автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование конструкций клетей и технологии винтовой прокатки заготовок повышенной точности

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРУТКОВ.

1.1 Характеристика и применение точной заготовки.

1.2 Производство сортового проката на станах продольной прокатки.

1.3 Применение нетрадиционных методов производства прутка.

1.3.1 Планетарные станы.

1.3.2 Прокатка в многовалковых калибрах.

1.3.3 Станы холодной прокатки фасонных профилей.

1.4 Получение сортового проката способом радиально — сдвиговой прокатки.

2. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ СТАНОВ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ.

2.1 Классификация станов винтовой прокатки и их назначение.

2.2 Возникновение и развитие конструкций клетей станов винтовой прокатки.

2.3 Станы винтовой прокатки с грибовидными и дисковыми валками.

2.4 Валковый стан винтовой прокатки.

2.5 Конструкции двухвалковой рабочей клети винтовой прокатки.

2.6 Модификации стана Дишера.

2.7 Конструкция клети трехвалкового стана винтовой прокатки.

2.8 Министаны винтовой прокатки.

3. МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТАНИН РАБОЧИХ КЛЕТЕЙ.

3.1 Расчет рабочих клетей прокатного оборудования на прочность и жесткость.

3.2 Численные методы решения.

3.3 Обзор современных программ конечно - элементного анализа.

3.4 Оценка точности вычисления напряжений и деформаций с помощью пакетов конечно - элементного анализа.

3.5 Постановка задачи вычисления напряжений и перемещений.

3.6 Методика вычисления напряжений.

3.6.1 Структура программ МКЭ.

3.6.2 Методика расчета напряженно - деформированного состояния станин рабочих клетей станов винтовой прокатки с использованием МКЭ.

3.7 Современные подходы в области проектирования рабочих клетей.

3.8 Методика проектирования рабочих клетей винтовой прокатки.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТУРКЦИИ СТАНИНЫ МИСИС - 130 Т С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Расчет напряженно - деформированного состояния станины рабочей клети МИСиС-130 Т.

4.1Л Особенности конструкции и задачи исследования.

4.1.2 Напряженно - деформированное состояние под действием рабочих нагрузок.

4.1.3 Упругие перемещения от совместного действия рабочей нагрузки и температурного разогрева станины.

4.2 Экспериментальные исследования пружины рабочей клети МИСиС-130 Т.

5. РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ КЛЕТЕЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ.

5.1 Разработка конструкции рабочей клети винтовой прокатки "10.40" для получения прутков из высокопрочных сталей и сплавов.

5.1.1 Расчет НДС станины рабочей клети "10.40".

5.2 Разработка рабочей клети винтовой прокатки "40. 130" и ее модификация.

5.2.1 Расчет НДС станины рабочей клети "40. 130".

5.3 Двухвалковая деталепрокатная клеть "Д40.80".

5.3.1 Расчет НДС станины рабочей клети "Д40.80".

5.4 Сравнительный анализ результатов расчета 3-х валковых клетей по обобщенным показателям.

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА ДИАМЕТРОМ ОТ 14 ДО 40 ММ ИЗ ПРЕЦИЗИОННЫХ, ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И

БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ.

6.1 Экспериментальные и теоретические исследование энергосиловых параметров процесса прокатки.

6.2 Анализ макро - и микроструктуры.

6.3 Разработка технологии.

ВЫВОДЫ.

В современных условиях наблюдается переход многих потребителей прокатной продукции к мелкосерийному производству. При этом одновременно с сокращением объема партий возрастают потребности в профилях повышенной точности широкого типоразмера. Задачи расширения сортамента и повышения точности горячекатаного проката требуют развития технологии прокатного производства, создания новых прокатных станов. Составными частями данной проблемы одновременно с повышением точности проката являются задачи совершенствования конструирования рабочих клетей прокатных станов и их узлов, вопросы снижения металлоемкости оборудования, сокращения сроков проектирования и затрат на изготовление.

