Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Классификация и особенности изготовления ДКТВ 8
1.2. Особенности производства и технологии изготовления крупногабаритных толстостенных деталей методом штамповки 9
1.3. Особенности производства и технологии изготовления ДКТВ на листогибочных машинах 11
1.4. Асимметричная толстолистовая прокатка - варианты и возможности 17
1.5. Совмещенный процесс вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки 25
1.6. Постановка цели и задач исследования 37
Глава 2. Адаптация конечно-элементных моделей НДС к условиям технологических процессов производства ДКТВ 38
2.1. Трехмерная вязко-пластическая модель НДС при горячей прокатке из слабо сжимаемого материала. Метод вязко-пластических слабо сжимаемых конечных элементов 38
2.2. Определение граничных условий совмещенного процесса 44
2.3. Приложение разработанной модели НДС к случаю совмещенного процесса горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки толстых листов 45
2.3.1. Особенности решаемой задачи 45
2.3.2. Особенности компьютерной реализации модели 45
2.3.3. Результаты численного моделирования 46
2.4. Трехмерная упруго-пластическая модель определения НДС для исследования процесса холодной гибки толстого листа 48
2.4.1. Математическая модель 49
2.4.2. Результаты численного исследования 53
Выводы 55
Глава 3. Математическое моделирование и определение технологических параметров производства ДКТВ 56
3.1. Моделирование и разработка технологии совмещенного процесса вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки 56
3.1.1. Исследование влияния скорости подъема отгибающего ролика на контролируемые параметры 56
3.1.2. Исследование влияния времени начала подъема отгибающего ролика на перераспределение крутящих моментов 79
3.2. Моделирование и определение технологических параметров холодной гибки листа на четырехвалковой машине 83
Выводы 93
Глава 4. Создание, промышленное опробование и использование новых технических и технологических разработок в области производства ДКТВ 95
4.1. Совмещенный процесс вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки листа в горячем состоянии 95
4.1.1. Разработка режима работы отгибающего ролика 95
4.1.2. Разработка технических мероприятий по пластическому изгибу заднего участка листа 101
4.2. Предлагаемая технология производства ДКТВ 103
4.3. Процесс гибки металлического листа в холодном состоянии 105
4.3.1. Разработка устройства для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей 105
4.3.2. Технология производства ДКТВ на четырехвалковой листогибочной машине 109
4.4. Практическое опробование и использование 112
4.5. Диапазоны применения разработанных способов 114
Выводы 114
Заключение 116
Список литературы 118
Приложения 127
- Особенности производства и технологии изготовления крупногабаритных толстостенных деталей методом штамповки
- Приложение разработанной модели НДС к случаю совмещенного процесса горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки толстых листов
- Моделирование и определение технологических параметров холодной гибки листа на четырехвалковой машине
- Разработка устройства для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений развития черной металлургии является повышение эффективности производства металлоизделий, которая характеризуется получением продукции требуемого качества при высоких стабильности и производительности реализуемых технологических процессов. Это является неотъемлемым условием надежной и плодотворной деятельности предприятий в условиях существующей системы рыночных отношений. С точки зрения конкурентоспособности, важно также сочетание эффективности производства с его низкими издержками и соответственно сниженной себестоимостью.
Строительство тепловых и атомных электростанций, развитие металлургической, химической и нефтехимической промышленности вызывает расширение соответствующих отраслей машиностроения. Основные агрегаты, представляющие собой преимущественно емкости различной формы, изготавливают из крупногабаритных толстостенных деталей различными способами.
Исследования показали, что в области производства деталей крупногабаритных тел вращения (ДКТВ) из толстого листа наиболее перспективным является совмещенный процесс горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки. В определенных случаях возможно также применение процесса холодной гибки на валковой листогибочной машине. В связи с указанным, важным для производства ДКТВ является проведение исследований по совершенствованию совмещенного процесса, повышающих его надежность и обеспечивающих бездефектность продукции. Что касается холодной гибки, то актуальной является проблема отыскания таких научно-обоснованных режимов холодного деформирования, которые бы привели к повышению производительности процесса и снижению затрат на формоизменение на листогибочной машине.
