автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка термомеханических режимов управления разнотолщинностью при прокатке тонких алюминиевых лент для глубокой вытяжки с утонением

На правах рукописи

ОВОДЕНКО АЛЕКСЕЙ МАКСИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЕНИЯ РАЗНОТОЛЩИННОСТЬЮ ПРИ ПРОКАТКЕ

ТОНКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛЕНТ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ

05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ ¿«Ш

Самара-2013

005060709

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) и закрытом акционерном обществе «Алкоа СМЗ».

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Гречников Федор Васильевич

Официальные оппоненты:

Колесников Александр Григорьевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», заведующий кафедрой «Оборудование и технологии прокатки»;

Скоробогатов Александр Олегович, доктор технических наук, федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственный центр газотурбостроения «Салют», главный специалист.

Ведущее предприятие:

открытое акционерное общество «Всероссийский институт легких сплавов»

Защита состоится 14 июня 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.03, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 8 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Клочков Ю. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Закрытое акционерное обществе «Алкоа СМЗ» (СМЗ) является единственным в России предприятием, освоившим серийный выпуск алюминиевой ленты для изготовления банок под напитки. Отечественными потребителями «баночной» ленты в настоящее время являются четыре завода по производству алюминиевых банок под Москвой, Санкт-Петербургом, Челябинском. Кроме того, еще два завода в Новосибирске и Новочеркасске находятся в стадии пуско-нападки. Суммарные мощности производителей банок позволяют выпускать до 5 млрд. банок в год, и в ближайшие годы эта цифра будет возрастать. При этом до начала 2000-х гг. данный вид продукции в России вообще не производился. Таким образом, производство баночной тары - новая для России отрасль промышленности, успешное развитие которой в немалой степени зависит от своевременного поступления качественной заготовки, т.е. алюминиевой ленты.

Суммарный объем выпуска ленты для изготовления банок на СМЗ составляет 90 тыс. тонн в год, что на 95% обеспечивает потребность отечественных заводов.

Дальнейший рост объемов продаж и выход на европейский рынок (Польша, Хорватия, Германия) сдерживается из-за нерешенных проблем качества данной ленты. Прежде всего, это касается вопроса получения минимальной разнотолщинности как по ширине, так и по длине ленты. В частности, неудовлетворительная разнотолщинность заготовки приводит при глубокой вытяжке с утонением к различной высоте банки. При этом происходит аварийная остановка автоматической линии, настроенной на одинаковые параметры продукции, что, естественно, снижает производительность. Например, при испытании ленты производства СМЗ на фирме «Ball» (Польша) производительность линии заказчика снизилась на 12% по сравнению с другим их поставщиком.

По оценке специалистов «Ball» разнотолщинность ленты СМЗ по длине, замеренная по средней линии, составила 8 мкм, в то время как у наших конкурентов эта величина не превышает 3-4 мкм.

Однако четко сформулированных требований по допустимой продольной и поперечной разнотолщинности ленты для глубокой вытяжки нет ни у производителей банок, ни у поставщиков ленты, есть только обобщенное условие, что разнотолщинность ленты не должна снижать производительность линии.

Таким образом, определение необходимой разнотолщинности лент для глубокой вытяжки с утонением и развитие теоретических основ № получения при горячей и холодной прокатке является актуальной задачей. Решение этой задачи позволит освоить выпуск алюминиевой ленты для глубокой вытяжки, обеспечивающий успешную конкуренцию на внутреннем и зарубежном рынке.

Целью диссертационного исследования является научное обоснование требований к допустимой разнотолщинности лент для глубокой вытяжки с утонением и разработка термомеханических режимов горячей и холодной прокатки тонких лент из сплава 3104 с минимальной продольной и поперечной разнотолщинностью.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести теоретические исследования влияния разнотолщинности заготовки на геометрические параметры банки после вытяжки с утонением. "

2. Определить допустимую разнотолщинность ленты из сплава 3104, обеспечивающую устойчивый процесс вытяжки с утонением.

3. Установить влияние напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных условий горячей прокатки на поперечный профиль горячекатаной полосы.

4. Исследовать влияние биений валков на продольную разнотолщинность готовой ленты.

5. Разработать режимы горячей и холодной прокатки, обеспечивающие получение ленты с регламентированной разнотолщинностью.

Область исследования. Закономерности пластического деформирования материалов и создание технологий изготовления заготовок высокого качества.

Объект исследования. Термомеханические параметры прокатки алюминиевых лент из сплава 3104

Предмет исследования. Формирование продольной и поперечной разнотолщинности при прокатке тонких лент для глубокой вытяжки с утонением.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ формоизменения листовых заготовок при вытяжке и экспериментальную проверку теоретических выводов в лабораторных и производственных условиях.

В ходе теоретических исследований напряженно-деформированного состояния методом последовательных приближений решалась краевая задача для уравнений равновесия, сплошности и условия пластичности.

Процессы теплообмена моделировались с применением метода конечных разностей.

При определении поперечной и продольной разнотолщинности, а так же механических свойств ленты использовалось современное испытательное оборудование и регистрирующая аппаратура Центральной заводской лаборатории СМЗ. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики. Анализ параметров горячей прокатки реализован численно с использованием ЭВМ.

Окончательные экспериментальные исследования проводились в производственных условиях на действующем оборудовании. Обработка промышленных экспериментов производилась методами математической статистики на основе регрессионно-корреляционного анализа.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель горячей прокатки в непрерывных группах станов с учетом неравномерного распределения натяжений по ширине полосы и уширения.

2. Предложена научно-обоснованная методика расчета теплообмена валков, охлаждающей эмульсии и полосы при прокатке алюминиевых сплавов.

3. Разработаны режимы горячей и холодной прокатки, позволяющие получать ленту с минимальной разнотолщинностью.

Практическая ценность работы.

1. Установлены пределы допустимой разнотолщинности ленты, обеспечивающие устойчивый процесс глубокой вытяжки с утонением.

2. Разработана и внедрена в серийное производство технология горячей и холодной прокатки «баночной» ленты из сплава 3104, которая позволила получить ленту с регламентированной продольной и поперечной разнотолщинностью.

3. Предложена методика контроля продольной и поперечной разнотолщин-ности лент после прокатки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа разнотолщинности заготовки на процесс глубокой вытяжки.

2. Математическая модель горячей прокатки в непрерывных станах с учетом неравномерного распределения натяжений по ширине полосы и уширения.

