автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии прокатки сложных корытных гнутых профилей для балок коробчатого сечения



МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ФАКУСЕХ МАХМУД МУХАММЕД

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ СЛОЖНЫХ КОРЫТНЫХ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ БАЛОК КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ

Специальность 05.16.05 "Обработка металлов давлением"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Паршин В.Г. кандидат технических наук, доцент Зубачев В.А.

Магнитогорск - 1999 г.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

1.1. Анализ процессов формообразования гнутых профилей ............................. $

1.1.1 .Напряженно- деформированное состояние металла подгибаемых

4

.Напряженно- деформированное состояние металла в местах изгиба при

........................................... ,^21.:.......................,........^/

*>0

........................................................................Ой

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОКАТКЕ СЛОЖНЫХ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

2.1. Формоизменение металла при профилировании ..........................................

2.1.1. Особенности формоизменения металла при прокатке сложных корытных

. Напряженно-деформированное состояние металла в подгибаемых элементах ...........................................................................................................................&

. 1. Напряженно-деформированное состояние подгибаемых

)°.................................................................................^

2.2.2. Особенности производства профилей сложного сечения

с применением сжимающих сил .......................................................................... $

2.3. Выводы ...........................................................................................................

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНЫХ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ

ö

3.1. Методика определение усилий и крутящих моментов при прокатке сложных корытных профилей................................ ............................................................. ¿Р

3.1.1. Давление металла на валки при прокатке сложных корытных профилей^^

3.1.2. Определения крутящих моментов на валках при прокатке сложных

корытных профилей.............................................................................................GBj

Ъ2. Оптимизация процесса формообразования гнутых корытныхпрофилей ...

№

3.3. Выводы.................................. .......................................................................&

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛОК КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ

4.1. Определение деформации балок коробчатого сечения..............................

4.2. Исследование устойчивости вертикальных элементов коробчатых сечений^

4.3. Выводы и рекомендации...............................................................................: <§ß

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГНУТЫХ КОРЫТНЫХ ПРОФИЛЕЙ

5.1. Преимущества сложных сечений состоящих из гнутых профилей...........ffi

5.2. Основные положения и принципы расчета калибровки валков для профилирования сложных сечений.................... ................................................М

5.3. Расчет калибровки валков для сложных корытных профилей...................4QS

5.4. Геометрические характеристики коробчатого поперечных сечений балок//^

5.5. Выводы................................ ..........................................................................4Ü

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................................................................JJ9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................¿Bf

ПРИЛОЖЕНИЕ

Для удовлетворения постоянно растущей потребности в гнутых профилях построены профилегибочные станы, на которых гнутые профили получают из полосы и листа. Гнутые профили проката во многих случаях являются законченными деталями или изделиями, не требующими дальнейшей обработки.

Особенностью развития отечественного производства гнутых профилей является строительство мощных высокопроизводительных профилешбочных агрегатов для централизованного обеспечения народного хозяйства страны гнутыми профилями проката. На каждом из этих агрегатов, в отличие от зарубежных, изготовляется широкий сортамент гнутых профилей общего и специального назначения.

Процесс получения гнутых профилей на профилешбочных агрегатах за--ключается в последовательном изменении формы , поперечного сечения исходной заготовки (полосы, листа или ленты) при происхождении ее через ряд пар вращающихся валков.

Высокая эффективность применения таких профилей в различных отраслях промышленности определяет опережающее развитие их производства по сравнению с другими видами продукции черной металлургии. Широкое развитие производства гнутых профилей определяется их преимуществами перед обычными профилями горячей прокатки.

Среди новых видов продукции из гнутых профилей разработан новый вид так называемых балок коробчатого сечения. Предлагаемые балки могут найти широкое применение в строительстве, машиностроении. Коробчатые поперечные сечения предполагают разные значения осевых моментов инерции и моментов сопротивления. Изменяя один из основных размеров сечения, например высоту, можно получить различные значения моментов сопротивления. Для ка-

ждой конкретной конструкции, с учетом полезных нагрузок и собственного веса, можно определить рациональные размеры сечения.

Балки коробчатого сечения из гнутых профилей можно применять при сооружении промышленных и общественных зданий. Высокие прочностные ха= рактеристикж (в вертикальной плоскости) таких балок обеспечивают повышение надежности работы сооружений.

Часто наступает момент, когда существующие материалы и методы проверки прочности не в состоянии удовлетворить потребностям практики, ставящей на очередь решение новых задач. Тогда начинаются поиски новых материалов и новых видов продукции, а именно, изготовление балок коробчатого сечения из холодногнутых профилей проката.

В некоторых случаях инженеру, помимо основных требований надежности и наибольшей экономии, приходится при выполнении конструкции удовлетворять и другим условиям, например, требованиям быстроты постройки (при восстановлении разрушенных сооружений), минимального веса и т.п.

Эти обстоятельства также отражаются на выборе материала, размеров и форм частей и элементов, входящих в конструкции.

