Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы дрессировки полос для получения автомобильного листа и методы снижения ребристости .. 6
1.1. Технология дрессировки 6
1.2. Конструкции современных дрессировочных станов 10
1.3. Дефект «ребристость» и его характеристики 19
1.4. Существующие на производстве методы снижения ребристости 26
1.5. Причины появления ребристости на поверхности полосы при дрессировке в условиях стана 1700 и постановка задачи 41
1.6. Выводы 46
Глава 2. Разработка математической модели процесса дрессировки полос 47
2.1. Выбор метода теоретического исследования 47
2.2. Определение деформированного состояния при дрессировке полос 51
2.3. Выводы 70
Глава 3. Параметрический анализ процесса дрессировки полос 71
3.1. Алгоритм решения задачи определения течения металла в очаге деформации при дрессировке 71
3.2. Исходные данные и диапазоны изменения параметров 75
3.3. Параметрический анализ процесса дрессировки 76
3.4. Выводы 102
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса и разработка рекомендаций по сш1жению ребристости листа 103
4.1. Цели и задачи эксперимента 103
4.2. Оборудование, аппаратура, способы и методы проведения экспериментального исследования 105
4.3. Исследование достоверности математической модели путем сравнения с экспериментальными данными 116
4.4. Практические рекомендации 126
4.5. Выводы 127
Заключение 128
Библиографический список 130
Приложения 135
- Конструкции современных дрессировочных станов
- Определение деформированного состояния при дрессировке полос
- Исходные данные и диапазоны изменения параметров
- Оборудование, аппаратура, способы и методы проведения экспериментального исследования
Введение к работе
В связи с установкой на крупнейших автозаводах, таких как ОАО "АВТОВАЗ" современных технологических линий по окраске изделий, к поверхности холоднокатаного листа, используемого для штамповки лицевых деталей автомобильных кузовов, предъявляются повышенные требования. Тонкий холоднокатаный лист по качеству поверхности должен удовлетворять 1-й группе отделки согласно ГОСТ 9045-93, который не допускает наличия на лицевой стороне любых поверхностных дефектов.
Для обеспечения требуемого качества поверхности тонкой холоднокатаной стали, используемой для изготовления лицевых деталей автомобильных кузовов и корпусов бытовой техники, необходимо регламентировать ее характеристики - шероховатость и волнистость.
В зарубежных стандартах (Германия, Франция, Англия, Испания) продольная волнистость поверхности с малым шагом описана как дефект, который бывает двух типов: "поперечная волна" (с изменением толщины) и "полосы вибрации" (без изменения толщины). Также этот дефект поверхности тонкой холоднокатаной листовой стали называют "ребристостью". Его наличие определяют визуально.
Цели и задачи работы - улучшение качества тонкой холоднокатаной стали за счет обеспечения регламентированной ребристости ее поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математическую модель, описывающую процесс образования ребристости поверхности листовой стали и позволяющую прогнозировать ее параметры во время дрессировки.
Определить причины и оценить степень их влияния на процесс
образования ребристости поверхности холоднокатаного листового проката.
3. Предложить мероприятия для обеспечения регламентированной ребристости поверхности холоднокатаной листовой стали и исключения ее необоснованной отсортировки по дефекту «ребристость».
Выдвинута гипотеза и математически описан механизм образования дефекта «ребристость». Он возникает вследствие периодических смещений осей рабочих валков относительно друг друга в направлении, перпендикулярном направлению дрессировки.
Практическая значимость данной работы заключается в улучшении качества тонкой холоднокатаной листовой стали за счет обеспечения регламентированной ребристости ее поверхности и уменьшения отсортировки по дефекту «ребристость», что подтверждается полученными документами (приложение 1).
Основные направления диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
VII отчетная конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005 г.
V Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации в машиностроении», г. Пенза, 2005 г.
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники, III научная конференция с международным участием 22-29 октября 2005г., Хургада (Египет).