Моделированию и развитию процессов производства ДКТВ и посвящена настоящая работа, структура которой представлена на рис. 1.
В первой главе работы предложена классификация процессов производства ДКТВ, рассмотрены особенности изготовления деталей различными методами. Показано, что в известных исследованиях по данному направлению имеются недостатки, снижающие эффективность рассматриваемых технологий.
На основе анализа уровней развития процессов ДКТВ и существующих проблем в первой главе выполнена постановка цели и задач исследования.
Вторая глава диссертации посвящена адаптации математических моделей определения напряженно-деформированного состояния при процессах совмещенной горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки а также холодной деформации листа на валковой листогибочной машине. Описание процессов основывалось на применении конечно-элементного подхода. Трехмерная вязко-пластическая модель определения НДС для слабо сжимаемого материала адаптирована к случаю совмещенного процесса, упруго-пластическая - для исследования процесса холодной гибки толстого листа. Показана адекватность разработанных моделей.
Третья глава посвящена моделированию напряженно-деформированного состояния и разработке технологии процессов производства ДКТВ. Для совмещенного процесса проведены исследования влияния скорости и времени начала подъема отгибающего ролика на перераспределение крутящих моментов. Для холодной гибки листа определены рациональные режимы бездефектного деформирования, основанные на данных о прочностных параметрах листогибочной машины.
Четвертая глава посвящена вопросам внедрения, промышленного опробования и использования новых технических и технологических разработок в области производства ДКТВ. Представлены выполненные на уровне изобретений решения для рассматриваемых процессов.
Совершенствование технологии производства деталей крупногабаритных тел вращения (ДКТВ) на основе математического моделирования процессов
деформирования толстых стальных листов
Цель: получение ДКТВ повышенной точности по кривизне в условиях обеспечения высоких стабильности и производительности технологических процессов формоизменения
теория
Математическое моделирование процессов горячего и холодного деформирования
±
Конечно-элементное моделирование определения НДС
J.
т.
для процесса горячего деформирования
для процесса холодного деформирования4
Вязко-пластическая модель для совмещенного процесса вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки
Упруго-пластическая модель для гибки листа на четырехвалковой машине
,,..
Развитие и совершенствование процессов производства деталей крупногабаритных тел вращения и создание комплекса технических и технологических решений
технология
' для процесса горячего деформирования
1.
для процесса холодного деформирования*,
Технология производства деталей крупногабаритных тел вращения на толстолистовом стане
3 патента РФ
Технология гибки листа на четырехвалковой машине
1 патент РФ
Эффективный инструмент для анализа НДС - пакет прикладных программ
на ООО «МагНИТ-центр»
\ результаты
Совершенствование рабочих программ по специальности «Обработка металлов давлением»
в ГОУ ВПО «МГТУ им.Носова»
Ресурсосбережение - значительное сокращение времени при настройке и работе листогибочной машины
на 000 «РемСтройМаш»
Рис. 1. Структура диссертационной работы
Особенности производства и технологии изготовления крупногабаритных толстостенных деталей методом штамповки
Главная особенность производства крупногабаритных штампованных деталей заключается в серийном и мелкосерийном характере производства. Это объясняется большой номенклатурой крупногабаритных толстолистовых деталей, требующихся для производства технологического оборудования. Наиболее распространенные типы штампуемых крупногабаритных толстостенных осесимметричных деталей представим на рис. 1.2.
Толстостенные детали в большинстве случаев штампуют в горячем состоянии, так как с увеличением толщины листового проката пластические свойства металла снижаются. Иногда применяют холодную штамповку для получения заготовок толщиной 30-40 мм.