Современная экономика поставила на очередь решение ряда новых проблем. Ранее, значительная часть работ была посвящена решению задач о зависимости между размерами балок и теми нагрузками, которые могут выдержать эти элементы балок. В этих работах было указано, что полученные в процессе испытании результаты могут принести большую пользу при постройке крупных металлических сооружений, в особенности при их укреплении, так как в сооружениях этого рода легкость имеет огромное значение".

Под прочностью балки, состоящей из гнутых профилей следует понимать ее неразрушимость от действия приложенных к ней сил (нагрузок). При статическом расчете конструкций из стальных гнутых профилей руководствуются теми же основными принципами, что и при расчете обычных стальных конст-

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Анализ нрощеес« формообразования гнутых профилей

Гнутые профили проката получили признание как эффективный вид металлопродукции. Они находят широкое применение в качестве несущих и конструктивных элементов различных машин и легких металлических строительных конструкций [1]. Особенно эффективны в применении специальные гнутые профили нового поколения, которые могут быть сконструированы и изготовлены с учетом широких индивидуальных требований к ним и технологических возможностей их формообразования в валках стана с применением в потоке профилирования дополнительно технологических операций резки, сварки, продольной гибки.

М.Е. Докторов [1] перечислил виды профилей нового поколения, отметил особенности технологии производства, преимущества новых гнутых профилей перед традиционными профилями: гнутые профили расставленного сечения -новый вид гнутых профилей с отверстиями на стенках, изготовляемых по безотходной технологии. По сравнению с обычными профилями они имеют более рациональное распределение металла в поперечном сечении и за счет этого повышенный момент сопротивления и инерции при одинаковой или меньшей металлоемкости. Балки из профилей расставленного сечения в сравнении с ранее применявшимися из гнутых профилей швеллерной формы позволили снизить их металлоемкость в строительных конструкциях на 20-30%.

Гнутые сварные профили со стенками различной, толщины могут быть сконструированы и изготовлены с более рациональным распределением металла в поперечном сечении профиля, чем в обычных гнутых профилях. В сравне-

ним с профилями расставленного сечения, они характеризуются сплошностью стенки и постоянством геометрических характеристик по длине, простотой и меньшими трудозатратами при изготовлении. По сравнению с обычными, профили со стенками различной толщины характеризуются меньшей на 20-40% металлоемкостью при повышенной несущей способности. Разработаны прин-

ч

ципиально новые технологические схемы формообразования и способы изготовления гнутых профилей с различной толщиной стенок в поперечном сечении

[3].

Гнутые профгши с замковыми элементами можно отнести к профилям нового поколения, которые позволяют создавать высокоэкономичные сборно» разборные конструктивные элементы, в том числе составные профили для строительных конструкций (рис. 1.1).

РшкСо 1о1о Гнуты© ирофшши с замкнутыми элементами

Гнутые профили с переменным по длине поперечным сечением - новый высокоэкономичный вид гнутых профилей, которые могут быть изготовлены практически любой заданной длины и формы с учетом индивидуальных требо-

ваний к ним. Придание определенной изменяемой по длине, позволяет снизить его металлоемкость, а в ряде случаев и сопрягаемых с ним деталей в конструкции, увеличивает эффективность их использования [4, 5].

Применение этих профилей обеспечивает необходимую жесткость, надежность и легкость конструкций, возможность многократного их использования за счет сборки и разборки, снижение трудоемкости монтажа и последующей разборки конструкций, возможность доступа к внутренним поверхностям замкнутых сечений, а также ревизии и коррозионной защиты внутренних поверхностей составных профилей [6].

1X1, Нашршшнш©= д@ф©рмшршмшшш@ состоят© металла шодгибаемых

элементов ппрш шрофшмровдшш

Исследованию деформации подгибаемых элементов при профилировании посвящено много работ, в которых дано приближенное решение задачи определения напряженно-деформированного состояния металла.

Первоначально [15,16,17] предполагали, что при подгибке на заданный угол металла кромки профилируемых полос не должны деформироваться пластически, а продольная деформация должна равномерно распределяться вдоль участка плавного перехода и быть одинаковой по толщине заготовки. В работах [18,19] было установлено, что в большинстве случаев продольные деформации подгибаемых элементов профиля выходят за пределы упругих деформаций, имеют знакопеременные характеристики по длине участка плавного перехода и сводятся, в основном, к сочетанию продольного растяжения и продольного знакопеременного изгиба относительно горизонтальной оси и серединной линии поперечного сечения подгибаемого элемента.

В других работах [20,21,22,23,24,28,29,30,31] показано, что в очаге деформации каждой клети формоизменению подвергаются как плоские, так и

криволинейные участки профиля. При этом имеет место сложное напряженно-деформированное состояние металла по всей ширине формуемой полосы. В качестве основной гипотезы деформирования принято, что совокупность материальных точек, расположенных до деформации подгибаемого элемента на какой-либо прямой, перпендикулярной к плоскости, проходящей по середине толщины элемента в процессе и после деформации, остается на прямой, нормальной к серединной поверхности деформированного элемента.