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 работы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Конструкции современных дрессировочных станов
Для осуществления процесса дрессировки широкого сортамента полос из различных металлов и сплавов в соответствии с необходимым в каждом конкретном случае технологическим режимом применяются различные дрессировочные станы. Основные конструктивные схемы станов для дрессировки средних и широких полос приведены на рис. 1.1 и могут быть условно разбиты на следующие группы: 1) одноклетевые станы (рис. 1.1, а, б); 2) двухклетевые станы (рис. 1.1,6, г); 3) станы с использованием процесса прокатка волочение (рис. 1.1, д, с); 4) станы с совмещением правки при растяжении (рис. 1.1, ж, з). Для дрессировки полос используются в основном станы четырех валковые и значительно реже двухвалковые. Станы с четырехвалковыми клетями применяют в основном для дрессировки холоднокатаной отожженной полосы из углеродистой стали с тт 40 кгс мм2 и тв 65 кгс/мм2, толщиной от 0,3 до 3,2 мм, рулонами массой 20—45 т со скоростью до 30 м/с. Двухвалковые клети используют для дрессировки качественных сталей с целью получения поверхности хорошего качества, а также исправления волнистости и коробоватости полос. Диаметры рабочих валков одноклетевых станов находятся обычно в диапазоне от 400 до 600 мм, а опорных от 1300 до 1600 мм при длине бочки валка 1300—2000 мм. Диаметры рабочих валков для двухвалковых клетей дуо несколько больше и достигают 1000 мм. Большое значение при дрессировке придается также выбору величины удельного натяжения, которое изменяется в зависимости от толщины полосы.
В состав оборудования дрессировочных станов, предназначенных для дрессировки с натяжением, входят (см. рис. 1.1, б): разматыватель для установки рулона и разматывания полосы с натяжением 1; натяжное устройство перед рабочей клетью для создания дополнительного натяжения при дрессировке 2; рабочая клеть для обжатия полосы между рабочими валками 3; натяжное устройство за рабочей клетью для создания натяжения при дрессировке 4; моталка для сматывания полосы в рулоны 5.
В зависимости от требований, предъявляемых к качеству полосы, а также от особенностей технологического режима на некоторых дрессировочных станах натяжные устройства не устанавливаются, либо устанавливается одно из них (см. рис. 1.1, о). В состав оборудования дрессировочных станов входит также ряд устройств, позволяющих осуществлять подачу рулонов к стану и выдачу их со стана и т. д.
Для примера рассмотрим работу одноклетевого четырехвалкового дрессировочного стана 600/1500x1700 (рис. 1.4), предназначенного для дрессировки с обжатием до 5% холоднокатаной отожженной углеродистой стали толщиной 0,3—3,2 мм и шириной 700—1550 мм. Процесс дрессировки на нем осуществляется за один проход. Рулоны из отделения отжига до разматывателя подаются цепным транспортером, затем кантователем устанавливаются на приемном столе.
С помощью приемного стола рулон перемещается до участка подготовки и обрезки переднего конца полосы, а затем после подготовки конца полосы рулон надевается на барабан разматывателя. Отгибателем производится отгибка переднего конца полосы и задача его на заправочной скорости в валки натяжного устройства, а затем непосредственно в рабочую клеть. После прохождения рабочей клети конец полосы автоматическим захлестывателем закрепляется на барабане моталки, создается требуемое натяжение и стан разгоняется до рабочей скорости. Когда на барабане разматывателя остается несколько витков, скорость дрессировки снижают сначала до заправочной, а затем до полной остановки стана.
При выходе полосы из клети производится подмотка полосы на барабан моталки, и готовый рулон снимателем подается на отводящий цепной транспортер, где специальной обвязочной машиной осуществляется обвязка рулона, а затем взвешивание. Аналогично осуществляется работа и ряда других современных одноклетевых станов. Из высокоскоростных современных зарубежных станов следует отметить одноклетевой четырех-валковый стан 600/1500x1700 со скоростью (рис. 1.2) дрессировки 29,9 м/с (ФРГ), а также одноклетевой четырехвалковый стан 585/1525x1725 со скоростью 20 м/с (Япония).
Кроме одноклетевых станов, при дрессировке используются также и двухклетевые. Преимущество двухклетевых дрессировочных станов состоит в том, что на них удается получать необходимое упрочнение и хорошую поверхность полосы. Так как в первой клети происходит собственно дрессировка с необходимым обжатием, во второй клети происходит как бы проглажи-вание полосы, т. е. ликвидируется коробоватость полосы и улучшается ее поверхность.
