Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1. Существующие методики расчета допустимых углов подгибки 10
1.2. Энергосиловые условия формоизменения полосы 34
1.3. Конструкции профилегибочных станов 48
1.4. Выводы но главе 56
Глава 2. Теоретическое исследование процесса профилирования гнутых профилей 57
2.1. Анализ процесса формоизменения заготовки при профилировании..58
2.2. Определение силовых факторов при профилировании уголков 63
2.3. Определение силовых факторов при профилировании И - образных профилей 79
2.4. Определение допустимых углов подгибки при профилировании 92
2.5. Выводы по главе: 104
Глава 3. Экспериментальное исследование процесса профилирования гнутых профилей 105
3.1. Методика проведения исследований 106
3.2. Исследование влияния толщины металла и ширины полок профиля на усилие деформирования 112
3.3. Экспериментальное исследование формы очага деформации 115
3.4 Погрешность осреднения опытных данных усилий деформации 116
3.4. Выводы по главе: 118
Глава 4. Разработка методики определения параметров профилегибочных станов 119
4.1. Параметры необходимые для проектирования профилегибочиого стана 120
4.2. Методика определения предельного угла подгибки, диаметра валков и межклетевого расстояния 122
4.2, Выводило главе: 129
Глава 5. Внедрение результатов работы 130
5.1. Профилегибочные станы для прокатки гофрированных профилей .131
5.1. Профилегибочные станы для прокатки специальных профилей 146
5.3, Выводы по главе: 154
Общие выводы 155
Список литературы 158
Приложение 169
- Энергосиловые условия формоизменения полосы
- Определение силовых факторов при профилировании уголков
- Исследование влияния толщины металла и ширины полок профиля на усилие деформирования
- Методика определения предельного угла подгибки, диаметра валков и межклетевого расстояния
Введение к работе
В настоящее время в различных отраслях промышленности, таких, как автомобилестроение, строительство, авиационная промышленность, производство товаров народного потребления, находят все большее применение изделия в виде тонкостенных профилей различного сечения. Основными преимуществами таких изделий являются высокая прочность и жесткость при незначительном весе. Процессы изготовления профилей позволяют рационально распределить металл по сечению и создать такие формы сечений, которые максимально соответствуют условиям их последующей эксплуатации. Это позволяет создавать новые, более легкие и совершенные конструкции, а также отдельные их элементы, состоящие из одного гнутого профиля вместо нескольких горячекатаных, соединенных сваркой, клепкой или болтами.
Наиболее эффективным способом получения профильных изделий является профилирование на профилегибочных станах. Сущность процесса профилирования заключается в последовательном изгибе полосового или ленточного материала при прохождении его между несколькими парами вращающихся навстречу друг другу валков, форма которых переносится на листовой металл.
Основными преимуществами профилирования на профилегибочных станах по сравнению с другими методами получения тонкостенных профилей, являются высокая производительность, отсутствие необходимости нагрева металла и высокое качество изделий. По сравнению с гибкой полос в штампах профилирование отличается более высокой производительностью и возможностью получать изделия любой длины. Прессованые профили обычно дороже и не всегда доступны в серийном и мелкосерийном производстве.
Этим объясняется все возрастающий спрос и внедрение гнутых профилей в различных отраслях народного хозяйства.
5 На сегодняшний момент многие вопросы профилирования полосового
металла на профилегибочных станах еще недостаточно изучены, нет теоретически обоснованных методик расчетов технологических процессов профилирования, которые позволили бы с достаточной степенью точности определить оптимальный режим профилирования, параметры напряженно - деформированного состояния металла при формоизменении, энергетические параметры профилирования и др. Это приводит к значительным энергетическим потерям, завышению мощности и занимаемых площадей под оборудование.
Настоящая работа посвящена совершенствованию технологии и оборудования для производства гнутых профилей.
Цель данной работы - оптимизировать количество рабочих клетей и диаметры валков для снижения массы профилегибочного стана что, в конечном счете, определяет его стоимость. И на этой основе разработать методику проектирования технологического процесса и оборудования для прокатки гнутых профилей.
