Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие сведения о малолистовых рессорах и основные способы производства заготовок для них 7
Глава 2. Теоретические положения асимметричной прокатки рессорных полос 33
2.1 Определение обжатий при асимметричной прокатке 34
2.2 Влияние разности скоростей рабочих валков на перераспределение обжатия в очаге деформации 44
2.3 Моделирование процесса асимметричной прокатки полосы исследование влияния конструктивных параметров клети на асимметрию процесса 60
2.4 Особенности обработки боковых сторон листов параболических рессор 73
2.5 Стабилизация температурного режима рабочих валков 81
Глава 3. Стан для прокатки заготовок малолистовых рессор 91
3.1 Назначение стана 96
3.2 Требования к подкату и готовым листам 97
3.3 Техническая характеристика прокатного стана 99
3.4 Технологический процесс прокатки 102
3.5 Энергосиловые параметры прокатки листов параболических рессор 110
Глава 4. Исследование процесса прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля на стане кварто 120
Глава 5. Предложения по усовершенствованию стана для прокатки заготовок малолистовых рессор 127
Основные выводы и результаты 137
Литература
- Влияние разности скоростей рабочих валков на перераспределение обжатия в очаге деформации
- Особенности обработки боковых сторон листов параболических рессор
- Техническая характеристика прокатного стана
- Энергосиловые параметры прокатки листов параболических рессор
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в мировом автомобилестроении все более широкое применение находят малолистовые рессоры. В практике передовых зарубежных автомобильных фирм этот вид рессор широко используется как для замены многолистовых рессор подвесок традиционной конструкции, так и в качестве направляющих элементов различных видов пневмоподвесок. В малолистовых рессорах применяются листы с переменным профилем по длине, что позволяет обеспечить равномерное распределение нагрузок в листе и уменьшить в несколько раз число листов по сравнению с многолистовой рессорой, имеющей листы с постоянным продольным профилем. В ряде конструкций удается заменить пакет из нескольких, листов постоянного профиля одним листом переменного профиля. Таким образом существенно снижается масса рессоры, снижается или устраняется совсем межлистовое трение, улучшаются эксплуатационные качества подвески. Уменьшение массы рессоры достигается за счет того, что становится возможным увеличение допускаемых напряжений, вследствие более равномерного их распределения в листе переменного профиля. Существенным фактором является, также, повышенная долговечность малолистовых рессор.
Применение малолистовых рессор в отечественном автомобилестроении до настоящего времени сдерживалось, в частности, отсутствием необходимого оборудования и отработанной технологии массового производства заготовок рессор переменного профиля. Поэтому разработка технологии производства таких изделий и создание на ее основе комплекса производственного оборудования является актуальной научно- технической задачей.
Цель работы
Целью данной работы является разработка технологии и оборудования для производства заготовок малолистовых рессор, имеющих
периодический профиль, у которых нижняя поверхность плоская, а верхняя имеет параболический профиль на рабочих участках рессоры. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Разработка методики расчета неравномерности обжатия металла в очаге деформации рабочими валками и определение зависимости величин обжатий в функции рассогласования скоростей валков, натяжения полосы, коэффициента трения, обеспечивающих получение заданного профиля.
Разработка модели технологического процесса для анализа влияния на процесс асимметричной прокатки рассогласования скоростей вращения рабочих валков и выбора конструктивных параметров рабочей клети.
На основе полученных результатов разработать схему технологического процесса и конструкцию прокатного оборудования для горячей прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля.
Проведение экспериментальных исследований для установления основных закономерностей параметров горячей прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля.
Научная новизна
Разработана методика расчета неравномерности обжатия металла в очаге деформации ведомым и ведущими рабочими валками при асимметричной прокатке заготовок малолистовых рессор.
Установлены зависимости неравномерности обжатий в функции от рассогласования скоростей рабочих валков, натяжения, коэффициента трения, вытяжки, радиуса валков.