3. Методика расчета теплообмена валков, охлаждающей эмульсии и полосы при прокатке алюминиевых сплавов.

4. Расчет допустимого биения валков, обеспечивающего заданную продольную разнотолщинность лент.

5. Термомеханические параметры прокатки, обеспечивающие заданную разнотолщинность лент из сплава 3104.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих международных и российских научных конференциях и семинарах:

Первая Международная конференция и Выставка «Алюминий-21/ Плоский Прокат» (г. Санкт Петербург 2011 г.)

IX Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк 2012 г.)

XVI Международная заочная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск 2012 г.)

ХХХХН Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления (г. Миасс 2012 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 8 печатных работах, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованных источников, в количестве 79 наименований. Работа изложена на 131 странице, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дана характеристика процесса изготовления корпусов банок под напитки и проанализированы методы расчета и моделирования процессов штамповки и вытяжки с утонением. Теоретические основы процессов холодной штамповки изложены в монографиях М.В. Сторожева, Е.А. Попова, А.Д Томленова, Р. Хилла и др. Особенности штамповки изделий из анизотропных алюминиевых сплавов исследованы в трудах Ю.М. Арышенского, В.Ю. Арышенского, Ф.В. Гречникова, С.П. Яковлева и др. Теория процесса штамповки разработана настолько, что основные параметры процесса могут быть рассчитаны с достаточной для практики точностью. Недостаточно проработан вопрос о

допустимой разнотолщинности особо тонких лент для обеспечения устойчивого процесса вытяжки с утонением.

Вопросам точности листовой прокатки посвящены работы многих ученых и инженеров: А.И Целикова, И.М. Мееровича, П.И Полухина, А.Г. Колесникова, В.П. Полухина, Ю.Д. Железнова, В.Н. Хлопонина. При листовой прокатке разнотолщинность может быть подразделена на продольную и поперечную, причем механизмы возникновения, методы исследования и средства достижения приемлемого уровня для этих двух видов отклонения от толщины во многом различаются. В исследованиях авторов рассмотрены показатели, характеризующие разнотолщинность; отмечается периодический характер продольной разнотолщинности; показана связь поперечной разнотолщинности (профиля) полосы с параметрами планшетности. Однако такой фактор, как геометрия валков и его влияние на разнотолщинность ленты освещен недостаточно.

На непрерывных широкополосных станах важной оказывается связь профиля полосы с натяжениями, неравномерно распределенными по ширине (так называемой «скрытой планшетностью»). Методы численного моделирования, хотя и позволяют исследовать данный процесс, но все же требуют больших затрат машинного времени и непригодны в тех случаях, когда проводится расчет технологических характеристик с целью управления процессом в реальном времени.

Таким образом, несмотря на достаточно хорошо разработанную теоретическую базу, определение технических параметров ленты из сплава 3104, в том числе значений разнотолщинности, обеспечивающих технологические требования, предъявляемые к заготовкам для глубокой вытяжки с утонением, происходит опытным путем, т.е. производятся промышленные испытания ленты на предприятии заказчика с последующей коррекцией технологических режимов прокатки.

Недостаточно изученными остаются как вопросы о научном обосновании допуска на точность лент-заготовок для производства корпусов банок под напитки, так и задача разработки методов снижения разнотолщинности с учетом реальных условий прокатки алюминиевых сплавов на непрерывных широкополосных станах.

Во втором главе определена разнотолщинность, обеспечивающая надежную работу штамповочной линии по производству банок. Выполнен частотный анализ составляющих продольной разнотолщинности по сигналам со станов горячей и холодной прокатки; решена задача об одновременной деформации полосы в нескольких клетях непрерывной группы стана горячей прокатки с учетом деформации валков; предложена методика и выполнены практические расчеты реального процесса горячей прокатки в непрерывной группе клетей.

В первом разделе определяется разнотолщинность, обеспечивающая надежную работу автоматической линии по производству банок. Разнотолщинность при изготовлении корпусов банок под напитки проявляется как различие по высоте корпусов банок. Для определения зависимости высоты корпуса банки от толщины заготовки, вырубленной из листа, или, что то же самое, от разнотолщинности листа, использована методика предложенная ранее В.Ю. Арышенским.

Высота стенки банки, как показано в работах Ф.В. Гречникова, рассчитывается в зависимости от толщины заготовки перед штамповкой и показателей анизотропии листовой заготовки.

Результат расчетов для банок объемом 0,33 литра при использовании заготовки толщиной 260 мкм показаны на рисунке 1. Для обеспечения заданного интервала обрезки верхнего края банки разновысотность корпусов банок должна укладываться в заданный диапазон.

1 1 1

1 1 1 —минимальный и

У «гениальный рм .» Г

допус к на *Ь1СО ГУ 1

ч

1 —1—

& опус ОЛЩ1 1ну -ъ» 1

1 1

-5-44 -2-1 »1254! о-плоиииктрлцшы отноиинлпа.ики

Рисунок 1 - Влияние разнотолщинности на разновыстность заготовок банок полученных вытяжкой с утонением банок

Приемлемый для обрезки верхнего края банки диапазон разновысотности - 6 мм будет получен, если вся разнотолщинность ленты укладывается в пределы не более ±3мкм.

Во втором разделе приведены результаты частотного анализа составляющих продольной разнотолщинности по сигналам со станов горячей и холодной прокатки. Для анализа использовали программный комплекс «1ЬаАпа1угсг», который позволяет проводить анализ более 100 сигналов со станов горячей и холодной прокатки, записанных с частотой 4 миллисекунды и производить разложение частотного диапазона сигнала с использованием быстрого преобразования Фурье. Это дает возможность определить источник отклонения толщины.

Система автоматики стана холодной прокатки включает систему компенсации эксцентриситета опорных валков, которая успешно гасит первые две гармоники периодических отклонений, вызываемых несовершенством шлифовки и сборки комплекта валков. Нескомпенсированные высшие гармоники и высшие частоты входной толщины горячекатаной заготовки сказываются на продольной разнотолщинности ленты после холодной прокатки.

Для определения фактических значений биений комплектов валков при прокатке ленты из сплава 3104 была разработана специальная методика замера биений для станов горячей и холодной прокатки.

