напружень (див. рис.3а), реалізована для кожного поперечного переріза і яка припускає рівність нулю нормальних осьових напружень по бічних кромках даного перерізу;

- розрахунок у залежності від довжин зазначених вище ділянок траєкторії переміщення і деформованого стану металу заготовки;

- чисельне інтегрування, що забезпечує визначення сили і моменту процесу плющення;

- ітераційна процедура по урахуванню пружного сплющування робочих валків і оброблюваної заготовки.

Як приклад на рисунку 4 представлені розрахункові розподіли основних компонентів НДС при плющенні складнопрофільної заготовки зі сталі 65Г, а аналіз даних і аналогічних їм результатів показав на досить складний характер отриманих розподілів. В цьому випадку зі збільшенням кута нахилу утворюючих поверхонь робочих валків ступінь неоднорідності розподілу напруженого стану по ширині істотно зростає. Відзначене підтверджує доцільність використання чисельних підходів з погляду підвищення як обсягів, так і ступеня вірогідності наданої інформації.

Аналогічний підхід, заснований на чисельному рекурентному рішенні скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів був також реалізований стосовно процесу правки довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу. Реалізацію даного технологічного процесу, необхідність якого обумовлена перерозподілом витяжок і появою серповидності, було запропоновано здійснювати в неприводній трьохроликовій системі, яку встановлюють за приводними робочими валками плющильного стану.

Математичне моделювання основних показників якості плющених заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу

Крім прогнозованої імовірності появи внутрішніх дефектів суцільності (див. рис. 1б) як основні показники якості довгомірних плющених заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу були розглянуті точність їхніх геометричних характеристик, а також рівень, характер розподілу і ступінь стабільності результуючих механічних властивостей. В інженерному варіанті математичне моделювання даних параметрів було здійснено на основі методу передаточних коефіцієнтів, що припускає кінцево-різницеву інтерпретацію диференціального рівняння, яке характеризує вплив стохастичних приростів вихідних технологічних параметрів. Аналогічна задача була вирішена і на основі методу граничних оцінок, що дозволяє прогнозувати діапазони зміни результуючих характеристик з урахуванням відповідних мінімальних і максимальних значень початкового діаметра заготовки, вихідних механічних властивостей, коефіцієнтів зовнішнього тертя і величини попереднього міжвалкового зазору, яка враховує радіальні биття робочих валків.

Чисельно, не тільки з огляду на граничні оцінки, а і на реальні закони ймовірних розподілів вихідних параметрів у їх взаємозв'язку, математичне моделювання основних показників якості було здійснено імітаційно, тобто з використанням об'єднаних загальною концепцією методу Монте-Карло програмних модулів по генеруванню псевдовипадкових розподілених чисел, ітераційного рішення пружно-пластичної системи “робоча кліть-заготовка” і статистичної обробки масивів наданої інформації.

Як цільові функції у всіх зазначених випадках використовували детерміновані математичні моделі НДС металу при реалізації процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу (див. рис. , ), при цьому відмінними рисами отриманих теоретичних рішень є можливість урахування стохастичної зміни результуючих геометричних параметрів внаслідок відповідної зміни траєкторії пластичного плину металу, урахування можливості реалізації процесу плющення в попередньо напружених робочих клітях, а також можливість прогнозування ступеня стабільності геометрії як по товщині, так і по довжині одержуваних довгомірних заготовок.

Експериментальні дослідження процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного переріза

Маючи за мету уточнення вихідних передумов і оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень експериментальні дослідження процесу плющення складнопрофільних заготовок були проведені як у лабораторних умовах на базі прокатно-плющильних станів 100х100 і 105/260х250 ДДМА, так і в промислових умовах на базі плющильно-волочильного стану 280х200 АТ СКМЗ. Плющенню піддавали дріт і катанку діаметрами 1,0...18,0 мм з алюмінію, міді, сталей 08кп, 20, 45, У8, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т та інших матеріалів. Перекіс утворюючих поверхонь робочих валків на контрольовану величину кута (див. рис. 1, 3) здійснювали за допомогою диференційованого відпрацьовування натискних механізмів лівої і правої станин, а також з використанням відповідних калібрувань.