В первой главе представлен анализ методик определения допустимых углов подгибки и усилий возникающих при деформации полосы в профиле-гибочном стане. Отмечено, что в большинстве методик не учитывается фактическая форма очага деформации. При анализе работ посвященных конструированию профилегибочиътх станов выявлено, что отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору параметров оборудования.
Во второй, главе исследован процесс формирования очага деформации и силовые факторы при профилировании уголков и швеллеров. Предложена новая методика проектирования технологии производства гнутых профилей на основе, которой можно определить как максимально допустимые углы подгибки профиля из условия отсутствия проскальзывания полосы в валках и потери устойчивости, так и количество переходов
При решении задач приняты обычные предпосылки о характере формоизменения полосы. Материал полосы несжимаем, однородный, изотроп-
ный, упрочняющийся по деформации.
В третьей главе представлены экспериментальные исследования процесса формирования очага деформации. Приведены результаты замеров усилий деформации и данные о форме очага деформации. Результаты экспериментального исследования показали, что разница между опытными данными усилий деформации и рассчитанными теоретически не превосходит 10%.
В четвертой главе разработанная методика определения параметров профилегибочного стана, которая позволяет: оптимизировать количество рабочих клетей и диаметр валков с целью снижения массы профилегибочного стана, определить максимально допустимый угол подгибки в первой и каждой последующей клети профилегибочного стана рассчитать усилие и работу деформирования, затраченные на получение профиля
В пятой главе представлены результаты внедрения технологии производства гнутых профилей обеспечивающей минимальный вес инструмента, сокращение площадей занимаемых оборудованием, снижение энергоемкости профилегибочного стана.
По результатам проведенных исследований были разработаны и внедрены в производство новые конструкции профилегибочного оборудования, в том числе разматыватели, ножницы, профилегиб очные станы
Работа выполнялась на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Ижевского государственного технического университета. Исследования проводились на профилегибочных станах ИжГТУ и ЗАО «йж-торгметалл».
Основные положения и материалы работы доложены и представлены на научно-практической конференции посвященной 60-летию ректора ИжГТУ проф. И.В. Абрамова «Высокие технологии в механике», Ижевск 2002г., международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ «Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении», Ижевск 2002г., TV Международном конгрессе прокатчиков, Магнито-
7 горек, 2002г., научно-технической конференции с международным участием
«Информационные технологии в инновационных проектах», Ижевск 2003г., международной научно- технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации», Днепропетровск 2004г., международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации», Москва 2004г., научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии», Ижевск 2004г., международной научно-технической конференции «Пластическая деформация металлов», Днепропетровск 2005 г., международной научно-технической конференции "Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением", Краматорск, 2006.
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 статей.
Энергосиловые условия формоизменения полосы
При проектировании новых профилегибочных станов, чтобы установить возможность максимальной загрузки оборудования, повысить его стойкость и расширить сортамент продукции профилегибочных станов, весьма важно знание усилий, работы и. мощности при профилировании. Так Г. Меккельт [101] предлагает расчет по схеме, представленной на рис, 1.2. Лента вступает в контаїа с роликами на расстоянии ш от плоскости их осей, но ее формоизменение начинается в зоне, не контактирующей с инструментом. Контактную и неконтактную зоны он задает отрезками т и 1{ - т. Согласно схеме действия сил представленной на рисунке 1.1, Плечо ах, определяется конструкцией валков, а /, это длина очага деформации. Кроме того, на валки действует сила Р 2 которая подлежит экспериментальному определению, что затруднительно, поскольку она зависит от межвалкового зазора, типа калибра, настройки стана и т. д. Г. Меккельт считает, что для получения профиля безразлично, являются, ли валки приводными или металл протягивается между холостыми валками. Мощность, затрачиваемая на получение одного и того же профиля, в обоих случаях одинакова
При профилировании корытообразных профилей метод расчета усилий и моментов остается таким же, но учитываются дополнительные силы, отгибающие кромку полки, и принимается, что изгиб отбортовок происходит на участке длиной /2 = 2т, то есть дополнительно за осью валков на участке, равном величине т, Несмотря на оригинальность, и кажущуюся простоту метода, он имеет
ряд существенных недостатков. Величина силы Рср2, выбирается опытным путем. Хотя в реальном процессе сила обжатия профиля Р 2 стремится к нулю. Совершенно необоснованно предполагается, что возникающие в местах изгиба напряжения можно принять равными пределу прочности. Сам автор делает оговорку, что такое допущение гарантирует запас, необходимый" для расчета привода. Предложенный метод не учитывает трения, возникающего между валками и заготовкой, валковой арматурой и заготовкой, а также влияния углов подгибки и упрочнения металла при профилировании.
