автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Создание универсального стана поперечно-винтовой прокатки и исследование технологических режимов его работы

9 04~12 у 4005 - 5

На правах рукописи УДК 621.961.2

РГБ ОД

ПАНОВ Евгений Иванович 2 2002

СОЗДАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО СТАНА ПОПЕРЕЧНО - ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЕГО РАБОТЫ

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины

обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2002

Работа выполнена на ОАО «ВИЛС»

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор СИНИЦКИЙ В.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ОСАДЧИЙ В.Я. кандидат технических наук - ЗАКОРКО Н.П. Ведущее предприятие - ОАО «Электростальтяжмаш» Защита состоится » ^о^ 2002 г. в^-^асов на заседании диссертационного совета Д 212.141.04 при Московском Государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д.5.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

Телефон для справок 267-09-63.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана

Автореферат разослан » 2002 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

•^-чАл-Л/""» г А

В.И.Семёнов.

! . . I

\ ■ ' 1 ' оыцля характеристика гльоты

Akivя.ii.ikiciI, icmi.i. I(спо.чыование двухвалковой схемы понеречно-вшпоаон прока ikii в России il

ia руосжом прошивки чаиновок в полую ih.ii.in дли производства юрнчеканшых ipyô известно около I 50 ли I и до.и ос время moi процесс оспшался основным м цракшческп неизменным. 1л о совершенствование Bcci.ia являлось важной ¡адачей для нселсдова1елен и консфукзоров в попытках новысшь производительность процесса, сшнигь технологические, шеркшчсскне и, как следе!пне - -«атомические затраты при произволен»: выпускаемой продукции

Mhoi очислепныс исследования процессов поперечно-шиповой прокатки. напряжепно-деформироианпо|о сосюяппя и достоинств грехвадковой схемы поперечно-винтовой прокатки. выполненные Тетерипым U.K., Подумшым 11.11., Потаповым Mil., Чекмаревым Л.П. и другими в 1950-И960 гг. явились голчком для создания различных конструкций станов поперечно-винтовой прокатки с фехвалковой схемой прокатки Рид I акпх ciaiiou. особенно для и и отопления заготовок, близких по конфигурации к готовым лешлям и получивших название деталепрокатпых станов были созданы В11ИММ1ГГМАШем мод руководством академика Л И. Пслпкова.

Одновременно были разработаны |схпологнческие процессы поперечно-винтовой ir жатки, обеспечивающие производство изделий машипосфоигелыют назначения (валы переменного сечения, шары мелкшшс и для подшипников, штифты, велосипедные тулки, изделия с шиповыми поверхностями, ребристые ipyôi.i), чю нжже резко расширили и техшшм пческие возможности поперечио-вннтовой двух вил копой схсмы прока гкн. которая до ною применялась в качестве основной классической операции для прошивки I ИЛЬ (.

Прослеживается к'пдешши конструктивною улучшения рабочей клеш станов, особенно фехвалковы.х. с целью достижения максимального удобства в нх эксплуатации, упрощения конструкции, сокращения времени на перепалках рабочих панков, облегчения веса копструкшш.

lice известные станы поперечно-винтовой прокатки, как и нашей арапе, [ак и за рубежом, конструктивно выполнялись и функционировали с рабочей клетыо. которая могла работать только но одной III известных схем прокатки, или двух-, или фехвалковой.

Достижение же лучших технологических показателей, например, при прокатке труб, реалпзовывались чаше всею посредством последовательно расположенных друг ча другом грехвалковых и двухвалковых рабочих клаей, например, в трубопрокатных установках для изготовления юнкостеипых чруб. 11роизводетвеппые потребности все чаще -заявляли о необходимос ти разработки универсальной конструкции стана ноиеречпо-винтовоП прокатки, который moi бы трансформироваться и обеспечивать как двух-, гак п трехвалковую схему рпбоп.г

Цель и задачи работы. Создание конструкции универсального стана поперечно-шиповой прокачки с широкими ТСХН0Л01 ическимп возможностями, который бы, имея в своем составе только одну рабочую клеть (универсальную) мог бы поочередно работать по различным схемам прокатки - прошивки - раскачки, объединил бы достоинства каждой из них схем прокатки, расширил бы сортамент выпускаемой ироду.,.ли и обеспечил бы гибкую технолопио производства посредством перенастройки рабочей клети с двухвалковой на трехвалковую и обратно.

При пом решались следующие чадачи:

- сочдапие нескольких вариантов конструкции универсальной рабочей клеш, позволяющей поочередно осуществлять работу стана па различных схемах прокатки (двух-, трехвалковую и более), обьедпняя тем самым па одной рабочей клети достоинства каждой ич указанных схем;

- создание линии универсального стана поперечно-шштовой прокатки с использованием универсальной рабочей клети (технический проект);

- Mínvroiuicime в металле универсального стана поперечно-винтовой прокатки I1I3I! 20-60 с реализацией в нем признаков н степенен универсальности. описанных выше;

- проведение анализа силовых, ->нерго-силовых параметров, технологических и технических возможностей специализированных станов иоиеречио-пннчокои прокатки н сравнения их с паспортными данными универсального сгама lililí 20-60 с нелыо изучения вочможност нроичиодстпа па нем широкой номенклатуры заготовок для печалей машиностроительного назначении;

- проведение компьютерного моделирования шшряжепно-леформированного состояния при поперечно-винтовой прокатке сплошных осесимметричпых профиле!) и ею сравнительного анализа при двух- п грехвалковоп схемах прокатки с воздействиями подпора, натяжения н совместною действия подпора п натяжения;

- определение технологических парамечроп понсрсчпо-ниптовон прокачки на стане НВП 20-60 для производства высококачественных деформированных полуфабрикатов из трудно-деформируемых чвтектических силуминовых сплавов 01390 и 01301.

Научную новизну работы составляют:

- создание впервые в мировой практике конструкции универсальной рабочей клети (в грех вариантах) для станов поперечно-винтовой прокатки, позволяющей поочередно осуществлять операции «ирокатки-прошпвкн-раскатки» по различным схемам прокатки (двух-, трех-, четырехвадковой) с целью реализации преимуществ каждой схемы прокатки на одном трансформируемом cianc (конструкции рабочей клетн защищены тремя ангорскими свидетельствами на изобретения);

- установление общих закономерностей и различий. сравнительных достойней! и недостатков различных схем прокатки в одинаковых к'Хнпчеекнх и технологических условиях на одной и mit же рабочей клети;

- создание конечно-элементной модели процесса двух- и грехвалковой прокатки па основе трехмерного конечно-элементною моделирования процесса поперечно-витовон прокатки сплошной заготовки, что позволило решить следующие задачи:

- выполнить сравнительные расчем.1 параметров напряженно-деформированною сосюяння прокатываемой заготовки па двух- и грехвалковых схемах прокатки, а также расчеты чнергни формообразования, работы внешних сил и мощности прокатки, расчет секундных объемов прокапываемою металла, т.е. сравнивать производительность технологических процессов;

- наглядно определить в необходимых сечениях прокатываемой заготовки и па ее поверхности распределение и абсолютные величины рп'шальных. осепых, касательных и эквивалентных напряженно при установившемся режиме прокатки и в стадии захвата заютовки;

- сократить количество многочисленных и дорогостоящих экспериментальных прокачок (пропиток, раскаток), ограничиваясь контрольными единичными экспериментами. целью коюрых должна быть юлько проверка правильности речу.тыатв. подученных методом ipcvMcpiioio конечно-элементною моделирования;

1 [рактичсскаи значимост ь:

- возможность выполнения полною «тонченною технолш нчсскою цикла «проьтпка-прошника-раекагка-редушфованпе-кшшбровка» па олиом сшнс ПИП 20-0(1 с иено.тыованнем мшисрсалыми конструкции рабочей клети;

- возможность резкого расширения сортамента выпускаемой продукции (сплошные и полые, гладкие п изделия периодического профиля, изделия специальною машпноартпе.п.нот назначения) за счет полного использования технологических вошожпостей различных схем прокажи одной п тй же рпбочей клеш;

- малая производственная площадь, занимаемая универсальным станом lililí 2U-60 и использование его а режиме гибко» технологии для производства малотоннажных партии изделий широкого сортамента;

- прост о га конструкции универсальной рабочей клети, возможност ь переналадки ее с одной схемы на другую за короткий промежуток времени;

- возможность создания в процессе прокатки любою наперед заданною напряженно-деформированного состояния прокатываемого изделия способом варьирования схем прокатки (двух- или трехвалковой) и приложения к изделию различных rio величине и назначению внешних дополнительных усилий (подпора и натяжения) и выбора из различных возможных вариантов наиболее экономичного, менее энергоемкою и наиболее производительного;

- разработан технологический процесс с использованием поперечно-винтовой прокатки на стане ПВП 20-60 производства высококачественных деформированных полуфабрикатов из трудно-деформируемых заэвтектичеекпх силуминоных сплавов 01390 и 01391 для изготовления из них поршней в двигателесгроенип методом изотермической штамповки.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены: на совете лаборатории №2 ВИЛСа - нюнь 1971 г., на отраслевой конференции ученых н специалистов Мпнавиапрома СССР -октябрь 1971 i , научном семинаре кафедры «оборудование и технология прокатки» МГТУ им. М.Э.Баумана -ноябрь 2001 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликованы в 6 статьях в научно-технических журналах и в 3-х авторских свидетельствах на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из литературного обзора, 5 глав, общих выводов, изложена н траницах машинописного текста, включает^!? рисунка, таблиц, библиографический списоК'^Ьаименованпй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Тенденции рашития конструктивных особенностей станов поперечно-винтовой прокатки п обоснование необходимости создания универсального стана поперечно-винтовой прокатки.

