ДЕРЖАВНИЙ АЕРОКОСМIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

IМ. М.Є.ЖУКОВСЬКОГО “

ХАРКIВСЬКИЙ АВIАЦIЙНИЙ IНСТИТУТ”

Юрченко Олександр Анатолiйович

УДК 621.771. 63: 621.961. 2

РОЗРОБКА, ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ

ТЕХНОЛОГІЇ ВАЛКОВОГО ФОРМУВАННЯ ГНУТИХ ПРОФІЛІВ

З ПРОСIЧНО-ВИТЯЖНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

Спецiальнiсть 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2000

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Харкiвському державному полiтехнiчному унiверситетi Мiнiстерства освiти i науки України.

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор

Євстратов Вiталiй Олексiйович,

Харкiвський державний

полiтехнiчний унiверситет

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор

Борисевич Володимир Карпович,

Мiжнародний науково-дослiдний центр

нових технологiй i матерiалiв (м. Харкiв),

директор

кандидат технiчних наук

Горницький Олександр Якович,

Науково-дослiдний iнститут технологiї

машинобудування (м. Харкiв),

завiдувач вiддiлу

Провiдна установа: Схiдноукраїнський державний унiверситет

Мiнiстерства освiти i науки

України (м. Луганськ)

Захист вiдбудеться “6” жовтня 2000 р. о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 64.062.04 у Державному аерокосмiчному унiверситетi iм. М.Є. Жуковського “Харкiвський авiацiйний iнститут” за адресою: 61070, Харкiв, вул. Чкалова, 17.

З дисертацiєю можна ознайомитися в бiблiотецi Державного аерокосмiчного унiверситету iм. М.Є. Жуковського “Харкiвський авiацiйний iнститут”.

Автореферат розiсланий 5 вересня 2000 р.

Вчений сектетар

спецiалiзованої вченої ради Д 64.062.04

кандидат технiчних наук, професор Корнiлов Г.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним iз пріоритетних напрямків виведення вітчизняної металопродукцiї на рівень матерiало- і енергоємностi, досягнутий у розвинених країнах з ринковою економікою, є вдосконалення iснуючих та створення нових технологій валкового формування – найбільш продуктивного й економiчного способу виготовлення профiлiв з листового металу, якi використовуються в багатьох типах металоконструкцiй.

Застосування просiчних гнутих профілів замість рифленої сталi, яка традиційно використовується для влаштування пішохідних настилiв і сходiв у промисловому будівництві, забезпечує значне поліпшення експлуатаційних властивостей конструкцій, пiдвищує їх надійність і безпечнiсть. Однак випуск таких профілів обмежений через недоліки способiв їх виробництва: штампування на універсальних пресах (основний спосiб) дороге й малопродуктивне, спеціалізовані поточнi лінії з використанням пресів-автоматів вимагають значних початкових капiталовкладень, не забезпечуючи при цьому достатньої гнучкості технології.

Найбільш раціональним способом виробництва просiчних профілів є валкове формування, яке, порівняно зі штампуванням, забезпечує підвищення продуктивності в 3...4 рази, можливість отримання великогабаритних профілів значно бiльшої (практично якої завгодно) довжини, істотне здешевлення продукції. Однак у науково-технічній та патентнiй літературі відсутні вiдомостi щодо будь-якої апробованої промислової технології валкового формування просiчних профілів iз заготовки завтовшки понад 0,2 мм; немає також нi відомостей про теоретичний аналіз і експериментальні дослідження цього процесу, нi рекомендацiй вiдносно його проектування. Цим зумовлюється необхідність проведення даної роботи і підтверджується її актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота проведена автором у рамках комплексної НДР за напрямком “Розробка високопродуктивних матерiало- та енергозбережувальних технологiчних процесiв обробки тиском, конструювання високостiйких штампiв, створення САПР в ОМТ”, яка виконувалась на кафедрi обробки металiв тиском ХДПУ на госпдоговорнiй та держбюджетнiй основi. Дослiдно-практична частина роботи виконана на устаткуваннi Українського державного НДI металiв.

Мета i задачi дослiдження. Мета роботи – розробка науково обгрунтованої технології валкового формування гнутих профілів з просiчно-витяжними елементами, їх першочергового сортаменту, методик вибору необхідного профiлезгинального обладнання і конструювання валкового інструменту.

Вiдповiдно до цього в роботі були поставлені і вирішені такі задачі:

- розроблений першочерговий сортамент нового типу гнутих профілів з просiчно-витяжними елементами (ПВЕ);

- теоретично досліджений процес формування ПВЕ;

- проведені в лабораторних i промислових умовах експериментальні дослідження напружено-деформованого стану металу та енергосилових параметрiв процесу;

- узагальнені результати теоретичного аналізу й оцінена його точність;

- розроблена, випробувана та впроваджена технологія валкового формування профілів з ПВЕ;

- розроблені методичнi рекомендації щодо реконструювання iснуючих i створення нових спецiалiзованих профiлезгинальних агрегатiв (ПЗА) для вироблення просiчних профілiв, конструювання валкового iнструменту, а також практичні пропозиції стосовно промислового освоєння цього нового виду металопрокату;

- оцінена економічна ефективнiсть впровадження результатів роботи.

