автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Геометрические и силовые параметры прокатки серповидных изделий в конусных валках с параллельными осями

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ ИМ. А. А. БАНКОВ А.

на правах рукописи УДК 621.Т71-423.1

Портная Зоя Натановна

. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОКАТКИ СЕРПОВИДНЫХ ИЗДЕЛИИ В КОНУСНЫХ ВАЛКАХ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ОСЯМИ

Специальность 05.16.05-н0<5работка металлов давлением"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва,1994

Работа выполнена в лаборатории пластической деформации металлических материалов Института металлургии им. А.А.Байкова РАН

Научный руководитель - проф., докт.техн.наук Пименов А.Ф.

Научный консультант - кандлехн.наук Карелин Ф-Р.

Официальные оппоненты - проф., докт.техн.наук Полухин В.П.

канд.техн.наук Бринза В.В.

Ведущее предприятие - ЦНИИЧМ им.И.П.Бардина

Защита диссертации состоится " У * ¿¿¿са^^Лк 1994г. в 4 4

час. на заседании специализированного совета Д СЮЗ.15.01 в

Институте металлургии им. А.А.Байкова РАН по адресу: 117911, Москва, Ленинский пр.,49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан " 3> » 1994г.

оо

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

Шелест А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем, связанных с прокаткой серповидных изделий в конусных валках с параллельными осями, обусловлена тем, что таким способом получают широко распространенные в промышленности и имеющие разнообразные типоразмеры шнеки. Переход на прокатку серповидного изделия нового типоразмера связан либо с переналадкой имеющегося оборудования, либо с проектированием и изготовлением нового оборудования. В обоих случаях требуются трудоемкие и длительные наладочные работы из-за,отсутствия достаточно точных способов определения радиуса серпения и силовых воздействий при захвате и в установившемся режиме.

Цель работы состояла в исследовании особенностей прокатки в конусных валках с параллельными осями серповидных изделий, из которых отгибом изготавливаются спирали шнеков, и разработке на этой основе технологических параметров различных типоразмеров изделий.

Это достигается путем построения уравнения регрессии радиуса серпения в практически требуемой области, создания математических моделей для расчета усилий на валки и направляющую проводку в установившемся режиме прокатки и расчета усилия заталкивания в процессе захвата. Для получения экспериментальных значений радиуса и усилий были использованы спроектированные вновь измерительная направляющая проводка и • заталкивающее устройство с контролируемым усилием заталкивания.

Объектом исследования в работе явились получаемые прокаткой в конусных валках с параллельными осями серповидные изделия, из которых путем их отгиба после выхода из валков получают спирали шнеков.

Научная новизна работы. Разработаны методики расчета:

- радиуса серповидных изделий в практически используемой области размеров толщины и ширины заготовки, угла конусности валков, обжатия и условий трения;

- силовых параметров при прокатке в конусных валках в установившемся режиме с учетом поперечного перемещения металла и в процессе захвата с учетом упругости стзна.

Практическая ценность. Предложена формула для расчета радиуса серпения. Разработаны программы для расчета усилий на валки и направляющую проводку в установившемся режиме и для расчета усилий заталкивания в процессе захвата. Спроектированы и изготовлены оригинальные устройства для экспериментального определения усилия на,направляющую проводку в установившемся режиме и усилия заталкивания при захвате.

Внедрение результатов. На основании расчетов по формуле для радиуса серпений и по программам для расчета уси-. лий изготовлено оборудование и произведена прокатка опытно-промышленной партии изделий по техническим условиям заказчика.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научных конференциях в г.г. Донецке и Челябинске, а также на коллоквиумах лаборатории пластической деформации металлических материалов Института металлургии им. А.А. Байкова РАН (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Список публикаций приводится в конце реферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами к каждой главе, общих выводов и рекомендаций. Содержит 125 страниц основного текста, 21 рису-

нок, 7 таблиц, список литературы на 89 наименовании, нриложе ния. Общий объем работы 126 страниц.

В первой главе выявлены специфические вопросы прокатки в клиновидной щели между конусными ралками, являющейся частью технологического процесса изготовления спиралей шнеков, показанного на рис.1.:

1) основная цель такой прокатки - получение изделий с необходимым радиусом кривизны (серпения) в плоскости прокатки;

2) наличие направляющей проводки, удерживающей полосу в определенном положении в клиновидной щели;

3) необходимость специальных мероприятий для захвата полосы.

Соответственно раздельно даны анализ состояния этих вопросов и постановка задач исследования.