Для оценки влияния биений валков станов горячей и холодной прокатки на разнотолщинность полос были проанализированы данные по 100 рулонам из сплава 3104, прокатанным в условиях серийного производства. Результаты сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1 - Зависимость разнотолщинности горячекатаной ленты от биений валков стана горячей прокатки

Таблица 2 - Зависимость разнотолщинности холоднокатаной ленты от биений валков

Максимальное биение валков стана горячей прокатки, мкм Средняя разнотолщинность горячекатаной ленты, мкм

120 70

90 50

60 30

30 10

стана холодной прокатки

Максимальное биение валков стана холодной прокатки, МКМ Средняя разнотолщинность холоднокатаной ленты, мкм

70 10

60 8,7

50 7,4

4а б 5

30 4,3

20 3,2

В результате регламентации величин биений рабочих валков (таблица 3) удалось снизить отклонение толщины до диапазона ±1,7 мкм. С учетом отклонения от номинала допуск толщины по центру полосы составляет ± 2 мкм.

Таблица 3 - Регламентированные биения комплектов валков для каждой клети

Стан № клети Величина допустимого эксцентриситета (мкм)

Стан горячей прокатки, реверсивная клеть 30

Стан горячей прокатки, 5-клетевая непрерывная группа Все клети 30

Стан холодной прокатки «1800» 1,4,5 20

2,3 30

В третьем разделе определен допуск на поперечную разнотолщинность и предложена модель прокатки широких полос в непрерывных группах клетей с учетом неравномерности натяжения и уширения.

Определим допустимую величину поперечного профиля горячекатаной заготовки. Чтобы удовлетворить требованиям по общей разнотолщинности ленты не более ±3,0мкм, поперечная разнотолщинность должна составлять не более ±1,0 мкм. При номинальных толщинах 245 + 260 мкм данное отклонение составит около ±0,4%, т.е. это максимальное значение отклонения толщины, которое необходимо получить на стане горячей прокатки. В качестве допустимого для профиля горячекатаной полосы принят диапазон значений 0,0 - 0,4%, а в качестве целевого значения - 0,2 %.

Поскольку прокатка ленты ведется в непрерывной группе клетей, то для расчета профиля и формы полосы необходимо решить задачу об одновременной деформации полосы в нескольких клетях с учетом деформации валков.

Задача иллюстрируется на рисунке 2 - криволинейная трапеция А1)НЕ лежит в плоскости симметрии, проходящей через середину длины бочки валков.

1л<хг)

Рисунок 2 - Направления осей координат при расчете напряженного состояния. Ось Ох, проходит по середине ширины полосы. Для решения задачи сделаны следующие допущения.

1. Главные нормальные напряжения сг, ,<х2,<т3 направлены вдоль осей координат. Касательные напряжения равны нулю.

2. Скорость движения материала вдоль оси х, зависит от координат х,,х2: у,(х,,х2), скорость движения материала по оси хг зависит только от координаты х2: у2(х2), скорость движения по оси х3 определяется формулой:

2у, ЭЙ

)г Эх,

0)

где /1(х,,х2) - функция, описывающая толщину полосы в очаге деформации.

3. Напряжение сг2(х2) зависит только от координаты х2.

4. о-з(х,,х2) =-р(х,,х2), где р- давление металла на валок в силу малых значений угла контакта с валком.

5. Поверхность контакта полосы и валка задается уравнением вида:

И (*„ х2) = ~+ Ни + 5И (дг„ х2), (2)

к

где Л - радиус рабочего валка;

Ь = -Днш -Ни)*Я - длина недеформированной дуги контакта; д1г(Х\, х2) . величина упругой деформации валков.

Н„, Н„. .

заданные входная и выходная толщины.

Уравнение равновесия по оси х,:

да, 1 Эх, Л

дИ , \ Лу,

—(¿г, -ег,) +

5х1 л/Ду,2 +

= 0,

(3)

где

Д у, =Рв-у,

Ув - линейная скорость валка;

г - напряжение трения: г = -//ст, при ]//о-,| ; г = ст,/л/з при |р<т3|><т5/л/з.

Уравнения равновесия по оси х2:

Используем условие пластичности в следующей форме:

(<т, - о\ + (оч - а,У + (сг3-а,У = 2<х,^7\с| (5)

Здесь о-^г.г^ - предел текучести при одноосном растяжении, зависящий от средней

температуры на входе в очаг деформации и средней скорости деформации в данном проходе прокатки:

.1щ

-¿•ехр!

Ш

+1

В данном выражении: Я - универсальная газовая постоянная, (2,а,А,п - константы материала

Уравнения (3) - (5) содержат пять неизвестных функций и должны быть дополнены соотношениями, вытекающими из условия несжимаемости и пропорциональности девиаторов напряжений и скоростей деформации.

Из условия пропорциональности девиаторов напряжений и скоростей деформации:

/дvl <Т, - С 8е, 8Хг/ х, а,-с

где: 5е , без - компоненты тензора скоростей деформации, совпадающие с компонентами девиатора в силу условия несжимаемости; сг0 = + + . среднее напряжение. Следовательно:

("'V, ^ ¿Н>, <72 — СГ0

дх.

(6)

дх, а, - ст0

Используя условие несжимаемости и соотношения (1) и (6), получаем

соотношение, связывающее скорость V, тензора напряжений:

Эу, _ 2у, ЗЙ дх, к дх,/

ее производную дvl/дxlи компоненты

1+-

(7)

Соотношения (1) - (7) позволяют разработать алгоритм численного расчета входящих в них функций Кроме этих

соотношений функции должны удовлетворять следующим граничным условиям:

- на поверхностях АВП; (рисунок 2) действует заднее натяжение: с, (0, хг) =/0 (хг)

- на поверхности ОСбН действует переднее натяжение: ^(/¿(х,),;^ )=/,(*,), где

/¿(х2) - длина дуги контакта,

- на поверхности симметрии АБНЕ: у, (0) = О

- на краю полосы ВСвР: аг(в/2)=О

Численный метод решения задачи заключается в следующем.

Область решения разбивается на п сечений, параллельных оси Ох, - первое -ВСвР, последнее АОНЕ (рисунок 2). Затем многократно выполняется следующая последовательность вычислений: задается начальное приближение скорости v, на ВСвР. Численно решается краевая задача для уравнения (3) с использованием соотношения (7) для скорости V, и условие (5). Получив решение в сечении ВСвИ и используя (6), находим скорость v, в следующем по направлению центра полосы сечении. Затем, используя (4), находим здесь же напряжение <х, и решаем для этого сечения краевую задачу для уравнения (3). Продвигаясь от ВСвР, доходим до АИНЕ, где определяем V,. В силу симметрии, эта величина должна быть близка к нулю с заданной точностью. Если точность не достигнута, корректируем начальное приближение V, на участке ВССБ и повторяем вычисления.