Практическая значимость 1. Разработан технологический процесс горячей прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля, спроектирован и
внедрен в производство комплекс оборудования для горячей прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля.
Разработанные методики расчета и математические модели могут быть использованы при создании нового оборудования аналогичного назначения и при модернизации существующего.
Разработаны рекомендации по созданию нового комплекса оборудования для горячей прокатки заготовок малолистовых рессор периодического профиля
Апробация работы Материалы работы докладывались на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию академика А.И.Целикова (МГТУ им.Баумана) в апреле 2004г., на V конгрессе прокатчиков (г.Череповец) в октябре 2003 г., Конференции "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства", (г.Череповец) в декабре 2003г.
Публикации Материалы диссертации опубликованы в 3 патентах и 5 статьях
Влияние разности скоростей рабочих валков на перераспределение обжатия в очаге деформации
Эксперименты, выполненные в ходе исследований на стане кварто 190x300x300 показали, что для условий, характерных для этого стана критическим является рассогласование скоростей равное 6 %. При рассогласовании скоростей большем, чем 6 % на ведомом валке возникает отрицательный момент (рис 2.4.), что является негативным фактором для процесса прокатки.
На рис.2.5. приведен очаг деформации при асимметричной прокатке , где на ведущем валке величина нейтрального угла уменьшилась до значения 7] , а на ведомом увеличилась до у2. Из рис.2.5. видно, что очаг деформации при асимметричной прокатке можно разделить на три зоны. В зонах 1 и 3 касательные силы трения между валком и полосой направлены в одном направлении, а в зоне 2 - в противоположные стороны. По мере увеличения рассогласования скоростей валков угол /2УДет возрастать, а угол уменьшаться. В определенный момент угол устанет равен 0 и зона 3 исчезнет.
Рассогласование скоростей, при котором исчезнет зона опережения на нижнем валке и будет критическим. Верхний (ведомый ) валок тормозит металл, создавая растягивающие напряжения в зоне контакта, а нижний валок, напротив создает в зоне контакта напряжения сжатия. Согласно данным [21] растягивающие напряжения снижают контактные напряжения в зоне контакта с верхним валком, а напряжения сжатия повышают контактные напряжения в зоне контакта с нижним валком. Таким образом возникают условия, способствующие разнице обжатий на верхнем и нижнем валках. Уменьшение напряжений в верхних слоях полосы, контактирующих с ведомым валком способствует их повышенному обжатию, а в нижних слоях, контактирующих с ведущим валком соответствующее увеличение напряжений затрудняет обжатие. Одновременно на металл в очаге деформации действует изгибающий момент от касательных сил трения, направленных в противоположные стороны. Действие изгибающего момента вызывает изгиб полосы в сторону нижнего валка на входе в валки и в сторону верхнего валка на выходе. Однако фиксация переднего конца раската зажимом тянущего устройства исключает изгиб раската при выходе из валков. Вследствие изгиба полосы на нижний валок контактная зона на нем увеличивается. Вместе с тем изменение длины зоны контакта на верхнем валке менее значительно.
Рассмотрим очаг деформации при асимметричной прокатке полосы (рис. 2.6.). Верхний валок, вращающийся с меньшей скоростью, тормозит полосу, создавая при этом изгибающий момент Мизг. Под действием этого момента полоса начинает изгибаться вокруг нижнего валка. При этом протяженность участка, на котором полоса контактирует с нижним валком, возрастает на величину CiAi. Можно предположить, что на этом участке контактной зоны возникает напряжение, равное напряжению при двухмерном сжатии т.е. 2К, причем К = аф/лІЗ . Тогда увеличение контактной зоны будет происходить до тех пор, пока момент от равнодействующей нормальных контактных сил FH не уравновесит изгибающий момент Мизг.
