Донбаська державна машинобудівна академія

САПЛІН СЕРГІЙ ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.982.4: 621.981: 621.98.42

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ ТА КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ МАШИН ДЛЯ ВИПРАВЛЕННЯ ВІДНОСНО ТОНКИХ СМУГ РОЗТЯГУВАННЯМ ІЗ ЗГИНОМ

Спеціальність

05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Краматорськ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА, м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Потапкін Віктор Федорович,
Донбаська державна машинобудівна академія,
радник ректора.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Тришевський Олег Ігоревич,
Харківських національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка (м. Харків), професор кафедри технології конструкційних матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент
Луцкій Михайло Борисович,
Донбаський державний технічний університет (м. Алчевськ), доцент кафедри обробки металів тиском і металознавства.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра технології виробництва літальних апаратів

Захист відбудеться " 31 " жовтня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .105.01 з захисту дисертацій в Донбаський державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

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

Автореферат розіслано " 28 " вересня 2007 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
Д 12.105.01, доцент Ю.К. Доброносов.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вихід України на світовий ринок високоякісного металопрокату робить необхідним подальший розвиток високотехнологічних галузей промислового комплексу. Відзначене повною мірою стосується процесів виробництва холоднокатаних стрічок і смуг, успішний подальший розвиток яких неможливий без розширення сортаменту й підвищення якості металопродукції. Відзначене, поряд з дефіцитом матеріальних ресурсів, спричиняє доцільність підвищення вимог до технологій і обладнання для обробки металопрокату, одне з основних місць серед яких займають процеси виправлення.

Актуальність теми. Холоднокатані стрічки й смуги, що є одним з найбільш ефективних видів готової металопродукції, досить широко використовуються в різних галузях народного господарства. Розширення сортаменту даного виду металопрокату, а також підвищення вимог до основних показників його якості робить необхідним подальший розвиток методів з автоматизованого розрахунку і проектування відповідних технологій і обладнання. При цьому одним з найбільш ефективних способів забезпечення необхідних показників якості холоднокатаних стрічок і смуг в сучасних умовах є процес виправлення розтягуванням із згином.

Існуючі методи розрахунку виправлення розтягуванням із згином не дозволяють визначати основні характеристики процесу з обробки багатошарових поліметалевих стрічок і смуг, у тому числі з покриттям, а також прогнозувати з високим рівнем ймовірності основні показники якості. Доцільним у цьому випадку є рішення завдань щодо застосування даного процесу в складі травильних агрегатів для механічного зламу окалини, а також для виправлення дрібносортних заготовок зі складною формою поперечного переріза. Крім цього актуальною є задача розробки практичних рекомендацій, а також постановки та рішення задач оптимізаційного плану з наступним виходом на створення відповідних систем автоматизованого проектування.

Таким чином, актуальність теми роботи і її практична спрямованість визначаються необхідністю підвищення ефективності, розширення сортаменту і сфер використання процесів виправлення розтягуванням із згином, що здійснюються на основі розробки технологічних і конструктивних рекомендацій, які випливають із результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку “Створення нових і вдосконалення діючих технологій, обладнання й засобів автоматизації в прокатному виробництві” кафедри АММ Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (роботи 0105U002444, 0102U004054, 0105U007248), а також у рамках кількох господарських науково-дослідних робіт з АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (АТ НКМЗ), АТ “Старокраматорський машинобудівний завод” (АТ СКМЗ) і з Українським науково-дослідним інститутом металургійного машинобудування (УкрНДІметалургмаш, м. Слов'янськ).

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту готового металопрокату, підвищення показників площинності і форми холоднокатаних стрічок і смуг на основі розвитку чисельних математичних моделей, розробки практичних рекомендацій з удосконалення технологій і обладнання, а також програмних засобів з автоматизованого проектування процесу виправлення розтягуванням із згином.

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

- кількісно уточнити і розширити математичні моделі напружено-деформованого стану холоднокатаних відносно тонких стрічок і смуг при їхньому виправленні розтягуванням із згином;

- уточнити та розширити чисельні математичні моделі з прогнозування рівня механічних властивостей, а також показників площинності та форми отриманого металопрокату при реалізації процесів виправлення розтягуванням із згином;

- уточнити вихідні дані та надати експериментальну оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень;

- сформулювати рекомендації з удосконалення та розробити програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних параметрів процесу виправлення розтягуванням із згином;

- розробити рекомендації з удосконалення складу і конструкцій механічного обладнання для реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином.

Об'єкт дослідження. Технологія й обладнання для реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином.