Основными разновидностями штамповочного производства являются штамповка на прессах, формовка обкаткой и раскаткой, штамповка взрывом.
Штамповка на прессах бывает малопереходной и многопереходной. В первом случае процесс осуществляется за один переход. Для таких операций используют гидравлические прессы.
Однако штамповка на прессах имеет серьезный недостаток. Для изготовления детали каждого типоразмера требуется специальный штамп. Такие штампы трудоемки в изготовлении, имеют большие размеры и массу. Высокая стоимость получается и у штампованных изделий. При увеличении размеров штампуемых деталей этот недостаток становится более существенным.
Очень трудоемким является процесс и многопереходной штамповки, при котором формообразование ведется по участкам. Однако при этом требуется простая малогабаритная технологическая оснастка.
На Магнитогорском металлургическом комбинате в условиях Листопрокатного цеха разработана оригинальная штамповая оснастка рамной конструкции для формообразования днищ в горячем состоянии [2]. В качестве заготовки используется толстолистовой металл в форме круга оЗ,5 4,2 м. Однако исследования показали, что в самом начале вытяжки пуансон касается только центральной части заготовки, остальная же часть, противостоящая отверстию матрицы, свободна от воздействия поверхностных сил. Это обстоятельство приводит к тому, что донная часть заготовки утоняется, а поверхность заготовки незначительно увеличивается. Такая неравномерность деформации характерна практически для всех разновидностей процесса штамповки.
Процессы обкатки и раскатки используются для получения полых деталей из плоской, цилиндрической или конической заготовок. Процесс об катки используется для изготовления различных днищ [3-4]. Недостатком такого способа является то, что получение качественного изделия во многом определяется опытом обслуживающих рабочих. В процессах раскатки происходит утонение стенки при изготовлении разнообразных осесимметричных деталей: глубоких конических, параболических деталей, деталей типа днищ с утолщенным фланцем, деталей с образующей двоякой кривизны и деталей со стенками различной толщины.
Штамповка взрывом крупногабаритных толстолистовых заготовок осуществляется обычно в искусственных водяных бассейнах, которые выполняют в виде цилиндрических камер, открытых сверху и заглубленных в землю [4-6]. Данным способом можно выполнять вытяжку деталей типа днищ, местную вытяжку, правку и калибровку. Основное отличие штамповки взрывом от штамповки на прессе состоит в том, что штамп представляет собой только матрицу, а жесткий пуансон заменяет собой ударная волна.
Однако штамповка взрывом имеет много существенных недостатков. Необходимо строить обособленное от других здание, решать вопросы хранения и обслуживания взрывчатого вещества. Штамповка взрывом в несколько раз менее производительна, чем другие способы производства ДКТВ. Штамповка взрывом может осуществляться только в холодном состоянии, поэтому не представляется возможным использовать нагрев заготовки в случае недостаточной пластичности сплава.
Таким образом, указанные обстоятельства существенно снижают технологические возможности процесса штамповки, делая его крайне затратным и малопроизводительным.
Процесс гибки деталей из листовых заготовок осуществляется на валковых машинах, в которых гибка происходит между несколькими вращаю щимися валками, установленными в шахматном порядке. Листогибочные машины позволяют выполнить гиб большинства цилиндрических и конических форм. К изделиям, которые производятся с использованием листогибочных машин, относятся резервуары высокого давления, рекламные щиты, контейнеры из нержавеющей стали для перевозки продуктов питания, бункеры цементовозов и т.п [7].
По своему рабочему принципу листогибочные машины подразделяются на три группы: пирамидального типа (с регулируемым верхним валком); с передним прижимным валком; с двумя прижимными валками. Виды существующих валковых листогибочных машин представлены нарис. 1.3.
