автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование оборудования и процесса прокатки толстолистовых скомпактированных спеченных порошковых заготовок

На правах рукописи

Белелюбский Борис Феликсович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ СКОМПАКТИРОВАННЫХ СПЕЧЁННЫХ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность: 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (металлургии)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2006

&

Работа выполнена в Московском государственном вечернем металлургическом институте на кафедре Обработки металлов давлением и металлургического оборудования.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кохан Лев Соломонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор -Кривонос Георгий Александрович кандидат технических наук, доцент Сигало в Юрий Михайлович

Ведущая организация — Институт металлургии и материаловедения им.А.А.Байкова Российской академии наук

Защита состоится «03» июля 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.127.01 при Московском государственном вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, Москва, Лефортовский вал, д.26, ауд. 206, телефон - (495) 361-14-80, факс —(495) 361-16-19, e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан «29» мая 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Башкирова Т.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие машиностроительной,

металлургической, инструментальной и других отраслей промышленности требует создания порошковых материалов, обладающих широкими, иногда просто уникальными свойствами, такими как высокая прочность и одновременно большая пластичность, высокая электропроводность и существенная жёсткость, жаропрочность и термостойкость, а также с другими регулируемыми физико-механическими свойствами соответствующие высокой плотности. Достижение таких параметров возможно на основе использования порошковых материалов, мировое потребление которых постоянно растёт. Особенно востребованы промышленностью листы толщиной более 20 мм. В условиях постоянного роста производства порошковых материалов требуется дальнейшее совершенствование технологии изготовления и применения оборудования. Всё шире находят применение методы современного металлургического производства компактных материалов - от производства порошка к его компактированию в специальных агрегатах, при последующем спекании в печах для получения заготовок с относительно высокой плотностью и затем при получении прокаткой толстых листов. Далее переходят к средне;[истовой прокатке и, наконец, к прокатке тонколистовых материалов. Для указанных переделов необходимы свои технологии и оборудование. Данным вопросам посвящены работы известных учёных Г.И.Аксёнова, МЛО.Балынина, П.АЛЗиноградова, А.К.Григорьева, Р.Дж.Грина, А.М.Дмитриева, В.П.Катушинского, С.С.Кипарисова, А.МЛаптева, В.В. Любарского, А.Г.Овчиникова, П.Г.Соболевского, В.В.Сорокина, С.Шима и многих других.

Целью настоящей работы является разработка технологических и теоретических основ для изготовления толстолистового проката из спечённых скомпактированных материалов на базе усовершенствованного

под такое производство современного высокопроизводительного прокатного оборудования. Для достижения цели были поставлены следующее задачи:

1. Проведение анализа применяемых конструкций и технологий для производства спечённых скомпактированных толстолистовых заготовок;

2. Проведение экспериментальных исследований по разработке технологии и инструмента для компактирования толстолистовых заготовок;

3. Проведение экспериментальных исследований по отработке технологических режимов толстолистовой прокатки спечённых скомпактированных порошковых заготовок;

4. Уточнение уравнения пластичности для спечённых порошковых материалов сравнительно высокой плотности с целью его использования в расчёте процесса прокатки толстолистовых спечённых скомпактированных порошковых заготовок;

5.;. . .. Экспериментальная отработка результатов расчётов по предложенным

теоретическим моделям и их корректировка;

6. Совершенствование методики проектирования отдельных узлов' прокатных станов с целью минимизации динамических ударных нагрузок, получения заданной разнотолщинности и однородности механических свойств по объёму толстолистового проката.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика расчёта отдельных узлов прокатных станов с целью снижения разнотолщинности конечного толстолистового проката.

2. Разработаны основы динамического расчёта с целью повышения

: устойчивости работы прокатных станов при прокатке толстолистовых спечённых порошковых заготовок.

3. Установлены теоретические зависимости для расчёта деформационных и силовых характеристик при прокатке толстолистовых заготовок.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования для обоснования рациональных размеров и плотности порошковых

заготовок, получаемых при компактировании в штампах и предназначенных для последующей прокатки. 5. Обоснованы адекватность однохордовой и двуххордовой моделей расчёта силовых характеристик при прокатке толстолистовых (1г0/Ьа >0,5) пористых порошковых заготовок, а также предпочтительность двуххордовой модели при определении деформационных параметров. Практическая значимость:

1. Разработаны конструкции штампов для компактирования высоких заготовок.

2. Предложена методика определения технологических режимов прокатки толстолистовых (й0/60 0,5) пористых порошковых заготовок.

3. Предложенная технология апробирована на прокатных станах ГП «Опытный завод тугоплавких металлов и твёрдых сплавов».

4. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Обработка металлов давлением и металлургическое оборудование» МГВМИ при чтении курса лекций «Технология получении и обработки изделий из порошковых материалов» и при проведении научно-исследовательских студенческих работ.

Достоверность. Достоверность результатов исследования подтверждается применением апробированием методов испытаний и хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены и обсуждались на научно-технических конференциях в Московском государственном вечернем металлургическом институте в 2004 и 2005 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в б работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырёх глав, основных выводов и списка используемой

литературы, включающего 81 наименование. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 24 таблицы.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна результатов и их практическая значимость.

В первой главе приводится аналитичекий обзор научных исследований современных технологий и оборудования для производства толстолистовых изделий из порошковых спечённых материалов.