Об'єкт дослiдження – широкий клас просiчних профiлiв, використовуваних, зокрема, в будiвництвi, якi до останнього часу виготовлялися лише малопродуктивними способами листового штампування.

Предмет дослiдження – першочерговий сортамент просiчних гнутих профiлiв; математичнi моделi та лабораторно-промисловi випробування процесiв їх формоутворення; методики проектування технологiчного процесу валкового формування; конструювання валкового iнструменту.

Методи дослiдження. Метод скiнченних елементiв використано для теоретичного аналiзу процесу формоутворення просiчно-витяжних елементiв, метод вимiрювання твердостi та мiкротвердостi – для дослiдження напруженого стану, метод фiзичного моделювання – для визначення силового режиму та метод тензометрiї – для вимiрювання технологiчних зусиль та крутних моментiв.

Наукова новизна одержаних результатiв полягає в тому, що:

- вперше проведено експериментальне дослідження формозмiни металу при формуваннi просiчно-витяжних елементiв i вивчено розподiл деформацiй, на основi чого стає можливим визначення граничної форми цих елементiв;

- вперше виконано теоретичний аналiз, що висвiтлив особливостi формування осередку деформацiї та силовий режим процесу;

- створено новий алгоритм та програму розрахункiв, що дало можливiсть визначити енергетичні та мiцнiснi характеристики обладнання, необхідного для виготовлення профілів з ПВЕ;

- на основi комплексу теоретичних i експериментальних дослiджень вперше визначенi технологічні параметри валкового формування цих профiлiв.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- розробка першочергового сортаменту профілів з ПВЕ та технічних вимог до них дозволяє визначити профiлi, якi можуть бути виготовленi високопродуктивним способом валкового формування;

- універсальний алгоритм і комп'ютерна програма забезпечують визначення роботи, зусилля деформування та крутного моменту, необхідних для формування профiлю;

- запропонована методика комплексних експериментальних досліджень дозволяє визначати напружено-деформований стан металу й енергосиловi параметри процесу валкового формування профілів з ПВЕ i на цiй основi оцiнювати можливiсть отримання тих чи iнших профiлiв i вибирати обладнання, необхiдне для їх виготовлення;

- створена методика конструювання просiчного валкового інструменту, використання якої забезпечує його технологiчнiсть, працездатнiсть та високу точність елементів, що формуються.

Результати дослiджень та рекомендації щодо реконструкцiї технологічного обладнання для виробництва профілів з ПВЕ використанi на ПЗА 1...4х50...300 Магнiтогорського металургійного комбінату, де запроваджена технологія виробництва двох типів сходових східців з ПВЕ протиковзання. Металургійним комбінатом “Запорiжсталь” прийнято до впровадження технологію виробництва пішохідних настилiв, розроблену для стана 1...4х400...1500 цього комбінату. Результати роботи використані також при освоєнні на станi 1...4х50...300 ВАТ “Днiпропетровськметалопром” просiчного профілю типу “палета” та на станi ВАТ “Пiвденкольорметгазоочищення” при виробництвi спецiального гнутого профiлю для коронуючих електродiв газоочищувальних споруд.

Особистий внесок здобувача складають:

- розробка математичної моделі процесу формозмiни заготовки i комп'ютерних програм розрахунку геометрії отримуваних ПВЕ та енергосилових параметрів їх формування;

- постановка i проведення експериментiв та аналіз їх результатів;

- розробка методики конструювання профілів з ПВЕ та основної частини їх сортаменту;

- розрахунок калiбровки і проектування валкiв для виробництва профілів пішохідних настилiв НПП-660, сходових східців СЛП-170-1 та СЛП-200-1;

- розробка промислової технології виробництва вказаних профілів;

- участь у промисловому впровадженнi розробленої технологiї.

Апробація результатiв дисертацiї. Основні положення та результати роботи повідомленi й обговорені на науково-технічній конференції "Проблеми розвитку наукоємних і маловiдходних процесів обробки металів тиском", яка вiдбулася 24-26 лютого 1997 р. в м. Краматорську на базі Донбаської державної машинобудівної академії (ДДМА) i АТ "Новокраматорський машинобудівний завод"; на щорiчних мiжнародних науково-технiчних конференцiях MicroCAD Iнформацiйнi технологiї: наука, технiка, технологiя, освiта, здоров`я (м.Харкiв, 1995-1997 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 друкованих робіт: дві статті в наукових журналах, п`ять статей у збірках наукових праць, - а також тези трьох доповiдей на конференціях.

