Введение к работе
Актуальность работы. Развитие машиностроительных отраслей промышленности связано с расширением объемов потребления калиброванного металла с высокими физико-механическими свойствами и ассортимента производства стальных фасонных профилей высокой точности (СФПВТ). Это обусловлено повышением требований к долговечности деталей машин и снижением затрат на их изготовление. Применение СФПВТ при изготовлении деталей позволяет повысить коэффициент использования металла с 0,3…0,65 до 0,85…0,95.
Одним из основных способов получения калиброванного металла и СФПВТ в настоящее время является процесс волочения в монолитных волоках. Необходимо отметить, что некоторые вновь создаваемые конструкционные материалы плохо поддаются деформации в монолитных волоках. Кроме того, волочение в монолитных волоках СФПВТ, особенно с развитой поверхностью, связано со значительными трудозатратами из-за малых степеней деформации и низкой стойкости инструмента. Это обусловлено значительными силами трения при течении деформируемого металла относительно неподвижной поверхности инструмента.
Развитие производства СФПВТ и калиброванного металла из вновь создаваемых марок сталей и сплавов определяет необходимость совершенствования процессов производства. Одним из эффективных направлений является волочение металла в роликовых волоках. Этот процесс в значительно меньшей степени обладает недостатками, присущими волочению в монолитных волоках. Преимущество обусловлено заменой трения скольжения на поверхности контакта инструмента с деформируемым металлом при волочении в монолитной волоке на трение качения – в роликовой волоке. За счет этого уменьшается усилие, прикладываемое к переднему концу заготовки, повышается степень деформации за один проход. Как следствие, снижаются энергозатраты на 30…50 %. Кроме того, значительно повышается стойкость деформирующего инструмента. Использование волок с многороликовыми калибрами определяет более благоприятные условия напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и тем самым обеспечивает повышенные физико-механические свойства готовых изделий.
Низкий уровень использования волочения в роликовых волоках связан с недостаточной точностью изделий, получаемых с применением существующего оборудования. Для совершенствования и построения новых эффективных процессов производства необходимо создание соответствующего технологического оборудования. Таким оборудованием являются роликовые волоки бесстанинного типа, однако их использование сдерживается отсутствием методик проектирования.
Решение этой проблемы предполагает проведение исследований, направленных на формирование новых, научно обоснованных подходов к проектированию деформирующего оборудования, позволяющих повысить жесткость клети, а также построение компоновочных схем, обеспечивающих получение изделий с требуемыми отклонениями геометрических размеров. Одним из направлений повышения точности готового изделия является учет изменения профиля калибра, обусловленного упругой деформацией клети, на стадии проектирования многороликовой волоки. Производство СФПВТ с требуемыми отклонениями размеров может быть достигнуто за счет разработки и создания новых конструкций роликовых волок бесстанинного типа, обеспечивающих высокие показатели жесткости клети и построение на их основе эффективных ступенчатых компоновочных схем волочения изделий.
Цель работы. Развитие теории проектирования роликовых волок бесстанинного типа и построение на ее основе оборудования для производства калиброванного проката, обеспечивающего повышение точности геометрических параметров.
Задачи исследования:
– разработать новые принципы построения конструкций роликовых волок;
– усовершенствовать компоновочные схемы линий волочения, обеспечивающие эффективное получение фасонных профилей;
– установить геометрические параметры, позволяющие унифицировать представление роликовых волок различных типов и конструкций;
– выявить закономерности изменения положений линий многороликового калибра, обусловленные упругой деформацией клети при силовом воздействии со стороны заготовки;
– определить влияние начального предварительного напряжения отдельных элементов роликовой волоки на перемещение линий калибра;
– оценить упругую деформацию роликовых волок нового типа и ее влияние на точность геометрических параметров калиброванного проката;
– определить условие, обеспечивающее устойчивое положение заготовки между калибрами, в сдвоенных комплектах роликовых волок;
– установить взаимосвязь между номенклатурой калиброванного проката и параметрами разрабатываемых роликовых волок;
– оценить возможности использования приводов существующих волочильных станов и линий волочения и отделки прутков для производства калиброванного проката с применением новых конструкций роликовых волок.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- принципиально новая схема компоновки трехроликовых волок и методика расчета параметров деформирующих поверхностей роликов, основанная на рациональном описании жесткости клети и силовом анализе, обеспечивающая получение шестигранного профиля с требуемыми отклонениями геометрических размеров;
- методология выбора новых дополнительных параметров представления многороликового калибра, обеспечивающая унификацию при определении показателей формоизменения заготовки и перемещений за счет упругой деформации клети;
- аналитический метод определения действительных положений линий многороликового калибра с учетом упругой деформации клети, базирующийся на векторном представлении зависимости перемещения – усилия;
- методика расчета упругой деформации новых типов роликовых волок бесстанинного типа с соединением осей способом «защемления» и сопряжением роликов «в замок», основанная на матричной форме представления показателей жесткости;
- методика оптимизационного синтеза параметров роликовых волок бесстанинного типа, обеспечивающая максимальную жесткость клети при минимальной массе;
- методика определения условий компоновки клети со смещенными парами роликов, обеспечивающая настройку калибра сопряжением роликов «в замок»;
- методика расчета силового воздействия на ролики со стороны деформируемого металла и усилия волочения, основанная на определении границ зон упругих и пластических деформаций и их совместного влияния.