Данная глава является обзорной, в ней рассмотрены различные этапы развития процесса поперечно-виптовой прокатки, тенденции и направления конструкторских и технологических особенностей отечественных и зарубежных исследований, показаны достоинства и преимущества различных схем прокатки-прошивки на станах поперечно-винтовой прокатки.

Выполнено полное патентное исследование и изучение банка данных изобретений практически всех (21) иромышленио развитых стран в части металлургического прокатного оборудования, прокатных станов, поперечно-винтовой прокатки, прошивки гильз, прокатки труб методом поперечно-винтовой прокатки.

При преобладании двухвалковой схемы прокатки (прошивки) для прошивки гильз и производства труб методом поперечно-винтовой прокатки в качестве основной (в 1950 ir), выявлены тенденции более глубокого изучения поперечно-винтовой прокатки с трехвалковой схемой, стремление конструктивно улучшать рабочие клет и, в основном, трехвалковые.

Исследованием выявлено, что все действующие станы поперечно-винтовой прокатки в пашей стране и за рубежом конструктивно выполнены таким образом, что они MOiyr работать только по одной из известных схем; двух- или трехвалковой.

Разработка в 1950-И 960 гт по инициативе и под руководством академика А.И. Целмкова в ЦКБ ММ и затем в ВНИИМЕТМАШе новых технологических процессов для производства заготовки изделий специального машиностроительного назначения (шары, втулки, изделия с виитовыми поверхностями, ребристые трубы и др.) резко расширило технологические возможности обеих схем поперечно-винтовой прокатки (двух- и трехвалковых), особенно возможности двухвалковой схемы, которая длительное время применялась только для прошивки гильз.

Дано обоснование для создания стана поперечно-винтовой прокатки высокой степени универсальности, конструкция которого бы позволила объединить достоинства и преимущества двух- и трехвш лвой схем прокатки, реализовать все известные методы и способы поперечно-винтовой прокатки на одной и той же универсальной рабочей клети (рис. I).

I'.IU.'IKHC ConMCIIICIIIIIIU Ги.п. im

1 IMI.IM щюмитки- переменит п

[IftCKrt 1 кн CC'ICtIIMI

Pul Схема методов и способов поперечно-винтовой прокатки, применяемых па различных

2-х валковых и 3-х валковых станах

Глава 2. Конструктивные н технологические особенности универсальною стана иоиеречно-внптовой прокатки ПВП 20-60.

Использование достоинств и преимуществ двух- и чрехпалкоиых схем поперечно- винтовой прокатки, а также реализация всех известных методов и способов прокатки на одном и том же стане счал и возможными в результате разработки и создании оригинальной конструкции рабочей клеш, ставшей основой спроектированного и впоследствии изготовленного универсального стана попсрсчпо-ипшовой прокатки ПВП 20-60. Рабочая клеть выполнена п нескольких вариантах.

На Рис, 2 показаны конечрукшш клети, обеспечивающие двух-, грех- и четырехвалковую прокачку (Варианты I. II. 111).

и)

-

6) Вариант I

Вариант Ш

Рис 2. Универсальная рабочая клеть стана ПВП 20-60. Вариант I; а) т/кхвалковая схема; б) двухвалковая схема.

Вариант II: а) трехвалновая схема; б) четырехвалковая схема; и) двухвалковая схема. Вариант III; а) трехвалкоаая схема; б) двухвалковая схема.

В работе показан вариант (II) конструкции универсальной рабочей клети, которым позволяет выполнить поперечно-винтовую прокатку при двух-, грех- и четырехвалковой схемах. Дано подробное описание конструкций всех вариантов рабочем клети, которая путем несложных и кратких но времени операций переналаживается из двух- в трех- или чегырехвалковую схемы прокатки и наоборот.

На основе использования универсальной рабочей клеш создана линия универсального стана поперечно-винтовой прокатки ПНИ 20-60 (1'ис.З).

Разработаны конструкции основных технологических механизмов и узлов линии стана lililí 20-60. позволяющих работать стану в различных режимах:

- в режиме прокатки сплошных тел вращения:

- в режиме прошивки сплошных тел в гильзы:

- в режиме раскатки предварительно прошитых i ильз в трубы:

- в режиме прокатки изделий периодическою профиля с изменением диаметра (наружною и внутреннею для полых тел) по ллппе изделия,

- в режиме редуцирования или калибровки.

Для сокращения времени на переналадку от одной на другие схемы прокачки предложена кассетная конструкции крепления рабочего валка, которая одновременно служит и I ндроиилппдром. Таким образом обеспечивается сведение и разведение рабочих валков в процессе прокатки ;итя производства изделий периодическою профиля согласно заданной программе, закодированной в копировальной линейке.

При жеплуатации универсального стана поперечпо-вннчовон прокачки IIB1I 20-60 выявлены достоинства и недостатки работы каждою arpciaia и узла стана, п была проведена дополнительная работа но устранению выявленных недостатков.

Мути пх устранения показаны в диссертации Выполнена работа по реконструкции рабочих валков, предложен способ калибровки и построения профиля рабочих валков, проведен расчет применяемых типоразмеров прошивных оправок.

al входная сторона стана 6) выходная сторона спита

I'iic.j¡ ( h'ihiiiii пш> стана lililí 20-60.

Глава 3. Иерспекчины нспо.чыонания уипнерса.н.ното папа Ш$И 20-60.

Анализ сочла......тх в BI 1ИИМ1:ТМЛП1е в 1960-ЧУ70 гг станов ноперечно-вишоной прокатки

выявил следующие применяемые icxiio.ioi пческие схемы. Двухвалковая схема,иаюльчуется при прокатке: - мелющих шаров и шариков для полтинников.

- коротких тел вращения (штифты, втулки);

- коротких тел вращения с периодическим профилем;

- изделии с винтовой поверхностью;

- изделий с резьбовой поверхностью;

- червячных пар.

Трехвапковая схема применяется при прокатке:

-изделий с винтовой поверхностью;

-изделий с резьбовой поверхностью;

-ребристых 1руб.

В данной главе рассмотрены технологические, технические и конструктивные особенности каждого из технологических процессов производства указанных видов продукции.

Для изготовления каждого вида продукции создавался отдельный специальный стаи поперечио-вшповой прокатки, работающий только по одной схеме прокатки: или двухвалковой, или трсхвалковой, в зависимости от своею назначения,

В лой главе показаны также конструктивные особенности производимых ранее специальных прокатных станов поперечно-винтовой прокатки для изготовления изделий специального машиностроительного назначения и проанализированы их паспортные технологические данные, энергосиловые параметры: мощность прокатки, крутящие моменты, усилия прокатки, параметры рабочих инструментов и заготовок.

По результатам исследования и сопоставимого анализа сделаны следующие выводы:

- конструкция универсальной клети стана ПВП 20-60 способна (помимо технологических возможностей, указанных в главе 2) обеспечить реализацию технологических процессов по изготовлению большинства изделий специального машиностроительного назначения с использованием обеих схем прокатки (двух- или грехвалковую) при условии наличия специальных профилированных рабочих валков для каждого техпроцесса;

- размеры инструментов (диаметр рабочих валков, их ширина (бочка валков)), обороты вращения рабочих валков, углы подачи и раскатки, используемых при изготовлении изделий специального машиностроительного назначения не превышают паспортных технологических возможностей, заложенных в универсальную рабочую клеть стана ПВП 20-60;

- энергосиловые параметры (мощности прокатки, крутящие моменты, усилия на рабочие валки) при прокатке изделий специального машиностроительного назначения значительно ниже паспортных данных универсальной клети стана ПВП 20-60, что говорит о конструкторской, технической и технологической возможностях рабочей клети стана ПВП 20-60 выполнять указанные виды прокаток с поочередным использованием различных схем обработки (двух- и трсхвалковой);

- габариты используемых заготовок при производстве изделий специального назначения укладываются в интервал паспортных данных стана ПВП 20-60;

- для производства некоторых видов изделий (изделия с винтовой поверхностью и ребристые трубы с винтовыми ребрами) на стане ПВП 20-60 необходимо осуществить дополнительные технические мероприятия по более строгой синхронизации вращения рабочих валков.