В результате расчета получаем поле скоростей и распределение нормального давления по поверхности контакта валка и полосы: р(х,,х2) = -а3(х,,х2). При известной величине давления металла на валок рассчитывается упругая деформация валкового узла, входящая в формулу (2):

ЗИ(х,,х2) = 8ИЛгГ ,д:2) + Ма (х,,х2) Упругая деформация валкового узла разделяется на прогиб и сближение осей 8к ирг и упругое сплющивание рабочих валков под полосой 8ЪСП ■

Для расчета деформаций валков путем прогиба их осей и сжатия по диаметрам использовали ранее разработанный метод, основанный на деформации балок на упругом основании. Для учета сплющивания использовалась формула, полученная Лявом. Данная формула позволяет рассчитать упругую деформацию сжатия в любой точке плоскости от действия нагрузки, равномерно распределенной в прямоугольнике.

В непрерывных группах клетей полосы находятся под натяжением во всех межклетевых промежутках. Для учета влияния натяжения полоса разбивается на «трубки тока». Каждая из трубок тока охватывает один из отрезков, параллельных оси Ох,, для которых проводилось решение уравнения (3). Следовательно, имеется п трубок тока, каждой из которых соответствуют значения переднего и заднего натяжения и г„,. Площадь сечения трубок тока будет определяться как уравнением деформированной поверхности контакта полосы и валка (2), так и перемещением материала в направлении осей валков. Удлинение материала, заключенного в трубку тока, равно отношению площадей сечения трубки тока на входе и выходе из очага деформации. Величина отклонения натяжения от среднего значения будет пропорциональна отклонению удлинения от среднего значения. Неравномерное натяжение будет влиять на величины смещений материала в направлении осей валков и распределение и форму поверхности контакта Поэтому для расчета деформации в непрерывной группе стана использовали алгоритм, включающий следующие шаги:

1. Задать равномерное распределение натяжения во всех межклетевых промежутках.

2. Рассчитать значения напряжения и скорости по изложенной выше последовательности.

3. Рассчитать новые значения натяжения по (9) и (10).

4. Сравниваются старые и новые значения натяжений. Если различие в среднеквадратических отклонениях для всех промежутков меньше заданного, расчет заканчивается, в противном случае - переход к пункту 2. По предложенной методике были проведены расчеты реального процесса горячей прокатки. В качестве исходных данных использована схема обжатий, применяемая для прокатки заготовки корпусной баночной ленты шириной 1800 мм. Толщина раската на входе в непрерывную группу клетей - 50 мм, дальнейшее изменение толщины по клетям: 26,0-13,5-7,7- 4,7 - 2,6 мм.

На рисунке За показано распределение напряжений, осредненных по длине очага деформации. Виден переход от плоского напряженного состояния на краю полосы, а1г = 0 к плоскому деформированному состоянию о-22 = = сг0, которое

сохраняется до середины ширины, и далее до зоны уширения на противоположенной кромке полосы.

Все напряжения являются сжимающими, т.е. имеют отрицательный знак. Напряжение сг„ растет при удалении от кромки до достижения максимума на некотором удалении, затем снижается в центральной части полосы, где его величина определяется неравномерно распределенным передним и задним натяжением, о-,,, взятое с обратным знаком, используется при расчетах упругой деформации валков в качестве давления металла на валок.

о

РКСТОЧМН ОТ гр-оыт ПОХ'ЧЫШ

50 100 150 230 293 ЭОО рассто*<и« от фомки полосы, мм

а)

б)

- продольное напряжение (ось X]); - перпендикулярно направлению прокатки (ось хг); 51§3 - вертикальное (ось хз); - среднее напряжение. Рисунок 3 - Напряженное состояние на кромках полосы при обжатии в последнем проходе с 4,7 до 2,6 мм (а); скорость движения металла в поперечном направлении (б) Рисунок 36 характеризует кинематику деформации на краевых участках. Видно, что при используемых обжатиях, клети подразделяются на имеющие более значительную зону уширения (клети 1 и 2) и менее значительную. Тот факт, что первые две клети обеспечивают значительную поперечную деформацию, позволяет использовать их для коррекции профиля полосы и разрабатывать более эффективные режимы прокатки.

В разделе 4 рассмотрены процессы теплообмена на стане горячей прокатки алюминиевых сплавов. Расчет температурного режима связан с разработанной в разделе 2 моделью процесса деформации через температуру металла Т в соотношении (5) и термическую выпуклость, которая непосредственно изменяет профиль полосы.

В модели учитывается теплоотдача от полосы к валку, от полосы к эмульсии и от валка к эмульсии. При расчете теплоотдачи от валка к эмульсии учитывается наличие участков с различной интенсивностью теплообмена: зона контакта с металлом, зоны, находящиеся непосредственно под действием струй эмульсии, зоны теплообмена с эмульсией, стекающей по валку.

При рассмотрении тепловых процессов используются коэффициенты теплоотдачи от валка к эмульсии и от полосы к эмульсии. Особенности систем охлаждения стана горячей прокатки учтены подбором параметров в соотношениях для расчета этих коэффициентов теплоотдачи.

В последнем разделе главы 2 приведен алгоритм расчета математической модели для непрерывной горячей прокатки алюминиевых сплавов, объединяющий тепловые и механические расчеты (рисунок 4).

Рисунок 4 - Алгоритм математической модели непрерывного стана горячей прокатки

В главе 3 исследовали характер изменения профиля полосы при различных условиях прокатки. Профиль поперечного сечения полос исследовался двумя способами: по данным измерения сканирующего толщиномера на выходе стана и путем остановки валков при установившемся режиме прокатки полосы. После принудительной остановки от полосы отбирали образцы на выходе из каждой клети и измеряли величину уширения и профиль поперечного сечения.

Параметры прокатки, такие как положения нажимных винтов, усилия прокатки, усилия противоизгиба фиксировались системой управления непрерывной группы стана.

Отслеживали последовательно прокатанные полосы, на которых усилия прокатки были практически одинаковыми, а противоизгиб поддерживался постоянным. Изменение профиля полосы, по мере перегрева валков показано па рисунке 5а. Разность между профилем первой полосы, прокатанной на холодных валках, и профилями последующих полос представляют собой величину тепловой выпуклости (рисунок 56).

ширина.