Приложение разработанной модели НДС к случаю совмещенного процесса горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки толстых листов
В качестве приложения разработанной математической модели рассмотрим совмещенный процесс горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки. Поскольку деформация в направлении уширения листа незначительна, будем решать задачу плоского деформирования. Поскольку процесс формоизменения осуществляется в горячем состоянии, рассмотрим вязко-пластическую слабосжимаемую среду. На основании изложенного подхода разработан алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при совмещенном процессе горячей вертикально-асимметричной толстолистовой прокатки и пластической гибки. Создан соответствующий пакет прикладных компьютерных программ. В модифицированной нами версии математической модели в качестве исходных данных задаются: - диаметры рабочих валков; - диаметр отгибающего ролика; - толщину и ширину исходной заготовки; - скорости вращения рабочих валков; - направление и скорость перемещения отгибающего ролика; - показатели трения, входящие в закон трения по Зибелю; - механические свойства прокатываемой стали заданной марки в виде зависимостей истинного предела текучести от скорости деформаций при определенных температурных условиях и интенсивности деформаций; - распределение температуры по объему исходной заготовки. В результате решения находили интегральные и распределенные характеристики: - поля напряжений, деформаций и перемещений; - поля интенсивностей напряжений и деформаций; - поля скоростей деформаций и перемещений; - распределение нормальных и касательных напряжений на контакте металла с инструментом; - усилия, моменты и мощность прокатки; - кривизну переднего конца листа.
Разработанную математическую модель использовали для исследования возможности получения ДКТВ с цилиндрической образующей (кожуха ковша кислородного конвертера) с радиусом кривизны 5000 мм в результате совмещенного процесса горячей вертикально асимметричной прокатки и пластической гибки листов размерами 5000x4000x100 мм из стали 09Г2С. Вертикальную асимметрию при этом создавали за счет разницы диаметров рабочих валков прокатной клети, причем диаметр нижнего валка больше диаметра верхнего валка. Пластическая гибка осуществлялась за счет использования отгибающего ролика, в качестве которого использовался ролик отводящего рольганга этой же клети. Исходные данные для модели задавали из реальных условий толстолистового стана «4500» ЛПЦ ОАО «ММК» (табл. 2.2) [27, 31]. Перед деформированием листовую заготовку разбивают на конечные элементы длиной 7 мм, высотой 5 мм. В процессе формоизменения согласно заранее заданным параметрам перестройки исходная сетка прямоугольных конечных элементов изменялась. При этом получалась неравномерная сетка элементов. Элементы в зоне контакта с валками значительно уменьшались в размерах, по сравнению с элементами внутренней области очага деформации. Данный характер разбиения обусловлен обеспечением необходимой точности и скорости расчета. Основная задача данного исследования состояла в анализе особенностей получения ДКТВ (элементы кожуха конвертера) цилиндрической формы размерами 5000x4000x100 мм с радиусом кривизны 5000 мм. Изучалось влияние различных режимов работы отгибающего ролика на величину крутящих моментов на валках и их перераспределение. Известно что при асимметричной прокатке происходит существенное перераспределение моментов прокатки между верхним и нижним рабочими валками. Особенно остро эта проблема проявляет себя в начальный момент касания передним концом листа отгибающего ролика.
