Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Современное состояние научной проблемы и постановка задачи исследования 14
1.1 Разрезные калибры 16
1.2 Средняя вытяжка при неравномерном обжатии 21
1.3 Применение метода верхней оценки для расчета эффективности деформации металла в калибрах 24
1.4 Исследование деформации металла при двусторонней разрезке 28
1.5 Исследование деформации металла при односторонней разрезке 30
1.6 Деформация металла в разрезном рельсовом калибре 37
1.7 Особенности деформации металла в рельсовых калибрах 37
1.8 Особенности прокатки из непрерывнолитой заготовки 39
1.9 Прокатка рельсов в универсальных клетях
1.10 Прокатка желобчатых рельсов 45
1.11 Анализ способов прокатки фланцевых профилей 46
1.12 Выводы по разделу 1 и постановка задачи исследования 48
Раздел 2 Развитие теории проектирования калибровок фланцевых профилей 50
2.1 Развитие теории проектирования калибровок фланцевых профилей с применением метода верхней оценки 50
2.2 Определение эффективности деформации металла в симметричном разрезном калибре с помощью метода верхней оценки 56
2.3 Определение эффективности деформации металла в несимметричном разрезном калибре с помощью метода верхней оценки 59
2.4 Анализ эффективности деформации металла в рельсовых калибрах в зависимости от угла наклона калибра в валках с применением метода верхней оценки 63
2.5 Анализ эффективности деформации металла в рельсовых калибрах в
зависимости от их ширины 2.6 Использование полученных результатов энергетических характеристик
деформации металла в разрезных и рельсовых калибрах с применением метода
верхней оценки 77
2.7 Выводы по разделу 2 80
Раздел 3 Экспериментальные исследования прокатки фланцевых профилей 82
3.1 Методика лабораторных исследований 82
3.2 Исследование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке железнодорожных рельсов Р65 в ящичных, трапециевидных и разрезном рельсовом калибрах 92
3.3 Анализ формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки с разрезкой заготовки со стороны будущей подошвы 107
3.4 Разработка калибровки рельсов из непрерывнолитой заготовки с уменьшенным уширением при прокатке в рельсовых калибрах 113
3.5 Исследование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке рельсов Р65 по действующей калибровке и новой калибровке с уменьшенным уширением в рельсовых калибрах 120
3.6 Анализ последовательности деформации металла при прокатке трамвайных рельсов в процессе разрезки головки профиля 134
3.7 Исследование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке трамвайного рельса с разрезкой головки профиля 145
3.8 Использование результатов исследования 172
3.9 Выводы по разделу 3 203
Раздел 4 Совершенствование существующих технологий прокатки фланцевых профилей 206
4.1 Технология прокатки швеллера №10 206
4.2 Исследование прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки с уменьшением величины разрезки в трапециевидном калибре 208
4.3 Прокатка рельсов с использованием универсальных калибров 215
4.4 Исследование причин образования концевой кривизны рельсов при прокатке и разработка способов ее уменьшения 235
4.5 Выводы по разделу 4 257
Раздел 5 Разработка новых технических и технологических решений для прокатки фланцевых профилей и внедрение их в производство 259
5.1 Новые способы прокатки и конструкции калибров железнодорожных рельсов 259
5.2 Усовершенствование технологии прокатки железнодорожных рельсов специального назначения повышенного качества 269
5.3 Новые способы прокатки фланцевых профилей швеллерной формы 279
5.4 Способ прокатки симметричных профилей сложной формы для подвесных монорельсовых дорог 286
5.5 Разработка технологии прокатки нового железнодорожного профиля - скобы упорной 289
5.6 Выводы по разделу 5 291
Раздел 6 Разработка методики расчета калибровки валков при прокатке рельсов в непрерывно-реверсивной группе клетей стана-тандем 294
6.1 Модернизация рельсобалочного стана в свете современного развития технологии производства рельсов 294
6.2 Методика расчета калибровок валков для прокатки железнодорожных рельсов в универсальных калибрах в компактной чистовой группе клетей 301
6.3 Разработка новой технологии прокатки трамвайных рельсов в компактной чистовой группе клетей 312
6.4 Выводы по разделу 6 323
Заключение 325
Список использованных источников
- Исследование деформации металла при односторонней разрезке
- Определение эффективности деформации металла в несимметричном разрезном калибре с помощью метода верхней оценки
- Анализ формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки с разрезкой заготовки со стороны будущей подошвы
- Прокатка рельсов с использованием универсальных калибров
Введение к работе
Актуальность темы: Современная теория прокатки интенсивно развивается, опираясь на достижения математики, физики, механики сплошных сред, металловедения и других фундаментальных наук. Для решения численных задач и математического моделирования все более широко применяются компьютерные технологии. Выводы теории прокатки используют при разработке оптимальных режимов деформации, конструировании оборудования и проектировании калибровок прокатных валков.