Проектирование прокатного оборудования до последнего времени осуществляли без учета распределения напряжений по объему и сечению элементов конструкции рабочей клети, что, как правило, приводило к высокой металлоемкости и необоснованно высоким затратам на изготовление.

Повышенные требования к надежности и долговечности металлургического оборудования, металлоемкости, качеству выпускаемой продукции диктует необходимость точного определения НДС конструкции.

Как в теоретическом, так и в прикладном плане задача определение НДС конструкций получила развитие в связи с применением вычислительной техники и численных методов, в особенности метода конечных элементов (МКЭ). Однако проблема остается по прежнему актуальной, так как опубликованные результаты относятся в основном к простым случаям, отсутствуют численные расчеты, относящиеся к оборудованию винтовой прокатки.

Развитие подхода к проектированию оборудования на основе анализа напряжений, возникающих в конструкции под действием рабочих нагрузок, и использование современных методов компьютерного моделирования позволяет повысить обоснованность выбора характеристик оборудования за счет учета технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов.

Комплексный подход, основанный на учете эффектов концентрации напряжений, неравномерности упругих деформаций обеспечивает повышение надежности оборудования, его жесткости и, следовательно, способствует увеличению точности получаемых изделий.

Настоящая работа посвящена разработке конструкций клетей и технологии винтовой прокатки заготовок повышенной точности.

В ходе работы разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния станин рабочих клетей станов винтовой прокатки, позволяющая получать распределение перемещений и напряжений по всему объему станины; методика проектирования рабочих клетей станов винтовой прокатки на основе создания единой конструкторско-технологической системы; выполнена оценка напряженно-деформированного состояния станин станов винтовой прокатки различного назначения при заданных технологических параметрах; разработаны новые конструкции рабочих клетей станов винтовой прокатки прутков повышенной точности; предложена технология производства прутков повышенной точности диаметром 14.50 мм из жаропрочных, прецизионных сплавов и быстрорежущих сталей.

Экспериментальные исследования проведены в лабораториях кафедры обработки металлов давлением на опытно — промышленных станах МГИСиС и новом министане винтовой прокатки "10. .40".

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность зав. каф. ОМД проф., д.т.н. Романцеву Б.А., а также проф., д.т.н. Белевичу А.В. и всему коллективу лаборатории ППИП, оказавшему большую помощь в выполнении работы.

1. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния станин рабочих клетей станов винтовой прокатки на основе метода конечных элементов, применение которой позволяет получать распределение напряжений и перемещений по всему объему станины с достаточной степенью точности, что подтверждается экспериментальными исследованиями на стане МИСиС-130Т.

2. Установлено, что применение разработанной методики позволяет определить напряжения и деформации в конструкциях станин, сократить трудоемкость проектирования конструкций, обеспечить достаточно равномерное распределение напряжений по объему станины, и тем самым снизить ее металлоемкость при повышении жесткости.3. Предложена методика проектирования рабочих клетей включающая: определение параметров очага деформации, выбор рациональной конструкции валкового узла и механизма его установки, создание замкнутого силового контура станины, расчет напряжений и перемещений в объеме станины, корректировку конструкции станины для снятия пиковых напряжений, рабочее проектирование. Эта методика обеспечивает создание рабочей клети в виде единой конструкторско технологической системы.4. Создана конструкция оригинальной трехвалковой клети с круглой цельнометаллической станиной (пол. реш. № 2001111559/02 от 01.11.01г.) и изготовлен опытно-промышленный стан "10...40" для прокатки точных прутков из жаропрочных сплавов.5. Выполнен технический проект двухвалковой клети "Д40...80" закрытого типа, металлоемкость которой в 3,5 раза меньше традиционных клетей открытого типа для реализации способа получения заготовок деталей машиностроения (пол.реш. № 2002111230/02(011908) от 05.12.02 г). Проект передан ОАО ЭЗТМ и использован при изготовлении специального деталепрокатного стана.6. Определены энергосиловые параметры для конкретных условий прокатки прутков диаметром 14...40 м; разработаны режимы деформирования с учетом степени деформации и температуры, что позволило разработать технологию прокатки прутков'повышенной точности диаметром 14...40 мм, применительно к условиям мелкосерийного производства на основе новых конструкций рабочих клетей.