Предмет дослідження. Механізми формування та методики розрахунку напружено-деформованого стану і основних показників якості відносно тонких стрічок і смуг в залежності від технологічних режимів роботи, складу та конструктивних особливостей механічного обладнання для реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження були проведені на основі чисельних рекурентних рішень кінцево-різницевих форм умов статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів металу, отриманих шляхом двомірної та тривимірної розбивки. Реалізація даного підходу дозволила поєднати достатній ступінь вірогідності та обсяг, а також прийнятний рівень трудомісткості одержання необхідних результатів. Постановка та рішення завдань оптимізаційного плану були виконані з використанням елементів теорії дослідження операцій.

Експериментальні дослідження проведені на основі проектно-конструкторської проробки, створення нового обладнання та фізичного моделювання процесу виправлення розтягуванням із згином і процесу осесиметричного витягування плоских заготовок із використанням методів тензометрії й вимірювання геометричних параметрів. Обробка результатів експериментальних досліджень і оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень здійснювалися на основі методів теорії імовірності й математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять наступні основні її результати й положення:

- уточнена й розширена двомірна математична модель процесу виправлення розтягуванням із згином, що дозволяє врахувати реальний характер розподілів механічних властивостей, залишкових напружень і деформацій, а також характер розвитку пружно-пластичної деформації і радіус згину смуги при його невідповідності радіусам твірних поверхонь відповідних робочих роликів;

- вперше розроблена тривимірна математична модель процесу виправлення розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг, що дозволила поряд з розрахунком напружено-деформованого стану металу прогнозувати такі показники якості готової металопродукції, як хвилястість, коробоватість, серпоподібність, та інші з урахуванням непаралельності осей обертання робочих роликів правильної машини, обумовленої або похибками їхнього виготовлення та монтажу, або їхнім примусовим налаштуванням;

- вперше сформульовані та вирішені завдання з автоматизованого проектування технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів обладнання для реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином, спрямовані на підвищення показників площинності і форми холоднокатаних моно- і поліметалевих стрічок і смуг, у тому числі і з покриттям, підвищення якості сортового металопрокату, а також на підвищення ефективності механічного зламу окалини.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи становлять наступні її результати:

- математичне, лінгвістичне й програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку напружено-деформованого стану та показників якості при виправленні розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг;

- практичні рекомендації та програмні засоби з автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів механічного обладнання для реалізації процесів виправлення розтягуванням із згином, що забезпечують підвищення якості при виробництві холоднокатаних стрічок і смуг;

- науково обґрунтовані рекомендації, спрямовані на розширення сфер застосування процесу виправлення розтягуванням із згином, зокрема для механічного зламу окалини в складі травильних агрегатів, виправлення сортових профілів зі складною формою поперечного переріза, а також для поліпшення механічних властивостей відпаленого металу без використання традиційних схем процесу дресирування;

- конструкції правильних установок, що дозволяють при мінімальних питомих капітальних витратах на створення нового обладнання реалізувати процес виправлення розтягуванням із згином у робочих клітях існуючих прокатних станів;

- запропоновані і апробовані рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту та підвищення якості холоднокатаних стрічок і смуг, а також на економію матеріальних ресурсів при вдосконаленні та модернізації діючих технологій і обладнання процесу виправлення розтягуванням із згином;

- запропоновані технологічні й конструктивні рішення, спрямовані на розширення сфер використання процесу виправлення розтягуванням із згином, що забезпечують зниження матеріальних витрат при виробництві готової металопродукції.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів і практичних рекомендацій і технічних рішень використані на АТ “Старокраматорський машинобудівний завод” (АТ СКМЗ), на “УкрНДІметалургмаш” (м. Слов'янськ), а також у Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) при реконструкції робочої кліті промислово-лабораторного стана 105/260х250. Основні положення дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Автоматизовані металургійні машини й обладнання” ДДМА при викладанні ряду спеціальних дисциплін і виконанні науково-дослідних, курсових і дипломних проектів студентами й магістрами спеціальності 8.090218 “Металургійне обладнання”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав теоретичні дослідження, розробив математичні моделі та програмні засоби з автоматизованого розрахунку напружено-деформованого стану металу і обладнання при виправленні розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг, виконав аналіз результатів їхньої чисельної реалізації. Сформулював науково обґрунтовані практичні рекомендації з удосконалення технологічних режимів роботи та обладнання правильних машин. Взяв участь у проектно-конструкторських роботах з модернізації промислово-лабораторного стана 105/260х250 ДДМА, розробив методику та виконав обробку результатів експериментів. Узагальнив отримані результати та взяв участь у їхньому впровадженні. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належить розробка, програмування та адаптація математичних моделей процесів виправлення розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг, аналіз отриманих результатів і їхнє узагальнення, постановка й рішення завдань з автоматизованого проектування відповідних технологій і обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи повідомлені і обговорені на Міжнародній науково-технічній конференції “Металургійне і прокатне обладнання” (м. Краматорськ, 1999), Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Перспективні технології і обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2001, 2002); на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові наукомісткі технології, обладнання і оснащення для обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 2004), на Міжнародній науково-практичній конференції “Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу” (м. Краматорськ, АТ НКМЗ, 2004), на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові методи і засоби дослідження процесів та машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2005), на науково-практичній конференції “Машинобудівний комплекс України. Стан і перспективи” (м. Маріуполь, 2005), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (2003-2007), а також на розширеному науковому семінарі кафедр ОМТ і АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2007).