Сравнение технико-технологических характеристик различных специальных станов поперечно-винтовой прокатки для производства изделий специального машиностроительного назначении с аналогичными характеристиками стана ПВП 20-60 наглядно демонстрирует вышеперечисленные выводы. (Таблица № 1).

В целом, технологические возможности универсального стана ПВП 20-60 показаны па Рис.4.

Табл. Ns 1

Сравнение технико-технологических характеристик стана ПВП 20-60 и специализированных станов.

Параметры Универсальный стан ПВП 20-60 Стан для прокатки круглых тел - шаров Стан для прокатки коротких тел вращения (втулки) Стан для прокатки изделий с винтовой поверхностью (резьбовые) Стан для прокатки червячных фрез и валов Стан для прокатки ребристых труб

Возможные схемы прокатки Совмещенные 2-х и 3-х вал-ковые 2-х валковые 2-х валковые 2-х и 3-х валковые 2-х и 3-х валковые 3-х валковые

Диаметр заготовки, мм d = 60-130 d = 25 - 45 (подш.) d = 40 — 125 (шары) d = 5 - 36 d = 40 - 80 d = 30 —150 d = 20 - 40

Длина заготовки, мм 800-1800 600-900- 1300 800-1000 1000 1500-6000

Размеры готовых изделий, мм пруток, d=40-100, 1=6300 гильза, d=25-58,1=1600-2000 d = 26 — 125 1 = 2500-40006000 d = 3 - 6 I = 6 - 25 d = 40 - 60 I = 300 d = 30 -150 I = 2000 d = 20 - 60 I = 6000

Диаметр рабочих валков, мм 220 - 400 300 240 250 - 300 160-250 190-285 90 - 100

Длина бочки рабочих валков, мм 272 - 300 250 - 300 250 90-140 100-200 125 -150 150-250

Угол подачи (угол наклона), 0 0-15 2-5 0-2 1,5-2 1,5-2 0-7 2-6

Мощность двигателя на один валок, кВт 250 160 40 40-55 6-18 30

Частота вращения рабочих валков, об/мин 40-160 75-180 125-150 12-190 20-60 80 - 200

Температура нагрева заготовок, °С 0 - 300 - 2000 950 1300 1000 1500 950

Усилия на рабочий валок, т 24,5-58,8 6-12,5 0,7-19 11,8-25,9 8-14-30 3-12

Момент крутящий Мкр. кН - М 9,8-24,5 7-15 3-8 1,12-3,9 12-20 5-17

Прокатка круглых периодических

профилей в валках с клиновыми калибрами. 2-х валковая схема прокатки

Прокатка круглых тел (шары для мельниц, подшипников) в винтовых

калибрах. 2-х валковая схема прокатки

Прокатка коротких цилиндрических

тел вращения (втулки гладкие и профилированные, штифты). 2-х валковая схема прокатки

Прокатка профилей с винтовой поверхностью. 2-х и 3-х валковая схемы прокатки

Прокатка червячных валов. 2-х и 3-х валковая схемы прокатки

Прокатка ребристых труб. 3-х валковая схема прокатки

С кольцевыми ребрами

С винтовыми ребрами

Рис.4. Технологические возможности универсального стана поперечно-винтовой прокатки ПВП 20-60.

Глава 4. Трехмерное конечно-элементное моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки. Аналитические исследования.

Решение задачи пластического деформирования физического тела, находящегося под внешними силовыми нагрузками (или деформациями) основано на совместном решении уравнений равновесия, несжимаемости материала и условий пластичности при учете соответствующих граничных условий.

Уравнения равновесия при движеиии элементарного объема в цилиндрической системе координат:

д а

дг д т ,

+

1 д т

г О

д г д т „

дг

где Ог,Оо,а2 -

+

Г а в

1 д (У 0

г д в

1 9 г Вг

+

д г

д в

+

дг

д г в

дг д а ,

+

а - су

= О

+ 2 г ,

= О

дг

+

■ соответственно радиальные, тангенциальные и осевые напряжения.

Несжимаемость материала при больших деформациях представляется в виде

д V

1 д у

в

+

д у

д г г г д в д г

где иг, ид, — соответственно скорости перемещений.

Условие пластического перехода может быть представлено в виде поверхности эллипсоида, главные оси которого увеличиваются в результате упрочнения материала. В общем виде замкнутого решения этих уравнений получить невозможно.

Поэтому традиционные методики решения задач обработки металлов давлением (ОМД), как правило, основаны на анализе упрощенных двумерных моделей процесса пластического деформирования металла. Практические возможности таких аналитических методов достаточно ограничены из-за принятых различных гипотез и допущений. В то же время решение ряда практических вопросов технологии ОМД требует более полной и достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии металла по сравнению с той, что дают аналитические двумерные модели.

Переход к объемным задачам ОМД с учетом реальных механических свойств металла стал возможен только на основе использования современных численных методов анализа.

Наиболее эффективным методом решения технологических задач обработки металлов давлением является метод конечных элементов (МКЭ) в сочетании с наличием современшлх информационных технологий, вычислительных ресурсов персональных компьютеров (ПК) и программных комплексов М1СЭ-анализа. К числу программных средств относится и конечно-элементный пакет анализа А^УЙ, используемый в научно-исследовательских работах и учебном процессе на кафедре «Оборудование и технология прокатки» МГТУ им. Н.Э.Баумана. Прежде всего необходимо было разработать в среде АЫвУБ конечно-элементную модель процесса поперечно-винтовой прокатки.

Для создания условий деформирования было введено математическое описание конфигураций прокатываемой заготовки и деформирующего инструмента - валков, как для двух-, так и для трехвалковой схемы, а также взаимное их расположение, обеспечивающее радиальную деформацию.

Осевое перемещение заготовки обеспечивалось приложением сил трения в контакте и сил с ее торцов, при этом рассматривались варианты перемещения заготовки посредством «подпора», «натяжения» и комбинированного воздействия, а также при их отсутствии. Таким образом, на основе использования пакета

было выполнено трехмерное конечно-элементное моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки на стане ПВП 20-60.

Целыо исследования является сопоставительный анализ напряженно-деформированного состояния заготовки и энергетических параметров процесса поперечно-винтовой прокатки для двух- и трехвалковой схем.

Моделировалась холодная поперечно-винтовая прокатка сплошной цилиндрической заготовки с начального диаметра О^ 120мм на конечный диаметр с1=90мм при двух- и трехвалковой схемах прокатки для следующих случаев (вариантов):

1. Прокатка с задним подпором. Сила подпора в соответствии с технической характеристикой стана ПВП 20-60 была принята 7',, = 120кЫ.

2. Прокатка с передним натяжением. Сила натяжения в соответствии с характеристикой стана - 7> =

80кN.

3. Прокатка одновременно и с подпором Ть - 120кЫ и натяжением 7} = 80кЫ;

Материал заготовки - медь МО. Механические характеристики материала: предел текучести ог = 120МПа, модуль упругости 1° рода Е=1<?МПа, коэффициент Пуассона у=0,31, плотность /7=5/00 кг/м1.

При рассмотрении пластической деформации принята билинейная изотропная характеристика упрочнения материала заготовки, представленная на рис. 5.

о

Рис. 5. Характеристика билинейного изотропного упрочнения материала заготовки.

Модуль упрочнения принят Е,.=50МПа, а коэффициент трения в контакте «заготовка-валок» принят равным //=0.27. Проката ведется в валках с безгребневой калибровкой, устанавливаемых без тангенциального смещения. Калибровка рабочего палка представлена на рис. 6. Угол раскатки в расчетах был принят равным (У, угол подачи - 9".

12

272

Рис. 6. Калибровка рабочего валка стана ПВП 20-60.

Основные допущения. Моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки проводились в среде конечно-элементного пакета АЫЗУЭ 5.6.2. со следующими допущениями:

- разогрев деформируемого материала и рабочих валков не рассматривается (изотермические условия деформации);

- прокатка считается холодной (температура металла ниже температуры рекристаллизации) и принимается, что сопротивление деформации не зависит от скорости деформации;

- принимается, что трение по всей поверхности контакта с рабочими валками подчиняется закону сухого трения Кулона, причем коэффициент трения постоянен по всей контактной поверхности;

- рабочие валки прокатного стана рассматриваются как абсолютно жесткие тела;

- для обеспечения гарантированного захвата заготовки рабочими валками передняя ее (заготовки) часть выполнена конической.

Конечно-элементные модели процессов и граничные условия, принятые в расчете.