Показан большой вклад в развитие теории и практики совершенствования оборудования для прокатки порошковых материалов крупнейших отечественных и зарубежных учёных. Рассмотрены основы технологического процесса и применяемое оборудование для получения порошков, их классификации, шихтования, компактирования и спекания. Проанализированы современные теоретические представления об установлении силовых и деформационных параметров при получении порошковых спечбнных заготовок и прокатки из них изделий. Рассмотрены основные физико-механические характеристики модельных порошков, применяемых для экспериментальных исследований. На основании проведённого анализа современных технологий и оборудования сформулированы цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований по компактированию, спеканию и прокатке толстолистовых порошковых заготовок. Представлены описания аппаратуры, приборов и оборудования для экспериментального определения скорости прокатки, холостой и потребляемой мощности, усилия и давления прокатки. На основании проведённых с порошковыми материалами экспериментов были получены следующие результаты:

1. Экспериментальная зависимость относительных величин плотности р от относительного среднего давления а при различных режимах обжатия заготовки от 0,152 до 0,4;

2. Величины относительного среднего давления а в зависимости от отношения толщины заготовки к ширине /¡0/60 при различных обжатиях е и изменении Н^/Ьд от 0,575 до 0,775;

3. Зависимость момента прокатки от среднего давления прокатки для заготовок при вариации отношения толщины к ширине /г0/60 от 0,575 до 0,775;

4. Зависимость момента при толстолистовой прокатке от комплексного параметра , учитывающего отношение относительной средней толщины к длине очага деформации заготовки.

5. Зависимость мощности прокатки от плотности заготовки при вариации от 0,575 до 0,775;

Особенностью экспериментального исследования являлась тщательная апробация полученных результатов за счёт получения широкого массива данных в каждом эксперименте. В результате экспериментальных исследований были отработаны режимы компактирования, технологические режимы толстолистовой прокатки, допустимые обжатия, порядок кантовок, применение реверсивной подачи заготовок, величины роста температуры за проход, соотношение деформации уширения и удлинения от величины обжатия спечённых скомпактированных заготовок. С целью повышения качества прокатки было исследовано распределение плотности и механических свойств по всему объёму проката.

Третья глава посвящена результатам теоретических исследований. На основе уравнения пластичности для относительно плотных заготовок, предложенного в работах Н.ДЛукашкина, Л.С.Кохана, И.Г.Роберова с нашими уточнениями

При использовании однохордовой модели контакта между заготовкой и валками были определены относительные нормальные напряжения для зоны отставания:

Л-п, 1

егт„_ =-

1

<5 + а, -1

К

+ а„

и зоны опережения

1

<5-а,+1

[^6-а1 + 1) + а0]\^.

(2)

(3)

.2/

где 8----параметр прокатки; а,, а2, <з0 — коэффициенты, зависящие от

материала металлического порошка; ¿;0, - коэффициенты заднего и переднего натяжений.

Отметим, что при равенстве а, = а2 = о„ = ] уравнения (2) и (3) переходят в известные зависимости А.И.Целикова. Ниже в таблице 1 приведены значения коэффициентов а1, аг, а0 для различных порошковых заготовок.

Таблица 1.

Значения коэффициентов а,, аг, а0

Металл и марка порошка а, °2 <*0

Медь, ПМС-1 0,708 1,0 0,104

Железо, ПЖЧМ2 0,588 1,0 0,049

Железо, ЖГр1ДЗ 0,580 1,0 0,052

Молибден, МЧ 0,573 1,0 0,04

Твердый сплав, ВК10С 0,82 1,0 0,03

Для решения уравнений (2) и (3) необходимо задать начальное значение нейтрального угла у. С этой целью приравниваются относительные величины напряжений а2лт = аг т и определяется отношение

Уо ) + 5 + а,-1

У«), 1(1-2)(<5-Д,+1) (<У-в, + 1)[§1(5 + в1-1) + вв] + вв

Полученное значение (у0/уи ) устанавливает начальную полувеличину толщины в нейтральном сечении

Лп=ИЧ- (4>

(уя!

/о

и, соответственно, нейтральный угол у из уравнения

ух = arccos - j (5)

Подстановка угла у1 в уравнения (2) и (3) и решение его итерационными методами позволяет определить равенство давлений на границе зон опережения и отставания и геометрические характеристики очага деформации.

В качестве иллюстрации ниже представлен пример определения среднего давления горячей прокатки заготовок из молибдена 80x120 ( А0 xb0) при обжатии 30% на стане Дуо500. Последовательно для коэффициента трения / = 0,3 и заданного натяжения = = 1 вычисляется угол захвата а = 0,31 = 17,75°, длина дуги захвата / = 77,46лш, параметр прокатки S —1,935. После приравнивания crZam = aZon находим первичное значение

уя=31,Ммм, -^- = 1,2547, у = 10,107°, 5^ = 1,657, 5=^=1,548. У я

Увеличиваем и вычисляем Н^Ч = 1Д5, У„ =32,2, -=^- = 1,2422,

I У, Л Ун

SZjm =1,614, aZon =1,614. Откуда определяем

у = arccos

1 ^я-3'i R

=10,52° (6)

Для упрощения расчётов при прокатке вводится отношение г, =А0/йя (табл.2), определяющее положение нейтральной зоны.

Таблица 2.

Параметр г1=/10/Аг1 для однохордовой модели.

натяжение $,=0.8,4-=1 й-1. £ =0,8

обжатие е 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0,4 ОД 0,3 0,4

R К 3 1,008 1,392 1,485 1,158 1,38 1,493 1,137 1,28 1,48 1,155 1,32 1,435

10 1,109 1,38 1,402 1,15 1,30 1,39 1,36 1,25 1,33 1,15 1,28 1,405

15 1,1 1,326 1,375 1,145 1,215 1,352 1,35 1ДЗ 1,30 1,14 1Д1 1,365

25 1,11 1,205 1,305 1,14 1,208 1,33 1,21 1,29 1,29 1,13 U1 1.33

30 1,12 1,17 1,297 1,13 1,2 1,317 1,11 1,20 1,288 1,28 1,1« 1,305

На рисунке 1 представлен график распределения <тг.