Статистична обробка отриманих результатів показала, що по силі і моменту плющення надійний інтервал співвідношення розрахункових і емпіричних значень склав 0,93-1,04, а по результуючих геометричних параметрах — 0,96-1,03. Достатній ступінь вірогідності результатів імітаційного математичного моделювання основних показників якості підтверджений з використанням критеріїв Смирнова і Уілкоксона.

При холодній деформації з малими обтисканнями безперервнолитих мідних заготовок діаметром 18мм в осьовій зоні мало місце порушення суцільності матеріалу, що підтверджує вірність теоретичних рішень, отриманих з використанням методу верхньої оцінки (див. рис. 1б,в). У випадку ж використання великих кутів нахилу утворюючих поверхонь робочих валків спостерігали неконтрольований зсув заготовки в поперечному напрямку. Як показали результати порівняльного чисельного математичного моделювання (див. рис. 3) відзначене обумовлено наявністю в поперечних перерізах тільки зон однобічного ковзання і, як наслідок, виключенням стабілізуючого впливу дотичних контактних напружень .

На прикладі реалізації процесу плющення алюмінієвого дроту з різними температурами показана можливість використання даного фактору для додаткового регулювання результуючих геометричних характеристик одержуваних заготовок, при цьому діапазон зазначеного регулювання може досягати 30-40%.

З погляду підвищення точності геометричних характеристик при значних радіальних биттях робочих валків експериментально підтверджена доцільність не підвищення, а навпаки зниження модуля жорсткості робочих клітей плющильних станів. Ефективним у цьому випадку є використання попереднє напружених по буртах робочих валків, що призводить до зниження подовжньої різнотовщинності і різноширинності за рахунок реалізації даного технічного рішення у 2,0-3,5 разів.

Розробка рекомендацій з удосконалення і програмних засобів по автоматизованому проектуванню технологій і устаткування процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу

В основу аналізу впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного переріза були покладені результати чисельної реалізації отриманих математичних моделей і відповідних їм програмних засобів. При цьому було встановлено, що зі збільшенням кута нахилу утворюючих поверхонь робочих валків, зі зменшенням коефіцієнтів зовнішнього тертя, а також у випадку плющення заготовок з матеріалів з високою інтенсивністю деформаційного зміцнення ступінь асиметрії пластичного плину зростає убік більших значень кінцевої товщини (див. рис. 1 і 3). Відзначене приводить до зміни геометричних параметрів результуючого профілю поперечного перерізу. Виходячи з викладеного вище, була сформульована і вирішена програмно задача по автоматизованому проектуванню технологій і устаткування для реалізації процесу плющення складнопрофільних заготовок, що полягає у визначенні вихідного діаметра, а також настроювання робочих валків і проводкової системи, що забезпечують необхідну геометрію готової металопродукції.

Кількісно було також встановлено, що максимальна імовірність порушення суцільності матеріалу має місце при і малих значеннях напружень . При цьому відносна довжина зони несуцільності може досягати (див. рис. б).

Сформульовано рекомендації з вибору раціональних рівнів технологічних натягувань і термічних режимів виробництва плющених стрічок.

Стосовно точності результуючих геометричних параметрів установлені діапазони ефективних значень радіусів робочих валків і модуля жорсткості робочих клітей, а також сформульовані вимоги на точність виготовлення і монтажу механічного устаткування плющильних станів. Запропоновані калібрування робочих валків, що враховують можливість створення попередньо напружених робочих клітей.

Результати роботи були використані при проектуванні технологій і устаткування на плющильно-волочильному стані 280х200 АТ СКМЗ стосовно до виробництва заготовок для дозуючих рам щебнеочищувачів, а також на прокатно-плющильних станах 300 УкрНДІметалургмаша і 105/260х250, 55/260х200, 100х100 ДДМА.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки в області технологій і устаткування плющильного виробництва, що забезпечують рішення актуальної задачі, — економії матеріальних ресурсів, розширення сортаменту і підвищення якості при виробництві довгомірних заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного переріза.