Большой вклад в развитие и становление основ теории прокатки внесен трудами отечественных ученых: И.А. Тиме, Р.Р. Тонкова, Н.С. Верещагина, А.Ф. Родзевича-Белевича, С.Н. Петрова, В.Е. Грум-Гржимайло, А.Ф. Головина, А.П. Виноградова, И.М. Павлова, С.И. Губкина, А.И. Целикова, А.Я. Хейна, А.П. Чекмарева, В.С. Смирнова, И.Я. Тарновского, В.Н. Выдрина, П.И. Полухина и многих других. Получили признание исследования зарубежных ученых: С. Финка, К. Кодрона, В. Тафеля, Э. Зибеля, Т. Кармана, С. Экелунда, В. Тринкса, В. Люега, А. Помпа, А. Надаи, Э. Ороуона, Г. Форда, Р. Симса, М. Стоуна, А. Гелеи, З. Вусатовского и других.
Однако, несмотря на значительные достижения в развитии общей теории прокатки и технологии, процесс прокатки в калибрах и вопросы, связанные с калибровкой валков ввиду многообразия факторов, свойственных прокатке в калибрах, изучены еще недостаточно хорошо.
Среди различных фасонных профилей проката особое место занимают фланцевые профили, к которым относятся двутавровые балки, рельсы, швеллеры и т.д. Характерной особенностью фасонных фланцевых профилей является то, что они имеют форму, значительно отличающуюся от формы исходной заготовки – обычно квадратного или круглого сечения, следовательно, прокатка таких профилей идет с большой неравномерностью обжатий.
Исследование формоизменения металла при прокатке в фасонных фланцевых калибрах, рациональная конструкция калибров и выбор режимов деформации невозможны без учета четкого понимания процесса течения металла в калибре и анализа его деформированного состояния.
Таким образом, исследования формоизменения металла при прокатке в фасонных фланцевых калибрах, разработка новых методов расчета калибровок и способов прокатки фланцевых профилей на основе современной теории прокатки с целью повышения качества проката и снижения издержек на его производство является весьма актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики Российской Федерации в области развития наук и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем «критических технологий Российской Федерации», разделы «Технологические совмещаемые модули для металлургических мини-производств», «Компьютерное моделирование», Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» от 6 июля 2006 г., разделы «Технологии производства программного обеспечения», «Технологии создания и обработки кристаллических материалов», а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Цель диссертационной работы:
Развитие научных основ новых методов калибровки и процессов прокатки фланцевых профилей и получение комплекса технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности производства за счет снижения энергетических затрат, повышения производительности, улучшения качества и расширения сортамента прокатываемой продукции.
Основные задачи:
1. Развитие научных основ определения эффективности деформации металла в калибрах методом верхней оценки, разработка эффективных с точки зрения экономии энергетических ресурсов условий деформирования металла в разрезных и рельсовых калибрах.
2. Разработка технических решений по усовершенствованию технологии прокатки железнодорожных и трамвайных рельсов на основе результатов исследований формоизменения и деформированного состояния металла в калибрах, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат.
3. Развитие технологии прокатки рельсов с использованием универсальных калибров, разработка методики расчета калибровки валков при прокатке рельсов в универсальных калибрах компактной трехклетьевой реверсивной группы клетей в условиях модернизированных рельсопрокатных станов.
4. Совершенствование технологии прокатки швеллеров, разработка новых способов прокатки сложных фланцевых профилей с целью повышения эффективности производства.
5. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство фланцевых профилей.
Методы исследований: При исследованиях использовались методы теории подобия и моделирования процессов ОМД, метод координатных сеток с элементами сбора и обработки информации на компьютере в среде MathCAD14, метод верхней оценки при решении задач по теоретической оценке мощности деформации в калибрах, методы тензометрии, статистические методы обработки данных, метод математического планирования эксперимента.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, в выполнении экспериментальных и опытно-промышленных исследований формоизменения металла в калибрах, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении новых технологий в производство.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием математического аппарата; сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения и патентами.
Научная новизна работы заключается в том, что:
– впервые разработаны математические модели расчетов энергетических характеристик деформирования металла в открытых симметричных, наклонных несимметричных разрезных калибрах и в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках, позволяющие оценить эффективность формоизменения металла в калибрах за счет уменьшения мощности деформирования;
– получены диаграммы распределения деформации металла в ящичных, трапециевидных, рельсовом разрезном калибрах при прокатке рельсов Р65. Установлены закономерности влияния величины уширения в рельсовых калибрах на изменение деформированного состояния металла и расположение зон с различной схемой деформации по сечению раскатов из этих калибров, получены закономерности формоизменения осевой пористости в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки;
– получены новые научные результаты по исследованию деформированного состояния трамвайных рельсов при разрезке головки профиля в зависимости от глубины внедрения и диаметра разрезного ролика; выявлены математические зависимости распределения значений деформации в поверхностных слоях по оси желоба от обжатия разрезным роликом; получена диаграмма действительных значений усилий для образования желоба головки трамвайного рельса, рассчитанная на основе экспериментальных значений усилий в зависимости от глубины разрезки и диаметра разрезного ролика;
– выполнен анализ закономерностей изменения осевых остаточных напряжений в элементах рельса после прокатки от неравномерности распределения пластических деформаций между элементами профиля в чистовом двухвалковом и чистовом универсальном калибрах при прокатке рельсов Р65; теоретически обоснована и подтверждена экспериментально закономерность влияния осевых остаточных напряжений на концевую кривизну рельсов;
– теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены зависимости формы и размеров разрезного гребня в первом трапециевидном калибре в системе черновых калибров для прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки от минимальной протяженности периферийной зоны, зоны столбчатых кристаллов в непрерывнолитой заготовке и высоты гребня со стороны подошвы в калибре для предварительной разрезки;
– разработана рациональная методика расчета калибровки валков трехклетьевой непрерывно-реверсивной группы в составе двух универсальных и одной двухвалковой клетей для прокатки рельсов, основанная на равенстве коэффициентов вытяжки по элементам профиля в универсальных калибрах.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
– разработана новая технология прокатки балок и швеллеров средних и малых размеров с использованием наклонных разрезных калибров, внедрение которой позволило повысить эффективность деформации в разрезных калибрах (патент №2103078 РФ), конструкция чистового рельсового двухвалкового калибра (А.с. №1731305 СССР) для оптимизации положения его в валках;
– разработаны технические решения по усовершенствованию технологии прокатки железнодорожных рельсов в черновых калибрах (патенты №2103077 РФ, №2223156 РФ), новые способы прокатки и правки рельсов (патенты №2100107 РФ, №2299250 РФ, №2394660 РФ) используемые в технологии производства рельсов специального назначении повышенного качества, технология прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, трамвайных рельсов в чистовой универсальной клети (патенты №2233716 РФ, №2403108 РФ), внедрение которых позволило повысить производительность и качество продукции;
– разработана технология прокатки рельсов с использованием предчистового четырехвалкового универсального калибра и чистового двухвалкового калибра в двухклетьевой непрерывной группе клетей (А.с. №1445823 СССР, №1607985 СССР, №1614869 СССР) и технология прокатки рельсов с использованием универсальных калибров по схеме: предчистовой трехвалковый – чистовой четырехвалковый калибр (патент №2241556 РФ) для достижения минимального различия остаточных напряжений в процессе прокатки по элементам профиля и уменьшения концевой кривизны рельсов;
– разработаны новые технические и технологические решения для прокати швеллеров (патент №2132247 РФ), монорельсов для подвесных монорельсовых дорог (патент №2288045 РФ) и скобы упорной для пружинных рельсовых скреплений (патент №2254178 РФ), обеспечивающие повышение эффективности производства фланцевых профилей;
– представлено техническое решение модернизации рельсопрокатного стана ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» с расположением оборудования, разработана методика расчета калибровки валков рельсов в трехклетьевой непрерывно-реверсивной группе, и разработаны калибровки железнодорожных и трамвайных рельсов для выпуска высококачественных длинномерных рельсов;
– полученные в работе научные результаты исследований могут быть использованы для развития теории обработки металлов давлением и представляют интерес как учебный материал при разработке спецкурсов по теории прокатки и калибровки прокатных валков.
Реализация результатов работы. Основные разработки внедрены в течение 2000-2010 гг. на ОАО «НКМК» (с 01.07.2011 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»):
– внедрение новой технологии прокатки балок и швеллеров малых размеров с использованием наклонных разрезных калибров (патент №2103078 РФ) при прокатке швеллера №10 позволило снизить растягивающие напряжения на кромках фланцев, улучшить условия захвата за счет уменьшения абсолютных обжатий, увеличить производительность прокатного стана на 5%, улучшить качество готового проката на 1,0%;
– внедрение новых способов прокатки железнодорожных рельсов в черновых калибрах (патенты №210377 РФ, №2223156 РФ), способа прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки (патент №2254941 РФ), новых способов расточки валков и калибровки рельсов (патенты №2100107 РФ, №2394660 РФ) позволило улучшить качество продукции и снизить расходный коэффициент металла на 5,4 кг на тонну. Годовой экономический эффект (в ценах 2010 г.) составил 20111872 руб;
– внедрение валкового узла универсального четырехвалкового калибра для прокатки трамвайных рельсов (патент №2233716 РФ), нового способа калибровки швеллеров (патент №2268788 РФ) стабилизировало процесс прокатки. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных способов (в ценах 2010 г.) составил 14045700 руб. в год;
– разработка технологии прокатки новых фланцевых профилей: монорельса М200 и скобы упорной для пружинного рельсового скрепления обеспечило устойчивую прокатку в калибрах и минимальный расход прокатных валков. Годовой экономический эффект за счет освоения новых видов продукции (в ценах 2010 г.) составил 8568609 руб.
Положения, выносимые на защиту:
1) научные основы теоретического определения энергетических характеристик деформирования металла в калибрах, результаты энергетических параметров эффективности деформирования металла в открытых симметричных, наклонных несимметричных разрезных калибрах и в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках;
2) банк экспериментальных данных по исследованию формоизменения и деформационного состояния металла в ящичных, трапециевидных, рельсовом разрезном калибрах при прокатке железнодорожных рельсов Р65; формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки; деформированного состояния металла в рельсовых калибрах в зависимости от величины уширения;
3) зависимость влияния формы и размеров разрезного гребня первого трапециевидного калибра в системе черновых калибров для прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки на значения ударной вязкости в подошве рельса; результаты промышленного исследования прокатки рельсов с использованием универсальных калибров;
4) результаты экспериментального исследования деформированного со стояния трамвайного рельса при разрезке головки профиля в зависимости
от диаметра и глубины внедрения разрезного ролика;
5) новые технические и технологические решения по усовершенствованию прокатки железнодорожных, трамвайных рельсов, швеллеров и производства новых фланцевых профилей сложной формы: монорельсов для подвесных монорельсовых дорог и скобы упорной для пружинных рельсовых скреплений;
6) методика расчета калибровки валков трехклетьевой непрерывно-реверсивной группы в составе двух универсальных и одной двухвалковой клетей для прокатки рельсов, основанная на равенстве коэффициентов вытяжек по элементам профиля в универсальных калибрах, и разработанные по этой методике калибровки железнодорожных и трамвайных рельсов.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Повышение эффективности производства и улучшение качества работы в свете решений XXV съезда КПСС» (г. Новокузнецк, 1976 г.); научно-техническое совещание в соответствие с программой ГКНТ «028 «Транспорт»» на 1986–90 г.г.; научно-технический совет МЧМ СССР по освоению технологии прокатки железнодорожных рельсов с использованием универсальных клетей и прокатки рельсов из непрерывнолитых заготовок (г. Новокузнецк, 1989 г.); III Международная конференция «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (г. Николаев, 1993 г.); ежегодные заседания государственной рельсовой комиссии (1993–2010 г.г.); Международная конференция «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.); Межгосударственная конференция «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» (г. Магнитогорск, 1996 г.); первом – пятом (1995–2003 г.г.) международных конгрессах прокатчиков; Международная конференция «Высокие технологии в современном материаловедении» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы и пути развития металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.); первый Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (г. Новгород, 1997 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия на пороге XXI века» (г. Новокузнецк, 2000 г.); Межрегиональная конференция «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (2001 г.); V Международный семинар «Современные проблемы прочности» (г. Старая Русса, 2001 г.); XXXVII семинар «Актуальные проблемы прочности» (г. Санкт-Петербург, 2001 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации в машиностроении–2001» (г. Пенза, 2001 г.); Международная научно-техническая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Новокузнецк, 2001 г.); IX Международный семинар «Актуальные проблемы материалов: наука и технология» (г. Екатеринбург, 2002 г.); Всероссийские научно-практические конференции «Металлургия: Новые технологии, управление, инновации и качество» (г. Новокузнецк, 2005–2006 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и молодых ученых (г. Новокузнецк, 2008 г.).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 2 «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью метода физического и математического моделирования» и пункту 6 «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий» паспорта специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатные работы, в том числе 18 из перечня рецензируемых научных журналов, 3 монографии, а также 6 авторских свидетельств, 19 патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, списка литературы из 236 наименований и 9 приложений. Содержит 367 страниц машинописного текста (342 страницы без приложения), включая 157 рисунков, 93 таблицы.
Исследование деформации металла при односторонней разрезке
Начало использования метода верхней оценки в обработке металлов давлением связано с работами Р. Хилла, А.П. Грина, Р.Т. Шилда, Д.С. Друкера, П.Г. Хаджа, которые предложили использовать теоремы о верхней и нижней оценках и ряд вариационных принципов при решении задач пластического деформирования [49-53].
В дальнейшем метод верхней оценки использовался в работах отечественных и зарубежных авторов: А.Д. Томленова [54, 55], И.Я. Тарновского [56], Л.Г. Степан-ского [57-60], Э. Томсена, Ч. Янга и Ш. Кобаяши [61], X. Кудо [62], Г.Я. Гунна [63], В. Джонсона [64], Ю.А. Алюшина [65-68]. Применение метода верхней оценки для расчета процессов плоской деформации в значительной степени обосновывается работами В. Джонсона [64] и X. Кудо [62]. Подход В. Джонсона заключается в том, что для определения верхней оценки мощности деформирования могут быть выбраны некоторые произвольные поля скоростей, которые удовлетворяют условию несжимаемости среды и граничным условиям для скоростей. В качестве таких областей предложены жесткие треугольные области, внутри которых деформация отсутствует, а стороны являются линиями разрыва касательных скоростей. Процесс деформирования осуществляется за счет их относительного перемещения.
Если в качестве основы для построения полей скоростей из жестких блоков принять поле линий скольжения, решение по которому для плоской деформации в пределах жесткопластической схемы можно считать точным, то результаты расчета удельных усилий или мощности деформирования будут близки. Упрощение поля линий разрыва скорости приводит к повышению энергосиловых параметров [69].