Модель заготовки формируется из трехмерных твердотельных гексаэдрических элемен тов с упруго-пластическими свойствами. Прокатные рабочие валки моделируются абсолютно жесткими оболочениыми элементами, расположенными на наружных поверхностях валков, контактирующих с прокатываемым металлом. Общее число конечных элементов в трехвалковой модели - 3456, число узлов - 3953. Двухвалковая модель состоит, соответственно, из 3096 элементов и 3563 узлов (рис. 7).

Исходные конечно-элементные модели процесса поперечно-винтовой прокатки в

трех (а) и двух (б) валках.

В качестве iлобалыюй системы координат принята правая декартова система, oci. / совпадает с продольной осью ¡ai о тонки и направлена в сторону выхода металла in валков.

Ось У направлена вертикально вверх и совпадает с вертикальной осью барабана верхнего рабочего валка стана.

Независимой переменной в модели является время, изменяющееся в процессе решения от 0 до I с некоторым малым шагом интегрирования dl.

При этом на каждом шаге интегрирования рабочие валки получают приращения но углу поворота вокруг своей оси dq> ■ iah, где со - угловая скорост ь вращения рабочих валков. Принято, что рабочие валки вращаются с постоянной скоростью 60 об/мин. Таким образом, интервал времени в одну секунду в результатах решения соответствует одному обороту рабочих валков.

Усилия подпора Th и натяжения Т(прикладываются в виде распределенной нагрузки к узлам конечно-элементной сетки, расположенным на поверхностях заднего п переднего торцов заготовки соответственно. Для стабилизации пространственного положения заготовки в процессе решения центральному узлу конечно-элементной сетки на заднем торце заготовки запрещены перемещения по осям X и Y.

Расчеты выполнялись на ПК с процессором Pentium - 111/500 с объемом оперативной памяти 256 Мбайт, в среде операционной системы Windows NT.

Обработка результатов моделирования выполнена с помощью постпроцессора ANSYS.

Результаты представлены в виде цветовых полей распределения напряжений и деформаций по поверхности и во внутренних сечениях заготовки для различных моментов времени.

Рис. 8. Деформированный контур заготовки и распределение эквивалентной пластической деформации еер при прокатке с подпором в 3-х (а) и 2-х (б) валках.

i

Вчм&гдглтМев ПГЛ'Я!'«!

лиь. 1

И- !>?•. 41Г

аьинк^г г-ошк« пир-« ,

ьишхш (ш**-.»

г

[гкЬа; пзш'и

ЬШ ,1144'!.

Мй I) (Ж (

¿'ЛЦЧГее'ЛрЙМгЯ «ГЛ'й*«?.

<зиг. 'л атц

11 ПГ, . «1ЛИЛМТ раа-яг»| ■пни*?. Г.

Fflltli.fi

'Ы 4

¡.пай

Рис. 9. Распределение эквивалентной пластической деформации г.вр и форма поперечного сечения заготовки па выходе из зоны максимального обжатия при прокатке в 2-х (а) и 3-х (б) валках.

В работе лап подробный сравнительный анализ и картины распределения радиальных, осевых, тангенциальных и эквивалентных напряжений и пластической деформации, по различным сечениям заготовки и на ее поверхности, изменение их абсолютных величин в зависимости от вида внешних дополнительно прилагаемых усилий (подпора и натяжения), взаимного влияния различных напряжений, указаны причины их возникновения и изменения характера распределения их по сечениям заготовки в зависимости от вида применяемой схемы (двух- и трехвалковой) прокатки (рнс.10, 11,12).

Тангенциальные касательные напряжения являются одним из главных факторов, воздействующих на измельчение кристаллической структуры обрабатываемого материала, При двухвалковой прокатке возникают большие растягивающие напряжения в центре заготовки, которые могут привести к образованию продольных трещин в сердцевине проката. Поэтому использование [рехвалковой схемы прокатки более предпочтительно, хотя при недостаточных обжатиях низкий уровень касательных напряжений может не обеспечить получение желаемого эффекта в осевой зоне. Практические результаты измельчения структуры заэвтектических силуминов показаны в главе 5 диссертации.

мюув а.о.* л« п маи .

5Й1ММЙ

яш.и а ад

тем

«И ■ 1ЛЧЧ»

•лт«*

уеыащц'внь ни АУИКИ'т*

ш! "■т. /й-.' ими .

ьШ) 'т^лда

ИШ км ■ ЁЦЗ !«• 1«<! Ы*й 4» о Ййг

г»*.»« ;

Ц© -».773

Е&1 Ьг,

И * * И 4 л

ии Н.Ш. Ы пгщ

Г па I /ь

и9 ш »1

. А14Ш й ш п П аь 1. иг ам а тзна-О

ям

КвУ1"1 1М*»ГСГ

вйАгвТ"

ЛУГ Й К'И СЙХ «»IV • 1?ИН

>•10

зо

и.,1 13 к-

СП ь* Г*?] 1*

с. у «

Рис. 10. Распределение касательных напряжений, действующих в плоскости, перпендикулярной оси 2 тГ!р (К4Па) в зоне максимального обжима при прокатке с подпором в 2-х (а) и 3-х (6) валках.

Рис. 11. Распределение осевых напряжений а- (МПа) в продольном сечении заготовки при прокатке с подпором: а-двухвалковая схема; б-трехвалковая схема.

J»

1-я

I Й. /

t;;^ к v?

i AJ !i л M.

'l, 1 г , 1 l"1

& 1 « !!Ш ilU î.i

¡¡•-J , ,

I I -

, U I . ! U d - (i

Pue. 12. Распределение эквивалентных напряжений a, (МПа) в продольном сечении заготовки при прокатке с подпором: а-двухвалковая схема: 6-трехвалковая схема.

На основании результатов, полученных с помощью метода трехмерного конечно-элементного моделирования проиееса поперечно-винтовой прокатки при разных схемах обработки следует сделать следующие выводы:

1. Прокатка по трехвалковой схеме обеспечивает большую суммарную пластическую деформацию заготовки.

2. Результаты моделирования показывают, что стесненное уширенме заготовки при трехвалковой схеме прокатки способствует равномерному проникновению пластической деформации но сечению заготовки в очаге деформации (по всему сечению заготовки = 0,4). При прокатке по двухвалковой схеме поверхностные слои деформируются более интенсивно, чем внутренние (на поверхности с,,р = 0,36, а в центре заготовки е,р = 0,26) (рис. 9).

3. Величина контактного давления при трехвалковой схеме прокатки почти в 1,5 раза ниже, чем при двухвалковой прокатке (324 МПа и 467 МПа соответственно).

4. В процессе моделирования выполнены расчеты энергии формоизменения, работы внешних сил и мощности прокатки, а также расчет секундных объемов прокатываемого метадла. Результаты анализа показаны на рис. 13.

5. Двухвалковая прокатка обладает по сравнению с трехвалковой схемой прокатки большей производительностью (рис. 14). Наибольшая производительность как при двухвалковой, так и при трехвалковой прокатке достиг ается при одновременном воздействии на заготовку подпора и натяжения (рис. 14).

6. Результаты моделирования показывают, что трехвалковая схема прокатки по энергозатратам оказывается более экономичной по сравнению с двухвалковой схемой. Мощность прокатки по двухвалковой схеме примерно вдвое превышает мощность, требуемую для прокатки на трехвалковой схеме (Рис. 15).

7. Самым экономичным процессом из рассматриваемых вариантов является прокатка при трехвалковой схеме с натяжением (Рис. 16).

8. Одинаковые напряженно-деформированные состояния заготовки при разных схемах прокатки можно получать, применяя и варьируя различные по сути внешние нагрузки (подпор и натяжение).

мо«цн«ети лрйкаип («»мишкм лгоголм.ва] подперла )Н*ЕМ<Я>

.../. ..

'.м «,«• ;.'.ое

»014*0«». доррсппчивнии (сплоен >4 -унт^гя, пядлорлм»Т!»»<«н«н)

... .. .

!

• 'Я ив

X..........

1Ш I И:

ивп^ЮШ Г' МХ>ч/г ь аниде

а)

ммумсти домпм квооиигм гаюттшд.мммр)

«V, [

'.ОДщИм {ачош »л&нм-

б)

«тнмоп, пр9«тм|«ппвшн»н мпшш. НШУ«*<И»)

Мея* нвки. ^ц|и>он>м«н*чим («инвшнаи' аагетрнк». нянженив)

|»Л(|№№М пппми

I !

1.-П 41 ^ ЧI }

ОЬ>1»гирлСО'ИиоЛ1,К'А

Рис. 13. / 'рафики изменения мощности прокатки (I) и мощности формоизменения (2) на стадиях -¡охвата и установившегося режима прокатки баз подпора и натяжения (а), с подпором (б), с натяжением (в).

Объем металла, прокатываемый бет подпора и натяжения за 1 с в установившемся режиме, по результатам расчета составил V«* = 689893 мм'/с, а мощность прокатки - Н, = 450 кВт (рис. 13 а). Удельные энергозатраты:

= —- = Ъ0,5кВт-час/кг ' Р-Ут 8100-689893

Объем металла, прокатываемый с подпором за 1 с в установившемся режиме, по результатам расчета составил Усс, = 814300 мм'/с, а мощность прокатки - К, = 570 кВт (рис. 13 б).

Удельные энергозатраты в этом случае могут быть определены по формуле:

и/ = Лл__ю9 = 570'10-= ЫАкВт • час / кг

Р ■ Кг, 8100-814300

Объем металла, прокатываемый с натяжением за 1 с в установившемся режиме, по результатам расчета составил V«« = 791681 мм'/с, а мощность прокатки - Ы„ = 450 кВт (рис. 13 в). Удельные энергозатраты:

ш = -Лй__1 о4 = 450' —— = 70,2кВт ■ час / кг

Р'КеК 8100-791681

1500

1260

^ 1000

760

500

Подпор

Натяжение

Подпор + натяжение

Рис. 14. Производительность стана ПВП 20-60 при прокатке по двух- и трехвалковой схемам с обжатием по диаметру со 120 до 90 мм.

900,00 300,00 700,00 800,00

£

£ 500,00

0

| 400,00

1

300,00 200,00 100,00 0,00

612 валка □ 3 валка

414

Подпор

Натяжение

Подпор + натяжение

Рис. 15. Мощность прокатки круга с обжатием по диаметру со 120 до 90 мм.

45,И

40,08

0 2 валка аз валка

Подпор

Натяжение

Подпор + натяжение

Рис. 16. Уоаышн работа ири прокатке круга с обжатием по диаметру со ПО /)<> 90 мм.

Глав« 5. Исследование и реализация оптимальных rexiio.ioi имсск'и\ ре-жимов поперечно-винтовой прокачки на универсальном стане ПИП 20-60 для производства высококвчссткенных деформированных полуфабрикатов m трудно-деформируемых зашчт'кчнческих силуминов.

В последнее время стали широко применяться в производстве поршневых пар для двшателей внутреннего сгорания (ДВС) в авиа- и автомобилестроении чрудно-деформируемые зашчекчпческие силумины, чак как эти материалы обладают малым коэффициентом линейного расширения, повышенной жаропрочностью и износостойкостью.

В частности, большой интерес для таких предприятий, как. например, АО «Рыбинские моторы», представляет процесс изотермической штамповки поршней из заэвтекчических силуминов из деформированной заготовки диаметром 70+80 мм с максимально модифицированной структурой и дисперсными первичными кристаллами кремния.

Чтобы решить эту проблему, необходимо не только измельчить структуру силуминов в процессе литья слитка, но и продолжить модифицирование путем применения более сложной схемы деформирования, по сравнению с обычно применяемым процессом прессования. Представляет интерес изучения деформирования с помощью поперечно-винтовой прокатки литой заготовки.

Необходимо отметить, что процесс прессования наряду с положительными свойствами имеет и недостатки, в частности: сложность инструмента и короткий срок его работы, значительное трение на контактной с инструментом поверхности.

Силы трения в значительной степени влияют на неравномерность деформации как в поперечном сечении, так и но длине заготовки, что в свою очередь обуславливает неравномерность структуры и свойств прессованного изделия.

Процесс поперечно-винтовой прокатки выгодно отличается от прессования возможностью деформирования ограниченного объема заготовки, высокой производительностью, малой величиной отходов, т.е. высоким коэффициентом использования металла (КИМ), простотой технологического инструмента в изготовлении и наладке, универсальностью и относительно низкой себестоимостью.

Главной целью данного исследования является получение высококачественных прутков из заэвтектических силуминов для последующей штамповки поршней ДВС путем применения поперечно-винтовой прокачки для измельчения структуры силуминов и особенно кристаллов первичного кремния, содержащихся в них.

Для проведения экспериментов в части поперечно-винтовой прокатки прутков силумина использовался универсальный стан Г1ВП 20-60.

В качестве материалов для исследования были выбраны чрудно-деформируемые заэвтекчическис силумины марки 01390 и 01391, химсостав которых приведен в Табл. № 2.

Табл. Na 2

Химический состав сплавов 01390 и 01391.

Марка Легирующие компоненты н примеси. %

сплав Si Мп Си Mg Ti Zr 1-е Р Прочие

01390 17- 0,3-0,8 менее менее менее - менее менее менее

19 0,5 0,5 0,15 1,5 0,1 0,1

01391 19- менее менее менее менее менее менее менее менее

го 0,3 0,5 0,2 0,5 0,3 2,0 0,1 0,1

С целью сужения коридора поиска необходимых технологических параметров поперечно-винтовой прокатки на стане ПВП 20-60, т.е. выбора напряженно-деформированного состояния прокатываемой заготовки, схемы прокатки и выбора вида внешних усилий, был использован метод трехмерного конечно-элементного моделирования и проанализированы результаты этого моделирования.

Моделирование позволило резко уменьшить количество опытных прокаток реальных заготовок, а полученные результаты моделирования очень близко совпали с результатами прокатки опытных образцов.

На измельчение структуры основное влияние оказывает система тангенциальных напряжений, четко просматриваемых при моделировании. Оценка достоверности моделирования выполнялась по энергетическим параметрам.

Были подготовлены и проведены плавки слитков сплавов 01390 и 01391 с последующими замерами в них размеров первичных кристаллов кремния перед прокаткой (Табл. №>№3,4).

Табл. № 3

Средние н максимальные размеры первичных кристаллов кремния в слитках сплавов 0/390 и 01391,

подготовленных для поперечно-винтовой прокатки

№ плавки Р, % УЗО Средний размер Э^мкм Максимальный размер 31,мкм

3-575 0,03 + 30-40 100

3-576 0,05 + 30-40 100

3-193 0,02 - 20-30 90

3-193 0,02 + 0,005 + 10-20 40-50

3-194 0,06 - 30-40 100

3-194 006 + 0,004 + 20-30 60-80

В соответствии с планом проведения экспериментов были проведены на стане ПВП 20-60 серии прокаток заготовок из силумпновых сплавов с варьированием температуры нагрева заготовок и величины степени деформации за каждый проход.

Табл. № 4

Параметры прокатки заэвтектических силуминов и оценка качества прокатанных прутков.

№ СЛИТКА 1 сплав Темп-ра прокатки, 0 С № перехода Диаметр прутка, мм Вытяжка 1Я переход Деформация ЗЯ переход, % Суммарна» вытяжка Суммарная деформация, % Качество проката

575 01390 450 1 130 1,61 38 - - рыхлость в центре

«» 2 94,5 1.9 47 3,05 67

575 01390 (О. 1 130 1,61 38 - - «»

2 72,5 3,2 69 5,18 81 СО)

57 6 01390 1 130 1.61 38 «»

«» 2 94.5 1.9 47 3,06 67

ii» 3 57.5 2,7 63 8,23 88

575 01390 380 1 116 2,02 50 захоложен, застрял и рассыпался

«» 2 80 2.1 52 4,24 76 отвалился конец

575 01390 •100-420 1 МО 2.25 55 частично плотный металл*

.180 2 75 2.15 53 4,84 79 развалился иа 2 части из-за перекоса а валках

576 01390 400-420 1 110 2.25 55 «»

19.1 01390, 193-М 490-50(1 лпям слитка 100 мм 70 2,04 51 2.04 51 хорошиП, поотвалится передм конец на 2-м переходе

193 01390. 19.1. ;-2 60 2,78 64 2,78 64 хороший

193 01390, 19.1.1-2 "" «)) 80 1.56 36 1,56 36 хороший

193 01390. 19.1.1-1 70 2.04 51 2,04 51 хороший, ни отвалился переди конец из-за перекоса иа 2-м переходе

19<! 01391. 19.1-1-1 70 50 2.04 1,96 51 49 2,04+ 1,96- 4 36 1 хороший

19-1 01391, 19.1-1-2 60 2.78 64 2,78 64 хороший

При применении нескольких переходов в зависимости ог суммарной степени деформации, структура силуминов претерпевает существенные изменения.

Сложную деформационную картину при поперечно-винтовой трокатке показывает макроструктура металла в зоне очага деформации (переход от слитка к прутку или от большого диаметра прутка к меньшему) и самих прутков.

Деформационный механизм изменения структурных составляющих сплава заметно отражается прежде всего на размерах и форме кристаллов первичного кремния в зависимости от степени суммарной деформации, как это видно по данным Табл. № 5 и диаграммам (рис. 17).

Табл. № 5

Влияние суммарной степени деформации при поперечно-винтовой прокатке на размеры кристаллов

первичного кремния в прутках сплава 01390

Диаметр прутка, мм Суммарная деформация, % Средний размер кристаллов 81, мкм Максимальный размер кристаллов 81, мкм

Исходный немодифицированный слиток диаметрам ПК ми (после обточки ¡65 мм) со средними размерами кристаллов кремни» 30-4(1 мкм и максимальными размерами до ПЮмк.м

130 38 30-40 60-100

94,5 47 20-30 60-80

12,5 69 20-30 70

57,5 50 20-30 60

Исходный модифицированный слиток диаметром 114 мм (после обточки НЮ мм) со средними размерами кристаллов кремния 20-30 мк.ч и .максимальными размерами до 70 мкм

70 51 10 20-30

60 64 10-15 25-30

Исходный считок диаметром 114 мм (после обточки 100 мм) после комплексного модифицирования со средними размерами кристаллов кремния 10-30 мкм и .максимальными размерами 40-50 мкм

70 51 10-15 20-30

60 64 10-20 30-40

Рлигары хриетишоа гмрмагчяюго крчпооиц мми

Рис. 17. Влияние деформации при поперечно-винтовой прокатке на эффективность измельчения кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах 01390 (18% 50 и 01391 (20% ЗД:

1-пруток диаметром 70 мм (степень деформации 51%);

2-литая обточенная заготовка диаметром 100 мм с модифицированной структурой.

Анализ них данных показывает исключительно сильное влияние поиеречно-винтопой прокатки на структуру деформированного металла. В сплаве 01391 имеются достаточно высокие концентрации кремния, железа и пи ана, что приводит к формированию в структуре грубых избыточных фаз - первичных кристаллов кремния и шпомишшов железа. И, хотя при литье удается несколько уменьшить их размеры и облагородить структуру, однако их размеры остаются достаточно большими.

Применение же поперечно-винтовой прокачки позволяет и в лом случае существенно повлиять на структуру чругка.

l'uc. Iii Влияние нопс/'счно-винтовой на микроструктуру слитков мпвтектического силумина марки 01390:

а) слиток диаметром IN мм (средний размер кристаллов кремния 20 мкм, х125);

б) пруток диаметром 70 мм (средний размер кристаллов кремния 10 мкм, х200),

11ри оптимальных параметрах прокатки и степени деформации 50+60% средний размер кристаллов первичною кремния уменьшается в 2-3 раза, при этом максимальные размеры отдельных кристаллов не превышают 25-40 мкм.

Одновременно е этим грубые пластинчатые кристаллы алюмннидов железа (рис. 18 а) в слитке ломаются в процессе поперечно-винтовой прокатки, с Зразуя достаточно мелкие пластинки (рис. 18 б), при чтом также измельчается эвтект ическая основа сплава.

1 Впервые в мировой практике создана конструкция универсальной рабочей клети (в трех вариантах) для станов поперечно-винтовой прокатки, позволяющая поочередно осуществлять операции «прокатка-нрошивка-раскагка» по двух-, трех- и дтже четырехвалковой схемам с помощью одной станины п кассетной перевалки рабочих валков, с целью реализации преимуществ каждой схемы на одной рабочей клети.

2 Каждый из вариантов конструкции универсальной рабочей клети стана поперечно-винтовой протечки шшншен авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

3 Конструкция универсальной рабочей клети стана поперечно-винтовой прокатки позволяет, помимо гладких изделий, нэюговлягь изделия периодическою профиля, т.е. с изменением наружного диаметра по длине прокатываемою прутка, а также полых изделий с различными наружными и внутренними диаметрами по ддпне них итлелнй и обеспечивать гибкую технологию производства малотоннажной шнрокономонк.татурнон продукции.

-1 Clan 11141 20-60 изготовлен в металле, смонтирован и эксплуатируется на заводе легких сплавов ИИЛС. обеспечивая промышленные и опытные прокатки спенсилавои.

5. Созданный универсальный стан поперечно-винтовой прокатки ПВП 20-60 позволяет сравнивать достоинств и iie.iociaiMi pa (личных схем прокаткн-прошивкн-раскатки (двух- п трехваиковую) при совершенно одинаковы; технических и icxho.toiнчсских условиях и определять выбор целесообразной технологии

а)

б)

основные выводы по работе

6. Применяя в процессе ирокаткп на стане ПВИ 20-60 действие механизмов подпора и натяжения, которые изготовлены в составе стана, можно составлять различные схемы напряженно-деформированного состояния прокатываемого изделия с ислыо достижения наиболее благоприятных условии технологического процесса прокатки (минимальные энергозатраты, наибольшую производительность, лучшее качество поверхности и т.п.).

7. Конструкция универсальной клети стана IIBII 20-60 способна обеспечить (помимо классических операций прокатка-прошивка-раскатка) производство изделий специальною машиностроительной) назначения (шары, втулки, штифты, изделия с винтовой поверхностью, ребристые грубы).

8. Выполнен сравнительный анализ напряженно-деформированною состояния заготовки при прокатке по двух- и трехвалковой схемам с применением метода трехмерною конечно-элементного моделирования,

9. Установлено, что:

прокатка по трехвапковой схеме обеспечивает большую суммарную пластическую лефор м а ци и загото в к и;

стесненное уширенис заготовки при трехвалковой схеме прокатки способс твует равномерному проникновению пластической деформации по сечению заготовки в очаге деформации;

величина кон гактпого давления при трехвалковой схеме прокатки в 1,5 раза ниже, чем при двухвалковой прокатке (324 мПа и 467 м! 1а - соответственно).

10. Расчет и оценка энергозатрат и производительности при поперечно-винтовой прокатке по обеим схемам показал, что энергозатраты при трехвалковой схеме ирокаткп меньше, чем при двухвалковой, из-за меньших затрат -энергии на знакопеременные радиальные деформации,

11. Определены технологические параметры поперечно-винтовой прокат ки па с lane I IUI 1 20-60 для производства высококачественных деформированных полуфабрикатов из трудно-деформируемых заэвтектических силуминовых сплавов 01390 и 01391 с резким снижением в 5-6 раз размеров кристаллов первичного кремния в структуре прокатанных Прутков,

12. Установлено, что промышлеипо осуществимо производство высококачественных заготовок в виде прутков с обработкой поперечно-винтовой прокаткой вместо прессования из заэвтекгичеекнх силуминовых сплавов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ильин О.Ю., Панов Е.И., Шапиро В.Я. Конструкции оборудования и освоения поперечно-винтовой прокатки легких сплавов // Технология легких сплавов, 2000, № 5, с.39-46.

2. Панов Е.И., Ильин О.Ю. О качестве прутков и труб из легких сплавов, полу ченных поперечно-BiniTOBOii прокаткой // Технология легких сплавов, 2001, № 2, с.27-31.

3. Панов Е.И., Воскапьянц A.A., Иванов A.B., Луппшков В.М., Ильин О.Ю Трехмерное конечно-элементное моделирование процесса поперечно-винтовой ирокаткп сплошной заюювкп // Технология легких сплавов, 2001, № 5-й. с.54-59.

4. Панов Н.И., Ильин 0.10. Расширение технологических возможностей аана поперечно-впптовой прокатки ПВП 20-60 // Технология легких сплавов, 2002, № 2, с.41-52.

5. Эскин Г.И., Панов НИ. Влияние поперечно-винтовой прокатки на cipyniypy н свойства заэвтектических силуминов разной шихтовой основы // Цветные металлы, 2002. № К (Сдана в печать).

6. Панов Н.И., Эскин Г.И., Ильин О.Ю. Оптимизация параметров поперечно-винтовой прокатки для получения катаных прутков из заэвтектических силуминов повышенного качест ва // Металлургия, 2002, № 7, (Сдана в печать).

7. Авторское свидетельством! 341544. СССР «Клеть коеовалковою стана». Приоритет от 24 ноября

1970 г. Панов Е.И. и др.

8. Авторское свидетельство № 348250. СССР «Рабочая клеть трубопрокатного стана». Приоритет от

1971 г. Панов Е.И. и др.

Подписано в печать - 23 апреля 2002 г. Объем - 1,4 уч.-изд. листа Печать - офсетная. Тираж - 100 экз.

Отпечатано в типографии ОАО «ВИЛС» г. Москва, ул. Горбунова, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СТАНОВ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ.

1.1. Общность технологических и конструкторских направлений по использованию поперечно-винтовой прокатки в нашей стране и за рубежом

1.2. Обоснование необходимости создания универсального стана поперечно-винтовой прокатки.

4 ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УНИВЕРСАЛЬНОГО СТАНА ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПВП 20

2.1. Описание конструкции рабочей клети.

2.2. Описание конструкции линии универсального стана поперечно-винтовой прокатки ПВП 20-60 (вариант промышленного назначения).

2.3. Краткое описание технологического процесса.

2.3.1. Работа стана ПВП 20-60 в режиме прошивки.

2.3.2. Работа стана ПВП 20-60 в режиме раскатки.

2.3.3. Работа стана ПВП 20-60 при прокатке изделий периодического профиля.

2.4. Реализация технического проекта в рабочий при изготовлении на

ЭЗТМ универсального стана ПВП 20-60 в металле.

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО

СТАНА ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПВП 20-60 . 79 3.1. Расширение технологических возможностей стана поперечно-винтовой прокатки ПВП 20

3.1.1. Прокатка круглых тел - шаров для мельниц и подшипников.

3.1.2. Прокатка коротких тел вращения (штифты, втулки).

3.1.3. Прокатка профилированных труб для втулочных изделий типа велосипедных втулок.

3.1.4. Прокатка изделий с винтовой (резьбовой) поверхностью.

3.1.5. Прокатка ребристых труб.

Ч ГЛАВА 4. ТРЕХМЕРНОЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ СПЛОШНОЙ ЗАГОТОВКИ. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Общие соображения и допущения.

4.2. Анализ распределения напряжений при двух- и трехвалковой схемах прокатки с задним подпором Ть усилием 120 кН.

4.3. Анализ распределения напряжений при двух- и трехвалковой прокатке с натяжением усилием Tf= 80 кН.

4.4. Анализ распределения и описание напряжений, возникающих при двух- и трехвалковой схемах прокатки с одновременным приложением усилий подпора Ть = 120 кН и натяжения Tf = 80 кН.

4.5. Некоторые соображения о возможностях дальнейшего применения метода трехмерного конечно-элементного моделирования процессов поперечно-винтовой прокатки и выводы по результатам исследования.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ НА УНИВЕРСАЛЬНОМ СТАНЕ ПВП 20-60 ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУ

ЕМЫХ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ.

Щ 5.1. Краткое введение.

5.2. Материал и методика проведения исследования.

5.2.1. Использованные материалы.

5.2.2. Технология непрерывного литья и модифицирования структуры слитков сплавов 01390 и

5.2.3. Методика проведения поперечно-винтовой прокатки.

5.2.4. Методика исследования структуры слитков и катаных прутков

5.3. Результаты исследования структуры катаных прутков.

5.4. Выводы.

Использование двухвалковой схемы поперечно-винтовой прокатки в России и за рубежом для прошивки заготовок в полую гильзу для производства горячекатаных труб известно около 150 лет, и долгое время этот процесс оставался основным и практически неизменным. Его совершенствование всегда являлось важной задачей для исследователей и конструкторов в попытках повысить производительность процесса, снизить технологические, энергетические и, как следствие, - экономические затраты при производстве выпускаемой продукции.

В течение длительного периода времени считалось, что только способ поперечно-винтовой прокатки с двухвалковой схемой прошивки может применяться для изготовления гладких бесшовных труб, так как именно при двухвалковой схеме металл деформируется таким образом, что вследствие неравномерности степени деформации в осевой зоне заготовки возникают растягивающие напряжения, приводящие к нарушению сплошности металла и вскрытию внутренней полости заготовки, что в свою очередь снижает осевое давление на прошивную оправку. Длительное вромя предварительное вскрытие внутренней полости считалось положительным фактором при прошивке гильз и утверждение, что прошивка на станах поперечно-винтовой прокатки возможна лишь при наличии в заготовке полости перед оправкой, долгое время являлось доминирующим.

Однако при подобном взгляде на процесс прошивки производство качественных труб из высоколегированных сталей и сплавов был невозможен из-за образования плен и закатов на внутренней поверхности труб, которые (плены и закаты) являлись прямым результатом предварительного вскрытия внутренней полости в заготовке.

Первые предположения о возможном предотвращении предварительного вскрытия внутренней полости заготовки в случае применения трех-валковой схемы прошивки сделаны в работах [1-2], хотя упоминания о попытках осуществить прокатку на первом опытном трехвалковом стане [3] относятся к 1883 г. Позднее, в 1926 году также делались безуспешные попытки осуществить прошивку на трехвалковом стане американской фирмы Блисс, И.У. В течение 1928-1932 гг. в США были продолжены исследования процесса прошивки на трехвалковом прошивном стане.

Исходя из представлений о возможности ведения процесса прошивки - при наличии в заготовке полости перед оправкой, многие исследователи считали, что на трехвалковых станах отсутствуют условия, которые бы об-'легчали внедрение носка оправки в металл, поэтому процесс" неосуществим или затруднении является весьма энергоемким.

Последующие исследования показали, что прошивка на станах поперечно-винтовой прокатки, в т.ч. и на двухвалковых, возможна и реально осуществима без предварительного вскрытия внутренней полости перед прошивной оправкой. При этом значительно улучшается качество внутренней поверхности гильз, возрастает стойкость оправок и снижается расход энергии [3].

Тем не менее, ряд исследователей считали, что склонность к разрушению металла при прокатке на трехвалковых станах имеет место, но она значительно меньше, чем на двухвалковом. Некоторые исследователи считали, что разрушение металла в осевой зоне при прошивке на трехвалковом стане происходит также, как и на двухвалковом, но при большей величине критического обжатия [6], другие ученые и исследователи в своих работах эти утверждения отрицали [7].

Дополнительно прилагаемые к заготовке осевые усилия подпора и натяжения как при двухвалковой, так и при трехвалковой схемах прокатки-прошивки позволяет в значительной степени влиять на изменение схемы напряженного состояния в очаге деформации. Этим предотвращается преждевременное вскрытие внутренней полости в осевой зоне заготовки и дает возможность выполнять поперечно-винтовую прокатку, особенно при трехвалковой схеме, с повышенными обжатиями [8].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Впервые в мировой практике создана конструкция универсальной рабочей клети (в трех вариантах) для станов поперечно-винтовой прокатки, позволяющая поочередно осуществлять операции "прокатка-прошивка-раскатка" по двух-, трех- и даже четырехвалковой схемам с помощью одной станины и кассетной перевалки рабочих валков, с целью реализации преимуществ каждой схемы на одной рабочей клети. Каждый из вариантов конструкции универсальной рабочей клети стана поперечно-винтовой прокатки защищен авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Конструкция универсальной рабочей клети стана поперечно-винтовой прокатки позволяет, помимо гладких изделий, изготовлять изделия периодического профиля, т.е. с изменением наружного диаметра по длине прокатываемого прутка, а также полых изделий с различными наружными и внутренними диаметрами по длине этих изделий и обеспечивать гибкую технологию производства малотоннажной широкономенклатурной продукции.

Стан ПВП 20-60 изготовлен в металле, смонтирован и эксплуатируется на заводе легких сплавов BHJIC, обеспечивая промышленные и опытные прокатки спецсплавов.

Созданный универсальный стан поперечно-винтовой прокатки ПВП 2060 позволяет сравнивать достоинства и недостатки различных схем прокатки-прошивки-раскатки (двух- и трехвалковую) при совершенно одинаковых технических и технологических условиях и определять выбор целесообразной технологии.

6. Применяя в процессе прокатки на стане ПВП 20-60 действие механизмов подпора и натяжения, которые изготовлены в составе стана, можно составлять различные схемы напряженно-деформированного состояния прокатываемого изделия с целью достижения наиболее благоприятных условий технологического процесса прокатки (минимальные энергозатраты, наибольшую производительность, лучшее качество поверхности и т.п.).

7. Конструкция универсальной клети стана ПВП 20-60 способна обеспечить ц (помимо классических операций прокатка-прошивка-раскатка) производство изделий специального машиностроительного назначения (шары, втулки, штифты, изделия с винтовой поверхностью, ребристые трубы).

8. Выполнен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния заготовки при прокатке по двух- и трехвалковой схемам с применением метода трехмерного конечно-элементного моделирования.

9. Установлено, что:

- прокатка по трехвалковой схеме обеспечивает большую суммарную пластическую деформацию заготовки;

- стесненное уширение заготовки при трехвалковой схеме прокатки способствует равномерному проникновению пластической деформации ч по сечению заготовки в очаге деформации;

- величина контактного давления при трехвалковой схеме прокатки в 1,5 раза ниже, чем при двухвалковой прокатке (324 МПа и 467 МПа соответственно).

10. Расчет и оценка энергозатрат и производительности при поперечно-винтовой прокатке по обеим схемам показал, что энергозатраты при трехвалковой схеме прокатки меньше, чем при двухвалковой, из-за меньших затрат энергии на знакопеременные радиальные деформации.

11. Определены технологические параметры поперечно-винтовой прокатки на стане ПВП 20-60 для производства высококачественных деформированных полуфабрикатов из трудно-деформируемых заэвтектических силуминовых сплавов 01390 и 01391 с резким снижением в 5-6 раз размеров кристаллов первичного кремния в структуре прокатанных прутков.

12. Установлено, что промышленно осуществимо производство высококачественных заготовок в виде прутков с обработкой поперечно-винтовой прокаткой вместо прессования из заэвтектических силуминовых сплавов.

1. Емельянененко П.Т. Теория косой и пилигримовой прокатки. -М.: Металлургиздат, 1949.-491 е.; ил.

2. Смирнов B.C. Поперечная прокатка. -М.: Машгиз, 1948. -195 е.; ил.

3. Трехвалковые прошивные станы: Обзор / И.Г. Гетия, JI.H. Скоро-богатская, М.А. Левшу нов и др. -М.: Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований черной металлургии, 1975. -21 е.; ил.

4. Лисочкин А.Ф. Поперечная прокатка // Сталь. -1946. -№.6. -С. 378385.

5. Дубровский И.В., Матлахов Л.И. Расположение оправки и образование плен на трубах // Сталь. -1947. -№.7. -С. 626-629.

6. Смирнов B.C. Поперечная прокатка в машиностроении. -М.: Машгиз, 1957.-375 с.

7. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. -М.: Металлургиздат, 1962. -494 с.

8. Казанская И.И., Милютин С.П. Трехвалковые станы с подпором // Металлургическое машиностроение / НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1965.-№.3.-С. 13-20.

9. А.с. № 214478 СССР, МКИ В21в. Рабочая клеть трехвалкового прошивного стана / И.К. Тартаковский, П.М. Финагин, П.И. Полухин и др. // Открытия, промышленные образцы, товарные знаки.-1968.-№. 12.

10. Целиков А.И., Зюзин В.И. Современное развитие прокатных станов. -М.: Металлургия, 1972. -399 е.; ил.

11. Трехвалковые станы винтовой прокатки для производства периодических профилей круглого сечения / А.И. Целиков, В.А. Жаворонков, И.К. Шафран и др. // Сталь. -1970. -№. 5. -С. 424-427.

12. Тетерин П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки. -М.: Металлургия, 1971.-368 с.

13. Фомичев И.А., Сай Н.Ф., Румянцев Б.Ф. Прокатка труб из алюминиевых сплавов на трубопрокатных установках // Цветные металлы. -1959. -№. 6. -С. 75-79.

14. Чаликов В.В. Исследования процесса винтовой прокатки тел вращения из высокопрочных алюминиевых сплавов на трехвалковых станах: Дисс. канд. техн. наук. -М.: МВТУ им. Баумана, 1970. -230 с.

15. Освоение поперечно-винтовой прокатки труб из титана / В.Я. Шапиро, И.Л. Годин, Ю.Ф. Лузин и др. // Цветные металлы. -1978. —№. 6. -С. 61-64.

16. Прошивной стан для труб из алюминиевых сплавов / В.Я. Шапиро, И.К. Тартаковский, А.К. Афанасьева и др. // Цветная металлургия. -1979. -№. 4. -С. 40-42.

17. Прошивка в двухвалковом стане слитков сплава Д16 / В.Я. Шапиро, А.К. Афанасьева, Н.А. Беляков и др. // Цветные металлы. — 1978.-№. 2. -С. 61-64.

18. А.с. № 341544 СССР, МКИ В21в 19/00. Клеть косовалкового стана / А.Ф. Белов, Е.И. Панов, И.К. Тартаковский и др. // Б. И. -1972. -№. 25.

19. А.с. № 348250 СССР, МКИ В21в 19/60. Рабочая клеть трубопрокатного стана / Г.Д. Стыркин, И.Н. Потапов, Е.И. Панов и др. // Б. И. -1972. -№. 25.

20. А.с. № 519240 СССР, МКИ В21в 39/00. Устройство подачи заготовки в рабочую клеть прокатного стана / П.И. Ермолаев, А.П. Подкуйко, П.М. Финагин и др. // Б. И. -1976. -№. 24.

21. А.с. № 605651 СССР, МКИ В21в 19/00. Рабочая клеть стана поперечно-винтовой прокатки / П.И. Ермолаев, Б.И. Самохин, И.К. Тартаковский и др. // Б. И. -1978. -№. 17.

22. Новый технологический инструмент для поперечно-винтовой прокатки прутков / О.Ю. Ильин, И.К. Тартаковский, Б.И. Самохин и др. // Технология легких сплавов. -1983. -№. 8. -С. 39-42.

23. Специальные прокатные станы / А.И. Целиков, Н.В. Барбарич, М.В. Васильчиков и др. -М.: Металлургия, 1971. -336 е.; ил.

24. Грановский С.П., Мехов Н.В., Майзелис Г.С. Прокатка профилированных труб // Сталь. -1965. —№. 1. -С. 53.

25. Грановский С.П., Мехов Н.В., Майзелис Г.С. Новый стан для прокатки профилированных трубных заготовок для втулочных изделий // Вестник машиностроения. -1969. -№. 2. -С. 53-54.

26. Ильин О.Ю., Панов Е.И., Шапиро В.Я. Разработка конструкции оборудования и освоение поперечно-винтовой прокатки легких сплавов // Технология легких сплавов. —2000. —№. 5. -С. 39-46.

27. Афанасьева А.К., Телешов В.В., Козлова О.М. Структура и свойства труб из алюминиевых сплавов, изготовленных прошивкой на косовалковых станах // Металловедение и термическая обработка металлов. —1978. —№. 1. -С. 56-59.

28. Качество прутков из титановых сплавов, полученных различны-ми методами / В.Я. Шапиро, Ю.П. Гриценко, С.А. Кушакевич и др. // Цветные металлы. -1979. -№. 1. -С. 61-63.

29. Прошивка гильз из слитков алюминиевых сплавов с улучшенным качеством поверхности на двухвалковом стане / Е.И. Баранчиков, В.Я. Шапиро, В.А. Ишунькин и др. // Цветная металлургия. -1979. -№. 6. -С. 46-48.

30. Коробщиков В.Г., Гриценко Ю.П., Шапиро В.Я. Сравнение качества прутков ВТЗ-1, полученных продольной и винтовой прокаткой // Цветные металлы. -1985. -№. 8. -С. 101-103.

31. Влияние радиально-сдвиговой прокатки на качество полуфабрикатов из титановых сплавов / Е.А. Харитонов, И.Н. Потапов, И.З. Вольшонок и др. // Цветные металлы. -1992. -№. 5. -С. 56-57.

32. Панов Е.И., Ильин О.Ю. О качестве прутков и труб из легких сплавов, полученных поперечно-винтовой прокаткой // Технология легких сплавов. -2001. -№. 2. -С. 27-31.; ил.

33. Панов Е.И., Ильин О.Ю. Расширение технологических возможностей универсального стана поперечно-винтовой прокатки ПВП 20-60 // Технологии легких сплавов. -2002. -№. 2. -С. 41-52.; ил.

34. Жаворонков В.А., Марков Ю.А. Исследование нормальных контактных напряжений при поперечной и винтовой прокатке сплошных и полых заготовок // Труды МВТУ. -1974. —№. 176. -Машины-автоматы и прокатное производство. -С. 73-85.

35. Жаворонков В.А., Чаликов В.В. К вопросу определения давления металла на валки и расходе энергии при винтовой прокатке в трехвалковых станах // Труды МВТУ. -1974. -№. 176. -Машины-автоматы и прокатное производство. -С. 93-101.

36. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1979. -215 с.

37. Объемные задачи теории прокатки / А.И. Целиков, В.К. Беляни-нов, И.Н. Ананьев и др. // Труды МВТУ. -1984. -№. 412. -Машины и агрегаты металлургического производства. -С. 8-24.

38. Малинин Н.Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1979. -118 с.

39. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с анг. — М.: Мир, 1975.-542 с.

40. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с анг. -М.: Мир, 1979.-480 с.

41. Теория прокатки. Справочник / А.И. Целиков, А.Д. Томленое, В.И. Зюзин и др. -М.: Металлургия, 1982. -335 с.

42. Трехмерное конечно-элементное моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки / Е.И. Панов, А.А. Восканьянц, А.В. Иванов и др. // Технология легких сплавов. -2001.-№. 5-6. -С. 54-59.

43. Теория обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский, А.А. Поздеев, О.А. Ганаго и др. -М.: Металлургиздат, 1963. -672 с.

44. Ерманок М.З. Прессование изделий специальной формы. -М.: Металлургия, 1994. -304 с.

45. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. -М.: Металлургия, 1990. -344 с.

46. Шапиро В.Я., Алексеев В.Н., Цирюльников Е.В. Исследование деформируемости прутков из алюминиевых сплавов при поперечно-винтовой прокатке // Цветные металлы. -1990. -№. 7. — С. 89-91.

47. Пименов Ю.П., Тарарышкин В.И., Эскин Г.И. Оптимизация технологии плавки и модифицирования заэвтектическихсилуминов // Технологии легких сплавов. -1997. —№. 3. -С. 17-23.

48. Тарарышкин В.И., Пименов Ю.П., Эскин Г.И. Выбор модификаторов для измельчения структуры заэвтектических силуминов // Технологии легких сплавов. -1997. -№. 3. -С. 2-38.

49. Эскин Г.И., Пименов Ю.П. Коррозионно-стойкие свариваемые заэвтектические силумины для нефтегазового комплекса // Технологии легких сплавов. -1997. -№. 6. -С. 27-32.