Публікації. Матеріали й основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 19 статтях за науковою тематикою, з них 16 в 12 спеціалізованих відповідно до переліку ВАК України виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 250 сторінок, у тому числі 135 сторінок основного тексту, 68 рисунків і 1 таблиця на 69 сторінці, список використаних джерел з 233 найменувань і 3 додатки на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми та показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами й темами. Сформульовано поставлену мету і задачі, що розв’язуються, дана характеристика об'єкту, предмету та методів дослідження. Відзначено особистий внесок здобувача, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їхня апробація й промислове використання.

Технології, обладнання й методи розрахунку процесу
виправлення розтягуванням із згином (аналіз стану питання)

Розвиток промислового комплексу України неможливий без розширення сортаменту і підвищення якості продукції, яка випускається, у тому числі і продукції металургійних підприємств, значну частину якої становлять холоднокатані стрічки й смуги.

До дефектів по довжині відносять всі відхилення від прямолінійності в повздовжньому напрямку. На стрічках і смугах ці відхилення класифікуються хвилястістю або коробоватістю, якщо вони перебувають в одній із площин, яка перпендикулярна поверхні стрічки, і серпоподібністю, якщо ці відхилення розташовані в площині стрічки. Площинність – одна з найважливіших характеристик точності геометричних характеристик листової сталі й один з головних показників її технологічної придатності для наступної обробки в безперервних агрегатах цехів холодної прокатки і операцій листового штампування. Неплощинність і серпоподібність гарячокатаних смуг погіршують якість зварних швів, травмують смуги при змотуванні їх у рулон і розмотуванні на станах холодної прокатки. При холодній прокатці неплощинність ускладнює задавання смуги і є причиною обривів, а також утворення складок на смузі, що знижує довговічність робочих валків і зменшує продуктивність станів.

У розвиток теорії і практики виробництва високоякісних холоднокатаних стрічок і смуг істотний внесок внесли В.Д. Головлев, В.І. Дунаєвський, Ю.Д. Желєзнов, А.А. Корольов, В.Л. Мазур, Є.Н. Мошнін, М.І. Лисов, О. Мразовскі, В.Д. Нотченко, В.О. Ніколаєв, В.К. Пірсон, В.Ф. Потапкін, В.О. Самойлов, О.З. Слонім, А.Л. Сонін, В.С. Терентьєв, А.В. Третьяков, Г.Л. Хіміч, О.І. Целіков, а також ряд інших вчених и спеціалістів.

При цьому існуючі методи розрахунку дозволяють коректно оцінювати основні характеристики процесу виправлення розтягуванням із згином тільки тонких монометалевих стрічок і смуг з високими рівнями технологічних натяжінь, що забезпечують досягнення смугою кривизни твірних поверхонь правильних роликів. Не вирішені задачі виправлення розтягуванням із згином стрічок і смуг, що не досягають даної кривизни; виправлення багатошарових поліметалевих стрічок і смуг, у тому числі з покриттям; виправлення сортових профілів зі складною формою поперечного перерізу, а також задачі з безпосереднього прогнозування основних показників якості готового металопрокату.

Вибір напрямку й методів дослідження процесів
виправлення розтягуванням із згином і листового штампування

Як основний напрямок теоретичних і експериментальних досліджень в області технологій і обладнання процесу виправлення розтягуванням із згином варто розглядати підвищення ступеня наукової обґрунтованості технічних рішень, спрямованих на розширення сортаменту та підвищення якості готової металопродукції, а також на зниження її собівартості та забезпечення економії матеріальних ресурсів на всіх етапах промислового виробництва. При цьому в основу даних досліджень повинен бути покладений комплексний підхід, що припускає максимально повне урахування як можливих умов реалізації розглянутого процесу виправлення розтягуванням із згином, так і обсягів, а також ступеню вірогідності інформації, що надається в цьому випадку.

Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану металу проведені з використанням методів теорії пружності й пластичності, що включають метод чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевих форм умов статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів металу, отриманих шляхом розбивки стрічок і смуг, що оброблюються, по їхній товщині, поздовжній кривизні та ширині. Даний підхід досить широко використовується для дослідження процесів обробки металів тиском і дозволяє врахувати ряд факторів, що впливають на напружено-деформований стан (НДС) металу в процесі його пружно-пластичної формозміни. Стосовно до автоматизованого проектування технологій і обладнання, що припускає постановку та вирішення задач оптимізаційного плану, були використані елементи теорії дослідження операцій.

Уточнення вхідних передумов, а також оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і розроблених практичних рекомендацій були здійснені експериментально шляхом фізичного моделювання відповідних технологічних схем з використанням спеціально спроектованого та виготовленого обладнання. При цьому експериментальні дослідження НДС були проведені на основі методів тензометрії, а аналогічні дослідження основних показників якості – шляхом безпосереднього виміру геометричних характеристик, показників площинності і форми холоднокатаних стрічок і смуг, а також шляхом експертної оцінки якості одержаних з них штампованих виробів.

Чисельне математичне моделювання напружено-деформованого стану металу готової металопродукції при реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином

Двомірний аналіз механізмів формування напруженого та деформованого станів металу при виправленні розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг був проведений на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів металу в зоні його пружно-пластичної формозміни.

При цьому були уточнені та розширені алгоритмічні описи розподілів геометричних параметрів і механічних властивостей по довжині осередку деформації процесу виправлення розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг.

Використана в цьому випадку розрахункова схема містить у собі зону вхідного стану, зону попереднього розтягування, зону циклічного знакозмінного згину, ділянку виходу й розвантаження, а також зону результуючого стану смуги (рис. а).

Таким чином смуга, що має вхідну товщину , ширину , модуль пружності і коефіцієнт Баушингера матеріалу, вихідне значення його напруження текучості та значення початкової поздовжньої кривизни , попередньо навантажується натяжінням заданої величини , внаслідок чого вона стає плоскою. При проходженні через робочих роликів смуга піддається знакозмінному пружно-пластичному згину на кожному з них, при цьому, на відміну від існуючих методик, величини екстремальних значень кривизни смуги при контакті з кожним з робочих роликів не є відомими і для першого циклу ітераційної процедури розрахунку відповідають значенням кривизни твірних поверхонь відповідних роликів у випадку їхнього повного охвата смугою, тобто своїм максимально можливим значенням. За останнім роликом смуга під дією переднього натяжіння знову стає плоскою, а далі, після зняття зовнішнього навантаження, вона здобуває результуючого стану, який характеризується залишковою поздовжньою кривизною , а також залишковими розподілами механічних властивостей, напружень і деформацій.

З урахуванням розглянутої постановки й прийнятих допущень безпосередньо математичне моделювання складало наступну послідовність виконання окремих обчислювальних операцій:

- розбивка смуг, що піддаються виправленню розтягуванням із згином, на -і елементарні об’єми за кривизною та на -і елементарні об’єми за товщиною (див. рис. б);

- визначення геометричних координат і ступеня відносної деформації розтягування-стиску для кожного -го елементарного об’єму залежно від його геометричної координати , відносної деформації розтягування середнього шару і його поздовжньої кривизни ;

- розрахунок нормальних осьових напружень , залежних від показників деформації розтягування-стиску , а також від механічних властивостей матеріалу смуги з урахуванням його деформаційного зміцнення та наявності ефекту Баушингера;

- чисельне інтегрування нормальних осьових напружень з метою визначення інтегральних характеристик натяжіння і моментів згину ;

- організацію ітераційної процедури для визначення деформації середнього шару виходячи з умови статичної рівноваги всієї сукупності -их виділених елементарних об’ємів;

- організацію ітераційної процедури з розрахунку -ої кривизни смуги відповідно до умови її статичної рівноваги в міжроликовом просторі;

- організацію рекурентного переходу до розрахунку сукупності виділених елементарних об’ємів.

Аналіз отриманих розподілів показав, що в самому загальному випадку умов реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином залишкова деформація середнього шару смуги збільшується із зменшенням діаметра правильних роликів і із збільшенням їхньої кількості , а також зі збільшенням величини заднього натяжіння. При цьому у випадку, коли максимальна кривизна смуги не досягає кривизни твірних поверхонь робочих роликів, має місце кількісне зниження як локальних, так і інтегральних характеристик НДС при збереженні якісного характеру їхніх розподілів.

Аналогічна чисельна математична модель із додаванням розрахунку площі кожного -го елементарного об’єму з урахуванням його ширини була розроблена і стосовно до розрахунку процесу виправлення сортового металопрокату зі складною формою поперечного перерізу. Результати чисельної реалізації даної математичної моделі стосовно до процесу виправлення катанки із сталі 08кп наведені на рисунку 2, а з їхнього аналізу можна зробити висновок, що зі зменшенням діаметра робочих роликів і збільшенням їхньої кількості , а також зі збільшенням заднього натяжіння має місце однозначне збільшення залишкових деформацій та приведеної величини переднього натяжіння .