X

I

17 15 U

а? : а?

Г«'

А

/ \

W / \

/ \

/ 0.981

У

1 0.75 05 U25 О

Рисунок 1. График распределения crz на контакте при однохордовой модели.

Координата х„ = 1Н = 250 -sin 10,52° = 50 мм и среднее относительное

давление а.

Z.cp

_ Qfo + .от .ОП

_ _ 1>8б

при экспериментальном значении <тг " 1,91

Аналогично теоретический результат сравнивался с экспериментальной данными для прокатки толстолистовой заготовки 11,5x20x60 мм (Ид/Ьд = 0,575) и при обжатии 30%. Теоретическая величина относительного

среднего напряжения составляет = 1,39. Экспериментально получено при р=0,8 относительное напряжение =1,42 и при р=0,95 относительное напряжение стг = 1,47 — различие составляет 5,4%.

При прокатке заготовки 15,5*20*60мм (к0/Ь0 = 0,775) и. обжатии 30% теоретическое значение относительного напряжения ст2ср = 1,35, а экспериментальные значения - 6^=1,38 при р=0,82 и <т2ср =1,43 при р=0,85.

Таким образом, при повышении толщины заготовки среднее давление зависит от толщины заготовки:

К!К = 0,575; 0,775 1,39; 1,35

Для сравнения при тонколистовой прокатке <у2*р = при &„/£<, = 0,28.

Экспериментальные исследования установили, что при прокатке уже после 2...3 проходов относительная плотность возрастает до 0,9...0,95.

Для профилировки порошковых заготовок, особенно при прокатке в ящичных калибрах, необходимо иметь выверенные зависимости для определения уширения, чтобы не допускать образования боковых трещин.

Тогда в соответствие с экспериментальными результатами для среднелистовых заготовок, у которых /¡„/¿„«0,5, были получены соотношения относительных деформаций между относительными уширениями су и продольными удлинениями сх:

в К,

— = (1 -£//)— = - для зоны отставания; (7)

К

—^ = (!-£,) ——— = с, - для зоны опережения, (8) Ьо+Щ

где £г=———. — толщина нейтрального слоя, АЬ1 — уширение в йн

нейтральной зоне.

условия

С использованием условия постоянства объёма (1 + £х1)(1 + <?у,)(1 + сн} = 1 определяется величина относительного уширения:

■(1 + е.)'+£*-(1+ек)

- в зоне опережения;

(1 + С2)Ч^-(1+С2)

■ в зоне отставания

(9)

(10)

Окончательное уширение составит в зоне опережения Д£, = суХ • Ь0 и в зоне отставания АЬ2 = еу1 ■ + ¿>0). Ширина полученного листа будет определятся равенством

= ¿>„ + Л£, + ДЬ2

Для заготовок с относительной толщиной к^1Ъа>0,5 значения уширения принимают следующий вид:

К.=-

1 + Ы\-0,5е)

I \ьо;__

1+^(1-0,5г)

Тогда окончательная величина уширения еу будет равна

^ = /:,+( + 0,25г)

Ч

1 + £/

(П)

(12)

К

В качестве иллюстрации для ранее рассматриваемого примера прокатки медного порошка марки ПМС-1 при обжатии £ = 0,3 и относительном среднем давлении =1,186 находим относительную деформацию еу = 0,122 и соответствующую ему ширину й, + =1,22-20 = 22,44мм при уширении АЬ = 2,44лш. В данном случае отношение еу[е, = 0,122/0,3 = 0,407.

Проведённые экспериментальные исследования для толстолистовых порошковых заготовок показали, что однохордовая модель не обеспечивает точность деформационных параметров. Поэтому по примеру прокатки компактных металлов была использована двуххордовая модель контакта для спечённых скомпактрованных порошковых материалов, предложенная для некомпактных материалов Н-ДЛукашкиным, Л.С.Коханом, И.Г.Роберовым. Проведённые нами экспериментальные исследования позволили уточнить величины параметров прокатки и особенности применения этой модели для толстых листов. На рисунке 2 представлен очаг деформации при двуххордовой модели прокатки.

Рисунок 2. Контактная зона при двуххордовой модели прокатки.

Особенностью толстолистовой прокатки является учёт обязательного упрочнения материала с ростом его уплотнения. Для определения относительного давления в нейтральном сечении зоны отставания была установлена следующая зависимость

.Ун,

К,

+ ап

(13)

Соответственно для зоны опережения относительное давление в нейтральном сечении определяется по формуле:

v

tg ft tgL

— параметры прокатки;

Kynpi и - коэффициенты упрочнения в соответствующих зонах.

Как показывает обзор исследований коэффициент упрочнения зависит от материала и температуры прокатки. Так, для заготовки из тугоплавких материалов по данным А.К.Григорьева при холодной прокатке — К^ =1 + 2,16-г0-705, при горячей прокатке- =1 + 1,74-г.

Тогда коэффициент упрочнения для ранее решённой задачи прокатки заготовок из молибдена 80x120 в зоне отставания изменялся от 1 при входе до /¡Г = 1,74% +1 = 1,48 на нейтрали и его среднее значение равно 1,24. В зоне опережения коэффициент упрочнения изменялся от 1,48 до 1,522 на выходе из очага, или его среднее - 1,501. В этом случае относительные напряжения составили в зоне отставания crZj0m = 2,285 и в зоне опережения aZm =2,2953. Их отличие составляет менее 1% и поэтому процесс итерации закончен. Вычислим среднее давление по всей дуге захвата

Отметим, что при однохордовой модели среднее относительное давление равно 5^ = 1,75, и от значения при двуххордовой прокатки оно практически не отличается. Однако нейтральный угол у при двуххордовой модели для рассматриваемого примера у = 5,47° и при однохордовой модели - х = 9,22°. В этом случае их различие составляет 41%. Ниже в таблице 3 приведены уточнённые результаты расчёта угла нейтрали при двуххордовой модели.

2-1

•н

= 1,76

(15)

Таблица 3.

Параметр гг = ун/у„ при двуххордовой модели.

(Числитель - холодная прокатка, знаменатель — горячая прокатка).

натяжение 8 6 = 0,8, ^ = 1

е 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0,4

3 1,235 1,23 1,416 1,4 1,661 1,66 1,2 1,33 1,4 1,46 1,64 1,75 1,205 1,28 1,384 1,34 1,639 1,72

10 1,215 1,22 1,368 1,40 1,601 1,63 1,22 1,28 1,38 1,41 1,59 1,68 1,198 1,24 1,356 1,37 1,578 1,6

15 1,208 1,15 1,368 1,40 1,567 1,6 1,21 1,24 1,35 1,38 1,54 1,61 1,2 1,34 1,32 1,54 1,52

Я К 25 1,15 1,18 1,345 1,36 1,53 1,55 1,19 1,22 1,33 1,36 1,51 1,55 1,114 1,18 1,325 1,28 1,51 1,49

50 1,13 1,17 1,34 1,32 1,51 1,5 1,187 1,20 1,32 1,3 1,5 1,52 1,124 1,15 1,314 1,22 1,491 1,45

100 Ц5 й? 145 Ц9 Ь25 й Тдз 12 мТ

-/50 Ц4 12 М Ц8 123 М7 1Л2 Щ й?

Полное уширение для двуххордовой модели рассчитывается по формулам (11) и (12). Тогда при горячей прокатки заготовки 20x20 (К/К =1) при обжатии 30% на стане Дуо 200 без натяжения по формуле (11) коэффициент Ке = 0,0897 и полное уширение равно су = 0,146. Откуда получим при двуххордовом очаге деформации АЬ — 2,92 мм. Соответственно, ширина раската становится Ь1-20 + 2,92 = 2Ъ мм, и толщина /^=28-2 = 56 мм.

Для облегчения практического использования метода итераций ниже приведён график параметра г2 - уа/у,/ = К/^н (Рис- 3) в зависимости от отношения Л/йр. Пользуясь данным графиком дай решаемого выше примера в программе МаЛСАЭ по отношению Л/А„ вычисляется параметр гг =1,37, а затем толщина в нейтральном сечении кн =20/1,37 = 14,40 мм.

Соответственно, полутолщина в нейтральном сечении zи = 1,2 и обжатие 20-14,:

20

20 ( 14-1*\

-1—— = 0,280. Угол г = агссо5| = 5,126°. Далее

определяем параметры прокатки 30 = = 1,786 и 31 = ^ =6,67.

15 И 1,3

и

V

г,'137

О 3 6 9 12 15

Рисунок 3. Подбор х по экспериментальным данным.

Вычисляем коэффициенты упрочнения: /С, =1,24, Кн =1,48, Кс= 1,522, Кг =1,501. Соответственно, в зоне отставания давление сгглл<= 2,539 и в зоне опережения давление стгот = 2,5. Их отличие в 1,5% позволяет закончить процесс итерации и определить относительное среднее напряжение <згх? = 1,82.

Отметим, что по сравнению с однохордовой моделью давление аг£р отличается всего на 4,65%, но нейтральный угол уже — на 25%. Таким образом, подтверждается наш вывод: величины силовых характеристик по двум моделям одинаковы, а геометрические - существенно различаются.

Представляет интерес влияние перевода очага деформации в однозонную прокатку. Тогда процесс с одной зоной отставания будет иметь место при кн = Л,. Определяем давление по формуле

Пренебрегая малой величиной а0 по сравнению с первым членом уравнения (21) принимаем в виде

О "Г

сг„

и, соответственно, ах - —^—= —— (18)

К.„

С введением коэффициента запаса прочности материала, не превышающего 1,5, определяется допустимая величина заднего натяжения:

ТОгаах пл . V.1-7/

Тогда при горячей прокатке толстолистовых заготовок максимальное заднее натяжение будет: ¿¡0тх =0,724 при £ = 0,1; = 0,518 при е = 0,2; ■зо™ = 0,375 при г = 0,3.

Соответственно, для однозонной прокатки опережения, когда Ин = И0,

находим в зоне отставания относительное напряжение

= (20)

и в зоне опережения агхт = -р- = —(21)

Л*» (1-гг)

Откуда определяется величина переднего натяжения

к*» • 0-588 (1,74£г + 1)

Тогда для однозонной прокатки допустимое натяжение будет ¿;02 = 1,0 при е = 0,1; <*02 =1,0 при г = 0,2; £ог = 0,91при £ = 0,3.

Другим параметром оценки качества однозонной прокатки является распределение давления по толщине заготовки - отношение давления по толщине заготовки к контактному (коэффициент К#). Наши исследования и расчёты показывают, что при обжатии £ = 0,1 отношение Л^ = 0,3б;

=0,537 для £ = 0,2; #¿ = 0,658 для £ = 0,3.

Соответственно, для заготовок из медного порошка плотность по линии контакта при £ = 0,1 будет равна 1, по оси раската рм =0,749; при £ = 0,2 плотность ртн= 1,0, по оси рт= 0,94; наконец, при £ = 0,3 по контакту р = 1 и по оси рт -> 1.

Таким образом, внедрение однозонной прокатки, во-первых, уменьшает уширение, во-вторых, уменьшает силовую нагрузку, но при одновременном повышении неоднородности механических свойств. В связи с чем нами предлагается при прокатке использовать ящичный калибр, схема которого изображена на рисунке 4, позволяющий за счёт поперечного обжатия снизить неоднородность свойств по заготовке.

Бочка балка

Бурт

'ШШШМШШ ^Охка

Бочка балка / \

Паддижный/ \п

бурт Урижин

Рисунок 4. Ящичный калибр с боковым прижимным винтом.

В четвёртой главе приводятся результаты усовершенствования отдельных узлов оборудования и технологии при прокатке толстолистовых

скомпактированных спечённых порошковых заготовок. В работе на основании подтверждения экспериментальных и теоретических данных используется модель разрушения, предложенная профессором В.Л.Колмогоровым, и определяется величина допустимых обжатий. Сравнение наших экспериментальных результатов полностью согласуется с теоретическими исследованиями. Ниже представлены результаты экспериментальных исследований для отработки технологических режимов обжатия.

Таблица 4.

Результаты экспериментальных исследований прокатки спечённых заготовок из медного порошка ПМС-1.

е = 0,47...0,52 появление начальных трещин на торцах

£ = 0,55.-0,56 развитие трещин на краях заготовки

е = 0,57-0,62 появление сплошных продольных трещин

Нами экспериментально и теоретически установлено, что для уменьшения напряжённого состояния за весь цикл прокатки обжатие в первых проходах должно быть больше, чем при последнем проходе. При этом суммарное обжатие не должно превышать 0,48, а температура на контакте не превышать уровня допустимых экспериментально определённых значений.

Большое влияние на сплошность порошковых толстолистовых заготовок оказывают динамические процессы при прокатке, учитывающие характеристики самого стана и технологическую жёсткость порошка. Жёсткость всей системы определяется усилием, отнесённым к суммарному прогибу в результате пластического обжатия ДА = А0 • £, упругого сжатия материала у и прогиба валков. Нами проведено исследование коэффициента динамичности при условии линейного характера увеличения технологической нагрузки

ту + су = Р—, (23)

где т — масса валков и подката, у — динамический прогиб валков, Р — усилие прокатки,

/„. л/ДА-Л

t - время прокатки,

t -- = -пр

v„

пр пр

- длина дуги захвата, v - скорость прокатки, R - радиус валков.

Решение уравнения (23) проводится отдельно для собственных колебаний системы, когда отсутствует правая часть, и вынужденных — с правой частью. Полученная инерционная нагрузка определяет рост технологического усилия согласно характеру изменения коэффициента динамичности

sin А

(24)

где величина Л равна произведению собственной частоты исследуемой системы (прокат и валки) со на время прокатки /пр. На рисунке 5 представлен график изменения коэффициента динамичности.

К дин

1.75

1.50 1,25 1,0

'1.28 \ 1,21

1.13 Á

1 к 2п

Рисунок 5. Изменение коэффициента динамичности.

Нами экспериментально и теоретически установлено, что уменьшение коэффициента динамичности можно достигнуть за счёт использования мелкодисперсного порошка (с размером частиц 25 мкм) и при использовании пластификаторов. Однако при этом уменьшаются прочностные характеристики толстолистовой скомпактированной спечённой порошковой

заготовки. Таким образом, варьируя подбор порошка и пластификатора, можно на 5...10% уменьшить влияние колебательного процесса на параметры прокатки.

Одним из регламентирующих требований толстолистовой прокатки скомпактированных спеченных пористых заготовок является требование к величине разнотолщинностн, которая, как правило, по техническим условиям не должна превышать 5...7% от толщины заготовки тонколистового проката и 2...4% - для толстолистового проката. В связи с этим в диссертации большое внимание уделяется определению разнотолщинностн в виде разности прогибов валков в середине бочки и у края заготовок. Вертикальный прогиб валков определяется вертикальной погонной нагрузкой, а горизонтальный - горизонтальной погонной нагрузкой, вызванной продольными напряжениями. Ниже приведены зависимости расчёта разнотолщинностн по направлению прокатки

_ Г /4

АУ»Р =>'л ~Ув =Ягор\ -2

Г———Г—— 0,251+1,1—Г— —1Т

(25)

и в направлении вертикальной плоскости

Ау •I

ДЛ^-Рт- (26)

V/

Результирующая разноголщинность определяется по формуле

Ау = у1(ьу«„)2 + (*у«г)1 (27)

При этом полученная величина разнотолщинностн должна быть меньше допустимой величины по техническим условиям заказчика.

В качестве примера ниже приведём алгоритм определения разнотолщинностн при горячей прокатке спечённой медной полосы 80 х 600 х 1200 (йд хЬ0 х/0) на стане Дуо 500 при обжатии 30% без натяжения.

Последовательно вычисляются: параметры прокатки, коэффициенты упрочнения, горизонтальное погонное давление, вертикальное погонное давление, прогибы в вертикальном и горизонтальном направлениях, разность

прогибов в середине бочки валка и на краю бочки валка по вертикальному и горизонтальному направлению Ау„р и Лу„р. Общий прогиб по формуле (27) составляет Ау = 1,25 мм, что меньше допустимой разнотолщинности. Наши исследования разнотолщинности при толстолистовой прокатке показали, что её уменьшение достигается оптимизацией выбора режима обжатий, величин натяжений и уменьшением усилия трения за счёт применения пластификаторов.

Анализ технической литературы показал, что коэффициент трения при горячей прокатке за счёт перехода на новые прогрессивные материалы для валков и применение пластификаторов может быть уменьшен до 0,25 (или на 17%). Вычисления показывают, что для исследуемого процесса прокатки медной заготовки снижение коэффициента трения с 0,3 до хотя бы 0,25 уменьшает прогиб с 1,25 мм до 0,9 мм или на 28%. При этом важно отметить, что полученная у толстолистовой заготовки разнотолщинность неблагоприятно скажется на последующих среднелистовой и тонколистовой прокатке, а также приведёт к нежелательному колебательному процессу, снижающему эксплутационные характеристики оборудования.

Выводы по работе

1. Экспериментально и теоретически установлены силовые и деформационные параметры толстолистовых порошковых заготовок [Ьд/Ьд >0,5) при компактировании;

2. Проведены экспериментальные исследования силовых и деформационных параметров толстолистовой прокатки (к„/Ь0> 0,5) скомпактированных спечённых порошковых заготовок;

3. Разработаны основы теории расчёта напряжённо-деформированного состояния относительно толстых скомпактированных спечённых порошковых заготовок;

4. Экспериментально и теоретически установлены режимы прокатки толстолистовых скомпактированных спечённых заготовок;

Разработаны теоретические основы для определения деформационных характеристик прокатки толстолистовых порошковых заготовок — величины уширения, нейтральных углов, коэффициентов упрочнения, закономерностей распределения плотности по объёму заготовок;

Предложены конструктивные решения для повышения однородности механических свойств у заготовок и снижения неоднородности плотности по их объёму;

Разработаны основы теории разнотолщинности листов при прокатке скомпакгированных спечённых порошковых заготовок и предложены мероприятия по её снижению;

Усовершенствованы модели определения напряжённо-деформационного состояния при прокатке толстолистовых скомпакгированных спечённых заготовок;

Разработаны основы теории динамического нагружения прокатного оборудования при изготовлении толстолистовых

скомпактированных спечённых заготовок.

Публикации по теме диссертации

Кохан Л.С., Роберов ИР., Кондратов A.A., Белелюбский Б.Ф., Калягин Д.А. Моделирование силовых параметров прокатки осадкой цилиндрических инструментов // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Тр. Московского государственного вечернего металлургического института. - М.: МГВМИ, 2005. - Вып.5. - С.123-126. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С., Роберов И.Г., Кондратов A.A., Белелюбский Б.Ф., Калягин Д.А. Экспериментальное исследование продольной прокатки спечённых заготовок из медного порошка ПМС-1 // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Тр. Московского государственного

вечернего металлургического института. - М.: МГВМИ, 2005. — Вып.5. — С.142-148.

Кохан Л.С., Роберов И.Г., Белелюбский Б.Ф., Кондратов A.A., Павлов

B.П. Распределение плотности по толщине пористой заготовки при компакгировании и последующей прокатке // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - М., 2005. - № 2. - С.70-73. Кохан JI.C., Роберов И.Г., Белелюбский Б.Ф., Кондратов A.A. Динамика станов при прокатке пористых заготовок // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - М., 2005. - № 2. -

C.74-75.

Кохан JI.C., Роберов И.Г., Кондрашов A.A., Белелюбский Б.Ф. Критические обжатия при прокатке скомпактированных заготовок II Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — М.,

2005. — № 2. — С.76-77.

Кохан Л.С., Роберов И.Г., Кондрашов A.A., Белелюбский Б.Ф., Шульгин A.B. Определение среднего давления прокатки спечённых скомпактированных заготовок из металлических порошков // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — М.,

2006. -№ 1. —С.96-102.

Подписано к печати 22.05.2006 г. Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 35.

Издательство СЛОВО-СИМС Лицензия ИД № 00102 от 24.08.99 г. Ошечатано на множительном участке ООО СИМС Москва, Братеевская, 25-1-255

Введение.

Глава 1. Оборудование, технология и существующие теоретические подходы к прокатке порошковых материалов. ф 1.1. Основные направления и тенденции в исследовании процессов порошковой металлургии.

1.2. Порошковые материалы.

1.3. Прессы для формования заготовок из металлических порошков.

1.4. Прессы для горячей штамповки порошковых заготовок.

1.5. Анализ оборудования для спекания и нагрева заготовок.

1.6. Прокатные станы в порошковой металлургии.

Глава 2. Экспериментальное исследование процессов и оборудования для получения толстолистовых порошковых заготовок.

2.1. Инструменты и приборы для изучения процессов обработки и получения порошковых материалов. Основы методики ф проведения исследований.

2.2. Компактирование. Экспериментальные исследования процесса получения порошковой заготовки.

2.3. Спекание заготовок.

2.4. Исследование процесса прокатки толстолистовых порошковых заготовок-штабиков. г 2.5. Моделирование процесса прокатки. у 2.6. Распределение плотности по толщине пористой заготовки при компактировании и последующей прокатке.

2.7. Выводы из проделанной экспериментальной работы.

Глава 3. Исследование технологии компактирования и прокатки толстолистовых заготовок из спечённых порошковых заготовок.

3.1. Однохордовая модель продольной прокатки спечённых порошковых заготовок.

3.2. Двуххордовая модель продольной прокатки спечённых порошковых заготовок.

3.3. Исследование однозонной прокатки.

Глава 4. Расчёт и усовершенствование оборудования и технологии прокатки толстолистовых порошковых заготовок.

4.1. Выбор режима прокатки относительно толстых заготовок.

4.2. Динамика станов при прокатке спечённых порошковых заготовок.

- 4.3. Разнотолщинность при прокатке порошковых заготовок.

Постоянный рост производства порошковой металлургии во всём мире связан с уникальными свойствами продукции этой отрасли промышленности [1, 2]. В настоящее время выпуск продукции из порошков в мире составляет до 30%. Порошковая металлургия позволяет получить такие материалы, которые невозможно получить другими методами [3, 4]. Эта технология обеспечивает придание изделию казалось бы не совместимых свойств, высокой прочности и высокой пластичности, высокой электропроводности, теплопроводности при малой изнашиваемости.

Намеченный ранее в производстве изделий из порошковых материалов отход от традиционных технологических схем обработки компактных материалов в последнее время сменился обратным переходом к устоявшимся формам производства - от заготовки к изделию. В прокатке порошков данное направление ознаменовало собой переход к стандартным, отработанным временем технологическим маршрутам: от толстолистовой прокатки к среднелистовой и далее к тонколистовой.

Однако такой переход технологии не может бьггь осуществлён простым копированием процессов - при обработке пористых материалов происходит два основных процесса. Первый - уплотнение частиц порошка в единый компакт. Второй процесс связан с пластическими деформациями порошковых материалов [5, 6]. Тем не менее потребность применения толстолистовых изделий из порошковых материалов в различных отраслях промышленности постепенно возрастает.

Однако современная практика производства постоянно отстаёт от этих требований. Особое отставание обнаруживается при использовании относительно толстых спечённых пористых порошковых материалов. В технической литературе и практике производства отсутствуют исследования не только указанных процессов, но и методов проектирования технологического оборудования, нет разработок по выбору технологических режимов и методов расчёта деформационных и напряжённых параметров [7, 8, 9].

Целью данной работы является создания основ для проектирования оборудования и технологии для производства толстолистовых скомпактированых спечённых порошковых материалов методами прокатки.

Выводы по работе

1. Экспериментально и теоретически установлены силовые и деформационные параметры толстолистовых порошковых заготовок (^/Ь0> 0,5) при компактировании;

2. Проведены экспериментальные исследования силовых и деформационных параметров толстолистовой прокатки (/^/6о>0,5) скомпактированных спечённых порошковых заготовок;

3. Разработаны основы теории расчёта напряжённо-деформированного состояния относительно толстых скомпактированных спечённых порошковых заготовок;

4. Экспериментально и теоретически установлены режимы прокатки толстолистовых скомпактированных спечённых заготовок;

5. Разработаны теоретические основы для определения деформационных характеристик прокатки толстолистовых порошковых заготовок - величины уширения, нейтральных углов, коэффициентов упрочнения, закономерностей распределения плотности по объёму заготовок;

6. Предложены конструктивные решения для повышения однородности механических свойств у заготовок и снижения неоднородности плотности по их объёму;

7. Разработаны основы теории разнотолщинности листов при прокатке скомпактированных спечённых порошковых заготовок и предложены мероприятия по её снижению;

8. Усовершенствованы модели определения напряжённо-деформационного состояния при прокатке толстолистовых скомпактированных спечённых заготовок;

9. Разработаны основы теории динамического нагружения прокатного оборудования при изготовлении толстолистовых скомпактированных спечённых заготовок.

1. Клячко Л.И., Уманский A.M., Бобров В.Н. Оборудование и оснастка для формования порошковых материалов. М.: Металлургия, 1986. - 336 с.

2. Прогрессивные технологические процессы штамповки деталей из порошков и оборудование /Г.М.Волкогон, А.М.Дмитриев, Е.П.Добряков и др.; Под общ. ред.

3. A.М.Дмитриева, А.Г.Овчинникова. М.: Машиностроение, 1991. - 320 с.

4. Джонс В.Д. Основы порошковой металлургии. Свойства и применение порошковых материалов. /Под ред. М.Ю.Балыиина и А.К.Натансона. М.: Мир, 1965 - 392 с.

5. Порошковая металлургия. Спечённые и композиционные материалы / Под ред.

6. B.Шатта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983. - 520 с.

7. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С, Роберов И.Г. Теория компактирования металлических порошковых материалов М.: МГВМИ, 2004. - 235 с.

8. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С., Роберов И.Г. Теория обработки давлением скомпактированных спечённых металлических порошков. М.: ВИНИТИ, 2005. -312 с.

9. Виноградов Г.А., Семёнов Ю.Н. Прокатка металлических порошков. М.: Издательство литературы по чёрной и цветной металлургии, 1960. 90 с.

10. Виноградов Г.А., Семёнов Ю.Н., Катрус О.А., Каташинский В.П. Прокатка металлических порошков. М.: Металлургия, 1969. - 382 с.

11. Производство порошкового проката / В.К.Сорокин, Л.С.Шмелёв, Б.Ф.Антипов и др.; под ред. В.К.Сорокина. М.: Металлургиздат, 2002. - 296 е.: ил.

12. Ю.Григорьев А.К., Рудской А.И., Колесников А.В. Математическая модель упруго-пластического деформирования пористых спечённых материалов // Порошковая металлургия. 1992. -№11. - С.38-41.

13. Григорьев А.К., Рудской А.И., Колесников А.В. Вариант взаимосвязи характеристик напряжённо-деформированного состояния пористого материала и его основы // Порошковая металлургия. 1992. -№ 8. - С.49-53.

14. Рудской А.И., Цеменко В.Н., Рыбин Ю.И. Математическая модель уплотнения порошковых и пористых металлических материалов // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2005. - №2 - С.40-45.

15. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Модель пластически сжимаемого материала и её применение к исследованию процесса прессования пористой заготовки // Прикладная механика и техническая физика. 2002. -№ 3. - С.140-151.

16. Каменщиков Ю.И., Барков Л.А., Каменщиков А.Ю. Пластическое течение и уплотнение порошковых спечённых заготовок при прокатке // Известия РАН. Металлы. 1994. - №1. - С.57-62.

17. Залазинский А.Г., Колмыков В.Л., Соколов М.В. О физических уравнениях пористого материала // Известия вузов. Цветная металлургия. 1997. 4. - С.15-17.

18. Степаненко А.В., Исаевич Л.А., Харлан В.Е. Геометрические и энергосиловые параметры процесса прокатки металлических порошков // Порошковая металлургия. -1990. №2. - С. 13-17.

19. Ефименко С.П., Чопоров В.Ф., Карелин Ф.Р. Инженерный метод расчёта напряжённо-деформированного состояния при прокатке спечённого порошкового вольфрама в вытяжных калибра // Металлы. 2001. - №5. - С.62-67.

20. Ковальченко М.С. Динамика механических воздействий на материалы // Порошковая металлургия. 1993. - №7. - С.41-48; 1993. - №11/12. - С.11-19; 1994.-№5/6.-С.29-34.

21. Барков JI.A., Каменщиков Ю.И., Мымрин С.А., Леонов С.А. Об уплотняемости порошковых спечённых заготовок при прокатке с четырёхсторонним обжатием // Металлы. 1992. - №4. - С.77-79.

22. Мальцев И.М., Петриков В.Г. Электроимпульсный нагрев порошка в очаге деформации при прокатке // Порошковая металлургия. 1993. - №6. - С.32-38.

23. Куликовский Д.Н., Григорьев А.А., Иванов В.Н. Теоретический анализ процесса холодной прокатки пористой спечённой заготовки // Изв. Вузов. Чёрная металлургия. 1998. -№3. - С.30-38.

24. Дьяченко И. М. Экономика порошковой металлургии. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1990. - 152 с.

25. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия. М.: Издательство литературы по чёрной и цветной металлургии, 1959. - 520 с.

26. Вязников Н.Ф., Ермаков С.С. Применение изделий порошковой металлургии в промышленности. М., JL: Издательство машиностроительной литературы, 1960. -190 с.

27. Раковский В. С. Основы порошкового металловедения. М.: Оборонгиз, 1962. - 90 с.

28. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии. Киев: Издательство Академии наук Украинской ССР, 1963. - 420 с.

29. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1975. - 200 с.

30. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1978. - 184 с.

31. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1980. -496 с.

32. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991. - 205 с.

33. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1988. - 448 с.

34. Либенсон Г.А., Панов B.C. Оборудование цехов порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1983. - 264 с.

35. Шмелёв Л.С. Оборудование для производства порошкового проката / Л.С.Шмелёв, В.К.Сорокин // Материаловедение и металлургия: труды НГТУ / Нижегород. гос. техн ун-т. Н.Новгород, 2003. - Т.38. - С.265-269.

36. Грин Р.Дж. Теория пластичности пористых тел // Механика. 1973. - №4. - С. 109120.

37. Григорьев А.К. Пластическая деформация пористых материалов. Л.: ЛДНТП, 1989.-28 с.

38. Королёв А.А., Навроцкий А.Г., Вердеревский В.А., Кохан J1.C., Соколова О.А. Механическое оборудование цехов для обработки цветных металлов давлением. -М.: Металлургия, 1981. 624 с.

39. Стебунов С.А., Роберов И.Г., Пчицкий В.К., Беленькая J1.H. Влияние пористости на реологические свойства молибдена // Сб. трудов ВНИИТС. 1987. - С.74-79.

40. Лаптев A.M., Подлесных С.В., Малюский B.J1. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия. -№1. 1987. - С.88-90.

41. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С, Лебедев Н.Н. Напряжения и деформации в процессах обработки металлов давлением. М.: Академкнига, 2004. - 240 с.

42. Целиков А.И. Теория прокатки. -. М.: Металлургия, 1982. 335 с.

43. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978. -359 с.

44. Тойберт Т. Исследование уплотнения металлических порошков в процессе прокатки и формирование механических свойств неспечённых заготовок: Автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., 1996.-21 с.

45. Цеменко В.Н. Разработка процессов прокатки пористых изделий на основе теоретического и экспериментального исследования уплотняемых порошковых сред: Автореф. дис. д-ра техн. Наук. СПб., 2001. - 35 с.

46. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С. Процессы компактирования композитов из металлических порошков // Известия ВУЗов. Чёрная Металлургия. -1999. №5. -СЛ1-15.

47. Кохан Л.С., Роберов И.Г. Выбор режимов прокатки спеченных скомпактированных заготовок // Технология металлов,- 2006. №2. - С.31-35.

48. Лещинский В.М., Блохин А.Г. Процессы компактирования композитов из металлических порошков // Порошковая металлургия. 1990. - №10. - С.38-42.

49. Формирование структуры и свойств пористых порошковых материалов / П.А.Витязь, В.М.Капцевич, А.Г.Косторнов и др. М.: Металлургия, 1993. - 239 е.: ил.

50. Лаптев A.M., Вяль Е.Ю., Дубинин М.В. Исследование прессуемости и прочности порошковых материалов системы железо-медь-графит // Удосконалення процеав i обладнання обробки тиском в металyprii' i машинобудуванш. Краматорск: ДГМА, 2005.-с.365-369.

51. Дубинин М.В., Лаптев A.M. Метод экспериментального определения коэффициента трения при прессовании порошков в матрице // Удосконалення процеав i обладнання обробки тиском в металурги i машинобудуванш. Краматорск: ДГМА, 2005.-С.362-364.

52. Лаптев A.M., Попивненко Л.В. Новый метод построения идеализированной кривой уплотнения порошковых материалов. // Удосконалення процепв i обладнання обробки тиском в металурп! i машинобудуванш. Краматорск: ДГМА, 2005. - с.89-92.

53. Металлы и сплавы. Справочник / Под ред. Ю.П.Солнцева. СПб: Профессионал, 2003.-1096 с.

54. Сорокин В.К. Изготовление, сортамент й поровая структура проката из порошка ПХ18Н15 / В.К.Сорокин, Л.С.Шмелев // Кузнечно-штамповочное производство. -1998.-№ 1. -С.8-10.53,54,55,56,5758,59.