Введение к работе
Актуальность темы. На рубеже XX и XXI веков в условиях перехода экономики России на рыночные принципы одним из актуальных направлений развития предприятий отечественной металлургии является их диверсификация и интенсивное создание новых производственных мощностей по более глубокой переработке собственного металлопроката и изготовлению из него готовых изделий, узлов и машин. Наиболее перспективной и динамично развивающейся отраслью машиностроения считается автомобилестроение и производство автомобильных запасных частей и узлов. Однако при создании новых производств автомобильных узлов на базе металлургических предприятий их ожидает очень жесткая конкуренция с продукцией уже хорошо и давно известных на рынке фирм - производителей этой продукции. В связи с тем, что основную долю в массе и стоимости автоузлов составляют металлические комплектующие изделия, а преобладающее значение в их изготовлении имеют технологии обработки давлением, то необходимым условием успеха является совершенствование процессов деформирования на всех этапах технологической системы «сталь-прокат-изделия-узлы» (ТС «СПИУ») для сквозного повышения эффективности производства и, в конечном итоге, обеспечения конкурентоспособности продукции.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является развитие процессов глубокой переработки металла методами ОМД для повышения конкурентоспособности шаровых шарниров на основе создания, исследования и совершенствования технических и технологических решений на последовательных этапах ТС «СПИУ».
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи на последовательных этапах ТС «СПИУ»:
на первом этапе - радикальное совершенствование системообразующих связей в процессах широкополосной горячей прокатки, обеспечивающее снижение капитальных и эксплутационных затрат при производстве горячекатаной полосовой стали за счет повышения компактности технологических линий, а также улучшение качества полос, благодаря совершенствованию температурного режима прокатки;
на втором этапе - разработка нового принципа бесконечной холодной прокатки, предусматривающего реверсивный режим обработки полосы последовательными участками, позволяющего достигнуть снижение затрат при производстве холоднокатаной полосовой стали за счет повышения компактности технологической линии и уменьшения обрыв-
ности полос, а также повышения качества поверхности полос за счет улучшения ее очистки;
на третьем этапе - совершенствование процессов штамповки комплектующих изделий шаровых шарниров путем разработки новых рациональных схем технологических переходов, обеспечивающих повышение стойкости штампового инструмента;
на четвертом этапе - улучшение процесса планетарной обкатки сферической поверхности шаровых пальцев для формирования микрогеометрии путем пластической деформации, позволяющее повысить качество обработки сферических головок.
Научная новизна, В рамках ТС «СПИУ» выявлены проблемы, выполнен анализ эффективности процессов деформирования и разработан пакет моделей, описывающих формоизменение металла на разных этапах системы. Создана математическая модель нового технологического процесса широкополосной горячей прокатки, в котором передача раскатов из черновой в чистовую группу клетей осуществляется с использованием двухвходовой намотки-размотки в вариантах как одно-, так и многоцикловой передачи.
Установлены путем математического моделирования закономерно сти распределения температуры по длине полосы и энергосиловые пара метры в новом процессе широкополосной горячей прокатки. Выявлеж повышение среднего уровня и появление локальных максимумов темпе ратуры полосы на входе в чистовую группу с последующим сглаживани ем этого распределения в ходе чистовой прокатки; энергосиловые пара метры соответственно снижены по сравнению с традиционным способом
Сформулирована концепция совмещенного сверхкомпактного тон кослябового литейно-прокатного агрегата (ЛПА), получившего названи SSP (Supercompact Strip Production - сверхкомпактное производство пс лос), на основе применения принципа двухвходовой намотки-размотк участков бесконечной полосы, позволяющая разрабатывать разнообра: ные варианты непрерывно-реверсивных технологических линий с задаї ными компоновками и параметрами работы головного и хвостового го редаточных модулей. Основные положения указанной концепции по; тверждены экспериментально на специально созданной опытной уст; новке, моделирующей участки передачи и прокатки ЛПА.
Разработана обобщенная математическая модель сквозного технолі гического процесса производства горячекатаных полос на непрерыв» реверсивном агрегате SSP, предусматривающая определение деформ ционных, температурно-скоростных и энергосиловых параметров нової
процесса, включая геометрические и кинематические характеристики специальных передаточных модулей.