З урахуванням ідентифікації належності -го елементарного об’єму тому або іншому матеріалу з його фізико-механічними властивостями отримана чисельна математична модель була адаптована до розрахунку виправлення багатошарових поліметалевих смуг, у тому числі й смуг з тонкими та найтонкішими покриттями. Одержані в цьому випадку кількісні оцінки напружень і деформацій в поверхневих шарах були використані в якості критеріальних оцінок умови збереження цілісності зовнішніх шарів або покриття.

При цьому, крім виправлення багатошарових поліметалевих композицій, дана математична модель була адаптована й до умов реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином у складі безперервних травильних агрегатів для механічного зламу окалини на поверхнях гарячекатаних стрічок і смуг. Отримані в цьому випадку результати підтвердили достатній ступінь ефективності даної технологічної схеми як з погляду забезпечення необхідного ступеня механічного зламу окалини за рахунок створення відповідних ступенів деформації розтягування в поверхневих шарах, так і з погляду створення необхідних рівнів натяжінь.

В цілому, аналіз результатів чисельної реалізації отриманих двомірних математичних моделей показав досить складний характер розподілу локальних та інтегральних характеристик НДС металу в залежності від вхідних технологічних та конструктивних параметрів процесу виправлення розтягуванням із згином, що поряд з обсягом інформації, що надається, підтверджує доцільність використання розглянутого чисельного підходу.

Чисельне математичне моделювання основних показників якості готової
металопродукції при реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином

При реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином відносно тонких стрічок і смуг для усунення різного виду дефектів площинності і форми розроблені та ефективно використовуються ряд таких технологічних схем як перекошування, перехрещування та противовигин робочих роликів. У той же час відсутність підходів до оцінки впливу даних схем на основні показники якості смуг та стрічок обмежує їхнє використання в існуючих технологічних процесах. Відзначене зробило актуальним розробку математичних моделей для оцінки дефектів площинності і форми холоднокатаних стрічок і смуг, що враховують крім власне процесу виправлення розтягуванням із згином можливість зміни взаємного розташування робочих роликів. Використана в цьому випадку розрахункова схема представлена на рисунку , при цьому зміна взаємного розташування робочих роликів була задана у вигляді кутів перекошування осей робочих роликів у горизонтальній і вертикальній площинах, що дозволило при заданих кутах перекошування одержати поточні значення геометричних координат осей обертання робочих роликів , , і, відповідно, одержати довжини волокон в функції їхньої геометричної координати за шириною смуги, що оброблюється.

У загальному вигляді для будь-якої кількості роликів довжини волокон можуть бути отримані за наступною формулою:

(1)

де   загальна кількість робочих роликів, що мають -і порядкові номери;

,   геометричні координати центрів окружностей робочих роликів у їх -ому поперечному перерізі, що відповідає розбивці смуги за її шириною;  

радіуси відповідних робочих роликів, що враховують їх нецилиндричність внаслідок похибок виготовлення, монтажу і зношування.

В основу математичного моделювання таких показників якості як хвилястість, коробоватість і серпоподібність одержаних стрічок і смуг була покладена двомірна математична модель, організована для кожної -ї ділянки, отриманої шляхом розбивки смуги за її шириною. Крім власне розбивки за шириною, алгоритмічна послідовність тривимірного математичного моделювання містила в собі:

- визначення вихідних -их за шириною довжин волокон залежно від вихідних показників дефектів площинності та форми, а разом із цим і розрахунок розподілів напружень заднього натяжіння ;

- чисельна реалізація двомірної математичної моделі стосовно до кожного -го елементарного об’єму з виходом на результуючі напруження і відносні подовження кожної -ої ділянки;

- перерозрахунок розподілу напружень за шириною смуги з урахуванням співвідношення довжин волокон, що змінилося, і настроювання робочих роликів, яке обумовлено рівнянням (1);

- організація чисельного рекуррентного рішення -их елементарних об’ємів для наступних поперечних перерізів стрічок і смуг, що піддаються виправленню розтягуванням із згином;

- розрахунок результуючих показників дефектів площинності та форми залежно від розрахункових значень кінцевих довжин -их волокон за шириною.

Аналіз отриманих у цьому випадку результатів показав, що при використанні трьохроликової системи найбільш ефективним, з погляду зниження серпоподібности, є керування положенням другого робочого ролика у вертикальній площині. При цьому необхідні кути перекошування цього ролика перебувають у межах 1, де більші значення діапазону відповідають виправленню стрічок і смуг меншої ширини.