а б

Рисунок 5 - Изменение профиля полосы и термической выпуклости валка: а) изменение профиля полосы по мере прогрева валка от полосы к полосе; б) термический профиль последовательно прокатанных полос.

Сравнение расчетного и полученного по данным измерений термического профиля приведено на рисунке 6.

7Ч г

[тлхтнвм шткяк профиля по мыгаш лунным с

довгротглшым пгтг вялом 96" о

• опытны? д-лниы*

. рА<*1ет по модели

Рисунок 6 - Сравнение термической выпуклости валка, полученной в результате расчета по данным об изменении профиля полосы и расчета по модели теплового состояния валка.

Из рисунка 6 видно, что отклонение расчетных данных от измеренных укладывается в интервал 10 мкм. Тепловое расширение при прогреве валков от температуры эмульсии 60°С до 80°С по данным измерения термопарой составляет порядка 250 мкм, следовательно, ошибка в расчете теплового расширения укладывается в 5%.

Модель предполагает симметрию поперечного профиля полосы, поэтому, для того чтобы сравнить результаты, полученные измерением полос на стане, с расчетами по модели, результаты измерений также надо привести к симметричному относительно середины валка виду. На рисунке 7, где результаты измерений для профиля полосы 3104 размерами 2,8x1800мм, полученные фактическими замерами толщины образцов от межклетевых промежутков, сравниваются с результатами расчетов, видно совпадение в расчете поперечной разнотолшинности в пределах ±5 %. Ход кривых для клетей 4, 5 практически полностью совпадает с расчетными.

ширина полосы, мм Я

а) клеть Р1, б) клеть в) клеть РЗ г) клеть ?4, д) клеть Р5.

1 - измеренная кривая; 2 - аппроксимация данных измерения с исключенной линейной составляющей, 3 - расчетная кривая.

Рисунок 7 - Сравнение результатов расчета поперечного профиля с измеренными

значениями

В главе 4 рассмотрены возможности оптимизации технологического процесса изготовления корпусной баночной ленты из сплава 3104 за счет применения разработанных математических моделей.

В первом разделе главы 4 описан комплексный подход к показателям точности проката, качества ленты и производительности промышленного оборудования, который позволил разработать следующий технологический маршрут изготовления горячекатаных лент 3104: нагрев под прокатку с выгрузкой из печи при 485°С, прокат в реверсивной клети до толщины 50 мм с последующей прокаткой на окончательный размер горячекатаной заготовки. Технологический режим обеспечивает как высокую производительность, так и устойчивость к отклонениям в температурном режиме.

Практика непрерывной прокатки показывает, что при минимальной паузе между полосами вследствие сильного разогрева валков наблюдается волна по центру ленты. Теоретическое исследование данного процесса с использованием изложенного в главе 2 алгоритма установило, что уже после прокатки 7-й полосы плоская форма полосы может быть достигнута только при максимальном усилии противоизгиба 200 к]\1. Стандартный запуск рулонов составляет не менее 30 штук, следовательно, уже после прокатки первой четверти рулонов диапазон регулирования противоизгибом оказывается выбран. Решение данной проблемы заключается в подборе специального профиля валков.

Раздел 2 главы 4 посвящен решению вопроса о профилировании валков с целью обеспечения достаточного запаса по усилиям противоизгиба. Расчет по модели (рисунок 4) показал, что распределение температуры по длине бочки валка оказывает решающее влияние на формирование профиля и планшетности ленты.

15

Моделировали прокатку 30 полос и вычисляли среднюю температуру по сечению валка. Результаты показали, что изменение температуры более значительно при прокатке первых полос. После прокатки 15-й полосы температура стабилизируется.

Решена задача определения профилировок валков, которые позволяют при прокатке ленты на прогретых валках получить заданную поперечную разнотолщинность горячекатаной полосы. Следовательно, полоса имеет удовлетворительную планшетность на выходе из всех клетей. Данный режим обеспечивает значительный диапазон усилий противоизгиба для компенсации малой термической выпуклости валков в начале прокатки. Полученные в результате расчетов значения сведены в таблицу 4.

Таблица 4____ _

Номер клети 1 2 3 4 5

Толщины,мм 50 26 14.5 8.2 4.6 2.6

относительное обжатие % 48.0 44.2 43.4 43.9 43.5

усилие прокатки, т 1500 1440 1180 880 650

профиль рабочего валка на диаметр, мм 0 0 -0.05 -0.1 -0.1

поперечная разнотолщинность, мм 0.3 0.4 0.9 0.3 0.3

При прокатке поперечный профиль изменяется от клети к клети, но планшетность, показанная на рисунке 8, как распределение натяжений по ширине, удовлетворительна - критерий неплоскостности не нарушен.

Окончательная поперечная разнотолщинность после обрезки кромки находится в пределах 0.2%, что соответствует требованиям к точности проката для баночной ленты.

полуширина полосы, м

400 500 300

полуширина полосы, мм

а б

а) разнотолщинность, б) планшетность; цифры у кривых - номера клетей.

Рисунок 8 - Поперечная разнотолщинность и планшетность при прокатке с профилированием валков, указанным в табл. 4 и усилиями противоизгиба на уровне балансировки 100 т.

В разделе 3 главы 4 рассматривается применение результатов работы в подсистеме управления профилем АСУ ТП непрерывной группы стана. При прокатке поперечный профиль подвержен возмущающим воздействиям. Поддержание постоянства профиля поперечного сечения производится путем изменения значений противоизгиба рабочих валков. Для правильной настройки систем регулирования важно определить, на какую величину должно изменяться усилие противоизгиба, чтобы компенсировать изменение температуры валка и усилия прокатки и поддержать профиль полосы на неизменном уровне. Это

означает, что необходимо вычислить частные производные от усилия противоизгиба по температуре валка ЗРтг/дТв и от усилия прокатки ЭР„г/ЭР. Тогда значение усилия противоизгиба для (г + 1)-й полосы вычисляется системой управления по соотношению:

' ' ' дГ„

где 1 полос,

■1> , - значения противоизгиба для последовательно прокатываемых

ТВ1+1,Та - прогнозируемое по модели и полученное пересчетом по известным параметрам прокатки полосы значение температуры рабочих валков. РМР. -прогнозируемое по модели и измеренное усилие прокатки.

Система управления непрерывной группы стана горячей прокатки была дополнена модулями управления профилем на базе полученных в настоящем разделе результатов. Внедрение результатов значительно улучшило стабильность профиля. Из представленных данных видно, что среднее значение профиля горячекатаных лент стало ближе к оптимальному, равному 0,2%, а 2 сг-диапазон разброса значений уменьшился с 0,7 % до 0,28% (рисунок 9а).

На рисунке 96 показано сравнение точности профиля при горячей прокатке двух партий металла - одна до, другая после внедрения регулирования профиля.

\ 1 1!

\ 1

/ \ 1 ДО вн«д

/ \ р«ния'; 1

1Т-- \ ''

* ✓ к ч 1

лоп«рврчмый профмпь ЧЬ

после внмрания

Рисунок 9 - Статистические данные по улучшению стабильности профиля (а); сравнение прокатки при «ручном» и автоматическом регулировании профиля (б).

Раздел 4 главы 4 посвящен разработке методики контроля продольной и поперечной разнотолщинности и оценке стабильности толщины прокатываемых лент. Для контроля толщины выбран прямой контактный метод.

На станах горячей и холодной прокатки было прокатано 100 рулонов по идентичным схемам прокатки. Отбор образцов для определения фактической толщины рулона производился после операции холодной прокатки, на линии контроля качества полосы. Для каждого рулона определялось:

• отклонение от номинала в центре полосы;

• минимальное, максимальное и среднее отклонение от номинала;

• стандартное отклонение в центре и по всей полосе.

По результатам замеров и расчетов оценивалось отклонение толщины ленты от номинала. Статистическая обработка результатов производилась с помощью программы МткаЬ.

Сравнение толщины лент, прокатанных до и после проведенных работ, показало заметное снижение разнотолщинности готовых лент.

а б

Рисунок 10 - Статистический анализ поперечной разнотолщинносги лент: а - до внедрения изменений; б - после внедрения изменений.

Показатель стабильности Ср для профиля увеличился с 0,67 до 1,67 (рисунок 10), превысив уровень 1,33, характеризующий полностью стабильный процесс. Для значений толщины, измеренной по средней линии, видно значительное повышение стабильности (увеличение Ср с 0,55 до 3,37), а так же смещение к середине поля допуска (рисунок 11).

±3

а

б

Рисунок 12 - Разнотолщинность ленты до (а) и после (б) внедрения методики по снижению биений валков

а б

Рисунок 11 - Статистический анализ продольной разнотолщинносги лент: а - до внедрения изменений; б - после внедрения изменений. Суммарная разнотолщинность холоднокатаных лент снизилась с ±5 мкм до мкм (рисунок 12).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) В результате теоретического анализа влияния разнотолщинности заготовки на геометрические параметры банки после вытяжки с утонением определены допуски на толщину листовой заготовки ±3 мкм.

2) Разработана адаптированная методика оценки влияния эксцентриситетов валков на продольную разнотолщинность. Определены требования к точности подготовки валков станов горячей и холодной прокатки. В результате обеспечена продольная разнотолщинность в пределах ±2 мкм.

3) Решена задача расчета напряженно деформированного состояния при прокатке широких полос с уширением и неравномерно распределенным по ширине полосы натяжением.

4) Разработан алгоритм расчета технологических параметров прокатки в непрерывной группы клетей для прокатки алюминиевых сплавов.

5) Адекватность разработанной модели проверена опытным путем. Модель показала хорошую сходимость с экспериментом.

6) Рассчитаны профилировки валков, позволяющие получить поперечный профиль заготовки из сплава 3104 в диапазоне 0.1-0.4%.

7) В результате внедрения результатов работы удалось снизить общую разнотолщинность полос с ±5 до ±3 мкм и повысить стабильность толщины как по длине, так и по ширине ленты.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Оводенко, A.M. Разработка математической модели распределения сил натяжения по ширине полосы при горячей прокатке в непрерывной группе стана 2800 [Текст]/ A.M. Оводенко, Е.В. Арышенский, А.Ф. Гречникова, Э.Д. Беглов Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2011.-Т. 13. -№6. - С. 145-151.

2. Оводенко A.M. Учет влияния зоны затрудненной деформации на усилие при прокатке алюминиевых сплавов / [Текст] Е.В. Арышенский, A.M. Оводенко., и др. II Механика и процессы управления. Том 2. — Материалы XXXXII Всероссийского симпозиума. - М.: РАН, 2012. - С. 28 - 35.

3. Оводенко A.M. Разработка методики расчета горячей прокатки алюминиевой ленты в непрерывной группе клетей с учетом уширения металла и сплющивания валков [Текст] / Е.В. Арышенский, A.M. Оводенко, Э.Д. Беглов // Производство проката- 2012. -№ 12. - С. 6 -13.

4. Оводенко A.M. Разработка математической модели и исследование процесса прокатки тонких полос из сплава 5182 с целью выяснения причин их обрывности [Текст] / Е.В. Арышенский, A.M. Оводенко. [и. др] // Технология легких сплавов. - 2011. -№3 -С. 72 - 79.

5. Оводенко A.M. Исследование влияния точности прокатки заготовок на производство корпусов банок под напитки [Текст] / Е.В. Арышенский, A.M. Оводенко., и. др.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук - 2011. - № 6 - С.269- 273.

Подписано в печать 6.05.2013. Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем - 1,25 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 12.

Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Сапфировой, 110 А; тел.: 222-92-40

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

042013601 АЗ

Оводенко Алексей Максимович

х рукописи

РАЗРАБОТКА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЕНИЯ РАЗНОТОЛЩИННОСТЬЮ ПРИ ПРОКАТКЕ ТОНКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛЕНТ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ С

УТОНЕНИЕМ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель чл.-корр. РАН, д.т.н., профессор Гречников Ф.В.

Самара-2013

Оглавление

Введение.............................................................................................4

1. Обзор состояния проблемы влияния разнотолщинности ленты на процесс глубокой вытяжки с утонением и способы ее устранения при прокатке...................................................................................................9

1.1 Краткая характеристика процесса производства корпусов банок под напитки на автоматических поточных линиях..........................................................................9

1.2 Понятие о составляющих толщины полосы. Анализ причин разнотолщинности.........................................................................................................13

1.3 Анализ исследований по формированию профиля полос при прокатке..........................................................................................................................17

1.4 Обзор работ по учету теплового профилирования и теплообмена при прокатке.............................................................................................25

1.5 Обзор исследований по способам регулирования профиля полосы на станах горячей прокатки....................................................................................................29

1.6 Выводы по главе..................................................................................................33

2. Теоретические исследования точности толщины и формирование профиля горячекатаных полос....................................................................................................34

2.1 Анализ процесса изготовления корпусов банок под напитки с целью определения допуска; на разнотолщинность заготовки................................34

2.2 Влияние биения валков на продольную разнотолщинность.......................39

2.3 Математическая модель прокатки широких полос в непрерывных группах клетей.................................................................................................................50

2.4 Моделирование процессов теплообмена на стане горячей прокатке...........65

2.4.1 Теплоотдача от полосы к эмульсии..............................................................66

2.4.2 Теплоотдача от валка к СОЖ и теплообмен валка и полосы....................70

2.5 Расчет механических свойств ленты в процессе горячей и холодной прокатки.........................................................................................................................79

2.6 Алгоритм расчета параметров прокатки и механических свойств..................82

2.7 Выводы по главе......................................................................................................84

3 Исследование параметров работы непрерывных станов горячей прокатки с целью проверки адекватности математических моделей...............................85

4 Применение математических моделей к оптимизации технологии изготовления корпусной баночной ленты из сплава 3104.......................................................100

4.1 Задача обеспечения точности с точки зрения показателей производительности и качества.....................................................................................................................100

4.2 Выбор рациональных профилировок и алгоритм оптимизации режимов горячей прокатки в непрерывных группах станов........................................105

4.3 Определение зависимости величины приращения усилия противоизгиба, необходимого для компенсации роста термической выпуклости рабочего валка, и стабилизация профиля горячекатаной полосы.............................................108

4.4 Разработка методики контроля продольной и поперечной разнотолщинности и оценка стабильности результатов...........................................................................113

4.4.1 Выбор метода измерения.......................................................................113

4.4.2 Методика проведения замеров разнотолщинности.............................114

4.4.3 Анализ результатов измерений..............................................................117

4.5 Выводы по главе...................................................................................................121

Основные выводы и результаты работы..................................................................122

Основные обозначения..............................................................................................123

Список использованных источников................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Самарский металлургический завод (СМЗ) является единственным в России предприятием, освоившим серийный выпуск алюминиевой ленты для изготовления банок под напитки. Отечественными потребителями «баночной» ленты в настоящее время являются четыре завода по производству алюминиевых банок под Москвой, Санкт-Петербургом, Челябинском. Кроме того, еще два завода в Новосибирске и Новочеркасске находятся в стадии пуско-наладки. Суммарные мощности производителей банок позволяют выпускать до 5 млрд. штук в год, и в ближайшие годы эта цифра будет возрастать. При этом до начала 2000-х гг. данный вид продукции в России вообще не производился. Таким образом, производство баночной тары - новая для России отрасль промышленности, успешное развитие которой в немалой степени зависит от своевременного поступления качественной заготовки, т.е. алюминиевой ленты.

Суммарный объем выпуска ленты для изготовления банок на СМЗ составляет 90 тыс. тонн в год, что на 95% обеспечивает потребность отечественных заводов.

Дальнейший рост объемов продаж и выход на европейский рынок (Польша, Хорватия, Германия) сдерживается из-за нерешенных проблем качества данной ленты. Прежде всего, это касается вопроса получения минимальной разнотолщинности как по ширине, так и по длине ленты. В частности, неудовлетворительная разнотолщинность заготовки приводит при глубокой вытяжке с утонением к разнице высоты банки.

При этом происходит аварийная остановка автоматической линии, настроенной на одинаковые параметры продукции, что, естественно, снижает производительность. Например, при испытании ленты производства СМЗ на фирме «Ball» (Польша) производительность линии заказчика снизилась на 12% по сравнению с другим их поставщиком (рисунок 1).

2.450.ООО 2.400.000 2.350.000 2.300.000 2.250.000 2.200.000 2.150.000 2.100.000 2.050.000 2.000.000 1.950.300

Рисунок 1 - Средний выход годных банок с линии за день По оценке специалистов «Ball» разнотолщинность ленты СМЗ по длине, замеренная по средней линии, составила 8 мкм, в то время как у наших конкурентов эта величина не превышает 3-4 мкм.

Однако четко сформулированных требований по допустимой продольной и поперечной разнотолщинности ленты для глубокой вытяжки нет ни у производителей банок, ни у поставщиков ленты, есть только обобщенное условие, что разнотолщинность ленты не должна снижать производительность линии.

Таким образом, определение необходимой разнотолщинности лент для глубокой вытяжки с утонением и развитие теоретических основ ее получения при горячей и холодной прокатке является актуальной задачей. Решение этой задачи позволит освоить широкомасштабный выпуск алюминиевой ленты для изготовления банок под напитки.

Целью диссертационного исследования является научное обоснование требований к допустимой разнотолщинности лент для глубокой вытяжки с утонением и разработка термомеханических режимов горячей и холодной прокатки тонких лент из сплава 3104 с минимальной продольной и поперечной разнотолщинностью.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести теоретические исследования влияния разнотолщинности заготовки на геометрические параметры банки после вытяжки с утонением.

Другие поставщики

тШШЯШШЯЯШШШЯШШШШ

Выход годного

2. Определить допустимую разнотолщинность ленты из сплава 3104, обеспечивающую устойчивый процессу вытяжки с утонением.

3. Установить влияние напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных условий горячей прокатки на поперечный профиль горячекатаной полосы.

4. Исследовать влияние биений валков на продольную разнотолщинность готовой ленты.

5. Разработать режимы горячей и холодной прокатки, обеспечивающие получение ленты с регламентированной разнотолщинностью.

Область исследования. Закономерности пластического деформирования материалов и создание технологий изготовления заготовок высокого качества.

Объект исследования. Термомеханические параметры прокатки алюминиевых лент из сплава 3104

Предмет исследования. Формирование продольной и поперечной разнотолщинности при прокатке тонких лент для глубокой вытяжки с утонением.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ формоизменения листовых заготовок при вытяжке и экспериментальную проверку теоретических выводов в лабораторных и производственных условиях.

В ходе теоретических исследований напряженно-деформированного состояния методом последовательных приближений решалась краевая задача для уравнений равновесия, сплошности и условия пластичности.

Процессы теплообмена моделировались с применением метода конечных разностей.

При определении поперечной и продольной разнотолщинности, а так же механических свойств ленты использовалось современное испытательное оборудование и регистрирующая аппаратура Центральной заводской лаборатории СМЗ. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики. Анализ параметров горячей прокатки реализован численно с использованием ЭВМ.

Окончательные экспериментальные исследования проводились в

производственных условиях на действующем оборудовании. Обработка

промышленных экспериментов производилась методами математической

статистики на основе регрессионно-корреляционного анализа.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель горячей прокатки в непрерывных группах станов с учетом неравномерного распределения натяжений по ширине полосы и уширения.

2. Предложена научно-обоснованная методика расчета теплообмена валков, охлаждающей эмульсии и полосы при прокатке алюминиевых сплавов.

3. Разработаны режимы горячей и холодной прокатки, позволяющие получать ленту с минимальной разнотолщинностью.

Практическая ценность работы.

1. Установлены пределы допустимой разнотолщинности ленты, обеспечивающие устойчивый процесс глубокой вытяжки с утонением.

2. Разработана и внедрена в серийное производство технология горячей и холодной прокатки «баночной» ленты из сплава 3104, которая позволила получить ленту с регламентированной продольной и поперечной разнотолщинностью.

3. Предложена методика контроля продольной и поперечной разнотолщинности лент после прокатки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа разнотолщинности заготовки на процесс глубокой вытяжки с утонением.

2. Математическая модель горячей прокатки в непрерывных группах станов с учетом неравномерного распределения натяжений по ширине полосы и уширения.

3. Методика расчета теплообмена валков, охлаждающей эмульсии и полосы при прокатке алюминиевых сплавов.

4. Расчет допустимого биения валков, обеспечивающего заданную продольную разнотолщинность лент.

5. Термомеханические параметры прокатки, обеспечивающие заданную разнотолщинность лент из сплава 3104.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих международных и российских научных конференциях и семинарах:

Первая Международная конференция и Выставка «Алюминий-21/ Плоский Прокат» (г. Санкт Петербург 2011 г.)

IX Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк 2012 г.)

XVI Международная заочная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск 2012 г.)

ХХХХП Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления (г. Миасс 2012 г.)

Публикации. Основное содержание работ отражено в 8 печатных работах, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованных источников, в количестве 79 наименований. Работа изложена на 131 странице и содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

1. Обзор состояния проблемы влияния разиотолщинности ленты на процесс глубокой вытяжки с утонением и способы ее устранения при прокатке

1.1 Краткая характеристика процесса производства корпусов банок под напитки на автоматических поточных линиях

Процессы холодной листовой штамповки, в том числе вытяжки с утонением, являются типовыми хорошо изученными процессами обработки давлением, их теоретическая основа отражена в многочисленных монографиях и учебной литературе отечественных и зарубежных авторов. Прежде всего, имеется ряд учебников и исследовательских монографий [4,5,6] в которых изложена теория инженерных расчетов для плоского деформированного состояния и осесимметричной деформации. Данные теории достаточно полно описывают процессы штамповки и описывают подходы к решению основных вопросов вытяжки:

- величина и распределение деформаций в обрабатываемой заготовке и изделии;

- напряженное состояние на фланце и в вытягиваемом изделии;

- критическая деформация при вытяжке;

- максимальное напряжение в критическом сечении.

В более современных работах авторы используют аппарат численных методов и возможности современных ЭВМ для исследования процессов вытяжки и вытяжки с утонением. Пример такого подхода дан в работах [12,13,14]. Здесь заготовка разбивается на конечное число элементов, как показано на рисунке 2 [3]. Инструмент, как правило, принимается абсолютно жестким. После разбиения, используя различные вариационные методы, получают уравнения, описывающие процесс деформации, которые после дискретизации приводят к системе уравнений относительно узловых значений перемещений.

■ 20 шт

—- ->-

stamped sheet

(а) испытание на глубокую вытяжку

(Ъ) разбиение на элементы 1/4 заготовки

Рисунок 2 - Пример разбиения на элементы при конечноэлементном

исследовании глубокой вытяжки

Имеются две особенности данной задачи, которые приводят ее к нелинейному виду и существенно усложняют ее решение:

1) Необходимость моделировать взаимодействие металла и инструмента по переменной области контакта.

2) Наличие больших деформаций.

В настоящее время разработано несколько комплексов прикладных программ, позволяющих моделировать процессы вытяжки с утонением. Это пакеты общего назначения, такие как ANSYS, применение которого описано в [18], а так же пакеты прикладных программ, специализированных на расчетах листовой штамповки, например AutoForm. Описание решения задач с применением AutoForm, а также ряда других аналогичных пакетов дано в [24].

Настоящая работа затрагивает процесс изготовления корпуса банки под напитки из алюминиевых сплавов. Общее описание процесса дано в [1]. На

рисунке 3 показаны стадии изменения материала заготовки при изготовлении банки [1].

заготовка

штамп

Вырубка и штамповка чашки

вторая вытяжка чашки

§ «• -

............... ..........."""'^ш

Вытяжка с обрезка мойка утонением чистка

и формовка дна

б

Рисунок 3 - Схема процесса вытяжки (а) и стадии обработки материала (б) при

изготовлении корпусов банок под напитки.

Первой операцией при изготовлении банки является вырубка круглых заготовок диаметром 140 мм (рисунок За). Очевидно, что при вырубке возникают отходы. Теоретически, потери при вырубке максимально плотно расположенных кругов отходы должны составить 9%, однако на практике потери составляют от 12 до 14%. Для уменьшения количества отходов листы производятся достаточно широкими, чтобы вместить 14 чашек в два ряда, смещенных друг относительно друга. Каждая заготовка вытягивается в чашку диаметром 89 мм. Три следующие

операции делаются за один проход пуансона на втором штампе длительностью порядка 1/5 секунды. Сначала чашка вытягивается для получения окончательного внутреннего диаметра около 66 мм, что приводит к увеличению высоты с 33 до 57 мм. Затем последовательность трех операций вытяжки с утонением утоняет и вытягивает стенки, что позволяет получить корпус банки высотой около 127 мм (рисунок 36). На последнем шаге пуансон прижимает дно банки к штампу, поверхность которого выполнена в форме части сферы, в результате чего дно приобретает выпуклость внутрь корпуса. Работая под напряжением, подобно арке моста, изогнутая часть препятствует вспучиванию дна под давлением. Для повышения жесткости всего корпуса основание и нижняя часть стенок делается толще, чем другие части банки.

Разница толщины исходной ленты приводит при вытяжке к различию по высоте корпусов банок. После вытяжки с утонением неровный край банки обрезается, при этом величина обрези должна лежать в определенных пределах (наприме