По литературным данным величина радиуса серпения определяется на основе:

- только размеров сечения заготовки и изделия;

- этих же размеров и внешних силовых воздействий;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

4

Рис. I. Схема прокатки спирали шнека I-заготовка, 2-рабочие валки, 3-направляющая приводка, 4-механилм подачи, 5-емводнзр проводка, 6- спираль шнека

-результатов прокатки в конкретных условиях в некоторой области размеров.

На основании анализа литературы показано, что: -наиболее простое теоретическое и удобное для практики вычисление радиуса на основе только размеров дает недопустимо больше ошибки, так как при этом не учитывается влияние поперечного перемещения металла на величину радиуса;

- наиболее удобное для исследовательских целей вычисление радиуса с помощью математической модели очага деформации с учетом внешних силовых воздействий также дает недопустимо большие для практики ошибки из-за неточности приближенных зависимостей давления и сил трения в клиновидной щели;

- оценка радиуса серпения с удовлетворительной для инженерных задач точностью может быть произведена только на основе статистических данных.

В литературе установилось мнение, не подтвержденное экспериментально, о возможности получения желаемого радиуса серпения путем согласования конфигурации валков и щели между ними, исходя из естественных вытяжек по всей ширине полосы конкретного сечения.

Таким образом по вопросу оценки радиуса серпения в работе были поставлены две задачи:

1. Экспериментально проверить возможность получения величины радиуса серпения, принятого при согласовании сечений заготовки и щели между, валками, исходя из естественных вытяжек по всему сечению.

2. Представить зависимость для практической оценки радиуса серпения для конкретных условий прокатки. .

При расчете силовых параметров не требуется столь высокая

точность как при расчете величины радиуса, поэтому для их определения может быть применена математическая модель.

Известная модель для расчета сил на валки и направляющую проводку в установившемся режиме не учитывает поперечное перемещение металла и построена на допущении о постоянстве давления как в зоне отставания, так и в зоне опережения. Сведения о проверке такой модели с принятыми в ней коэффициентами в литературе отсутствуют. Поэтому задачей работы по определению силовых параметров в установившемся режиме прокатки являлось уточнение математической модели путем учета в ней поперечного перемещения металла и переменности давления по очагу деформации.

Предложенная в литературе модель для расчета процесса захвата не учитывает изменение расстояния между валками за счет упругой деформации стана в процессе заполнения щели металлом и не дает возможности вычислить усилие, необходимое для принудительного захвата, во многих случаях обусловленное упругой деформацией стана. Поэтому в задачи работы по изучению захвата входило уточнение модели путем учета • в ней упругой деформации стана и заталкивающего усилия.

Для оценки адекватности предлагаемых моделей предусматривались экспериментальные исследования с помощью разработанного оборудования для прокатки серповидных изделий и измерения при этом вертикального и бокового усилия, а также усилия заталкивания.

Во второй главе приведены и проанализированы результаты прокатки в клиновидной щели заготовок, сечение которых рассчитано, исходя из условия естественных вытякек но всему сечению при расчетном значении радиуса серпения и заготовок

прямоугольного•сечения.

Сечение заготовки, представленное на рис.2, было получено расчетом при условии естественных вытяжек для серповидного изделия с внутренним радиусом .16 мм, шириной 32,5 мм и трапециевидным сечением с толщинами по кромкам 2,6 и 1,09 мм. Прокатка этих заготовок осуществлялась без смазки и со смазкой. Величина радиуса изделия, прокатанного со смазкой, была получена в 2-4 раза, а без смазки - в 2,5-4,5 раза больше расчетной. Таким образом было показано,что и при. расчетном согласовании сечений практически не могут быть обеспечены естественные вытяжки.

При прокатке заготовок прямоугольного сечения статистическая зависимость радиуса серповидного изделия по внутренней кромке Нв от влияющих факторов - размеров заготовки, угла конусности валков, обжатия и условий трения, была получена экспериментально по 108 прокатанным изделиям из стали 45 со смазкой и без смазки соответственно с коэффициентами трения =0,065 и ^£=0,085 в Ооласти изменения толщины заготовки #0=5-?,4 мм и ее ширины В0=2СЬ50 мм для углов конусности валков т=1 и 3,73° • и абсолютных обжатий по наружной кромке (&0-Лн)=1-2 мм. Указанный диапазон изменения параметров охватывает фактически всю их область, используемую на практике для прокатки спиралей шнеков и серповидных иэделнй в конусных валках с параллельными осями .