Аналогічний підхід був реалізований і стосовно до аналізу показань стресометричних систем, які використовуються як джерела інформації про вихідні та результуючі показники дефектів площинності та форми.

Експериментальні дослідження процесів виправлення розтягуванням із згином і
осесиметричного витягування плоскої заготовки

З метою оцінки ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень на промислово-лабораторній трьохроликовій та лабораторній семироликовій установках кафедри АММ ДДМА були проведені експериментальні дослідження процесів виправлення розтягуванням із згином відносно тонких стрічок. На спеціально спроектованому та виготовленому трьохроликовому правильному пристрої (рис. ), який було встановлено замість вузла робочих і опорних валків промислово-лабораторного стану 105/260x250 ДДМА, виправленню розтягуванням із згином піддавали латунні стрічки товщиною 1.0…1.5 мм і шириною 60 мм, а також стрічки зі сталі кп без покриття та із цинковим покриттям товщиною 0.5…1.5 мм і шириною 50…80 мм. Безпосередньо процес виправлення було здійснено на швидкості 0.3 м/с, при цьому інтегральну величину заднього натяжіння, яке створювалося відповідною моталкою, варіювали в діапазоні 0.5…4.5 кН, що відповідало реальному діапазону змін питомих натяжінь у промислових умовах.

У процесі експерименту вимірювали величини заднього й переднього натяжінь, а також відносне подовження, для чого на вихідну стрічку попередньо наносили риски з кроком 1000 мм.

Отримані в цьому випадку результати, які проілюстровані рисунком 5, підтвердили достатній ступінь вірогідності розроблених чисельних математичних моделей.

Зокрема, середні вибіркові значення співвідношень розрахункових і емпіричних характеристик у цьому випадку перебували в діапазоні 0.96…1.01, а мінімальні і максимальні межі довірчих інтервалів зміни даних співвідношень дорівнювали 0.91 і 1.05. Аналогічні результати були отримані і на семироликовій правильній машині, яка має діаметри робочих роликів 15 мм.

Крім того, у рамках проведення експериментальних досліджень, із гарячекатаних стрічок із підвищеною серпоподібністю, що перевищувала припустиму в 2...3 рази, була зроблена дослідно-промислова партія стрічкових заготовок для наступної прокатки сталі різачної. При цьому використання процесу виправлення розтягуванням із згином відповідно до рекомендованих технологічних режимів дозволило знизити серпоподібність в 3...5 разів.

Крім того, з метою оцінки споживчих властивостей стрічок і смуг, одержаних при виправленні розтягуванням із згином, була створена експериментальна установка для осесиметричного витягування плоских заготовок. Усього було відштамповано близько 1000 виробів із заготовок, отриманих як після виправлення розтягуванням із згином, так і після дресирування в робочих валках прокатного стана 105/260х250 ДДМА. При цьому вихід придатного із заготовок після виправлення розтягуванням із згином був на 6...8% вище.

Розробка рекомендацій з удосконалювання й автоматизоване проектування технологій і обладнання процесів виправлення розтягуванням із згином стрічок і смуг

Розроблені математичні моделі процесу виправлення розтягуванням із згином відносно тонких смуг та стрічок, достатній ступінь вірогідності результатів чисельної реалізації яких був підтверджений експериментально, дозволили проаналізувати вплив технологічних і конструктивних параметрів та основні результуючі характеристики даного процесу. У якості варіюємих вихідних параметрів у цьому випадку розглядали питому величину напружень заднього натяжіння, діаметр і кількість робочих роликів, а також показники вихідних дефектів площинності й форми. У якості ж досліджуваних характеристик використали величину питомих напружень переднього натяжіння, локальних і інтегральних характеристик НДС, а також результуючі показники хвилястості, коробоватості та серпоподібності.

Отримані в цьому випадку градієнтні оцінки дозволили сформулювати та вирішити задачі з автоматизованого проектування технологічних і конструктивних параметрів процесу виправлення розтягуванням із згином. При цьому в якості критериальных оцінок використали:

- забезпечення необхідних рівнів і характеру розподілу за товщиною результуючих механічних властивостей, а також забезпечення необхідних показників дефектів площинності та форми виходячи з умови досягнення необхідних деформаційних характеристик;

- забезпечення необхідних відносних деформацій розтягування поверхневих шарів відповідно до умов механічного зламу окалини;

- забезпечення умов реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином без руйнування поверхневих шарів покриття.

Рішення відповідних завдань автоматизованого проектування було виконано на основі цілеспрямованого перебору варіантів, а програмне забезпечення реалізоване алгоритмічною мовою С++ і Objectстосовно до ЭBM стандарту IBM.