1. Подальший розвиток плющильного виробництва нерозривно пов'язаний з удосконаленням діючих, а також з розробкою і промисловим освоєнням нових технологій і устаткування, що забезпечують максимальне наближення геометричних параметрів, механічних властивостей і показників якості поверхні одержуваних заготовок до аналогічних показників готової металопродукції. Реалізація даних заходів при мінімальних питомих капітальних витратах робить актуальним подальший розвиток методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробку практичних рекомендацій, що забезпечують підвищення техніко-економічних показників технологій і устаткування процесу плющення.

2. На основі методу верхньої оцінки і методу полів ліній ковзання в їхній чисельній інтерпретації уточнені на 20-30% і розширені в обсязі наданої інформації математичні моделі НДС металу при реалізації процесу плющення відносно товстих заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу. Реалізований у цьому випадку чисельний підхід дозволив прогнозувати траєкторію пластичного плину металу, можливість виникнення дефектів суцільності при одночасному урахуванні реального характеру розподілів геометричних параметрів і механічних властивостей в об‘ємі всього осередку деформації.

3. Стосовно до процесу плющення відносно тонких складнопрофільних заготовок коректне урахування реального характеру розподілів граничних умов при математичному моделюванні НДС було здійснено на основі чисельного рекурентного рішення скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів, одержуваних шляхом розбиття зони пластичного формозмінення, як у подовжньому, так і в поперечному напрямках.

4. З використанням детермінованих математичних моделей НДС металу при їхній організації відповідно до методів передаточних коефіцієнтів, граничних оцінок і імітаційного моделювання одержали розвиток математичні моделі точності геометричних характеристик, а також рівня і ступеня стабільності механічних властивостей складнопрофільних заготовок, що були одержані при реалізації різних технологічних і конструктивних схем процесу плющення.

5. На основі результатів чисельної реалізації отриманих математичних моделей і відповідних їм програмних засобів встановлене наступне:

- збільшення кута нахилу активних утворюючих робочих валків і інтенсивності деформаційного зміцнення матеріалу оброблюваної заготовки, а також зменшення коефіцієнтів зовнішнього тертя призводять до збільшення ступеня асиметрії пластичного плину металу в поперечному напрямку, при цьому кількісно даний ступінь стосовно центра ваги результуючого поперечного перерізу може досягати 0,15-0,18 від його ширини;

- при кутах нахилу активних утворюючих робочих валків понад , де менші значення зазначеного діапазону відповідають меншим значенням коефіцієнтів зовнішнього тертя, має місце підвищена імовірність бічного викиду оброблюваної заготовки, що вимагає використання технологічних натягувань або спеціальних калібрувань і посилених проводкових систем;

- при співвідношенні ширини контакту до середньої товщини менш ніж 0,5 має місце підвищена імовірність порушення суцільності матеріалу в осьовій зоні, довжина якої у відносному вимірі може досягати =0,1...0,25;

- процес плющення характеризується зниженими значеннями співвідношення модуля жорсткості заготовки при її пластичному формозміненні і модуля жорсткості робочої кліті , унаслідок чого коефіцієнт відбиття радіального биття робочих валків досягає 0,6...0,8, а це посилює вимоги на точність виготовлення і монтажу механічного устаткування, вимагає зниження і робить ефективним використання каліброваних, попередньо напружених по буртах робочих валків, що забезпечують підвищення точності в 2,0-3,5 рази.

6. Достатній ступінь вірогідності отриманих теоретичних рішень підтверджений експериментально, при цьому надійні інтервали співвідношення розрахункових і емпіричних значень склали 0,93...1,04 по силі і 0,96...1,03 по геометричних характеристиках процесу плющення. Експериментально також показана можливість зміни результуючих геометричних параметрів на 30-40% тільки за рахунок зміни температури заготовки, що піддається плющенню.

7. З урахуванням виявленого впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного переріза сформульовані і вирішені програмно задачі по їхньому автоматизованому проектуванню, запропоновані і досліджені практичні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості плющених стрічок. Дані результати використані на АТ Старокраматорський машинобудівний завод, Українському НДІ металургійного машинобудування і у Донбаській державній машинобудівній академії при створенні технологій і устаткування, а також при виробництві дослідно-промислових партій плющених стрічок.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Потапкин В.Ф., Касьянюк С.В., Дворжак А.И. Численная одномерная математическая модель процесса волочения труб // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. – Краматорск: ДГМА. -– 1998. – С.12-16.

2. Потапкин В.Ф., Касьянюк С.В., Дворжак А.И. Одномерная математическая модель процесса вдавливания в фильеру провода контактного // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 1999. – С.149-151.

3. Проектирование технологических режимов процесса волочения на волочильной машине ВЛ-1...6 / С.В. Касьянюк, С.К. Добряк, А.И. Дворжак, И.Н. Шеремет // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 1999. – С.194-195.

4. Численная одномерная математическая модель процесса волочения монометаллических заготовок, основанная на энергетическом подходе / А.В. Сатонин, С.В. Касьянюк, А.И. ДворжакЮ.В. Моисеева // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 2000. – С.364-367.

5. Численная одномерная математическая модель процесса волочения труб, основанная на энергетическом подходе / В.Ф. Потапкин, С.В. Касьянюк, А.И. Дворжак, В.А. Найден  // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ-Слов’янськ: ДДМА. – 2000. – С.47-50.

6. Касьянюк С.В., Дворжак А.И., Найден В.А. Численная одномерная математическая модель процесса горячего прессования трубных заготовок на неподвижной оправке // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 2001. – С.463-465.

7. Грибкова С.Н., Добряк С.К., Дворжак А.И. Автоматизированное проектирование технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования для получения лент плющеных с заданными показателями качества // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 2001. – С.555-558.

8. Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Дворжак А.И. Математическое моделирование энергосиловых параметров при реализации процесса плющения относительно толстых заготовок с асимметричным профилем поперечного сечения // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ-Хмельницький: ДДМА. – 2002. – С.438-441.

9. Дворжак А.И., Бегунов А.А., Кокотько М.Е. Двухмерный анализ напряжений и деформаций при полистовой прокатке и плющении асимметричных профилей. // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ-Хмельницкий: ДДМА. - 2002. - С.341-344.

10. Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Дворжак А.И. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при реализации процесса плющения относительно тонких заготовок с асимметричной формой поперечного сечения // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні.– Луганськ: СНУ iм. В. Даля. – 2002. – С.3-8.

11. Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Дворжак А.И. Расчет энергосиловых параметров и деформированного состояния металла при реализации процесса плющения заготовок с асимметричным профилем поперечного сечения // Металлургическая и горнорудная промышленность, №8-9. – Днепропетровск: ОАО “НИИ УКРМЕТАЛЛУРГИНФОРМ”, НМетАУ. – 2002. – С.199-204.

12. Моделирование механизмов образования внутренних дефектов при плющении относительно толстых заготовок с асимметричной формой поперечного сечения / С.В. Новоселов, С.Н. Грибкова, А.И. Дворжак, В.В. Лысенко // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – ДДМА: Краматорськ. – 2003. – С.104-106.

Особистий внесок автора в працях, які опубліковані в співавторстві

[1, 2, 4, 5] – уточнені математичні моделі, розроблені і реалізовані чисельно програмні засоби по автоматизованому розрахунку процесів волочіння заготовок для їх наступного плющення;

[3, 7] – розроблені і реалізовані чисельно програмні засоби по автоматизованому проектуванню технологічних режимів процесів волочіння і плющення;

[6] – уточнена и реалізована чисельно математична модель енергосилових параметрів при гарячому пресуванні трубних заготовок на нерухомій оправці;

[9] – уточнена і реалізована чисельно математична модель енергосилових параметрів процесів прокатки і плющення, заснована на використанні методу полів ліній ковзання;

[8, 10, 11, 12] - уточнені математичні моделі, розроблені і реалізовані чисельно програмні засоби по автоматизованому розрахунку процесів плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного переріза.

АНОТАЦІЯ

Дворжак А.І. Удосконалення технології та обладнання для реалізації процесу плющення заготовок зі складним профілем поперечного перерізу

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”. – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2003.

Дисертація присвячена розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробці практичних рекомендацій з удосконалення технологій і устаткування для реалізації процесу плющення заготовок зі складним асиметричним профілем поперечного перерізу.

У роботі на основі чисельних інтерпретацій методу верхньої оцінки, методу полів ліній ковзання і рекурентного рішення скінчено-різницевої форми умови статичної рівноваги