Расчеты выполнялись на ПЭВМ Pentium IV. Один вариант расчета занимал порядка 30 минут машинного времени. Установлено, что величина перепада крутящих моментов на валках (динамический удар) существенно зависит от скорости перемещения отгибающего ролика и времени начала его перемещения. Для описания и исследования процесса гибки листа в холодном состоянии за основу была взята модифицированная упруго-пластическая модель Лагранжа в конечных деформациях. Ее адаптация к указанному процессу также заключалась в использовании адекватных граничных и начальных условий, соответствующих конструкции машины "Roundo" ремонтно-сборочного цеха ООО «РемСтройМаш» (рис. 2.1). Для разработки режимов холодной гибки листа, с учетом прочностных характеристик оборудования и листа, разработана трехмерная конечно-элементная математическая модель напряженно-деформированного состояния металла при гибке. При проведении исследований за основу была взята модель, предложенная A.M. Песиным в работе [54]. Основные положения этой модели следующие. Система дифференциальных уравнений равновесия элементарного объема сплошной среды имеет вид
Моделирование и определение технологических параметров холодной гибки листа на четырехвалковой машине
Математическое моделирование проводили для конкретных условий, соответствующих гибке металла на четырехвалковой листогибочной машине «Roundo 3000 х 30». Данный агрегат установлен в ремонтно-сборочном цехе ООО «РемСтройМаш» (г. Магнитогорск). Схема установки представлена на рис. 3.28. Для разработки режимов деформирования металла с помощью разработанной модели в начале проводили аналитический расчет прочности гибочных роликов. Наибольшие нагрузки в четырёхроликовой гибочной машине испытывает верхний гибочный ролик. Гибочный ролик изготовлен из стали марки 9Х, для которой сг7 =450 МПа; допускаемые напряжения [сг]=150 МПа, диаметр бочки ролика по середине D=420 мм. Максимальный изгибающий момент, действующий в среднем сечении верхнего гибочного ролика (сечение 1-1) (рис. 3.30): С другой стороны, если рассматривать гибочный ролик как двух опорную балку, то максимальный изгибающий момент в этом сечении определяется: Нагрузку на подшипник можно определить как половину всего усилия действующего на ролик со стороны изгибаемой полосы: R=(q-L)/2, (3.4) где L - максимально возможная ширина изгибаемой полосы, мм. После подстановки и последующих преобразований, получим выражение для определения распределённого усилия, действующего на верхний гибочный ролик со стороны изгибаемой полосы: Для листа шириной 2900 мм a = 160 мм, Z2 = 1450 мм. Величина распределенной нагрузки будет составлять: Зная величину распределённой нагрузки, определяем суммарную нагрузку на ролик со стороны изгибаемой полосы. Нагрузку на подшипник определяем как половину от суммарной нагрузки:
Напряжения во втором опасном сечении (сечение 2 - 2): где h - расстояние от плоскости приложения нагрузки на подшипник до сечения 2-2, мм, d - диаметр цапфы ролика, мм. Результаты расчетов для других ширин листа представим в табл. 3.7. Данные вычисления послужили основой для разработки практических рекомендаций по осуществлению процесса гибки листа на четырехвалковой машине, представленных в главе 4. Радиус кривизны листа определяется положением отгибающего ролика. Если принять начальное положение ролика за начало координат, а положительное направление оси X направить по возможной траектории его движения (направляющие станины), то можно построить следующую зависимость, отражающую зависимость радиуса листа от координаты X (рис. 3.31). Функция, описывающая данную зависимость будет иметь следующий вид: В результате численного моделирования определяли поля напряжений, деформаций, скоростей деформаций, значений показателя Кокрофта-Лэфема, а также такие макропараметры как радиус кривизны листа и усилие на верхний гибочный ролик.
Представим пример расчетов для листа толщиной 40 мм, шириной 2000 мм из стали 40, изгибаемого на конечный радиус 500 мм. Из рис. 3.32 видно, что зона с максимальными значениями интенсивностей напряжений расположена между центральными роликами и смещена в сторону гибочного ролика (очаг деформации при гибке). В этой зоне данная величина достигает 687 МПа. Очаг деформации имеет переднюю и заднюю внеконтактные зоны. В передней зоне интенсивности напряжений макси мальны по середине полосы по толщине и уменьшаются к верхней и нижней граням. В задней зоне интенсивности напряжений принимают максимальные значения на гранях листа и уменьшаются к середине полосы. Интенсивности деформаций максимальны на верхней и нижней гранях изгибаемого листа и достигают значения 0,1. На верхней грани наблюдаются сжимающие деформации, на нижней - растяжения. В области, близкой к нейтральному сечению, интенсивности деформаций приближаются к нулю. Интенсивности скоростей деформаций в очаге деформации (рис. 3.34) образуют две локальные зоны. Причем в верхней части очага деформации рассматриваемый параметр больше, чем в нижней, и достигает 0,043 1/с. На нейтральной линии очага деформации значения интенсивностей уменьшаются до нуля. На нижнем участке данный параметр достигает 0,0214 1/с.