Гелей [18] приводит аналогию между процессами протягивания через матрицы и профилированием на профилегибочных станах и предлагает общий метод решения задачи, не учитывая особенностей процесса профилирования .
Главным недостатком этого метода является определение только работы и мощности привода при профилировании без учета работы трепия и затраченной на нее мощности, хотя сам автор указывает на необходимость учета зтих потерь. Не предусматривается также определение давлений металла на валки и крутящих моментов.
В работе [80] рассмотрен процесс профилирования уголков, для формовки которых необходимы небольшие усилия; вопросам определения крутящих моментов и установления взаимосвязи их с давлениями металла на валки совершенно не уделялось внимания. В работе ВМ. Гребеника [20] на примере профилирования швеллера ттредлатаегся разделить процесс профилирования ,?ідя любой пары валков от задачи полосы в калибр до начала установившегося процесса профилирования на четыре характерных периода; 1) от начала задачи полосы в калибр, когда полоса встречается с нижним валком, поднимается, изгибается в поперечном направлении, до момента соприкосновения ее средней части с нижним валком (схемы 1,2, рис.1Л5); 2) от начала соприкосновения средней части полосы с нижним валком до входа ее в калибр.
Схема формоизменения полосы в очаге деформация [20] На рисі .16 приведена расчетная схема для установившегося процесса профилирования [20], где Ри - усилие, изгибающее полосу по линии плавного перехода АС и направленное перпендикулярно к плоскости подогнутой полки ABC: Рр - усилие, растягивающее подогнутую полку в направлении, нормальном к ее сечению, Rr и RQ- радиальные и осевые усилия в подшипниках валка; Rv- усилие, определяющее величину крутящего момента на валке от изгиба и направленное по касательной к его образующей.
Определение силовых факторов при профилировании уголков
Рассмотрим процесс профилирования уголка в первой деформирующей клети? от начала соприкосновения заготовки с валками, до момента захвата полосы, т.е. прохождения переднего конца полосы через осевую плоскость клети (рис. 2.6). Принято допущение, что силы трения инструмента о заготовку по направлению движения полосы, до момента захвата ничтожно малы. Полосу единичной длины можно рассматривать как балку, нагруженную сосредоточенной силой. Здесь и в дальнейшем будем вести расчеты для симметричных профилей.
Из этого трансцендентного уравнения численными методами можно найти максимально допустимый угол подгибки ami,. Для определения агаах из условия потери устойчивости полосы необходимо определить критическую силу Ркр, Для этого составим расчетную схему (рис.2.10), Полосу можно представить, как стержень, у которого один конец защемлен, а другой шарнирно закреплен, причем так, что допускает перемещение в продольном направлении. В этом случае, вследствие статической неопределимости, необходимо ввести в пгарнирно закрепленном конце В вертшсальнуто реакцию опоры Q.
Из этото уравнения численными методами можно найти максимально допустимый угол подгибки атк. Сравнивая значения допустимых углов подгибки ат„ полненные исходя из условий буксования полосы в задающей клети а устойчивости полосы при задаче её в деформирующие валки, выбирают меньшее. Затем на основании полученных данньтх определяют усилие и работу деформации. Для автоматизации расчетов в программной среде Math-cad 13 составлена программа позволяющая решить неравенства 2.36 и 2,52. Решение неравенств осуществляется с помощью функции «Root»- Полученная формула аналогична ранее полученной формуле для уголковых профилей. Величина податошего усилия РГ} ограничена двумя условиями; а) она не может превышать сил трения в задающей клети; б) она не должна быть больше Ркр, которая определяется из условия потери устойчивости полосы. Максимальная сила прижима определяется исходя из условия, что контактные напряжения не превысят допускаемых значений. При сжатии плоской заготовки между двумя цилиндрическими валками (рис,2.9) площадка контакта в результате упругого сплющивания имеет дайну [87] Для определения а1ШХ из условия потери устойчивости полосы необходимо определить критическую силу Ркр, Для этого можно воспользоваться расчетной схемой (рис.2.10),
Из этого уравнения можно найти максимально допустимый угол подгибки а . Сравнивая значения допустимых углов подгибки aawt) полученные исходя из условий буксования полосы в задающей клети и устойчивости полосы при задаче её в деформирующие валки, выбирают меньшее- Затем на основании полученных данных определяют усилие и работу деформации. Для автоматизации расчетов в программной среде Mathcad 13 составлена программа позволяющая решить неравенства 2.89 и 2.105. Решение неравенств осуществляется с помощью функции «Root». Она использует итерационный алгоритм, который называется методом секущих. В предыдущем разделе был определен предельно допустимый угол подгибки в первой деформирующей клети, исходя из условий буксования полосы в задающей клети и устойчивости полосы при задаче её в деформирующие валки.
Для определения углов подгибки в последующих клетях рассмотрены процесс входа полосы в каждую из этих клетей. Поскольку, размеры подката в предыдущей и последующей клети различны (рис,2,25), то заготовка шириной Д- должна подниматься нюкним валком на величину ЛЛ.
Исследование влияния толщины металла и ширины полок профиля на усилие деформирования
Исследование усилия деформирования проводилосв при профилировании швеллеров с разными по величине полками и при различной толщине металла при профилировании в первой деформирующей клети.
Проведенные исследования показали, что характер изменения усилия для всех толщин одинаков. Как видно из трафика (рис. 3.8) усилие увеличивается с увеличением толщины заготовки, и увеличение это более интенсивно при большей толщине металла. Анализируя результаты исследования можно сказать, что при увеличении ширины полки зависимость между усилием и толщиной полосы стремится к линейной.
Таким образом, установлено, что усилие деформирования в данном диалазоне размеров увеличивается с увеличением толщины заготовки и уменьшается с увеличением полки профиля.
Исследование формы очага деформации проводилось при профилировании швеллеров с разными по величине полками и при различной толщине металла при профилировании в первой деформирующей клети.
Проведенные исследования показали, что всегда имеет место отклонение поперечного сечения переднего конца полосы от вертикальной плоскости на угол р, а его величина зависит от угла яодгибки a , толщины, ширины стенки и марки стали профиля.
Как видно из графика (рис.3 Л 0) величина угла /7 уменьшается с увеличением толщины профиля, и уменьшение, это более интенсивно при малых толщинах профилируемого металла.
За результат измерения усилий деформации принималось среднее арифметическое TJQ данным десяти опытов, из которых были исключены грубые погрешности.
Гол Число Среднее ариф- Средняя квад- Абсолютная Относи щи- опы- метическое зна- рэтичестсая погрешность тельная по ла тов чение //, Н погрешность А/,,Н грешность поло п Sn, Н S, % сы, мм - ___—_. Ширина полки 10мм 1 10 739 15 10,6 1,4 2 10 2622 9,8 6,9 0,26 3 10 5409 29 20;4 0,4 Ширина полки 22,5мм 1 10 481 17 12 2,5 2 10 1615 41 29 I»8 1 3 10_ 3114 36 26 0,8 Ширина полки 35мм ] 10 397 25 17,6 4,4 2 10 1207 32 22,5 1,9 3 10 2424 40 28,2 1Д Результаты расчетов среднеісвадратической, абсолютной и относительной погрешностей определения усилия деформации полосы показывают достаточно хорошую сходимость экспериментальных данных.
1. Экспериментальными исследованиями установлено, что характер изменения усилия для всех толщин одинаков. Усилие увеличивается с увели чением толщины заготовки, и увеличение это более интенсивно при большей толщине металла,
2. На основании исследования установлено, что при увеличений ширины полки зависимость между усилием и толщиной полосы стремится к линейной.
3. Величина усилия с уменьшением ширины полки возрастает. Характер изменения усилия в зависимости от ширины полки профиля при разной толщине одинаков. Но чем меньше толщина, тем меньше изменение усилия.
4. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика и предложены формулы для расчета усилия деформирования исходных заготовок при производстве сортовых профилей.