Выполнено теоретическое описание особой стадии процесса реверсивной прокатки бесконечной полосы последовательными участками -периода сведения валков при одновременном разгоне концевой зоны такого участка. Выявлена важная особенность этого процесса, заключающаяся в сильной зависимости усилия прокатки от скорости сведения и возможности значительного превышения этим усилием установившихся значений. Адекватность теоретического описания подтверждена экспериментальным исследованием на специально созданной лабораторной установке.
Разработан новый принцип бесконечной холодной прокатки, основанный на использовании двухвходовой намотки-размотки обрабатываемой полосы.
Решена методом конечных элементов с новым описанием граничных условий и набором допущений нестационарная контактная задача упруго-пластического деформирования при многопереходной листовой штамповке корпусов шаровых шарниров в последовательных штампах.
Установлено путем математического моделирования и подтверждено экспериментально, что зона приложения деформирующей нагрузки при штамповке имеет вид кольца, которое расширяется от центра к периферийным зонам формируемого изделия по мере движения пуансона.
Установлен экспериментальным путем характер существенной неравномерности деформации в головках стержневых изделий в виде двойного конуса и неполной сферы.
Решена вариационным методом в дискретной постановке задача упруго-пластического деформирования головок стержневых изделий в виде двойного конуса и неполной сферы при холодной объемной штамповке шаровых пальцев.
Выявлена значительная неравномерность характеристик микрогеометрии неполной сферической поверхности, получаемых в известном процессе планетарной обкатки телами качения, и определены зависимости этой неравномерности от основных факторов процесса.
Практическая ценность работы. Диссертация связана с проблемами реконструкции и развития Магнитогорского металлургического комбината (ММК), определенными Постановлением Совмина СССР № 751 от 07.07.87 г., разделы работы выполнялись в рамках научно-технической программы «Новые ресурсосберегающие металлургические технологии» Госкомвуза России и фанта Московского государственного института стали и сплавов по фундаментальным проблемам металлургии на тему:
«Создание теоретических и технологических основ новых сверхкомпакт ных непрерывно-реверсивных линий горячей прокатки полос», а также соответствии с постановлением губернатора Челябинской области № 37 от 11.08.99 г. «О мерах государственной поддержки малого предприні' мательства в Челябинской области на 1999 - 2000 годы».
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследс ваний разработана новая технология широкополосной горячей прокатки использованием двухвходовой намотки-размотки промежуточных расю тов. Применительно к конкретным, исходным данным широкополоснь: станов горячей прокатки (ШСГП) определяются деформационные и тер пературно-скоростные режимы процесса, геометрические и кинематич ские характеристики передачи раскатов из черновой в чистовую групі клетей, энергосиловые параметры прокатки. Указанные разработки ві полнены для широкополосного стана типа 2000 ОАО «ММК». Необх димая длина промежуточного рольганга сокращается не менее, чем в раза в одноцикловом и в 3-5 раз в многоцикловом варианте новой пер дачи. Соответственно повышается температура раската на входе в чист вую группу и снижаются энергосиловые параметры чистовой прокатки, результате при прочих равных условиях открываются возможности щ. катки более тонких или более широких полос, а также получения щ дукции из менее пластичных марок стали.
Использование концепции совмещенного сверхкомпактного ЛП обобщенной математической модели технологического процесса на н< а также результатов экспериментальных исследований на опытной ус новке позволило разработать технологические линии с протяженності сокращенной по сравнению с лучшими мировыми аналогами на 40-90 Реализация созданной технологии обеспечивает на совмещенном Л] снижение капитальных затрат на 10-15 %, расхода тепловой энергии н< 7 %, сокращение концевой обрези пропорционально увеличению длг тонкого сляба, задаваемого в прокатный стан.
С учетом изученных характеристик стадии сведения валков на [ гоняемой полосе установлены конкретные требования к приводу наж ных устройств реверсивной клети и ограничения на кинематически силовые параметры этой стадии процесса.
На основе нового принципа совмещения разноскоростных процес при бесконечной холодной прокатке предложена компоновка непрер но-реверсивного травильно-прокатного агрегата (ТПА), отличающеі большей компактностью, сниженной капиталоемкостью и уменьшен обрывностью сварных, швов.
Разработан технологический процесс многопереходной листовой штамповки корпусов шаровых шарниров в последовательных штампах, отличающийся обеспечением повышенной точности штампуемых изделий при увеличенной стойкости инструмента.
Создана новая технология холодной объемной штамповки шаровых пальцев, в которой используется новая схема технологических переходов, позволяющая повысить стабильность процесса штамповки и стойкость инструмента.
На основе исследованной неравномерности характеристик микрогеометрии неполной сферической поверхности при обкатке предложен новый способ планетарной обработки сферы шарового пальца, повышающий качество поверхности.
Новые технические и технологические решения, разработанные для совершенствования процессов деформирования на всех этапах ТС «СПИУ», выполнены на уровне изобретений и защищены пакетом авторских свидетельств и патентов РФ.
Реализация результатов работы. Усовершенствованный технологический процесс горячей листовой прокатки со свободным петлеобразованием раскатов на промежуточном рольганге широкополосного стана, предусматривающий двухступенчатое торможение передней части петлеобразного раската, внедрен на стане 2500 ОАО «ММК». Это позволило увеличить длину непрерывнолитых слябов на 17 %, уменьшить толщину промежуточных раскатов с 35 до 26-28 мм и сохранить в сортаменте стана широкие тонкие полосы. В итоге получен годовой экономический эффект в сумме 1 млн. рублей (в ценах 1989 г.)
Создан, установлен в лаборатории кафедры ОМД МГТУ и развивается экспериментальный комплекс, моделирующий часть непрерывно-реверсивной технологической линии по производству горячекатаных полос. Моделируемая часть включает выходное устройство головной группы оборудования, участок передачи с устройством «СмоСвоК», реверсивный прокатный стан и конечную моталку. Экспериментальный комплекс используется для исследований новых технологических процессов прокатки и в учебном процессе.
Разработанные технологии производства горячекатаных и холоднокатаных полос с использованием двухвходовой намотки-размотки на ШСГП, ЛПА и ТПА, а также созданные пакеты прикладных программ для расчетов параметров этих процессов и реализующего их оборудования переданы в ОАО «Магнитогорский ГИПРОМЕЗ» и приняты им к использованию для проектирования компактных листопрокатных комплексов.
Разработанная технология многопереходной листовой штамповки в штампах последовательного действия корпусов шаровых шарниров автомобилей ВАЗ внедрена в цехе машиностроительной продукции ЗАО «МАРС» ОАО «ММК» с годовым экономическим эффектом 840 тыс. рублей (в ценах 1998 г.).
Новый технологический процесс холодной объемной штамповки шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ промышленно опробован в кузнечно-прессовом цехе ОАО «Магнитогорский калибровочный завод».
Разработанные новые технологии холодной листовой штамповки корпусов шарниров, холодной объемной штамповки шаровых пальцев и планетарной обкатки их сферических головок телами качения внедрены в ЗАО НПО «БелМаг» с,общим экономическим эффектом более 3,2 млн. рублей (в ценах 2000 г.).:,
Представленный комплекс решений используется в учебном процессе преподавателями, аспирантами, студентами по специальности «Обработка металлов давлением», а также научными и инженерно-техническими работниками этой специальности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались - на научно-технических конференциях:
всесоюзной «Проблемы повышения качества металлопродукции по основным переделам черной металлургии» (Днепропетровск, 1989), всероссийской «Математическое моделирование технологических процессов обработки материалов давлением» (Пермь, 1990), межгосударственной «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона» (Магнитогорск, 1994), всероссийской «Новые материалы и технологии» (Москва, 1994), российской межвузовской «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 1995), межгосударственной «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» (Магнитогорск, 1996), всероссийской «Новые материалы и технологии НМТ-98» (Москва, 1998), первой международной «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 1998), всероссийской «Машиностроительные технологии» (Москва, 1998), 1-ой международной «Металлрфизика и деформирование перспективных материалов» (Самара, 1999), 5-ой Всероссийской «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1999), международной «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1999), 6-ой международной «Актуальные проблемы материаловедения» (Новокузнецк, 1999), международной «Павловские чтения» (Москва, 2000), ежегодных
Магнитогорского государственного технического университета (МГМА, МГМИ) 1989-1999 гг.;
международных конгрессах прокатчиков: втором (Череповец, 1997) и третьем (Липецк, 1999);
научном семинаре кафедры «Оборудование и технологии прокатки» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Москва, 1991),
Публикации. По материалам диссертации опубликовано: монография, 5 книг и брошюр, 57 статей и докладов, 16 изобретений и одна полезная модель, 2 зарубежных публикации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 322 наименований и 9 приложений, содержит 133 рисунка, 19 таблиц и изложена на 458 страницах машинописного текста (включая приложения).