Крім того, стосовно до гами реверсивних стрічкопрокатних станів з довжиною бочки робочих валків 200…500 мм були запропоновані конструкції вузлів робочих і опорних роликів, що забезпечують можливість реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином за рахунок заміни тільки вузлів робочих і опорних валків.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки з розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також з вдосконалювання технологій і обладнання процесу виправлення розтягуванням із згином відносно тонких смуг та стрічок та вирішенню на цій основі актуальних задач, які мають практичне значення та спрямовані на підвищення техніко-економічних показників агрегатів обробки прокату.

1. На основі урахування можливості невідповідності кривизни смуги та кривизни твірних поверхонь робочих роликів, наявності багатошарових поліметалевих композицій і покриттів, наявності поперечних перерізів заготовки складної форми, а також урахування реального характеру розподілів фізико-механічних властивостей як по товщині, так і по довжині смуги, яка оброблюється, уточнені і розширені двомірні чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу при реалізації процесів виправлення розтягуванням із згином.

2. За рахунок розбивки стрічок і смуг за їхньою шириною та наступних спільних геометричних і силових рішень розроблена тривимірна математична модель, що дозволяє прогнозувати такі дефекти площинності і форми, як хвилястість, коробоватість і серпоподібність залежно від вхідних технологічних параметрів і налаштування робочих роликів.

3. Достатній ступінь вірогідності розроблених математичних моделей підтверджений експериментально, у тому числі з використанням спеціально розробленого та виготовленого обладнання. При цьому, середні вибіркові значення співвідношень розрахункових і емпіричних характеристик перебували в діапазоні , а мінімальні та максимальні границі довірчих інтервалів зміни даних співвідношень були рівні і . Крім того, в рамках експериментальних досліджень здійснено виправлення дослідно-промислової партії стрічок для подальшої холодної прокатки сталі різачної. Підтверджена також можливість використання процесу виправлення розтягуванням із згином замість традиційних схем процесу дресирування стосовно до виробництва заготовок для наступних операцій листового штампування.

4. На основі аналізу результатів чисельної реалізації отриманих двомірних і тривимірної математичних моделей установлено:

- підвищення деформаційних характеристик одержаних при виправленні розтягуванням із згином стрічок і смуг може бути забезпечено за рахунок збільшення заднього натяжіння, а також за рахунок зменшення діаметра і збільшення кількості робочих роликів;

- з погляду забезпечення механічного зламу окалини за рахунок відповідної деформації розтягуваггя поверхневих шарів необхідним є використання питомих напружень заднього натяжіння у діапазоні 0.15…0.30 при співвідношенні діаметрів робочих роликів і товщини смуг, що оброляються, 30…50;

- з погляду мінімізації результуючої серпоподібності при використанні трьохроликової правильної системи найбільш доцільним є регулювання положенням другого ролика у вертикальній площині, при цьому необхідні кути перекосу відповідають , де більше значення зазначеного діапазону ставляться до виправлення стрічок і смуг мінімальної ширини.

5. На основі результатів аналізу впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів з використанням різних критеріальних оцінок сформульовані і вирішені задачі з автоматизованого проектування рівнів заднього натяжіння, діаметра та кількості робочих роликів, що забезпечують необхідні показники площинності і форми, рівень та характер розподілу механічних властивостей, мінімізацію дефектоутворення стрічок і смуг з покриттями, а також необхідний ступінь зламу механічної окалини при використанні даного процесу в складі безперервних травильних агрегатів.

6. Розроблено варіанти конструктивних виконань вузла правильних роликів, що забезпечують реалізацію процесу виправлення розтягуванням із згином відностно тонких стрічок і смуг на діючих реверсивних стрічкопрокатних станах.

7. Результати роботи у вигляді програмних засобів, практичних рекомендацій і технічних рішень були використані на АТ СКМЗ, “УкрНДІметалургмаш”, а також в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) при реконструкції робочої кліті промислово-лабораторного стана 105/260х250.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Одномерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при правке проволоки растяжением с изгибом / А.В. Сатонин, С.Ю. Саплин, И.Д. Шеремет, В.Д. Нотченко // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 1999. – С. .

2. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при реализации процесса правки растяжением / В.И. Дунаевский, В.И. Рындяев, С.Ю. Саплин, А.В. Герасименко, Ю.В. Фоменко, С.А. Колесников // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ: ДДМА, 2000. – С. 97-102.

3. Сатонин А.В. Математическое моделирование основных показателей плоскостности и формы холоднокатаных полос на основе показаний стрессометрических систем прокатно-отделочных агрегатов / А.В. Сатонин., А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2000. – С. 350-352.