Научная новизна работы заключается:
- в аналитическом методе определения фактических размеров профиля калиброванного проката, основанном на векторном представлении упругой деформации клети с учетом предварительного напряжения;
- в разработке методик расчета геометрических и силовых параметров новых конструкций роликовых волок бесстанинного типа, базирующихся на матричном описании жесткости клети;
- в методике оптимизационного синтеза параметров роликовых волок, обеспечивающей максимальную жесткость при минимальной массе;
- в разработке теоретически обоснованной ступенчатой схемы получения калиброванного шестигранного проката, основанной на использовании рационального ряда роликовых волок, построенного по новому показателю представления калибра, обеспечивающей заданные отклонения размеров профиля.
Методы исследований и достоверность результатов работы. Работа представляет комплексное исследование, основанное на развитии схем роликовых волок бесстанинного типа для деформации калиброванного проката волочением и анализе силового воздействия на ролики со стороны деформируемого металла, обеспечивающих получение изделий с требуемыми отклонениями. Исследования базируются на использовании положений общей механики и механики сплошной среды, теории оптимального проектирования. Достоверность выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы:
- разработаны и созданы конструкции роликовых волок и их сдвоенные комплекты, позволяющие производить калиброванный прокат различной формы поперечного сечения;
- разработаны новые конструкции роликовых волок бесстанинного типа с высокими показателями жесткости при минимальной массе, защищенные а. с. СССР №1088194, №1450209 и д.р., а также патентами РФ на полезную модель №39515 и №79813;
- сформирован параметрический ряд роликовых волок и их сдвоенных комплектов, обеспечивающих построение эффективной схемы деформации из круглой заготовки калиброванного шестигранного проката с площадью поперечного сечения от 55 до 1850 мм2 с требуемыми отклонениями;
- разработана методика определения необходимых и достаточных условий компоновки клети, в которой калибры образованы смещенными парами роликов с настройкой на заданные размеры сопряжением «в замок».
Реализация работы. По результатам исследований на основе разработанных и спроектированных конструкций роликовых волок бесстанинного типа построены компоновочные схемы получения калиброванного шестигранного проката по ГОСТ 8560-78 из горячекатаного круга с требуемыми отклонениями. В условиях калибровочного цеха ОАО «МКЗ» были реализованы две схемы, в которых деформировались заготовки с широким диапазоном физико-механических свойств требуемых марок сталей. Трехступенчатая схема деформации за один проход (патент №2235614 РФ) при волочении из бунта в пруток с размерами шестигранного профиля «под ключ»: от 8 до 15 мм была реализована на линии волочения и отделки прутков 1028 (ИЗТМ), от 16 до 24 мм – на 1628 (ИЗТМ). Получение калиброванного проката из прутка в пруток с применением сдвоенных трехроликовых калибров за два прохода было осуществлено на цепных волочильных станах с размерами «под ключ»: от 26 до 38 мм с усилием волочения 300 кН, от 40 до 48 мм – 500 кН.
Прикладное значение подтверждается актом внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции «Технология и оборудование волочильного производства» (Алма-Ата, 1989), Всероссийской конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1998), Четвертом конгрессе прокатчиков (Москва, 2002), IV Международной научно-практической конференции ЮНЕСКО (Москва, 2003), Международной заочной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (Ульяновск, 2004), конференции XXVI Российской школы «Наука и технологии» (Миасс, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы машиностроения» (Нижний Новгород, 2006), Четвертой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2007), расширенный научный семинар по специальности 05.02.13 – Машины агрегаты и процессы (Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, в том числе 4 авторских свидетельств на изобретение, 1 патент на изобретение и 3 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, приложений. Основное содержание работы изложено на 263 страницах машинописного текста, включающих 64 иллюстрации и 13 таблиц. Библиографический список содержит 255 наименований. Приложение содержит 20 страниц.
Похожие диссертации на Развитие теории проектирования роликовых волок бесстанинного типа для обеспечения производства калиброванного проката с заданными отклонениями размеров