X. Кудо развил подход, который получил название метода единичных областей. В этом случае деформируемый объем делится на несколько элементарных прямоугольных областей, на границах которых нормальные скорости остаются постоянными. Компоненты скоростей в каждой области задаются в виде элементарных функций и зависят лишь от одной из координат. Вопрос определения минимума мощности деформирования сводится к отысканию оптимальных соотношений между сторонами прямоугольников.
При расчете силовых параметров процессов обработки металлов давлением методом верхней оценки вводится допущение, что деформируемая среда является непрерывной, однородной и изотропной. В качестве математической модели используется идеальная жесткопластическая среда. Температурные условия отвечают характеру изотермического процесса, которые определяют соответствующие им значения прочностных и пластических характеристик металла. Эти допущения позволяют оценивать механические свойства металла одной величиной — пластической постоянной к = ат где От - сопротивление металла деформации при данной температуре и скорости деформации, МПа. Применение модели жесткопластического течения металла не всегда отражает сущность процессов особенно при холодном деформировании. Однако, при ело 26 жившихся в обработке давлением представлениях, скоростное и деформационное упрочнение металла оказывает влияние на силовой режим деформирования, но мало влияет на кинематику течения.
Неплохие результаты с помощью элементарных полей скоростей получены при анализе прогнозирования возможности появления дефектов в работах В. Джонсона [70, 71], X. Кудо [72] и Ю.А. Алюшина [73]. Среднее напряжение текучести использовано и В. Авитцуром [74] для нахождения удельных усилий деформирования материалов, чувствительных к скоростному упрочнению.
Первоначально использовались довольно простые кинематические возможные поля скоростей, предусматривающие один - максимум два варьируемых параметра. Минимизация функции мощности проводится в этом случае аналитическим способом. С появлением современной вычислительной техники открылись новые возможности использования в плане разработки общих алгоритмов метода на основе численных методов оптимизации функции [75, 76].
Д. Холинг и Л.А. Митчелл [77] на основе полей скоростей из треугольных блоков для плоского симметричного выдавливания через клиновидные матрицы получили верхнюю оценку усилий деформирования с учетом деформационного упрочнения.
В работе [78] предложен вариант метода, учитывающий упрочнение материала по средней интенсивности деформации в рассматриваемом объеме.
Использование среднего напряжения текучести представляется наиболее предпочтительным. Однако в этом случае необходимо знать достаточно точно распределение существующего напряжения текучести при сдвиге к, которое зависит от действительной истории деформации каждого элемента материала. Это в свою очередь требует оценки накопленной деформации каждой частицы вдоль линии тока для установившихся процессов.
Построение линий тока можно проводить в соответствии с методикой, предложенной В. Джонсоном и X. Кудо [69, 79] для решений, полученных методом линий скольжения или усовершенствований А.Д. Томленовым [54], а также предло 27
женной В. Бекофеном [80] для полей скоростей из жестких блоков. В каждом варианте рекомендуется методика учета накопленной деформации вдоль линий тока.
Возможность получения более точного решения увеличивается, если использовать более сложные поля скоростей. Применительно к кинематически возможным полям скоростей, состоящим из недеформируемых треугольных блоков, это определяется подбором их оптимального количества, а также определением оптимального положения их вершин.
Поля скоростей из жестких треугольных блоков хотя и выглядят искусственными, однако просты и удобны при решении задач пластического формоизменения.
При изучении процессов трехмерной деформации исследования проводятся с двух позиций. Первая - это построение трехмерной модели с соответствующим математическим описанием и вторая - использование с определенными допущениями решений для плоских задач или принципа суперпозиций плоских полей. Использование того или иного подхода определяется целью и задачами исследования, но в любом случае объемная постановка задачи является более сложной и трудоемкой в первую очередь с математической точки зрения. Использование принципа суперпозиций требует дополнительной обоснованности принимаемых допущений в каждом конкретном случае. СТ. Янг [81] применил решения плоских задач при трехмерном выдавливании и прошивке, частными случаями которых являются осесимметричное выдавливание, эксцентричное выдавливание, выдавливание двух прутков из цилиндрической заготовки.
В конце 60-х годов прошлого столетия появились первые решения на основе кинематически возможных полей скоростей из объемных блоков-тетраэдров для получения приближенных решений задач ОМД с использованием всех предпосылок метода верхней оценки.
Определение эффективности деформации металла в несимметричном разрезном калибре с помощью метода верхней оценки
Как уже было отмечено выше, в настоящее время разработано достаточно большое количество способов нанесения решеток на исследуемую поверхность. Для исследования формоизменения, а также напряженно-деформированного состояния металла в ящичных, трапециевидных и разрезном рельсовом калибрах при прокатке рельсов Р65 экспериментальным методом, в работе был использован метод слоистых моделей. Суть данного метода заключается в том, что для воспроизводства подробной картины процесса формоизменения тела и расчета деформации металла по величине и характеру перемещения материальных точек была предложена металлическая модель, которая позволила проследить формоизменение после каждого пропуска. Модель собиралась из свинцовых прессованных брусков квадратной формы со стороной 8, 10 и 12 мм, которые на выходе из пресс-формы облуживались в специальном устройстве (рисунок 3.1) легкоплавким сплавом Pb-Sn-Cd 32, 50, 18% с температурой плавления 145С. Затем облуженные образцы помещались в пресс-формы с прокладками толщиной 0,8 мм, прокатанных из этого же легкоплавкого сплава, и подпрессовывались на прессе с усилием 80 кН. Потом пресс-форма устанавливалась в печь при температуре 200С выдерживалась 3 ч до расплавления прокладок, после охлаждения еще раз прессовались с усилием 500 кН.
Устройство для лужения Полученный образец снова нагревался до температуры 140С, на торцы устанавливались накладки и заливались тем же легкоплавким сплавом, нагретым до температуры 160С. Это выполнялось для того, чтобы при прокатке на выходе из валков образец не расщеплялся. Таким образом, были получены свинцовые образцы с размещенной внутри пространственной «сеткой» из другого сплава, который на шлифе темплета отличается по цвету от основного материала (рисунок 3.2). Чтобы исключить армирующее действие «сетки» на образец при прокатке, которое значительно искажает картину формоизменения были проведены дополнительно исследования. В результате было определено, что при температуре 100С механические свойства сплава Pb-Sn-Cd 32%, 50%, 18%) соответствуют механическим свойствам сплава свинца 95%РЬ и 5%Sb и сплава свинца 97%РЬ и 3%Sb.
По методу слоистых моделей в данной работе было исследовано напряженно-деформированное состояние рельсов, прокатанных как по действующей калибровке, так и по калибровке с применением универсальной клети, а также проведен анализ формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки с разрезкой заготовки со стороны будущей подошвы.
Прокатку образцов проводили после нагрева в воде. Температуру нагрева регулировали автоматическим потенциометром. Время нагрева составляло 0,5 ч. Тем-плет заготовки свинцового образца приведен на рисунке 3.2.
Располагая после обработки картинами деформационного перемещения металла, можно рассчитать и напряженно-деформированное состояние образца после каждого пропуска. Сопоставляя напряженно-деформированное состояние модели и реального рельса, необходимо исходить из геометрического подобия их формоизменения и соблюдении всех необходимых критериев подобия. Для дальнейшего расчета деформированного состояния использовались координаты узлов пространственной решетки. Оси координат проводили в нормальном сечении проката: ось Y вдоль оси симметрии, ось X через центр тяжести сечения, ось Z совпадала с осью прокатки.
Для определения деформированного состояния рельсовой заготовки после каждого пропуска в настоящей работе для прокатки в лабораторных условиях использовались свинцовые образцы длиной 150 мм и сечением 66х64 мм с радиусом округления ребер 6 мм, выполненные в масштабе 1:5 к блюмсовой заготовке рельсо-балочного цеха ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Образцы отливались в металлическую форму, затем опрессовывались в матрице и подвергались механической обработке на фрезерном станке. Чистота обработки поверхности соответствовала параметру шероховатости Rz20, а поверхность торцов RzlO.
На обработанные торцы образцов при помощи специального штампа наносилась делительная сетка с шагом 5"=4±0,2 мм. После снятия с помощью типографской краски отпечатка сетки на миллиметровую бумагу торцы промывались и обезжиривались, а образцы помещались в нагревательную печь. Нагретые до 180С поверхности торцов облуживались специальным легкоплавким сплавом с температурой плавления 150С. Затем образцы накладывались друг на друга, центровались и спаивались. Таким образом, были получены заготовки длиной 300 мм, в поперечной плоскости которых находилась делительная сетка.
Для исследования напряженно-деформированного состояния металла при прокатке трамвайного рельса с разрезкой головки рельса профиль свинцового образца получался путем прямого выдавливания из специально спроектированной и изготовленной пресс-формы (рисунок 3.3,а) на гидравлическом прессе при комнатной температуре, благодаря чему получалась более измельченная структура, повышалась плотность отливки и выравнивание механических свойств. Пресс форма состоит из цилиндра 1 на котором при помощи основания 3 закреплено очко 2 четырьмя болтами М8.
Анализ формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки с разрезкой заготовки со стороны будущей подошвы
В первых двух пропусках в ящичных калибрах наибольшую высотную деформацию получают слои, непосредственно примыкающие к валкам. По направлению к центру полосы высотная деформация уменьшается. Такая картина наблюдается как для боковой зоны раската, так и для промежуточной и центральной зоны.
В третьем пропуске производится разрезка раската. Глубина внедрения в металл разрезающих гребней составляет 5/25 мм с каждой стороны, как и предусмотрено калибровкой. В этом калибре боковые вертикальные слои (ячейки 1, 4, 7) испытывают наименьшую вертикальную деформацию, причем деформация возрастает от центра к приконтактным участкам раската. Наибольшую высотную деформацию испытывают центральные вертикальные слои (ячейки 3, 6, 9), причем степень деформации уменьшается от поверхностных слоев к центральным. В промежуточном вертикальном слое (ячейки 2, 5, 8) высотная деформация уменьшается от поверхностных слоев к центру раската. В этом слое величина вертикальной деформации мало отличается по высоте раската.
Поперечная деформация при прокатке в разрезном калибре по всем вертикальным сечениям положительная В„/Вп_] 1,0 (происходит уширение металла). В боковых вертикальных слоях (ячейка 1, 4, 7) поперечная деформация положительная и уменьшается от контактной поверхности к середине раската. В промежуточном вертикальном слое (ячейка 2, 5, 8) приконтактные участки получают большее уширение, чем центральные части раската. В четвертом калибре происходит раскатка выступов от разрезного калибра. Раскатка производится в ящичном калибре с плоским дном калибра. При абсолютном обжатии равном 10/50 мм происходит выкатывание впадин, которые получены при разрезке.
В этом калибре наибольшую высотную деформацию получили боковые вертикальные слои (ячейки 1, 4, 7), причем величина деформации уменьшается от приконтактных слоев к середине раската. В вертикальном слое, расположенном по центру раската (ячейки 3, 6, 9), высотная деформация была наименьшая. Величина высотной деформации в этом слое уменьшается от приконтактных участков к центру раската. В промежуточных вертикальных слоях (ячейка 2, 5, 8) наибольшую высотную деформацию испытывает контактный участок металла и наименьшую — средние слои раската.
Максимальная поперечная деформация в четвертом пропуске наблюдается в боковых вертикальных слоях (ячейки 1, 4, 7). На выступах после разрезного калибра уширение наибольшее и к середине полосы оно убывает. Центральный вертикальный слой (ячейки 3, 6, 9) при прокатке в четвертом калибре деформируется без уширения. В промежуточных вертикальных слоях (ячейка 2, 5, 8) наибольшее уширение получают поверхностные слои, и наименьшее уширение наблюдается в центральных частях раската.
Анализируя влияние разрезки можно отметить, что поверхностный слой, расположенный посередине раската, за третий и четвертый пропуски получает суммарную высотную деформацию примерно на 10% больше, чем боковые поверхностные слои. Таким образом, разрезка значительно улучшает проработку металла в средней части поверхности раската.
В таблице 3.2 приведены размеры и деформация металла в трапециевидных калибрах для прокатки рельсов Р65 из НЛЗ согласно разработанной калибровке в рельсобалочном цехе ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Отобранные темплеты из раскатов, прокатанных в трапециевидных калибрах при моделировании прокатки рельсов Р65 на полупромышленном стане «250», соответствовали форме калибров. На рисунке 3.10-3.12 приведена деформированная сетка при прокатке металла в трапециевидных калибрах. Процесс деформации металла в первом трапециевидном калибре представлен на рисунке 1.6. Из этой схемы видно, что в начальный момент исходная заготовка соприкасается с боковыми стенками калибра и гребнем нижнего валка. На значительном протяжении очага деформации полоса испытывает боковое обжатие со стороны стенок трапеции и высотное обжатие со стороны гребня при отсутствии контакта полосы с верхней частью калибра. На небольшом расстоянии от выходного сечения наступает всестороннее обжатие прокатываемой полосы. Степень измельчения зерна, изменение качества поверхности зависит в значительной степени от высоты гребня и его угла.
При прокатке рельсов Р65 применяют три трапециевидных калибра.
Анализируя темплеты и данные таблицы 3.2 можно отметить, что высотное обжатие центрального вертикального слоя было наибольшим в первом калибре, а в остальных величина высотного обжатия незначительна.
Боковое обжатие трапеции по верху наиболее существенно также в первом калибре и составляет 5„_//5и=1,185. В остальных калибрах величина бокового обжатия по верху трапеции мала. Наибольший коэффициент высотной деформации у края наблюдается во втором трапециевидном калибре и составляет Hn.i/Hn=3,52. Существенно обжимаются края фланцев в третьем трапециевидном калибре.
Распределение высотной деформации по сечению металла после прокатки в трапециевидных калибрах приведены на рисунке 3.13.
В первом трапециевидном калибре центральный вертикальный слой металла (в) имеет наибольшую высотную деформацию, которая осуществляется гребнем нижнего валка и распространяется по высоте полосы вплоть до слоя 2. У поверхности нижней части полосы (слой 5) эта деформация весьма велика и составляет H„.ilH„-2,S0, что положительно влияет на проработку металла и выработку поверхностных дефектов в средней части будущей подошвы рельса.
Распределение поперечной деформации по сечению полосы (рисунок 3.14) соответствует распределению высотной деформации. Величина поперечной деформации (B„/B„.i) центрального слоя (в) и промежуточных вертикальных слоев (б) в нижней части темплета равна соответственно 2,0 и 1,2. Боковые вертикальные слои металла получают в нижней части поперечную деформацию 0,92. В верхней части трапеции боковые вертикальные слои имеют поперечную деформацию 0,8-Ю,86. Таким образом, можно отметить, что боковые вертикальные слои подвергаются боковому обжатию
Прокатка рельсов с использованием универсальных калибров
Как видно из графиков интенсивности деформации (рисунок 3.76): - при использовании разрезного ролика 0 75 мм при величине разрезки 25, 50, 75, 100% от общей глубины желоба интенсивность деформации убывает от поверхности к центральным слоям и имеет прямолинейную зависимость. При увеличении величины разрезки значения интенсивности деформации возрастают по всему сечению. Максимальная интенсивность деформации соответствует 100% величине разрезки и в поверхностных слоях желоба равна 3,56; интенсивность деформации в центральных слоях (последняя ячейка координатной сетки) составляет 0,68; - при использовании ролика большего диаметра - 0120 мм при величине разрезки 25 и 50%) графики интенсивности деформации убывают, аналогично как и при ролике 075 мм. При величине разрезки 75 и 100% графики убывают, но имеют более пологий вид по сравнению с применением ролика 075 мм при этих же обжатиях. При обжатии профиля со 100% разрезкой желоба наибольшая интенсивность деформации соответствует поверхностным слоям желоба и равна 2,89, интенсивность деформации в центральных слоях (последняя ячейка координатной сетки) составляет 1,14.
Из вышесказанного следует: что при использовании разрезного ролика меньшего диаметра в 1,6 раза, интенсивность деформации на поверхностных слоях увеличивается на 18,8%, а интенсивность деформации в центральных слоях наоборот уменьшаются на 40,4%.
Как видно из графиков деформации от обжатия головки рельса разрезным роликом вдоль оси желоба (рисунок 3.77): - при использовании разрезного ролика 075 мм при обжатиях 25, 50, 75, 100% от общей глубины желоба величина деформации убывает от поверхности к центральным слоям по прямолинейной зависимости. С увеличением обжатия значения деформации увеличиваются по всему сечению. Наибольшие значения деформации соответствуют 100% обжатию желоба. Максимальное значение деформации соответствует поверхностному слою и равно 4,561; минимальное значение соответствует центральным слоям и равно 1,592; - при использовании разрезного ролика 0120 мм при тех же величинах обжатий, что и для ролика 075 мм величина деформации также убывает от поверхности к центральным слоям, и значения деформации близки к значениям как при использовании разрезного ролика 075 мм. Наибольшие значения деформации соответствуют 100% обжатию желоба (по оси валков) и в поверхностных слоях рано 4,09; минимальное значение соответствует центральным слоям и равно 1,798; - получены математические зависимости по нахождению величины деформаций вдоль оси желоба в сечении головки рельса в зависимости от глубины разрезки желоба и диаметра разрезного ролика. Из вышесказанного следует: величина деформации от обжатия разрезными роликами различного диаметра (075 и 120 мм) убывает от поверхности к централь 171 ным слоям, наибольшее значение соответствует 100% обжатию желоба по оси валков, причем значение деформации в поверхностных слоях от разрезки разрезным роликом меньшего диаметра больше на 10,32%, чем при использовании разрезного ролика большего диаметра. Величина деформации в центральных слоях, при использовании разрезного ролика меньшего диаметра меньше на 11,51%.
Таким образом, исследования деформированного состояния металла при разрезке головки профиля трамвайного рельса показали следующее: - после разрезки головки рельса разрезным роликом при формировании жело ба трамвайного рельса в чистовом четырехвалковом универсальном калибре отдель ные ячейки координатной сетки получили значительные изменения формы. Наи большая зона интенсивного роста деформации соответствует наибольшему переме щению узловых точек координатной сетки и располагается в вершине разрезаемого желоба.
Величина коэффициента уширения также уменьшается от поверхности к центральным слоям. Деформация во всех ячейках больше единицы, что указывает на значительные обжатия. Как видно из результирующих графиков деформации по оси желоба, на его поверхности в зависимости от глубины внедрения и диаметра разрезного ролика (рисунок 3.78): - интенсивность деформации в поверхностных слоях при разрезке меньшим роликом больше на 18,8% чем при разрезке большим и с увеличением обжатия интенсивность деформации монотонно возрастает по прямолинейной зависимости; - значения деформации в поверхностных слоях, возникающие при разрезке разрезным роликом меньшего диаметра больше на 10,32% чем при образовании желоба большим роликом и с увеличением обжатия значения деформаций возрастают по прямолинейной зависимости; - получены с достаточно высокой степенью аппроксимации математические зависимости по нахождению значений деформации в поверхностных слоях в зависимости от глубины внедрения разрезного ролика и его диаметра.
Исследования выкатываемое поверхностных дефектов железнодорожных рельсов по калибровке с предварительной разрезкой граней заготовки в черновых ящичных калибрах показали, что преимущественная выработка поверхностных дефектов осуществляется по центру гребней разрезных калибров, где осуществляется наибольшая деформация (п. 3.3.1).
С целью дальнейшего повышения качества рельсов за счет выравнивания выработки дефектов по всей поверхности грани прокатываемой заготовки была усовершенствована и запатентована система калибров для прокатки рельсов в черновых пропусках (рисунок 3.79) (патент РФ №2103077) [189].