Приведенные расчеты показали, что разница между опытными данными и рассчитанными теоретически в основном не превосходит 10%.
5. D результате изучения геометрии очага деформации при изготовлении угловых и швеллерных профилей, установлено наличие отклонения поперечного сечения переднего конна полосы от вертикальной плоскости.
6. Угол отклонения поперечного сечения переднего конца полосы от вертикальной плоскости угол уменьшается с увеличением толщины профиля.
Методика определения предельного угла подгибки, диаметра валков и межклетевого расстояния
Задача определения минимума массы решается путем оптимизации количества рабочих клетей с минимальными диаметрами и межклетевыми расстояниями. Основным критерием, при определении количества рабочих клетей, является угол подгибки профиля по переходам. Для того чтобы обеспечить получение профиля за минимальное количество проходов необходимо определить максимально допустимый угол подгибки профиля в каждом переходе.
Профилегибочный стан состоит из подающей и деформирующих клетей. В подающей клети установлены гладкие валки, которые подают полосу в первую деформирующую клеть.
Допустимый угол подгибки профиля в первой деформирующей клети можно определить исходя из баланса работ совершаемых подающими и деформирующими валками.
Сравнивая полученные значения углов выбирают меньшее, эта величина является максимально допустимым угол подгибки профиля anax , По аналогичной методике определяют допустимый угол подгибки профиля в последующих клетях.
Значительную долю в расходах на капитальные вложения в оборудование занимают расходы на инструмент.
Следовательно, масса комплекта инструмента на весь стан получается путем умножения на количество клетей NK.r Как отмечалось выше теоретический подход, реализованный в методике определения параметров профилегибочных станов можно использовать при проектировании технологии и оборудования для прокатки профилей отличных от уголка и шнеллера. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усилий профилирования, допустимых углов подгибки у\ оптимизации параметров профилегибочных станов, а также с учетом рекомендаций по проектированию оборудования, разработаны и внедрены технология и оборудование для производства гнутых профилей обеспечивающая минимальный вес инструмента, сокращение площадей занимаемых оборудованием, снижение энергоемкости профилегябочного стана
В цехе гнутых профилей ЗАО «Ижторшеталл» для производства гофрированных гнутых профилей (профнастила) Н-10, Н-20 и Н60 спроектированы, изготовлены и установлены три профилегибочные линии- В состав липни входят разматыватель рулонов, профилегибочный стан, ножницы для порезки готового профиля, приемный рольганг и система управления.
Для станов непрерывного действия характерным является использование заготовки в виде рулонов и резка профилей после их формовки. Эти станы оборудуются летучими или стационарными ножницами для резки готовых профилей. Межклетевые расстояния существующих профилегибочных станов не менее 500мм, Для производства аналогичных профилей используется, как минимум 20-24 клетей. Таким образом, общая длина линии составляет около 30м. Однако ввиду дефицита площадей стояла задача уменьшегшя длины линии. Для этого минимизировали межклетевые расстояния.
Система автоматизированного управления (САУ) процессом прокатки состоит из датчика отсчитывающего длину профиля, датчика контроля натя 132 жеі-шя полосы, частотных преобразователей, обеспечивающих плавный пуск,
регулирование числа оборотов и динамическое торможение двигателей линии. Управление системой осуществляется микроконтроллером- Оператор имеет возможность задавать количество и дайну профилей в партии, просматривать введенные данные и контролировать количество прокатанных профилей. Система автоматики позволяет достичь точности по длине профиля +2мм.
Поскольку цех не отапливаемый, применение САУ круглогодично невозможно- Поэтому для автоматизации процесса прокатки в зимних условиях применили дублирующую электрическую систему с конечными выключателями. Это позволяет работать производству до температуры -20 С.
Для изготовления гофрированных профилей разработаны калибровки валков по последовательной схеме. Калибровки валков для профилей Н-10, H-2G, Н-60 предусматривают использование 12, 14, 16 клетей соответственно.
С целью изготовления профилей различной толщины, улучшения условий продольного и поперечного перемещений участков заготовки в рабочих ручьях, наклонные элементы профиля освобождены от контакта с инструментом. Также это сделано ввиду сложности точного изготовления конусных элементов валков.