Структура i обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, додаткiв. Повний обсяг роботи 187 стор. Обсяг основного тексту 120 стор. Загальна кiлькiсть iлюстрацiй – 66 (з яких 60 розмiщенi на окремих сторiнках), 6 таблиць, 12 додаткiв, список використаних лiтературних джерел із 104 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульованi мета й задачі роботи, зроблено оцінку наукової новизни отриманих результатів та їх практичного значення, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділi на основi аналізу науково-технічної та патентної літератури встановлено, що за останні 20 років як в Україні й Росії, так і в промислово розвинених країнах дальнього зарубiжжя значно зросла кількість технічних рішень, спрямованих на розширення областi використання просiчних профілів, у тому числі з ПВЕ, розробку нових конструктивних форм таких профiлiв, а також способів та пристроїв для їх виробництва. Однак в доступних джерелах немає даних про будь-яку апробовану промислову технологію отримання просiчних профілів валковим формуванням, хоча саме воно є найбільш ефективним способом виробництва гнутих профілів взагалі. Немає також нi відомостей щодо теоретичного аналізу та експериментальних досліджень цього процесу, нi вказівок вiдносно його проектування. Описанi спроби здійснення валкового формування просiчних профілів з листа завтовшки понад 0,2 мм, однак промислову технологію не було реалiзовано через жолоблення готових виробів, виникнення задирок у місцях просiчок.

На основi аналізу стану питання показано, що для організації промислового виробництва профілів з ПВЕ валковим формуванням необхідно виконати комплекс теоретичних та експериментальних досліджень напружено-деформованого стану металу й енергосилових параметрів цього процесу, визначити оптимальну форму ПВЕ, їх раціональне розміщення на профілі, розробити та впровадити промислову технологію виготовлення цього нового виду металопрокату на існуючих і створюваних нових (спеціалізованих) ПЗА.

Другий розділ. Розроблено методику конструювання профiлiв з ПВЕ, яка передбачає виконання ряду вимог до їх технологiчностi з точки зору форми i розташування ПВЕ з урахуванням специфiки їх виготовлення валковим формуванням. Визначенi також технічні вимоги, дотримання яких повинно забезпечити високу якість і конкурентоздатнiсть просiчних профiлiв.

З використанням цiєї методики розроблений першочерговий сортамент профілів з ПВЕ, що включає чотири профілi сходових східців, два типо-розмiри настилiв перехідних площадок, настили пiдлоги промислових будов, будівельних лiсiв та профіль типу "палета" для сушильних рамок цегельних заводів. Основні типи пішохідних настилiв і східців показані на рис. 1.

Усі профілі настилiв і два профiлi сходових східців унiфiкованi за формою та взаємним розташуванням ПВЕ і можуть бути виготовлені з використанням одного комплекту просiчно-витяжних валкiв, що значно знижує вартість освоєння їх виробництва.

Рис. 1. Основні типи розроблених профілів

настилiв i східців з ПВЕ

У третьому розділi подано результати теоретичного аналізу процесу формування ПВЕ.

З метою з`ясування характеру взаємодiї iнструмента й заготовки при валковому формуваннi ПВЕ, а також прийняття та обгрунтування передумов i припущень, необхiдних для створення адекватної математичної моделi цього процесу, проведено його кiнематичний аналiз, який показав, що випередження заготовки пуансоном у точцi його найбiльшого заглиблення не перевищує 2,5%. Таке випередження не справляє iстотного впливу на енергосиловi параметри процесу i форму отримуваних ПВЕ. Це дозволило при математичному моделюваннi розглядати процес валкового формування ПВЕ як штампування, тобто використовувати схему з вертикальним перемiщенням iнструмента.

В результаті аналiзу відомих методiв теоретичного дослідження процесів ОМТ встановлено, що в даному випадку найбільш раціонально використовувати для математичного моделювання метод скінченних елементів (МСЕ). Це дозволяє уникнути математичних труднощів, якi виникають при вирішенні цiєї задачі іншими методами, і створити універсальний алгоритм, придатний для аналізу формування ПВЕ різноманітної форми.

Розроблено програму розрахунку на персональному комп'ютерi (ПК) з використанням МСЕ геометричної форми отримуваного ПВЕ, роботи і зусилля деформацiї, необхідних для його формування.

Постановка задачі полягає в тому, що потрiбно знайти переміщення й деформації, виходячи з умови мінімуму повної енергії деформацiї П і закону постійності об’єму в диференціальній формі:

; (1)

, (2)

де – напруга текучості;

– інтенсивність деформації;

– зусилля деформування одного (i-го) СЕ;

,, – компоненти переміщення цього СЕ;

– його абсолютне перемiщення;

– площа поверхнi осередку деформації;

– об`єм осередку деформацiї.