4. Потапкин В.Ф. Одномерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния холоднокатаных лент и полос при их формировании в рулон / В.Ф. Потапкин, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2001. – С. 481-484.

5. Математические модели по автоматизированному расчету процесса правки растяжением листового металлопроката / В.Д. Нотченко, В.И. Рындяев, А.Б Егоров., С.Ю. Саплин, А.В. Герасименко, А.Ю. Коляда // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Хмельницький: ДДМА, 2002. – С. 244-249.

6. Герасименко А.В. Методы расчета показателей формы и плоскостности относительно тонких лент и полос с учетом их формирования в рулон на станах холодной прокатки / А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин, П.П. Черненко // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Хмельницький: ДДМА, 2002. – С. 268-273.

7. Завгородний В.Г. Численное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при правке труб изгибом / В.Г. Завгородний, Д.В. Завгородний, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2002. – С. 452-456.

8. Выбор рациональных уровней технологических натяжений при прокатке и отделке относительно тонких холоднокатаных лент / В.Д. Нотченко, С.К. Добряк, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. 189-192.

9. Экспериментальные исследования плоскостности и формы холоднокатаных лент при их растяжении с изгибом на участке намоточно-натяжных устройств прокатных и отделочных агрегатов / В.Д. Нотченко, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин, С.А.Гуськов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слав’янськ: ДДМА, 2003. – С. 178-181.

10. Доброносов Ю.К. Математическое моделирование сопротивления деформации металлов и сплавов при реализации процессов их холодной обработки давлением / Ю.К. Доброносов, С.Ю. Саплин, А.Н. Козняков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С. 474-477.

11. Уточненный метод расчета параметров процесса правки на многороликовых машинах / В.В. Тимченко, А.Б. Егоров, С.Ю. Саплин, О.А.Титаренко // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С. 495-499.

12. Сатонин А.В. Совершенствование состава и уточнение исходных данных на проектирование механического оборудования участка намоточно-натяжных устройств станов холодной прокатки / А.В. Сатонин, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр. – Вип.8. – Маріуполь, 2005. – С. 50-54.

13. Математическое моделирование механизма формирования остаточных напряжений при реализации процессов теплой прокатки и дрессировки относительно тонких лент, листов и полос / Т.А. Кулик, С.Ю. Саплин, С.В. Лукьянов, А.А. Файчак // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 154-156.

14. Развитие и анализ методов расчета процессов правки растяжением с изгибом при взломе механической окалины / С.Ю. Саплин, А.В. Герасименко, О.А. Титаренко, С.В. Лукьянов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 193-196.

15. Сатонин А.В. Напряженно-деформированное состояние во фланце многослойной полиметаллической листовой заготовки при осесимметричной вытяжке / А.В. Сатонин, С.Ю. Саплин, А.А. Сатонин // КШП– ОМД – М.:2006. - №2. – С.9-14.

16. Разработка программного обеспечения расчета напряженно-деформированного состояния при реализации процесса правки оцинкованых лент и полос растяжением с изгибом / Сатонин А.А., Саплин С.Ю. // Вісник ДДМА. – Краматорськ: ДДМА, 2006. - №1Е(6). – С.152-156.

17. Нотченко В.Д. Математическое моделирование НДС и основных показателей качества при реализации процессов правки многослойных полиметаллических лент, листов и полос растяжением с изгибом / В.Д. Нотченко, С.Ю. Саплин, С.Ю. Нудель // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – С.24.

18. Разработка рекомендаций по автоматизированному проектированию и совершенствованию технологических режимов работы участка намоточно-натяжных устройств станов холодной прокатки / А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – С.35.

19. Методика и экспериментальные исследования изменения геометрических параметров полосы при реализации процесса дрессировки многослойных полиметаллических лент / С.Ю. Саплин, С.Ю. Нудель // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – С.39

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві

[1,2,5,7,11,14,16,17] - уточнені, розширені й програмно реалізовані математичні моделі НДС при реалізації процесу виправлення розтягуванням із згином стосовно до різних технологічних схем;

[3,6] - розроблені програмні засоби для математичного моделювання основних показників площинності;

[4,12,18] - уточнені, розширені й адаптовані математичні моделі формування НДС стосовно до умов реалізації виправлення на обвідних роликах моталок;

[8] - проведений аналіз впливу умов подальшої обробки холоднокатаного металопрокату на вибір раціональних рівнів передніх і задніх натяжінь;

[9,19] - розроблена методика експериментальних досліджень площинності й форми металопрокату при виправленні розтягуванням із згином, проведена обробка отриманих результатів та їхній аналіз;

[10] - розроблена математична модель опору деформації металів і сплавів за допомогою методу найменших квадратів;

[13,15] - проаналізований механізм формування НДС при реалізації