Регресссионное уравнение зависимости радиуса от основных факторов имеет вид:

Яв=(1/ге— )°'66*(9,3—9--4,5)*В0*ц1,8+12 (мм).

2 %"лн

Их <ии

5.0

4,5 4.0 ' 3,5

2 V \

/ \

а?

0 10 20 30 X ,мм

а)

—^

32,5 Ни

6)

Еис.2." Сечение заготовки, согласованное с распределением металла б трапециевидном сечении серповидного ' изделия:

О) расчетное О) и принятое для изготовления 5) выполненное сечение заготовки

В третьей- главе теоретически разработана и экспериментально проверена математическая модель установившегося режима прокатки для расчета усилий на валки и направляющую проводку.

Направляющая проводка принята в виде подшипника качения, трением которого можно пренебречь. Схема действия проекций на плоскость прокатки равнодействующих по очагу деформации сил давления (Рх и Ру) и трения (Гх и Гу) на полосу и сил в точках контакта ее кромки с торцем распорной втулки (Р0х и Г0у) и с направляющей проводкой (йд) представлена на рис.3.

В схеме действия проекций этих сил на вертикальную плоскость, проходящую через оси валков, рассмотрены силы, действующие на валок со стороны полосы и опор валка.

Модель построена, исходя из условия равновесия проекций сил в этих двух плоскостях.

Вычисление равнодействующих сил давления и трения на площади контакта полосы с балком было произведено суммированием этих сил по элементарным площадкам контакта полосы с валком. Вся площадь контакта рассматривалась состоящей из зоны пластической и упругой деформации.

Элементарные площадки в зоне пластической деформации были

/

получены следующим образом. Площадка образовывалась между соседними сечениями горизонтальными плоскостями, параллельными поверхности полосы, и между вертикальными плоскостями в направлении прокатки, проходящими через точки пересечения горизонтальных плоскостей с образующими конуса валка, находящихся в вертикальной плоскости.

Зона упругой деформации рассматривалась только на выходе из зоны пластической деформации. Элементарная площадка в этой зоне являлась продолжением площадки в зоне пластической

рис. 3. Схема действия сил на полосу в плоскости прокатки

деформации. Длина площадки упругой деформации вычислялась на основании давления на предшествующей площадке пластической деформации и упругости валка.

Положений нейтральной линии в зоне пластической деформации определялось с учетом относительного уменьшения количества металла по обжатой кромке в месте выхода из нее нейтральной линии. Принятое линейное изменение относительного уменьшения количества металла по мере удаления нейтральной линии от точки ее выхода в зону упругой деформации позволило представить ее в виде гиперболы со смещенной точкой пересечения асимптот относительно вершины конуса валков. Для упрощения модели на каждой элементарной площадке, пересекаемой нейтральной линией, она заменялась участком типерболы, полученной от пересечения конуса плоскостью, параллельной оси конуса. Причем эти участки гипербол пересекались посредине ширины площадки. Положение нейтральной линии в целом определялось из условия равновесия проекций сил в плоскости прокатки.

Давление в зоне пластической деформации на участке отставания вычислялось посредине между двумя горизонтальными плоскостями, ограничивающими элементарные участки. В этой зоне давление описывалось выражением:

рИ.15от*Ч(Ф^-Ф1)*(6,3/1Г0),

где:Ф1тах~ угол захвата по элементарной продольной полоске, рад;

Ф^ угол, образованный радиусом, идущим в рассматриваемую

точку, и вертикалью, рад.

ат~ предел текучести, кr/m.f ;

Hq- толщина заготовки, мм.

На участке опережения был принят линейный закон изменения давления от обжатия, начиная от давления на нейтральной линии и до ее величины 1,15от. На участке упругой деформации были принято линейное изменение давления по длине участков, начиная от давления на предшествующем участке зоны опережения. Сила трения принималась пропорционально давлению.

В связи с поперечным перемещением металла относительно поверхности валка в очаге деформации, трение, направленное противоположно скорости перемещения металла относительно поверхности валка имело составляющие вдоль и поперек направления прокатки. Коэффициент трения кромки полосы о торец распорных втулок был принят 0,1. Коэффициент трения без смазки принимался 0,085, а со смазкой индустриальным маслом - 0,065 (по результатам работ А..И. Целикова).