1. Чекмарев А.П., Побегайло Г.Г. Точная прокатка сортовых профилей. М., "Металлругия", 1968. 236 с.

2. Губарь Е.Н., Жиляев К.И., Гридневский В.И. Производство и сдача проката по теоретическому весу. Киев, "Техшка", 1974. 252 с.

3. Котов Ю.Н., Ермолинский В.В. Прогрессивные процессы изготовления заготовок из сортового проката М., ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш, 1974, 52 с.

4. Склокин Н.Ф. , Бродов А.А. Основные направления и экономика улучшения черных металлов. М., "Металлургия", 1974. 96 с.

5. Сапожников А .Я, Иванов Ю.Г. "Металлургическое оборудование". Сб. № 11 М., НИИинформтяжмаш, 1968, с. 17-23.

6. Экономия металла при производстве сортового проката. Киев, "Техшка", 1969. 152 с. Авт.: И.В. Гунин, А.А.Слинько, Х.М. Сапрыгин, Е.Н. Губарь.

7. Ектов И.М., Дмитриев В.Д., Приходько И.Ф. и др. "Сталь", 1966, № 5 с. 433-437.

8. Перлин И.Л. Теория волочения. М., "Металлургия" 1971. 448 с.

9. Дрозд В.Г., Меренков А.И. Сортовые прокатные станы. М.: Металлургия, 1967.

10. Выдрин В.Н., Дукмасов В.Г., Нагорнов B.C. Новое в прокатке точного сортового металла. Челябинск, Южно-Уральское книжное изд-во, 1970. 107 с.

11. Грановский С.П., Мехов Н.В., Гришпун А.И., Алдешкин А.И. -"Оборудование для прокатного производства". Сб. № 18. М., Ниинформтяжмаш, 1976, с. 22-24

12. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник, том. 1. М.: Машиностроение, 1968, 831 с.

13. Симпозиум по новым технологиям и возможностям модернизации прокатных станов и установок непрерывной разливки стали. Москва, 23.24. мая 1985'г.

14. Бретшнайдер Э., Мюллер Г., Фрик Ю. Планетарный стан поперечновинтовой прокатки новое направление в деформации с большими обжатиями.-Черные металлы, 1973, №22, С.29.35.

15. Радиально-сдвиговая прокатка сортового металла /И.Н.Потапов, И.Полухин, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин // Теория и технология металло- и энергосберегающих процессов обработки металлов давлением. Сб. научн. трудов МИСиС, М., Металлургия, 1986, С.72. .78.

16. Колмогоров B.JI. Напряжение, деформация, разрушение -М.: Металлургия, 1970, 230 с.

17. Целиков А.И., Луговской В.М. Третьяков Е.М. Элементы теории поперечной прокатки и холодной прокатки на трехвалковом стане. Вестник машиностроения, 1961 № 7, с. 49.54.

18. Выдрин В.Н., Дукмасов В.Г., Нагорнов B.C. и др. "Металлург", 1972, №2, с. 29.30

19. Ламан Н.К. Развитие техники волочения металлов. М.; Изд-во АН СССР, 1963, 235 с. с ил.

20. Кацнельсон М.П., Сапожников А .Я. "Металлургическое оборудование", М., 1967, с. 11. 16 (НИИинформтяжмаш, 1-67-2).

21. Выдрин В.Н., Дукмасов В.Г. Точная прокатка сортового металла. Челябинск, Южно-уральское книжное издательство, 1970. 107 с. с ил.

22. Патент (Швейцария), № 459117, 1968 г.

23. Патент (ГДР), № 49538, 1968 г.

24. Оратовский Е.Л., Владимиров Ю.В. "Бюл. Ин-та "Черметинформация", 1969, № 7, с. 8 с ил.

25. Выдрин В.И., Тищенко О.И., Березин Е.Н. Авт. Свид. 236209. Открытия. Пзобрст. Пром. Образцы. Товарные знаки. 1969, № 6, с. 139.

26. Выдрин В.Н. Динамика прокатных станов. Свердловск,Металлургиздат, 1960. 255 с. с ил.

27. Бояршинов М.И., Поляков М.Г., Гун Г.С. и др. "Прокатка в многовалковых калибрах". Магнитогорск, 1970 (научные труды МГМИ. Сб. №74), с. 46.52

28. Бояршнинов М.И., Поляков М.Г., Коковихин Ю.И. и др. "Прокатное производство". Свердловск, УПИ, 1968, с. 43.46.

29. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки -М.: Металлургия, 1990,334 С.

30. Радиально-сдвиговая прокатка сортового металла /И.Н.Потапов, И.Н. Полухин, Е.А.Харитонов, С.П.Галкин // Теория и технология металло- и энергосберегающих процессов обработки металлов давлением. Сб. научн. трудов МИСиС, М., Металлургия, 1986, С.72.78.

31. Потапов И.Н., Полухин П.И. Новая технология винтовой прокатки -М.; Металлургия, 1976, 342 с.

32. Галкин С.П. Разработка процесса винтовой прокатки сплошных заготовок из малопластичных сталей и сплавов. Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук (05.16.05). М., 1982.

33. Барабашкин В.П., Тартаковский И.К. Производство труб на агрегатах с трехвалковым раскатным станом. -М.: Металлургия, 1981, 147 с.

34. Бережной В.В. Теоретические и экспериментальные исследования трехвалковых станов с целью интенсификации процесса винтовй прокатки. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд.техн. наук (05.03.04). М., 1978

35. Фомичев И.А. Косая прокатка. М.: Металлургиздат, 1963. - 262 с.

36. Грановский С.П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в винтовых калибрах. М.: Металлургия, 1980, 115 с.

37. Грудев А.П., Машкин Л.Ф., Ханин М.И. Технология прокатного производства. -М.: Металлургия, 1994. 656 с.

38. Технология и оборудование трубного производства. / В.Я. Осадчий, А.С. Вавилин, В.Г. Зимовец и др. -М.: Металлургия, 2001.

39. Специальные прокатные станы. / А.И. Целиков, М.В. Барбарич, М.В. Васильчиков и др. М.: Металлургия, 1971. 336 с.

40. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубопрокатных цехов. -М.: Металлургия, 1987. 480 с.

41. Галкин С.П. Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени доктора техн. наук (05.16.05). М., 1998.

42. Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. -М.: Металлургия, 1985. 376 с.

43. Финкелыптейн Я.С. Справочник по прокатному и трубному производству. -М.: Металлургия, 1975 439 с.

44. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. — М.: Машгиз. 1963. 287 с.

45. Костров В.П. Исследование напряженного и деформированного состояния закрытых станин рабочих клетей прокатных станов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Свердловск, 1970. 343 с.

46. Меерович И.М., Герцев А.И., Горелик B.C. Повышение точности листового проката. — М.: Металлургия, 1969. 262 с.

47. Хуторянский М.И. О новой модели упругой деформации клети./ Усовершенствование технологии производства тонколистовой стали: Темат. сб. научн. тр./ДонНИИчермет. М.: Металлургия, 1981. с. 22.26.

48. Полухин В.П., Геништа Н.Е. Расчет на ЭВМ оптимальных параметров клети кварто//Непрерывная листовая и сортовая прокатка: Днепропетровск, 1971. с. 33.36.