Двухклетевые дрессировочные станы бывают двух типов: четырех-валковые—двухвалковые и четырехвалковые—четырехвалковые (рис. 1.1, в, г) и обычно используются при дрессировке жести. Основные характеристики двухклетевых дрессировочных станов приведены в таблице 1.1
Определение деформированного состояния при дрессировке полос
Как известно, важнейшими факторами при прокатке являются форма и размеры очага деформации [72]. От них зависят давление на валки, опережение, формоизменение металла и его напряженное состояние. Форму и размеры очага деформации в продольном направлении определяют радиус валков, исходная толщина металла, толщина металла на выходе из прокатных валков. При этом фактические границы очага деформации все-. гда больше геометрических, благодаря внеконтактной деформации. Ее учет производят путем включения в энергетическое выражение работ (мощностей) дополнительной составляющей в виде работы (мощности) среза [54].
Протяженность очага деформации может значительно увеличиваться при упругом сплющивании валков и прокатываемого металла, что особенно характерно для холодной прокатки листов и полос (рис,- 2.1).
При этом приращение длины линии контакта за осью валков 1\ и полную длину линии контакта о рассчитывают по формулам [79, 80] где С - поправочный коэффициент (принимаемый при расчете 01,2-1,5), Рср - среднее давление на контактной поверхности в очаге деформации, R -радиус прокатных валков, У - коэффициент Пуассона материала валков, E - модуль упругости материала валков, А/? - величина абсолютного обжатия полосы.
В зоне контакта с металлом валки сохраняют круглую форму, но их радиус увеличивается до значения R , а центры кривизны смещаются в точки Ос. При этом для определения радиуса валков применяют формулы:
В целях упрощения исходных выражений, описывающих течение металла в очаге деформации достаточно часто криволинейные образующие наружного радиуса прокатных валков, без большой погрешности для дальнейших расчетов заменяют отрезками прямых (рис. 2.2). Различные виды прокатки характеризуются уширением исходной заготовки. Распределение уширения вдоль очага деформации имеет важное значение при решении теоретических задач. Вместе с тем при прокатке тонких листов и полос величиной уширения металла, вследствие ее малости пренебрегают и рассматривают состояние металла в очаге деформации как плоскодеформированное.
В условиях холодной деформации упрочнение металла приводит к повышению энергосиловых параметров процесса, а также к изменению характера течения металла в очаге деформации. Учет упрочнения производят, например, путем использования методики, основанной на усреднении предела текучести металла при прокатке.
Большое влияние на течение металла в очаге деформации оказывает и натяжение концов полосы. Вместе с уменьшением удельных давлений на инструмент, переднее и заднее натяжение полосы различным образом влияют на течение металла в очаге деформации. При использовании метода баланса работ (мощностей) наличие натяжения концов полосы при прокатке учитывается с помощью соответствующих слагаемых, входящих в уравнение энергетического баланса.
Рассматриваемый процесс дрессировки, как и любой процесс прокатки, лишь условно можно считать симметричным [72,81,82]. На практике, различие диаметров рабочих валков, их окружных скоростей, условий трения приводит к появлению нейтральных точек на границах верхнего и нижнего рабочих валков с металлом. Поэтому выражения, описывающие работу (мощность) сил трения в очаге деформации, в общем случае должны содержать разные значения окружных перемещений (скоростей) точек прокатных валков в зоне контакта с металлом для верхнего и нижнего валка соответственно.
Целью данного теоретического исследования является, в частности, определение поля перемещения точек металла в очаге деформации. При этом в исходные уравнения будет входить неизвестный параметр, определяемый согласно выражению энергетического баланса работ всех внутренних и внешних сил. Введение большого числа переменных позволяет наиболее точно описывать течение металла при деформировании, но требует привлечения экстремальных принципов для записи дополнительных уравнений и значительно усложняет расчеты. Используя гипотезу плоских сечений применительно к рассматриваемому случаю прокатки (дрессировки), возможно уменьшить число неизвестных, необходимых для описания очага деформации, до одного. Эта гипотеза достаточно точно отражает поведение металла в очаге деформации при прокатке полос и листов, что подтверждено экспериментальными исследованиями и широко применяется в теоретических разработках процессов ОМД [54,58,79,80]. Допущение о выравнивании скоростей (перемещений) течения металла по высоте очага деформации имеет и некоторое физическое обоснование, поскольку прокатку полос ведут с применением проводкового инструмента и при наличии натяжения концов полосы. В этом случае, несмотря на возможную асимметрию процесса, происходит выравнивание скоростей течения (и перемещений) по высоте очага деформации.
При разработке математических моделей процессов прокатки используются также общепринятые гипотезы теории обработки металлов давлением о сплошности, несжимаемости и изотропности свойств металла заготовки.
При определении величин и направлений перемещений и деформаций металла в очаге деформации при дрессировке придадим поверхностям прокатных валков некоторые малые перемещения Ui и U2 и построим соответствующие им поля кинематически возможных перемещений частиц деформируемого металла. В выражения для перемещений войдет неизвестный параметр, который находится с использованием метода баланса работ. В качестве неизвестного параметра введем перемещение металла вдоль оси ОХ (рис. 2.2) на выходе из очага деформации U. Исходя из постоянства расхода металла в очаге деформации, с уче том принятой расчетной схемы запишем выражение для определения перемещений точек металла вдоль оси ОХ
Исходные данные и диапазоны изменения параметров
Стан 1700 предназначен для дрессировки холоднокатаных отожженных полос из низкоуглеродистых сталей с максимальным пределом текучести 500 МПа. При этом толщина полос составляет 0,35 - 3,5 мм, а ширина - 1000 - 1430 мм. Дрессировка производится с натяжением концов полосы. Относительное обжатие полосы для большинства марок сталей находится в диапазоне 0,7 - 1,5 %. Учитывая вышеуказанное, а также практический опыт эксплуатации стана 1700, при параметрическом анализе изменяли толщину полосы в диапазоне 0,8 - 1,4 мм, относительное обжатие полосы 0,7 - 1,5 %, напряжение от заднего натяжения полосы 20-40 МПа, радиус рабочих валков -200 - 300 мм, модуль упругости материала рабочих валков - ( 0,8 - 1,2 ) А) (где Е0 = 2,1-105МПа), коэффициент
Пуассона, материала рабочих валков - 0,25 - 0,3. Влияние среднего предела текучести материала полосы на стабильность процесса дрессировки оценивается путем изменения - Scp в диапазоне (0,8- 1,2 ) scp0g ( где scp0i - средний предел текучести материала полосы на сдвиг для стали 08кп с ат = 230М7а, соответствующий конкретным условиям нагружения). Поскольку изменения ширины полос означает лишь пропорциональное изменение энергосиловых параметров, то приняли при анализе её постоянное значение из диапазона дрессируемых полос 1400мм. Созданные алгоритм и программа определения характера течения металла в очаге деформации при дрессировке, позволяют найти значения факторов, влияющих на стабильность протекания процесса, а также выявить оптимальные параметры инструмента и технологии, что необходимо для управления процессом дрессировки. Кроме того, результаты расчетов, дают возможность оценить принятые при математическом моделировании положения и допущения. Так, на рис. 3.2 и 3.3 изображены расчетные зависимости, среднего контактного давления х Ср на валки и отношения длины линии контакта с учетом упругого сплющивания с к длине линии контакта о, определенной без учета сплющивания валков, от показателя трения W Согласно данным зависимостям, длина очага деформации с значительно превышает значение о Это доказывает необходимость учета упругой деформации валков при математическом моделировании процесса. Представленные на рис. 3.2 и 3.3 зависимости, позволяют также оценить влияние величины показателя трения ty на стабильность протекания процесса дрессировки. Рост показателя ty ведет к увеличению среднего контактного давления, согласно рис. 3.2, и соответственно к увеличению длины линии контакта валков с металлом с ( рис. 3.3). В уравнении / j -Х- = ,
Представляющем собой условия равновесия всех сил, действующих на полосу, входят как ty , так и с, если учесть, что а,= — . с Согласно данному выражению, в случае увеличения у/ и с в очаге деформации, возрастают силы трения, способствующие нахождению нейтральных точек в очаге деформации, а следовательно стабилизации процесса дрессировки при Одной из основных причин нестабильности рассматриваемого процесса дрессировки, является существенное превышение значения переднего натяжения полосы над величиной её заднего натяжения. Расчетные зависимости показателя трения Wkp , соответствующего расположению нейтральных точек в плоскости входа металла в очаг деформации, потери устойчивости процесса от относительного обжатия полосы при различных значениях натяжения концов полосы (рис. 3.4 и 3.5 ) позволяют проследить это влияние. Так при =1,1%, увеличение напряжения переднего натяжения полосы с УХ =160 МПа до &\ =200 Мпа приводит к увеличению Wkp с 0,158 до 0,220 - что означает потерю устойчивости процесса при меньших скоростях дрессировки. Одновременно увеличение напряжения заднего натяжения с 3"о =20 МПа до о =40 МПа при Є =1,1% и Ох =180 МПа ведет к уменьшению Wkp со значения 0,214 до значения 0,189. Все полученные на рис 3.3 и 3.4 зависимости, свидетельствуют также о благоприятном влиянии увеличения относительного обжатия полосы на стабильность процесса дрессировки. Это объясняется увеличение длины очага деформации (рис. 3.6), что при меньших Wkp обеспечивает равновесие всех действующих на полосу сил. Таким образом, увеличение относительного обжатия с 0,7 % до 1,5 % приводит к уменьшению ( согласно рис. 3.4 и 3.5) Wkp до 25%) от исходной величины.
Оборудование, аппаратура, способы и методы проведения экспериментального исследования
Усилие и момент прокатки, нагрузки на инструмент и детали машин для ОМД относятся к важнейшим характеристикам технологического процесса.
Усилие прокатки в эксперименте замеряли тензометрическим методом при помощи тензометрических проволочных датчиков, наклеенных на месдозы, установленные между нажимными винтами и подушками верхнего опорного валка стана «1700» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (рис. 4.1).
Сила Р изгибает балку 5; при этом в верхних ее частях возникают деформации сжатия, а в нижних — растяжения. Такие же деформации, соответственно, испытывают датчики сопротивления 4, преобразующие упругие деформации в электрический сигнал. Это происходит следующим образом. Датчик сопротивления состоит из проволочного проводника, вклеенного между двумя слоями тонкого диэлектрика (бумаги и т. п.) (рис. 4.2). Размеры датчика таковы, что 1»а. Проволочка датчика выполнена из константана). Датчик сопротивления приклеен к поверхности упругого элемента месдозы, он воспринимает ее деформации. Основным узлом тен-зометрической аппаратуры, предназначенной для измерения сил, является мостовая электрическая схема (рис. 4.3), чтобы преобразовать изменение электрического сопротивления датчика в электрический сигнал.
Датчики, наклеенные на упругий элемент месдозы (рис.4.1), включают в мостовую схему (рис. 4.3). В исходном состоянии, когда на месдозу не действуют нагрузки, сопротивления плеч моста АВ, ВС, CD, DA сбалансированы вспомогательными сопротивлениями (на схеме не показаны) так, что по диагонали BD ток не течет. Электрический ток, вызванный напряжением на клеммах А и С моста, в исходном состоянии показан на рис. 4.3 (штриховая линия).
Сила Р, действующая на месдозу (рис. 4.1), приводит к уменьшению сопротивления Rc сжатого датчика (он наклеен вдоль балочки 5, параллельно чертежу) и увеличению сопротивления R растянутого датчика. Когда датчики включены в мостовую схему так, как это изображено на рис. 4.3, то балансировка моста от нагрузки Р будет нарушена и возникнет ток через диагональ BD, направление которого на схеме показано сплошными стрелками. Свойства датчиков и жесткость упругого элемента мес-дозы подобраны так, чтобы сила тока была пропорциональна нагрузке Р. Коэффициент пропорциональности был определен заблаговременно тарировкой (для фиксированной, точно определенной нагрузки Р замерялась сила тока через диагональ моста).
Операции сбора, накопления и обработки экспериментальной ин формации производились автоматизированной системой сбора и обработки результатов измерения (АССОРИ), типичная схема которой приведена на рис. 4.4., которая выполняет сбор и накопление экспериментальных данных; их машинную обработку; выдачу результатов в удобном для исследователя виде; контроль системы или отдельных устройств; управление ими. Система содержит датчики, или устройства, предназначенные для измерений и предварительной обработки информации, преобразователи непрерывной (аналоговой) информации в цифровую, программно-технические средства, управляющие функционированием системы, устройства внешние запоминающие и предназначенные для отображения информации (дисплеи, графопостроители), а также аппараты, обеспечивающие диалог между системой и экспериментатором.