Исходя из условия пространственного перемещения точек, решение задачи по определению напряженно-деформированного состояния сводилось к последовательному решению трех задач:

1. Нахождение параметров напряженно-деформированного состояния металла подгибаемого элемента профиля при формоизменении по схеме чистого изгиба в плоскостях поперечного сечения полосы.

2. Определение параметров напряженно-деформированного состояния металла при деформировании за счет перемещения материальных точек, расположенных на нормалях к серединной поверхности, из плоскостей поперечного сечения полосы.

3. Получение суммарного поля деформаций по результатам решения двух приведенных выше задач и определение других параметров напряженно-деформированного состояния подгибаемого элемента профиля.

В работе [20] приведена и была решена первая задача. Рассмотрен наибо=

лее характерным для профилей в прямоугольной системе координат Ох,Оу,Ог (рис. 1.2). Коорди=

с

ния полосы.

точжш иодгибаемфг© элемента из

Из работы можно сделать несколько выводов. На основании сплошных сред с использованием поля скоростей аналитические зависимости, определяющие

пряженно-деформированного состояния металла подгибаемых элементов неподвижной и движущейся в стане полосы: компоненты полей скоростей деформаций, интенсивность скоростей деформаций, компоненты поля деформаций, напряжений, функцию диссипации энергии и работу деформирования. Из анализа зависимостей в работе [21] установлено, что интенсивность скоростей де= формаций достигает минимального значения ё1 = 0 на кромке подгибаемого

элемента в поперечном сечении, где находится точка перегиба функции А .

Касательные напряжения достигают максимального значения на кромке полосы. Особенностью распределения касательных напряжений является изменение их знака на обратный в поперечном сечении, в котором находится точка перегиба функции А . Методику определения напряженно-деформированного

состояния металла [21] можно применять при расчете режимов профилирования.

В работе [21] приведено решение задачи определения напряженно-деформированного состояния металла подгибаемого прямолинейного элемента профиля при формоизменении его в очаге деформации по схеме чистого сдвига.

При решении второй задачи во втором приближении учтем дополнительно особенности деформирования, связанные с перемещением из плоскостей сдвига материальных точек металла в результате поворота последних на нормалях к серединной поверхности.

Для рассмотрения процесса деформирования в результате поворота нормалей примем прямоугольную систему координат Ох,Оу,Ог в соответствии с рис. 1.2.

Поворот нормали в произвольной точке серединной поверхности очага деформации происходит с постоянной угловой скоростью, длительность подгибки при переходе из начального положения в конечное составляет 1п = 1 и

при переходе из начального в промежуточное -I. Обозначив конечную величи-

промежуточное состояние можно определить из уравнения

7

в

= Г

Из принятых гипотез деформирования Кирхгоффа-Лява (см. рис. 1.2) следует [22,23], что текущие координаты произвольной материальной точки В(х,у,2) связаны с ее начальными координатами следующими

X = ХдСОБу I

У = Уо

г = хвту ( +г0

Из геометрии подгибаемого элемента в в

и

плоскость хОуиосьго Ох [22]. В соответствии с этим

*8Г= ~Г = У-ГГ«иДа(г)]:

аг аг1 1

У = угол

/ = 5шД = перемещение точки встречи нормали с серединной по-

С помощью полученных полей скоростей перемещений, скоростей де=

схеме чистого" сдвига, можно определить другие параметры напряженно-деформированного состояния металла неподвижной и движущейся полосы.

На основании принятого метода механики сплошных сред с использованием поля скоростей перемещений определено поле скоростей материальных

новлены поля скоростей перемещений, определены аналитические зависимости для расчета параметров напряженно-деформированного состояния металла: компоненты поля скоростей деформаций и ций, компоненты поля деформации и интенсивности поля напряжений. В работе [23] было тоже установлены аналитические зависимости для определения напряженно-деформированного состояния металла деформируемого подгибаемого элемента полосы при его формоизменении на участке плавного перехода в соответствии с гипотезой Кирхгоффа-Лява [33,34].

деформированного состояния металла в подгибаемом элементе с учетом перемещений его материальных точек, возникающих вследствие формоизменения

места изгиба в первой зоне очага деформации. Так как в процессе деформации материальные точки подгибаемого элемента перемещаются по цилиндрическим поверхностям, направляющими которых являются эвольвенты окружности, то в качестве координатной системы целесообразно выбирать не цилиндрические координаты , а декартовы прямоугольные координаты х,у,г, совместив плоскость хОу с начальной плоскостью очага деформации (рис. 1.3).

Рис» 0„ Сжема длш оиределеши зависимости тсжущих мшрдишмлг х,у материальной тотчшш А от начальных координат х0,у0

В первой зоне оч