Для упрощения расчетной схемы примем за центр изгиба точку Аь соответствующую точке контакта полосы с нижним валком при симметричной прокатке. Значение суммарного момента прокатки определяется как приращение суммы активных сил трения очага деформации на радиус рабочего валка с учетом влияния переднего натяжения и снижения усилия прокатки [21] при симметричном процессе от рассогласования скоростей согласно выражения :Для определения соотношения моментов на верхнем и нижнем рабочих валках можно применять зависимость [21];
Однако пробные расчеты показали, что данная формула для случая прокатки рессорной полосы дает значительное расхождение с экспериментальными данными. Поэтому было принято решение определять соотношение моментов на верхнем и нижнем(ведущем) валках, в зависимости от величины рассогласования скоростей валков, по графику, построенному на основе экспериментальных данных, полученных для рессорного стана 195x300x300 (рис.2.7.). Определив соотношение моментов Мк/Ми получим:
Особенности обработки боковых сторон листов параболических рессор
Обеспечением долговечности рессорных листов при работе служит качественное выполнение их боковых поверхностей без закатов и волосовин, так как последние могут служить значительными концентраторами напряжений в процессе их работы и приводить к поломкам рессорных листов при относительно низких нагрузках.
В рессорном стане для обработки боковых поверхностей предусмотрены специальные вертикальные ролики, установленные на входной и выходной сторонах, и обеспечивающие накаткой сглаживание шероховатостей поверхности и снижение величины предела текучести [25] до значений, не допускающих появления на боковых сторонах дефектов в виде волосовин. Схема установки таких роликов показана на рис. 2.22
Ролики (6) и (7) выполнены неприводными и прижимаются к прокатываемой заготовке (1) посредством гидравлических цилиндров. Конструктивно ролики выполнены с заданным профилем и имеют возможность смещаться в вертикальном направлении, центрируясь относительно горизонтальной оси прокатываемого раската. Наряду с накаткой ролики позволяют также надежно центрировать заготовку перед прокаткой, что при прокатке с большим передним натяжением особенно важно для исключения серповидности. Конструктивно прогладочные ролики входной и выходной сторон идентичны и имеют следующую характеристику: Диаметр роликов, мм 100,0 Высота роликов, мм 80,0 Рабочий раствор, мм максимальный 110,0 минимальный 54,0 Привод гидравлический Гидроцилиндры: диаметр цилиндра, мм 50,0 диаметр штока, мм 32,0 рабочее давление, МПа 5,0... 20,0
Накатка производится за несколько проходов с величинами обжатий, равными 0,5.. .0,8%. Согласно работы [25] при таких степенях обжатия в поверхностных слоях полосы уменьшается предел текучести деформируемого металла при растяжении, повышая этим деформационную способность кромок.
Высокие требования к качеству поверхности обуславливают необходимость применения роликов из качественных сталей и чистотой поверхности бочек не ниже Ra 0.8 и твердостью HRC 60-64. Повышенные требования к качеству поверхности накатывающих роликов, в первую очередь, диктуются тем, что при малых обжатиях твердых сплавов шероховатость роликов не полностью переносится на деформируемый металл. При этом перенос шероховатости ролика на боковую поверхность следует рассматривать как процесс заполнения микроуглублений на поверхности ролика прокатываемым металлом. Многопроходность же этого процесса при горячей прокатке обусловлена также необходимостью в начальные проходы освободить поверхность от окалины, т.е. ролики выполняют еще роль и окалиноломателей,
В связи с этим, величина деформаций Д6 в вертикальных роликах принята в диапазоне 0,4...1,5 мм, из которых как фактическое АЬф после горизонтальной клети остается только обжатие величиной 0,2...0,3 мм. Изменение параметров в процессе накатки боковых сторон рессорных заготовок в вертикальных роликах можно рассматривать согласно методике, приведенной в работе [22], где значение усилия на ролики Р определяется как Р = па-2К-1-Н (2.10) где п - коэффициент напряженного состояния при деформации в вертикальных роликах; 2К — сопротивление деформации при двухмерном сжатии; - длина дуги захвата Н - обжимаемая ширина. Коэффициент напряженного состояния определяется из выражения [22] =1.1 + 0.44— (2.11) сопротивление деформации при двухмерном сжатии [27]: у где 7о.д , кг/мм - сопротивления деформации для рессорной стали при t=1000C; е=10%; U=10 1/сек KtjK Ku - соответственно температурный, степени деформации и скоростной коэффициенты для рессорной стали (см рис 4.4, стр 117). Скорости деформации по данным работы [22] Jf(2 +AA) где V- скорость прокатки, м/с; / - длина дуги захвата, мм; R - радиус рабочего ролика, м; Ah - обжатие, мм.
Величина проникновения пластической деформации Ьпл определяется по экспериментальным данным согласно выражению:
Техническая характеристика прокатного стана
Технологический процесс производства заготовок параболических рессор ориентирован на получение готовой продукции за два цикла в едином замкнутом комплексе механического оборудования.
За первый цикл осуществляется прокатка одной половины заготовки, а за второй цикл — второй ее половины. При этом каждый из циклов включает нагрев, прокатку, охлаждение раската и обрезку раскатанной части рессоры.
Процесс включает следующие технологические операции:
На стан (Рис.3. V) подается контейнер с мерными заготовками, который устанавливается перед приемным стеллажом.
Из контейнера берется верхний слой заготовок и переносится на приемный стеллаж.
С приемного стеллажа очередная заготовка подается на приемный рольганг и транспортируется по рольгангу до стационарного упора.
Далее заготовка сталкивателем перемещается на транспортер печи, который транспортирует заготовку к нагревательной печи и укладывает её в ячейку барабана печи.
Загрузочным толкателем печи необходимая для прокатки часть заготовки задается для нагрева в индуктор печи.
На барабане индукционной печи одновременно находятся в процессе нагрева четыре заготовки. Общее время нагрева заготовки строго соответствует времени цикла прокатки одной половины полосы.
После нагрева заготовка толкателем выдается из четвертой ячейки индуктора. Барабан производит очередное шаговое вращение, в процессе которого нагретая заготовка передается на рольганг.
В это время первая ячейка с нагреваемой заготовкой перемещается на шаг барабана, а на её место поступает очередная свободная ячейка барабана, на которую транспортер загружает следующую заготовку, а толкатель устанавливает на необходимую величину ее часть для нагрева в индуктор.
Печным рольгангом заготовка транспортируется на рольганг рабочей клети.
Перед поступлением заготовки в район рабочей клети стана механизмы последней находятся в следующем положении: - ролики рольганга рабочей клети вращаются и находятся на одном уровне с верхней кромкой образующей цилиндра нижнего рабочего валка; - отбрасывающийся упор толкателя находится в рабочем положении; - линейки, центрирующие заготовку, разведены; - центрирующие и прогладочные ролики разведены и имеют настройку, обеспечивающую минимально-возможное расстояние между ними, равное номинальному значению ширины прокатываемой заготовки; - рабочие валки разведены на необходимую величину; - натяжное устройство находится в исходном положении на расстоянии 380 мм от оси клети. Губки зажимного устройства раскрыты; - программа изменения обжатия и натяжения введена в управляющую машину; - рольгангом рабочей клети заготовка подается в зону рабочей клети (валки вращаются) и досылается, если это требуется, толкателем до упора в зажим натяжного устройства. Центрирующие линейки и ролики сводятся и центрируют заготовку по оси прокатки; - зажимное устройство зажимает холодный конец заготовки; - входной пирометр измеряет температуру заднего (нагретого) конца заготовки; - дается команда «начало прокатки» и тянущее устройство начинает перемещать заготовку, одновременно нажимной механизм клети производит рабочий ход верхнего валка и в этот момент рольганг рабочей клети опускается от уровня прокатки вниз, а прогладочные ролики прижимаются к боковым кромкам прокатываемой заготовки.
На рис. 3.3 и 3.4 показаны схемы начала прокатки, где центральный участок «МК» не прокатывается. Из рис. 3.3 видно, что участок «МК» смещен в сторону входа. После команды «начало прокатки» верхний валок опускается, заготовка перемещается тянущим устройством (ТУ) и встречается с валком в точке «М». После внедрения валка в металл на величину 1 мм10,1 перемещение «ТУ» с заготовкой переводится с режима по положению на режим работы по давлению, заданному программой.
Энергосиловые параметры прокатки листов параболических рессор
После монтажа стана проводилось определение некоторых технологических параметров оборудования стана и процесса прокатки заготовок рессорных полос. [36]
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на точность получаемого проката, является жесткость прокатной клети. Для определения этого параметра проводилась опытная прокатка образцов различной толщины (от 8.0мм до 12.0мм) из алюминиевого сплава. При этом положение ГНУ задавалось постоянным, соответствующим начальному зазору между валками, равному 7.5мм, полученному при прокатке первого образца с обжатием 0.5мм и с усилием 36 кН. На Рис.4.3 показана взаимосвязь деформации рабочей клети и усилия прокатки.
По приращениям толщины прокатанного образца и увеличению требуемого усилия ГНУ рассчитана средняя жесткость прокатной клети, составившая 800 кН/мм. Полученные данные дают возможность вносить коррекцию в программу управления технологическим процессом с целью обеспечения требуемой точности прокатки. В дальнейшем проводились замеры толщины прокатанных рессорных полос из стали 50ХГС (Табл.9), показавшие, что стан обеспечивает заявленную точность в пределах +/-0.2 мм.
Для исследования влияния натяжения на уширение полосы проводились замеры ширины образцов из стали 50ХГС, прокатанных при различных значениях максимального усилия, создаваемого тянущим устройством, и постоянном значении максимального обжатия, равного 5 мм. Для исключения возможности выдергивания заготовки из валков в начальный момент прокатки производилось предварительное поджатие полосы валками с небольшим усилием, а затем создавалось усилие натяжения (Рис.4.4).
Нагрев образцов осуществлялся в электропечи до температуры 950С. Каждый образец прокатывался за один проход при постоянном значении натяжения. Образцы прокатывались при значениях натяжения равных ЮкН, 40кН, бОкН. Значения усилия прокатки и натяжения записывались управляющей ЭВМ в файл для последующей обработки результатов. После остывания прокатанных образцов производился замер их ширины с шагом 50 мм, начиная от центра образца. По результатам замеров были построены графики (Рис.4.5.)
На графиках изменения ширины прокатанных образцов (Рис.4.5) наблюдается отчетливая зона максимальной утяжки в области начального этапа прокатки (от 0 до 150 мм от центра заготовки), обусловленная отсутствием уширения из-за небольших обжатий. Уширение, возникающее в дальнейшем с увеличением обжатия, с успехом компенсируется натяжением. При величине натяжения, равном бОкН наблюдается утяжка по всей длине образца. Таким образом становится очевидным, что для обеспечения требуемой точности проката необходимо применять регулирование величины усилия натяжения в зависимости от величины обжатия, в особенности на начальном этапе прокатки, когда обжатия малы.
Начальный этап прокатки рессорной полосы, во время которого происходит переход от обкатывания полосы валками к внедрению валков в металл, является наиболее сложным с точки зрения обеспечения требуемой формы и точности проката. Для исследования влияния натяжения на профиль начального участка заготовки была проведена прокатка образцов по стандартной схеме обжатий, но с различными значениями величины натяжения. Схема обжатий обеспечивает заданную заказчиком форму заготовки рессорного листа включающую клиновой, параболический и плоский участки (Рис.4.6), прокатка проводится в три прохода.
Похожие диссертации на Разработка технологии и оборудования для прокатки рессорных полос переменного профиля