49. Ширяев В.И., Чепуркин С.С. Оптимальные соотношения между элементами станины прокатной клети с точки зрения жесткости и прочности//Изв. вузов, Черная металлургия. 1967, № 2. с. 199.203.

50. Целиков А.И., Морозов Б.А., Шусторович В.М. и др. К выбору оптимального диаметра опорных валков станов кварто //Вестник машиностроения. 1965. № 9. с. 24.25.

51. Новокщенов Л.Т., Свиридова Н.И. Автоматизация подготовки исходных данных и представление результатов расчета по МКЭ ползунов многокривошипных прессов. КШП, 1992 № 1

52. Ильясов М.Ш. Оценка прочности и жесткости станины РОМ. КШП, 1992 №7.

53. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике/Пер.с англ. М.: Мир, 1975, 541 с.

54. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983, 351 с.56. "Mainstream CAE Tools: Technical Consideration and Informative Comparision", 2002 r.

55. Третьяков A.B., Давлетбаев Г.Г., Зимина JI.A. Определение деформаций валков по различным методикам//Конструирование и совершенствование прокатного оборудования, выпускаемого Уралмашзаводом: Труды ин-та/ВНИИметмаш. -М.: 1977. Сб. 51. с. 62.69.

56. Жидкин Ю.В. К расчету осевых усилий в валковой системе прокатных клетей кварто//Изв. вузов. Черная металлургия. 1081, № 10 с. 156. 158.

57. Ефименко С.П. Прогноз развитии теории и технологии прокатного производства // Теория и технология процессов пластической деформации: труды научн. техн. конф. М.: МИСиС, 1997, с. 10. 17.

58. Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций: Пер. с англ. М.: Мир, 1977 109 с.

59. Пат. РФ № 2009733 Способ получения круглых прутков прокаткой.B.К. Михайлов, С.П. Галкин, Б.А. Романцев. Опубл. В Б.И., 1994, № 6.

60. Пат РФ № 2009736 Способ винтовой прокатки круглых профилей.C.П. Галкин, В.К. Михайлов, Б.А. Романцев. Опубл. В Б.И., 1994, № 6.

61. Пат РФ № 2009737 Трехвалковый стан винтовой прокатки и технологический инструмент стана винтовой прокатки. Б.А. Романцев, В.К. Михайлов, С.П. Галкин и др. Опубл. В Б.И., 1994, № 6.

62. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1976. 497с.

63. Способ винтовой прокатки и устройства для его осуществления Б.А. Романцев В.К. Михайлов С.П. Галкин Е.В. Даева А.П. Чистова А.А.Хзарджян Полож. решение № 2001111559/02 от 01.11.01г.203

64. Ануфриев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. Т. 1. -М.: Машиностроения, 1979. 729 с.

65. Способ получения полых заготовок из высокопрочных материалов. А.Ф. Лавров, Е.С. Дубровский, А.В. Гончарук, Е.В. Даева и др. Полож. решение № 2002111230/02(011908) от 05.12.02 г.

66. Освоение технологии горячего прессования труднодеформируемых сплавов. / Ю.В. Манегин, Ю.Ф. Пузин, В.О. Гук и др. Сталь, № 3, 1982, С.49.53.

67. Корнеев Н.И., Скугорев И.Г. Пластическая деформация высоколегированных сталей. М.: Оборониздат, 1955, 204 с.

68. Булат С.И., Тихонов А.С., Дубровин А.К. Деформируемость структурно неоднородных сталей и сплавов. -М.: Металлургия, 1975, 352 с.

69. Распределение шагов подачи по очагу деформации при винтовой прокатке. / И.Н. Потапов, С.П. Галкин, Е.А. Харитонов и др. Сб. научн. тр. МИСиС, -М.: Металлургия, 1980, № 118, С.61.65.

70. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин О.Г. Горячая прокатка и прессование труб.- М. Металлургия, 1972. 573 с.