Коэффициенты £1 и fe2 в выражении для давления были получены путем расчета усилий на опоры валков и на направляющую проводку по принятой математической модели для четырех различных сочетаний размеров сечений заготовки, конуса валков и обжатий, при которых были прокатаны образцы и измерены усилия на опоры валков и направляющую проводку.

Для оценки достоверности математической модели экспериментальные данные' были получены на тех образцах, по которым производилось измерение радиуса серпения. Почетность расчета усилйй на опоры валков и направляющую проводку по математической модели во всем диапазоне изменения размеров сечений заго-

товки, конуса валков и обжатий не превосходит 5%.

По разработанной модели был произведен расчет усилий на опоры валков и на направляющую проводку при прокатке полос из стали 45 без смазки, шириной заготовки 40 мм и толщинами 5,1;6,3;7,4 мм (рис.4 и 5).

В четвертой главе разработана модель процесса захвата полосы с косо срезанным передним торцем. В модели предусмотрено определение усилия заталкивания. Описано устройство и способ экспериментальной проверки требуемого для захвата усилия заталкивания.

Особенностью математической модели является учеъ упругой деформации стана. Для расчетов усилия заталкивания и сопоставления их с экспериментально, измеренными на лабораторном стане была экспериментально определена жесткость стана. Коэффициент жесткости был вычислен по результатам измерения усилия на опоры валков и толщины прокатанных при различных обжатиях изделий из одинаковых заготовок. В среднем в зоне рабочих обжатий он составил 30 т/мм.

Математическая модель разработана на основе уравнений равновесия действующей на полосу силы от заталкивающего устройства, а также давления и трения в очаге деформации в направлении прокатки и в вертикальной плоскости. Полоса с косо срезанным передним торцем была представлена состоящей йз элементарных по ширине полосок с прямыми торцами. Соответственно этим полоскам конический валок был представлен состоящим из элементарных цилиндрических участков. Такой подход позволил рассматривать прокатку элемейтарных полосок на гладких бочках.

Равновесие силовых воздействий в вертикальной плоскости

дН;мм

Рис. 4 .. Результаты расчета вертикального усилия

Яд.»

1.0

0.8 0,6

0.4

0.2

У=3.7 3$.> Н. «5.|ш1

<=3.7 Н.=€,3» и /

Нвпб.Зиы

>

<

2 3 4

дЬ .101

Рис. 5. Результаты расчета усшшф йа направляющую проводку

от раздвижения валков на некоторую величину и от давления в очаге деформации определялось путем расчетов давления по элементарным полоскам для различных положений полосы относительно плоскости осей валков. При достижении равновесия в вертикаль ной плоскости вычислялись проекции давления и трения на обжатой части в направлении прокатки. Усилие заталкивания, обеспе чиващее продвижение полосы, принималось таким, чтобы в сумме с проекцией сил трения все время быть больше проекции сил давления.

Давление принималось в виде:

р=1,15<хт+гг1 *е,

а трение:

t=p*J^.

Экспериментально с помощью заталкивающего устройства были прокатаны без смазки образцы из стали 45 в области абсолютных обжатий по наружной-кромке 1-2 ми с углом среза переднего торца 45°. Исходная толщина была равна 7,2 мм, ширина - 40 мм. Втулки валков имели конусность 1,8° и максимальный диаметр 109 мм и ширину 80 мм.

Определение необходимых для расчетов по математической модели значений коэффициентов М и д было произведено по двум образцам, с минимальным и максимальным обжатиями.

Сопоставление расчетного усилия заталкивания при полуденных значениях коэффициентов Й1=1200 и м=0,11 с экспериментально измеренными дало по всем образцам погрешность расчета не более 3%.

Типовой график изменения проекций равнодействующих сил давления и трения по мере продвижения полосы в щели представ-

лев на рис.6 в указанных выше условиях.

Проведенное с помощью математической модели исследование выявило, что:

деление полосы по ширине на 64 части не вносит ошибку в оценке заталкивающего усилия более 3%;

заострение переднего торца на 45° позволяет снизить требующееся усилие заталкивания по сравнению с прямым разом в 8 раз;

заострение переднего торца на 30° позволяет снизить требующееся усилие заталкивания по сравнению со срезом под углом 45° в 1,5 раза; ^

изменение конусности валков в пределах 0,01-0,03 влечет за собой изменение требуемого усилия заталкивания с 45 до 52 кг при обжатии по внутренней кромке 21,458;

- для прокатки без смазки в валках с углами конуса 1,8°, с углом среза переднего торца 45°. для обжатия наружной кромки с 7.2 до 5.66 мм и коэффициента жесткости 30000 кг/мм усилив заталкивания может быть аппроксимировано уравнением:

е=азах /5'8/1°9 кН, а минимальный ход заталкивающего устройства может . быть аппроксимирован выражением:

х=азах52/1»56/1°5 ым> в которых «захвата вычисляется в положении, когда полоса подходит к ненагруженным валкам.

Основные выводы и результаты 1. В результате проведенного анализа теоретического и экспериментального подходов к описащш величины ' радиуса серпения показано, что необходимая точность оценки величины радиуса в зависимости от соотношения размеров сечения заготовки и изде-

(Рх - Тх),кг

800

600

400

200

0

-200

Рис. 6. Зависимость проекции равнодействующей давления и трения (Рх - Тх) от перемещения полосы (X) с момента касания валков.

Н| - раствор между валками в широкой части щели в момент касания полосы с Балками

лия, а также материала и условий трения, может быть получена статистическими методами на основе экспериментальных данных.

2. Экспериментом установлено, что при прокатке полос, сечение которых получено расчетным путем в предположении естественных вытяжек по всему сечению, принятый в расчетах сечения радиус серпения в 2,5-4,5 раза меньше, чем получается при прокатке. Расчетом распределения металла по ширине таких заготовок и полученных из них изделий показано, что и при таком согласовании сечений происходило перемещение металла поперек сечения вдоль осей валков, т.е. показано, что естественные вытяжки по всему сечению не возможны.

3. Получена регрессионная зависимость величины радиуса серпения при прокатке полос прямоугольного сечения в клиновидной щели между коническими валками с параллельными осями в диапазонах практически применяемых угла конусности валков, ширины и толщины заготовки, условий трения и обжатия.

4. Разработана математическая модель для расчета усилий на опоры валка и направляющую проводку, в установившемся режиме прокатки, учитывающая поперечное перемещение металла, изменение давления в зоне пластической и упругой деформации в зависимости от исходной толщины, обжатия и свойств металла, а также учитывающая условия трения.

5. Разработана математическая модель условий захвата полосы прямоугольного сечения с косо срезанным торцем в конических валках с параллельными осями, позволяющая вычислять необходимое усилие для заталкивания полосы, обеспечивающее ее захват.

6. Проведенные расчеты по моделям на основе' экспериментально измеренных усилий и размеров заготовок и изделий позволили получить необходимые для расчетов значения коэффициентов в

выражении давления и трения.

7. На основе анализа результатов расчета по моделям в области параметров проведенных экспериментов и.за ее пределами с большой вероятностью модели рекомендованы для расчетов за пределами проведенных экспериментов.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Портная З.Н. Анализ способа асимметричной прокатки для получения геликоидальных изделий./Пластичность металлов и сплавов с особыми свойствами.-М., Наука, 1982.

2. Шифрин Д.Я., Евграшин A.A., Гурвич В.Е., Воробьев Ю.П., Портная З.Н. Геометрическое условие получения геликоидальной ленты шнека способом асимметричной прокатки./Обработка давлением труднодеформируемых материалов.-М., Наука,1984.

3.Способ изготовления шнековых спиралей. A.c. N 1009586. Павлов И.М..Карелин Ф.Р., Шелест А.Е., Крылов B.C., Гурвич В.Е., Портная З.Н.,1982.

4. Павлов И.М.Карелин Ф.Р., Портная З.Н. Геометрические параметры прокатки лент шнеков./ Новые тохнологические процессы прокатки, интенсифицирующий производство и повышающие качество продукции. Тезисы докладов. Челябинск, 1984.

5. Павлов И.М., Карелин Ф.Р., Портная З.Н. 0 взаимосвязи геометрических параметров заготовки к изделия при асимметричной прокатке./Известия АН СССР, Металлы, 1985, N 3.

6. Карелин Ф.Р., Портная З.Н. Экспериментальное исследование процесса прокатки в валках с параллельными осями и неравномерным обжатием по ширине./Пластическая деформация конструкционных материалов.-М., Наука, 1988.

7. Портная З.Н., Карелин Ф.Р., Пименов А.Ф. Захват заготовки при прокатке в клиновой щели с большими обжатиями. ДЕП в

ВИНИТИ 27.05.1988, N 4154-В88. 29 с.

8. Портная З.Н., Карелии Ф.Р. Экспериментальное определение усилия на направляющую проводку при прокатке в клиновидной щели между конусными валками с параллельными осями./Известия АН, Металлы, 1993, N 6.