Важливими передумовами є, крім того, неперервність функцій , , і виконання граничних умов для них, а також умови сумiсностi деформацiй.

Відомо, що при дотриманні перелiчених умов може бути застосований варіаційний принцип, згiдно з яким дійсне рішення відповідає мінімальному прирощенню енергії П. Для такого рішення варіація енергiї серед допустимих варіацій переміщень П=0.

Застосована в роботі нова, нетрадицiйна модифiкацiя МСЕ дозволяє збільшити точність розрахунків при аналізі процесів з вільними межами – листового штампування, профiлювания тощо. Це досягається зміною конструкції базисних функцій, якi приймають неперервнi значення у вузлах сумiжних елементiв, але для цих функцiй зв`язок перемiщень i деформацiй, а також умова постiйностi об`єму є наближеними. Це знижує точнiсть розрахунку на кожному окремому етапi, проте оскiльки для кожної форми вiльної межi потрiбний тiльки один етап розрахунку, зменшується накопичення погрiшностi при розрахунках, завдяки чому сумарна погрiшнiсть, як правило, значно менша, нiж при використаннi класичного методу.

Припустимо, що на метал нанесено регулярну, наприклад прямокутну, сітку. Треба визначити її вигляд після деформації з урахуванням умов, перелiчених при постановцi задачі. Число елементiв у сітці до і після деформації одне й те ж. При будь-якому переміщенні вузла сітки автоматично переміщуються й межi сусідніх елементiв, тобто розриви виключенi. Таким чином, умова сумiсностi деформацій виконується. Умова постійності об`єму дотримується шляхом мiнiмiзацiї квадратичного вiдхилу для кожних чотирьох суміжних елементiв, що сходяться в спiльнiй (вузловiй) точцi:

(3)

де – об’єм кожного елемента до деформації;

S1 - S4 – площі поверхні СЕ;

t1 - t4 – товщини СЕ.

При чисельній реалізації алгоритму на ПК на заданiй області будуємо вихідну сітку СЕ. Після цього вводимо математичний опис поверхні використовуваного інструмента.

Площі елементів сітки на цьому етапі рiзнi (рис. 2, а), а їх кiлькiсть може бути й далекою від необхідної для вирішення даної задачі. В процесі розрахунку кiлькiсть елементiв сiтки (тобто її частота) оптимiзується.

а б

Рис. 2. Сітки скінченних елементів:

а – неоптимiзована, б – оптимiзована

Задачу вирішуємо методом градiєнтного спуску за декілька iтерацiй. Кожна iтерацiя складається з двох етапів. На першому етапі для кожних чотирьох суміжних елементiв мiнiмiзується відхил Ф. Обхід усіх внутрiшнiх точок області виконується три рази.

Другий етап – мiнiмiзацiя роботи деформації для кожних чотирьох сумiжних елементiв:

, (4)

де – інтенсивність деформацій у кожному з елементiв;

– напруження текучості, що дорiвнюють

( – модуль змiцнення).

При мiнiмiзацiї обхід усіх точок області робиться один раз. Потім виконується перший етап наступної iтерацiї, і т. д. Всього iтерацiй має бути стільки (до 300), щоб порушення умови постiйностi об`єму були мiнiмальними, а зона їх затухання розповсюджувалася на можливо більші відстані. Вигляд сітки СЕ після її оптимiзацiї показаний на рис. 2, б.

Зусилля деформації розраховували за формулою

, (5)

де – мінімiзована повна робота деформації, яка відповідає

розрахунковiй сітці скінченних елементів;

hср – середня висота переміщення площадки прикладення зусилля:

, (6)

де – сума координат в області ПВЕ;

k – число СЕ у цій же області.

Описана методика дозволяє розраховувати зусилля, необхідні для розтягування та гнуття. В осередку деформації при формуваннi ПВЕ виконується також операція розділення. Її схема достатньо проста i дозволяє з необхідною точністю (що підтверджено експериментально) визначати зусилля розрiзування за довідковими формулами. Крутний момент, необхідний для валкового формування ПВЕ, визначали з урахуванням повної роботи деформації Аmin згiдно з залежнiстю

, (7)

де m – число ПВЕ в перерiзi профiлю;

– кутова швидкість обертання валкiв, 1/с;

– час, необхідний для повного вiдформування елемента, c.

Потужність приводу обладнання визначали за формулою

, (8)

де – момент сил тертя в підшипниках валкiв, Нм;

– момент втрат у передачі, приведений до валу двигуна, Нм;

– швидкість валкового формування профілів з ПВЕ, м/с;

– основний діаметр валкiв, м.

За розробленою методикою проаналізовано процес формування на дослiдному станi 550 УкрНДIмету першого прийнятого до освоєння профiлю просiчного настилу НПП-660. Встановлено, що цей профіль може бути виготовлений також на ПЗА 1...4х400... 1500 “Запорiжсталi”.

У четвертому розділi наведено результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану металу в осередку деформації та енергосилових параметрів технологічного процесу.

Компоненти напружено-деформованого стану металу визначені з використанням одного iз структурно-спадкових методів – методу вимірювання твердості, а для контролю коректностi проведення експериментів i отримання більш повної інформації досліджено також стоншення металу в осередку деформації.

Встановлено залежність між твердістю HV, інтенсивностями деформацій

ei і напружень i. Отримано градуювальнi графiки і побудовано номограму для визначення інтенсивності напружень i. Експериментально отримано графік розподiлу в осередку деформацiї твердості HV (рис. 3), а за допомогою номограми – також графіки розподілу інтенсивності деформацiй ei та напружень i, за характе-

ром аналогічні вихідному графіку Рис. 3 Графiк розподiлу твердостi

розподілу твердості: всі криві мають HV в поздовжньому перерізi

два екстремуми на ділянках сполучен- ПВЕ

ня дуг рiзних радіусів. Виміри стоншення металу в осередку деформації дали графік його розподілу такого ж вигляду, що свідчить про коректнiсть постановки експериментів. Деформацiї не розповсюджуються за межi ПВЕ. Збiльшення твердостi на 20% у верхнiй частинi елементiв, вiдповiдальнiй за забезпечення властивостей протиковзання, позитивно позначається на стiйкостi проти спрацювання та довговiчностi виробiв.

Енергосиловi параметри формування нових профілів вимiрювали електротензометричним методом при освоєннi технології виробництва настилу НПП-660 на дослiдно-промисловому станi 550 УкрНДIмету. Розроблено та проведено експерименти, якi дозволили визначити зусилля і крутнi моменти при формуваннi профілю в цілому, окремих ПВЕ, а також вiдбортовок. Виміряно крутний момент тертя в підшипниках.

Побудовано графіки зміни зусиль деформування (рис. 4) та крутних моментів у процесі формування профілю. Графіки мають циклічний характер. В кожному циклі присутнi три максимуми – вони вiдображують три характернi фази процесу, пов'язані з закінченням формування рiзного числа ПВЕ в поперечному перерізі профілю.

Розроблений і проведений модельний експеримент. Зусилля формування ПВЕ виміряні на лабораторному гідропресі з використанням спеціально сконструйованого оснащення та інструменту. Розбіжність результатів з отриманими при валковому формуваннi не перевищує 5%. Цим пiдтверджується правомiрнiсть використання схеми з вертикальним перемiщенням

iнструмента при математичному моделюваннi процесу.

Проведено вимiри зусиль деформування металу пуансонами рiзної форми, що дозволило визначити зусилля, витрачуванi на здiйснення окремих складових процесу формотворення ПВЕ: розрiзування, розтягування, гнуття.

Порiвняння результатiв теоретичних та експериментальних досліджень показало

Рис. 4 Графік зміни зусиль деформування

в залежності вiд кута повороту валкiв

достатнiй ступiнь точностi розробленої математичної моделi: розбіжність з експериментом не перевищує 12 - 14%. Збіг проміжних результатів розрахунку, в яких відображенi дві складовi процесу формотворення – розрiзування та формування, з даними модельного експерименту свідчить про коректнiсть теоретичного аналізу й закономірнiсть отримання кінцевого результату.

П'ятий розділ. Розробленi методика проектування технологічного процесу та вимоги до технологічного обладнання; визначенi основні принципи й напрямки реконструкції існуючих та створення нових ПЗА для виробництва просiчних профілів. Сформульованi основнi методичнi положення розрахунку калiбровки й конструювання валкiв для формування ПВЕ, виконання яких забезпечує високу точність елементів, що формуються, і максимальну стiйкiсть інструменту проти спрацювання.

Сутнiсть нової технології полягає в тому, що ПВЕ на заготовці 1 (рис. 5) формують за один прохiд розташованими рівномірно або зi змінним кроком на колi основних діаметрів циліндричних елементів валкiв 2 і 3 пуансонами 4. Пуансони вільно або iз кріпленням гвинтами вставляються в гнізда спеціальних дисків-сепараторiв. Форма робочої частини пуансона визначається заданою формою ПВЕ. Однак слiд уникати використання поперечних ріжу-

Рис. 5 Схема формування ПВЕ

чих кромок, щоб виключити можливiсть утворення задирок. Роль матриць виконують кiльцевi проточки у спряженому валку. Набрані на робочий вал диски-сепаратори та дистанційні елементи з кiльцевими матрицями, що розділяють їх, складають валок.

Проблему жолоблення готового профілю вдається вирішити, виконуючи ПВЕ складеними з двох однакових частин, орієнтованих у протилежні боки відносно площини заготовки. Їх необхідно формувати одночасно. Отже, кожному пуансону на верхньому валку повинен протистояти такий же пуансон на нижньому валку, а обертання валкiв повинно бути синхронiзоване.

Для формування листових просiчних профілів, наприклад пішохідних настилiв, можна використовувати одноклiтьовi прокатні стани. При освоєнні виробництва просiчних профілів на багатоклiтьовому ПЗА є можливість одержувати будь-які спеціальні профілі. На початку лінії формують ПВЕ, а в останніх 8-10 клiтях здійснюють пiдгинання. Така технологічна схема дозволяє легко розширювати сортамент: при створенні нових профілів і калiбровок використовують універсальний валковий інструмент для формування ПВЕ (найбiльш дорогий), а заново розробляють і виготовляють тільки комплекти валкiв для отримання решти елементiв профiлю, наприклад – полок.

Розроблена стосовно до стану 1...4х400...1500 'Запорiжсталi" і прийнята комбінатом до впровадження без зауважень промислова технологія виробництва профілю НПП-660.

Технологія виробництва сходових східців СЛП-170-1 і СЛП-200-1, розроблена стосовно до технічних характеристик ПЗА 1...4х50...300, встановлених на рядi підприємств України й Росії, освоєна на такому агрегатi Магнiтогорського металургійного комбінату. Принципово новий профіль “палета” для сушильних рамок цегляних заводів освоєно на ВАТ “Днiпропетровськметалопром”.

Проаналiзовано економiчну ефективнiсть запровадження результатiв роботи. Показано, що переведення гнутих профiлiв, отримуваних штампуванням, на валкове формування забезпечує значний економiчний ефект внаслiдок значного зниження їх собiвартостi, що досягається завдяки зменшенню витрат металу, електроенергiї i, особливо, збiльшенню продуктивностi процесу. На основi заводських калькуляцiй доведена значно вища прибутковiсть виробництва просiчних гнутих профiлiв у порiвняннi з просiчно-розтяжним листом.

ВИСНОВКИ

У дисертацiї наведене теоретичне узагальнення i нове вирiшення наукової задачi створення принципово нової технологiї виготовлення широкого сортаменту просiчних профiлiв, що виявляється в постановці і проведенні теоретичних і експериментальних досліджень та застосуванні їх результатів, які складають наукову базу проектування високоефективного промислового процесу валкового формування та його оснащення.

1. Аналіз науково-технічної і патентної літератури показав, що розроблювана тема є актуальною: просiчнi гнуті профілі мають ряд істотних переваг у порівнянні з виробами та конструкціями, що застосовуються традиційно, зокрема, для обладнання пішохідних настилiв і сходiв у промисловому будівництві, а розробка промислової технології виробництва цих профілів найбільш ефективним способом – валковим формуванням – дозволить зробити їх застосування економічно виправданим.

2. Розроблено першочерговий сортамент профілів з просiчно-витяжними елементами (ПВЕ), технічні вимоги до цих профілів та вимоги до їх технологiчностi. Запропонована форма ПВЕ, що складаються з двох центральносиметричних частин, вiдформованих у протилежних напрямках вiд площини заготовки.

3. Проведено теоретичний аналіз процесу валкового формування ПВЕ iз застосуванням методу скінченних елементів, що дозволило створити універсальний алгоритм, придатний для аналізу формування ПВЕ різноманітної форми. Розроблено програму визначення геометричної форми ПВЕ, а також розрахунку роботи, зусилля деформування, крутного моменту і потужності обладнання, що необхіднi для формування профiлю.

4. Проведені експериментальні дослідження напружено-деформованого стану металу в осередку деформації з використанням методу вимірювання твердості. Вони показали, що запропонована форма |ПВЕ забезпечує відсутність жолоблення готового виробу, оскільки деформації взаємно врівноважуються і не розповсюджуються за межі зони формування ПВЕ.

5. Дослідження енергосилових параметрів формування профілю з ПВЕ, проведені пiд час освоєння профілю настилу НПП-660 на станi 550 УкрНДIмету, показали, що процес є циклічним. Визначено залежність зусиль та крутних моментів формування від кута повороту валкiв.

Розроблено та проведено модельний експеримент, який дозволив оцінити технологічні зусилля, необхідні для здійснення окремих складових процесу формотворення ПВЕ: розрiзування, розтягування, гнуття.

6. Порiвняння результатiв теоретичних та експериментальних досліджень дозволило зробити висновок про достатню точність отриманих аналітичних залежностей: похибки не виходять за межi 14%.

Збіг проміжних результатів розрахунку, що відображують дві складовi процесу формозмiнення – розрiзування й формування – з даними модельного експерименту свідчить про коректнiсть теоретичного аналізу й достовiрнiсть кінцевого результату.

7. Розроблено методику проектування технологічного процесу та вимоги до технологічного обладнання. Визначено основні принципи й напрямки реконструкції iснуючих та створення нових профiлезгинальних агрегатів для виробництва просiчних профілів.

8. На підставі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень розроблена, випробувана та впроваджена на промислових підприємствах України й Росії високопродуктивна технологія валкового формування гнутих профілів з ПВЕ. Випробування проведено на дослiдно-промисловому станi 550 УкрНДIмету, виробництво сходових cхiдцiв освоєно на Магнiтогорському металургійному комбінаті, профілю “палета” для сушильних рамок цегельних заводів – на ВАТ “Днiпропетровськметалопром”. Технологія виробництва профілів пішохідних настилiв прийнята до впровадження на металургійному комбінаті "Запорiжсталь".

9. Проаналiзовано економiчну ефективнiсть запровадження результатiв роботи. На основi заводських калькуляцiй показано, що виготовлення просiчних гнутих профiлiв валковим формуванням завдяки економiї металу, електроенергiї i вищiй продуктивностi процесу забезпечує виробництву значно бiльшу прибутковiсть у порiвняннi з виготовленням штампованих виробiв аналогiчного призначення.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Юрченко А.А., Белкин Е.Л., Курандо Е.С. Теоретический анализ процесса валковой формовки профилей с просечно-вытяжными поверхностями противоскольжения // Производство сортовых и гнутых профилей проката: Отрасл. сб. науч. тр. - Харьков: УкрНИИмет, 1996. - С. 119-127.

2. Юрченко А.А. Экспериментальные исследования процесса формовки элементов противоскольжения методом замера утонений // Там же.- С. 127-129.

3. Юрченко А.А., Янчинский А.П. Новые типы просечных профилей и технология их производства // Вестник науки и техники; Вып. 1. - Харьков, 1997.- С. 6-9.

4. Юрченко А.А. Разработка и исследование процесса валковой формовки профилей с просечно-вытяжными элементами// Сб. тр. международной науч.-техн. конференции Microcad-97. Ч. 5. - Харьков: ХГПУ, 1997. - С. 218-222.

5. Юрченко А.А. Новая технология валковой формовки гнутых профилей с просечно-вытяжными элементами // Вестник Харьковского государственного политехнического университета; Вып. 27. - Харьков:ХГПУ, 1998. - С. 135-141.

6. Юрченко А.А. Разработка новых типов просечных профилей и технологии их производства для комбината "Запорожсталь" // Металл и литье Украины. - 1999. - № 1,2. - С. 40-42.

7. Юрченко А.А. Экспериментальные исследования энергосиловых параметров процесса валковой формовки гнутых профилей с просечно-вытяжными элементами // Вестник Харьковского государственного политехнического университета; Вып. 67. - Харьков: ХГПУ, 2000. - С. 20-25.

АНОТАЦIЯ

Юрченко О. А. Розробка, дослідження та впровадження технології валкового формування гнутих профілів з просiчно-витяжними елементами.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальнiстю 05.03.05 – “Процеси і машини обробки тиском”. – Державний аерокосмiчний унiверситет iм. М.Є.Жуковського “Харкiвський авiацiйний iнститут”. – Харків, 2000.

Обгрунтована можливiсть валкового формування профiлiв з просiчно-витяжними елементами (ПВЕ).

Розроблена методика теоретичного аналізу цього процесу методом скiнченних елементiв. Створена i застосована програма для ПК, яка дозволяє визначати геометричну форму осередку деформацiї та енергосиловi параметри процесу. Проведенi комплекснi експериментальнi дослідження процесу. Енергопараметри визначали методом тензометрiї, напружено-деформований стан – методами вимiрювання твердостi та стоншення. Розбiжнiсть результатiв теоретичних i експериментальних дослiджень не перевищує 14%. Сформульованi основнi принципи конструювання просiчного валкового iнструменту, дотримання яких забезпечує його максимальну стiйкiсть проти спрацювання та високу точність формування; запропоновано рекомендацiї щодо реконструкції iснуючого i створення спецiалiзованого профiлезгинального обладнання для виробництва просiчних профiлiв. Розробленi першочерговий сортамент нових профілів та промислова технологія їх виробництва, яка впроваджена на рядi підприємств України й Росії. Показана висока економiчна ефективність вироблення та застосування цього нового виду металопродукцiї.

Ключові слова: валкове формування, гнутi профiлi з просiчно-витяжними елементами, аналіз, метод скінченних елементів, напружено-деформований стан, енергосиловi параметри, сортамент, профілезгинальне обладнання, промислова технологія, економiчна ефективність.

АННОТАЦИЯ

Юрченко А.А. Разработка, исследование и внедрение технологии валковой формовки гнутых профилей с просечно-вытяжными элементами.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – “Процессы и машины обработки давлением”. Государственный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского “Харьковский авиационный институт”. – Харьков, 2000.

Работа посвящена актуальной проблеме разработки технологии производства гнутых профилей с просечно-вытяжными элементами (ПВЭ) для строительства наиболее эффективным способом – валковой формовкой, которая обеспечивает, по сравнению со штамповкой, повышение производительности в 3...4 раза, возможность получения крупногабаритных профилей значительно большей (практически любой) длины, существенное удешевление продукции. Предпринимавшиеся ранее попытки осуществить этот процесс не были успешными, так как не удавалось предотвращать коробление готовых изделий и появление задиров и заусенцев в местах просечек.

В работе впервые установлены технические требования к просечным профилям и требования к их технологичности, отражающие специфику их получения способом валковой формовки. Разработан первоочередной сортамент новых профилей, который включает до десяти настилов и лестничных ступеней различных типов, а также профиль типа “палета” для сушильных рамок кирпичных заводов. Предложена форма ПВЭ, состоящих из двух центральносимметричных частей, отформованных в противоположные стороны относительно плоскости заготовки.

Разработана научная база проектирования процесса валковой формовки профилей с ПВЭ: методики теоретического анализа и комплексных экспериментальных исследований, позволяющие определять энергосиловые параметры процесса и напряженно-деформированное состояние металла профиля.

Для теоретического анализа был применен метод конечных элементов, благодаря чему удалось избежать математических трудностей, возникающих при решении этой задачи другими методами, и, что особенно важно, создать универсальный алгоритм, пригодный для анализа формовки ПВЭ различной формы. Разработана компьютерная программа, позволяющая определять геометрическую форму получаемого ПВЭ, а также рассчитывать работу, усилие деформации, крутящий момент при формовке профиля с ПВЭ и необходимую мощность привода оборудования.

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации, проведенные с использованием метода измерения твердости, показали, что благодаря предложенной форме ПВЭ деформации взаимно уравновешиваются и не распространяются за пределы элемента.

Исследованиями энергосиловых параметров формовки профиля с ПВЭ методом тензометрии определены зависимости усилий и моментов формовки от угла поворота валков. Разработан и проведен модельный эксперимент, позволивший оценить технологические усилия, необходимые для осуществления отдельных составляющих процесса формообразования ПВЭ: разрезки, растяжения, гибки. Методика модельного эксперимента и изготовленная оснастка могут быть использованы при разработке новых просечных профилей для определения возможности и энергосиловых параметров их формовки.

Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований показало достаточную степень точности полученных аналитических зависимостей: расхождение не превышает 14 %.

Сформулированы рекомендации по выбору существующего и проектированию специализированного технологического оборудования для производства просечных профилей. Предложена методика конструирования просечного валкового инструмента, применение которой обеспечивает его максимальную износостойкость и высокую точность формовки.

Разработана промышленная технология производства профилей с ПВЭ. Для формовки листовых просечных профилей, например, пешеходных настилов, можно использовать одноклетевые прокатные станы. На многоклетевом профилегибочном агрегате могут быть получены любые специальные профили. Технологический процесс стабилен, коробление и задиры полностью исключены.

Новая технология освоена на ряде предприятий Украины и России. На основании заводских калькуляций показано, что изготовление просечных гнутых профилей валковой формовкой благодаря экономии металла, электроэнергии и более высокой производительности процесса обеспечивает значительно большую прибыль по сравнению с изготовлением штампованных изделий аналогичного назначения.

Ключевые слова: валковая формовка, гнутые профили с просечновы-тяжными элементами, анализ, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры, сортамент, профилегибочное оборудование, промышленная технология, экономическая эффективность.

SUMMARY

Yurchenko A. Elaboration, investigation and introduction of the technology of cold roll forming sections with cut-drawn elements. – Manuscript.

Thesis on the competition for scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.05 – “Processes and mashines of mechanical working”. – State Aerospase University “KhAI”. – Kharkiv, 2000.

The possibility of roll forming sections with cut-drawn elements has been substantiated. Methods of theoretical analysis of this process using the finite elements method have been elaborated. A computer programme has been worked out which makes it possible to determine the geometrical form of the plastic area and the power parameters of the process. A combined experimental research into process has been conducted. The power parameters were determined by strainmeters, while stressed-and-strain state – by measuring hardness and thinning. The distinction between the results of the theoretical and experimental investigations is not more than 14%. The basic principles of designing cut-roll tools ensuring maximum wear-resistance of these tools and high precision of forming have been formulated. A primary series of new sections and the technology of their manufacturing have been worked out. The technology has been introduced at a number of Ukrainian and Russian works. High efficiency of new kind of metal production has been proved.

Key words: cold roll forming, sections with cut-drawn elements, analysis, method of finite elements, stressed-and-strain state, power parameters, cold roll forming equipment, industrial technology, economic efficienсy.