Разработка устройства для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей
Анализ известных технических решений по измерению радиуса кривизны крупногабаритных деталей, представляющих собой тела вращения, выявил ряд недостатков, которые снижают в целом качество измерения. Поэтому предложена новая техническая разработка, которая позволяет повысить точность измерения радиусов кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей [78-80].
Данное решение заключается в усовершенствовании известного устройства, содержащего корпус, опирающийся на измеряемую поверхность с помощью закрепленных по концам корпуса опорных элементов, и измерительный преобразователь, размещённый на корпусе по его центральной оси. Модернизация состоит в следующем. По краям корпуса устанавливаются две пары опорных элементов. При этом расстояние между опорными элементами одной пары равно расстоянию между опорными элементами другой пары.
Кроме этого используются два измерительных преобразователя, установленные посередине расстояния между опорными элементами каждой пары. При этом контактные точки опорных элементов расположены в одной плоскости. Измерительные элементы преобразователей расположены и установлены с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположены контактные точки опорных элементов (рис. 4.6). Иллюстрационная схема процесса измерения показана на рис. 4.7.
Устройство для измерения радиусов кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей: 1 - корпус; 2,3 - опорные ролики; 4 - измерительные преобразователи; 5 -контактные точки; 6 - плоскость контактных точек; 7 - измерительные элементы; 8 - плоскость перемещения измерительных элементов; 9 - регулировочный винт; 10 - измеряемая деталь; 11 - плоскость дополнительного перемещения измерительных элементов
Работает устройство следующим образом. Опорными роликами устройство накладывают на цилиндрическую поверхность детали и обеспечивают контакт всех четырёх контактных точек с цилиндрической поверхностью детали. В этом случае плоскость 8 располагается параллельно обра зующим цилиндрической поверхности детали. После этого фиксируют показания двух измерительных преобразователей. В качестве контролируемого параметра используют (см. рис. 4.7) высоту Н (длина отрезка MN) сегмента, образованного хордой АВ и стягиваемой ею дугой ANB. Затем вычисляют значение радиуса цилиндрической поверхности детали по формуле: где R - радиус цилиндрической поверхности детали; Li и Ьг - расстояния между контактными точками опорных элементов; Hi и Нг - показания измерительных преобразователей; d - диаметр опорных элементов.
Поскольку в предлагаемом устройстве для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей плоскость 8 располагается параллельно образующим цилиндрической поверхности детали, то точность измерения высоты сегмента Н повышается. Кроме того, перемещение измерительных элементов одновременно в двух плоскостях озна чает, что они перемещаются ортогонально цилиндрической поверхности детали, что также способствует повышению точности измерения. Наконец, контролируемый параметр Н измеряется одновременно двумя измерительными преобразователями, а значит, увеличивается количество измерений и можно определить среднее арифметическое значение этого параметра, что также повышает точность измерения.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей позволяет значительно повысить точность измерения этого геометрического параметра. У данного устройства имеется своя модификация. Отличие ее заключается в следующем. С одного края корпуса, симметрично его продольной оси, расположены два опорных элемента. На другом краю корпуса по его продольной оси расположен один опорный элемент. На середине расстояния между опорными элементами, симметрично продольной оси корпуса, расположены два измерительных преобразователя (рис. 4.8).
Это устройство работает следующим образом. Опорными элементами устройство накладывают на цилиндрическую поверхность детали и обеспе чивают контакт всех трёх опорных элементов с цилиндрической поверхностью контролируемой детали. При этом продольную ось располагают параллельно образующей цилиндрической поверхности детали. После этого фиксируют показания двух измерительных преобразователей. Затем вычисляют значение радиуса цилиндрической поверхности детали по формуле:
