Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса управления показателями качества продукции в технологических процессах метизного производства 15
1.1. Классификация металлических изделий 16
1.2. Структура показателей качества металлических изделий 18
1.3. Архитектура технологии производства металлических изделий 20
1.4. Математические модели управления показателями качества металлических изделий в процессах технологической обработки 31
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 48
2. Разработка методологии создания математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий 52
2.1. Формализация нечетких отношений между параметрами процесса управления показателями качества 54
2.2. Задание параметров управления, параметров состояния и показателей качества изделий в виде нечетких и лингвистических переменных 57
2.3. Формализация видов функций принадлежности значений лингвистических переменных 59
2.4. Формализация логических правил управления показателями качества металлических изделий 64
2.5. Разработка алгоритма работы с математическими моделями с элементами нечеткой логики для управления показателями качества. 71
2.6. Методология разработки математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий 81
2.7. Формализация количественного значения технологического наследования показателей качества 90
2.8. Выводы по главе 94
3. Моделирование и экспериментальное исследование процессов формирования показателей качества поверхности калиброванной стали 95
3.1. Определение значимых параметров управления показателями качества поверхности стали при калибровании 96
3.2. Математическое моделирование процесса формирования показателей качества поверхности стали при калибровании 100
3.2.1. Калибрование исходной заготовки после травления 102
3.2.2. Калибрование исходной заготовки после обточки 105
3.3. Критериальные уравнения оценки формирования и технологического наследования показателей качества поверхности стали при калибровании 111
3.4. Разработка математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества поверхности стали при калибровании в монолитной волоке 121
3.5. Выводы по главе 126
4. Исследование процессов формирования показателей качества низкоуглеродистой арматурной проволоки диаметрами 6,0 - 10,0 мм 128
4.1. Структура показателей качества низкоуглеродистой арматурной проволоки 129
4.2. Особенности обеспечения показателей качества арматурной проволоки 130
4.3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса профилирования проволоки холодной прокаткой 134
4.3.1. Выбор формы поперечного сечения периодического профиля арматурной проволоки на основе нечетких отношений 135
4.3.2. Номограммы для определения диаметра заготовки под профилирование и качества сцепления арматурного профиля с бетоном 142
4.3.3. Разработка модели формоизменения при прокатке арматурной проволоки 145
4 4.3.4. Исследование влияния режимов профилирования на показатели качества арматурной проволоки 148
4.4. Исследование режимов получения заготовки под профилирование 151
4.4.1. Формирование нечеткого отношения предпочтения режимов волочения в монолитной волоке 151
4.4.2. Исследование динамики технологического наследования показателей качества заготовки под профилирование при волочении 157
4.3.3. Холодная прокатка в двухвалковых калибрах 161
4.5. Выводы по главе 169
5. Моделирование процессов формирования показателей качества высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал 171
5.1. Структура показателей качества высокопрочной арматуры для армирования железобетонных шпал 173
5.2. Обоснование технологической схемы формирования показателей качества высокопрочной арматуры 176
5.3. Исследование процессов формирования показателей качества арматуры при холодной пластической деформации 179
5.3.1. Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки под профилирование 179
5.3.2. Исследование процесса профилирования арматурного профиля 188
5.4. Исследование влияния параметров управления термическим упрочнением на показатели качества арматуры 191
5.5. Математические модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества высокопрочной арматуры 195
5.5.1. Модель управления качеством арматуры при холодной пластической деформации 195
5.5.2. Модель управления показателями качества арматуры при окончательной термообработке 203
5.6. Выводы по главе 207
6. Исследование и моделирование процессов формирования показателей качества железнодорожных пружинных клемм ОП105 209
6.1. Структура показателей качества железнодорожных пружинных клемм 211
6.2. Анализ наследственных связей в технологии производства железнодорожных пружинных клемм 213
6.3. Исследование процессов формирования качества стали марки 40С2 при подготовке к формообразованию 220
6.3.1 Исследование режимов отжига горячекатаного подката на структуру зернистого перлита 220
6.3.2. Анализ влияния поверхностной механической обработки на показатели качества стали 225
6.3.3. Исследование режимов рекристаллизационного отжига стали после механической обработки 229
6.4. Исследование процессов формирования показателей качества клемм в технологическом блоке окончательной термообработки и контроля 232
6.4.1. Исследование влияния параметров управления процессом термического упрочнения на показатели качества клемм 232
6.4.2. Исследование величины остаточной деформации петли клемм при контрольных испытаниях 236
6.5. Математические модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества железнодорожных пружинных клемм ОШ 05 239
6.6. Выводы по главе 248
7. Реализация методологии управления показателями качества при разработке новых и совершенствовании действующих процессов обработки металлических изделий 249
7.1. Результаты промышленной реализации новых процессов производства низкоуглеродистой арматурной проволоки диаметрами 6,0 -10,0 мм 251
7.2. Разработка и промышленная реализация технологических режимов производства калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности 256
7.3. Результаты внедрения режимов производства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для армирования железобетонных шпал 261
7.4. Реализация усовершенствованных технологических режимов обработки железнодорожных пружинных клемм ОП105 для рельсовых скреплений 267
7.5. Выводы по главе 278
Заключение 280
Библиографический список 284
Приложения 302
- Архитектура технологии производства металлических изделий
- Калибрование исходной заготовки после обточки
- Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки под профилирование
- Разработка и промышленная реализация технологических режимов производства калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности
Введение к работе
Актуальность работы. Металлические изделия промышленного назначения являются традиционным и пользующимся постоянным спросом на рынке видом продукции метизного производства. Основными потребителями металлических изделий являются промышленное и гражданское строительство, железнодорожная отрасль, добывающая промышленность, автомобилестроение, машиностроение, черная металлургия, то есть отрасли, определяющие развитие экономики и обороноспособность страны.
Создание все более сложных узлов, агрегатов и механизмов с новым уровнем потребительских свойств, стремление к минимизации затрат на переработку и максимальной продолжительности эксплуатационного срока продукции определяют тенденцию постоянного ужесточения требований потребителей к показателям качества металлических изделий. В связи с этим для метизных предприятий жизненно важными являются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного управления показателями качества в процессах технологической обработки.
Процессы технологической обработки метизного производства базируются на взаимодействии методов различной физической природы (холодная и горячая обработка металлов давлением, обработка резанием, термическая обработка и др.). Многообразие методов обработки открывает широкие технологические возможности по формированию показателей качества металлических изделий, созданию схем их производства, обладающих высокой степенью технологической развязки, внутренней гибкостью с большим числом вариантов, мобильностью при смене сортамента, возможностью изготовления малотоннажных партий.
Характерной особенностью при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства, направленных на решение задач по управлению показателями качества продукции, является то, что зачастую цели сформулированы лишь в качественном виде или выражены в виде направления желательного движения. Получение всей необходимой для управления показателями качества продукции информации в структурно - сложных и многофакторных процессах обработки, характеризующихся действием наследственных связей между технологическими операциями, связано с большими сложностями, финансовыми и временными затратами. Это в свою очередь затрудняет установление четкого однозначного соответствия между параметрами управления процессами обработки и показателями качества металлических изделий.
В этих условиях существующие методы управления показателями качества продукции, основанные на детерминированных или случайно - вероятностных математических моделях, оказываются не вполне эффективными.
Вышеизложенное определяет актуальность разработки методологии управления показателями качества продукции с учетом неполноты и нечеткости информации при создании новых и совершенствовании действующих процессов и режимов обработки, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовых металлических изделий.
Разделы диссертационной работы выполнялись при поддержке грантов Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области в 2004, 2006гг., в рамках тематического плана фундаментальных НИР, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию в 2006-2007гг., аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в 2009-2010гг., федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2009-2011гг.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методологии создания и применения математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий при проектировании новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
- разработать последовательность структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий применительно к технологическим процессам метизного производства;
- формализовать описание параметров управления, параметров состояния и показателей качества продукции нечеткими и лингвистическими переменными для разработки структуры логических правил управления вида «если…то» для технологических процессов метизного производства;
- адаптировать и применить алгоритм работы с математическими моделями с элементами нечеткой логики к управлению показателями качества металлических изделий в процессах технологической обработки;
- провести исследования процессов формирования единичных показателей качества с использованием формализованной степени их технологического наследования в процессах обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля диаметрами 6,0 -10,0 мм, высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал, калиброванной стали для машиностроения, пружинных клемм рельсовых скреплений ОП105 для разработки и параметрической идентификации логических правил управления;
- разработать математические модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий, позволяющие определять результативные режимы обработки при необходимом уровне технологического наследования показателей качества продукции;
- с использованием разработанной методологии решить прикладные задачи по созданию новых и совершенствованию действующих процессов и режимов обработки, обеспечивающих заданный уровень показателей качества перспективных видов металлических изделий для строительства, железнодорожной отрасли, машиностроения, оценить эффективность предлагаемой методологии управления показателями качества продукции промышленным внедрением.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- методология разработки и применения математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества металлических изделий в процессах их формирования и технологического наследования для поддержки принятия управляющих решений по обеспечению заданного уровня потребительских свойств готовой продукции при разработке новых и совершенствовании действующих технологических процессов метизного производства;
- принцип управления показателями качества на основе моделей с элементами нечеткой логики с использованием лингвистических переменных, значениями которых выступают нечеткие множества, математически заданные в виде функций принадлежности, характеризующие параметры управления процессом обработки и показатели качества металлических изделий, а их взаимосвязь представляется в виде нечеткого отношения;
- принцип учета неблагоприятных наследственных связей в процессах формирования и технологического наследования единичных показателей качества металлических изделий при взаимодействии методов обработки различной физической природы в технологиях метизного производства.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработана концепция управления показателями качества металлических изделий в технологических процессах метизного производства, отличающаяся использованием математических моделей с элементами нечеткой логики при формализации взаимосвязи между параметрами процесса управления, более адекватно описывающих реальную ситуацию с учетом неполноты и нечеткости исходной информации;
- разработаны математические модели управления показателями качества металлических изделий в процессах обработки калиброванной стали, высокопрочной арматуры, железнодорожных пружинных клемм, отличающиеся использованием нечетких и лингвистических переменных при формировании условий и заключений в логических правилах управления вида «если…то», позволяющие определять технологические режимы обработки, обеспечивающие получение заданного уровня показателей качества готовой продукции;
- приведено научное обоснование режимов обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки периодического профиля больших диаметров, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал, пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, калиброванной стали для машиностроения, отличающихся учетом неблагоприятных наследственных связей в ходе формирования и технологического наследования показателей качества изделий и обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции;
- получены новые научные знания о формировании показателей качества стали марок 40С2 и 55С2 по механическим свойствам при различных видах и сочетаниях деформационного и термического воздействий;
- разработаны и формализованы критерии подобия, характеризующие параметры управления и технологическое наследование показателей качества поверхности стали при калибровании в монолитной волоке с учетом способа предварительной подготовки поверхности исходной заготовки;
- на основе экспериментальных и промышленных исследований получены математические модели оценки формоизменения при нанесении двух - и четырехстороннего периодического арматурного профиля в зависимости от технологических факторов обработки, отличающиеся тем, что в качестве исходной заготовки в процессе холодного профилирования используется круглая проволока диаметром более 6,0 мм.
Практическая ценность.
Определен и адаптирован алгоритм структурной и параметрической идентификации моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества применительно к технологическим процессам метизного производства, позволяющий ускорить процесс разработки и применения моделей при проектировании режимов технологической обработки, обеспечивающих заданный уровень потребительских свойств готовой продукции.
С использованием современных информационных технологий FuzzyTECH Professional автоматизированы и подготовлены к практическому использованию на персональном компьютере математические модели для управления показателями качества калиброванной стали, высокопрочной арматуры для железобетонных шпал, пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, что позволяет существенно сократить время принятия технологических решений по обеспечению заданного уровня качества готовой продукции.
Разработаны новые технологические процессы и режимы обработки низкоуглеродистой арматурной проволоки диаметром более 6,0 мм, обеспечивающие требуемое качество продукции из рядовых марок стали с уменьшением затрат на ее изготовление (патенты РФ № 2221654 и № 2310534).
Разработаны промышленные режимы производства новых видов продукции для железнодорожной отрасли: высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал и пружинных клемм для рельсовых скреплений ОП105, обеспечивающие заданный уровень качества готовой продукции при использовании нестандартной кремнистой стали марки 40С2 и снижение затрат на производство. Экономический эффект от внедрения разработок в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» составил 992,7 руб. на 1 тонну товарной продукции в ценах 2006г.
Разработаны технологические режимы производства калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности. Экономический эффект от внедрения в условиях «Магнитогорский калибровочный завод» составляет 396,34 тыс. руб. в год в ценах 2004г.
Создано программное обеспечение, позволяющее проектировать на персональном компьютере результативные технологические режимы волочения в монолитной волоке на основе моделирования и анализа напряженного состояния, оценки деформационных и энергосиловых параметров процесса (Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2006614009 и № 2008614834).
Реализация работы.
Технологические процессы производства низкоуглеродистой арматурной проволоки реализованы в условиях ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» и ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод» (патенты РФ№ 2221654 и № 2310534). Разработан пакет технологической документации для производства низкоуглеродистой арматурной проволоки с заданным уровнем качества диаметрами 6,0 – 10,0 мм по ТУ 14 - 170 - 217 –94 и ТУ 14-1 – 5393 -2000.
Разработаны и приняты к внедрению на ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» технологические режимы производства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм по ТУ-14-125-704-96 для железобетонных шпал, используемых на тяжелонагруженных участках железных дорог.
Разработаны и внедрены на ОАО «ММК-МЕТИЗ» (г. Магнитогорск) усовершенствованные технологические режимы производства железнодорожных пружинных клемм в виде изменений в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241-2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ.КР-390-2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОП105 ТУ».
Разработаны и приняты к использованию на ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» технологические режимы производства калиброванной стали по ТУ 14-176-128-2003 с регламентированными значениями высотных параметров шероховатости поверхности. Разработаны и внесены изменения в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-135-05 «Производство проката со специальной отделкой поверхности».
Теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» при подготовке инженеров по специальностям 2005030 - «Стандартизация и сертификация» и 150106 - «Обработка металлов давлением», а также для студентов, обучающихся по направлению 150100 - «Металлургия» (бакалавриат и магистратура).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова 2002 – 2009гг., Межгосударственной научно-технической конференции “Проблемы развития металлургии Урала на рубеже 21 века“ (Магнитогорск, 1995г.), Международной научно-технической конференции “Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий” (Волгоград, 1997г.), Первой международной выставке “Технологии металлургии“ (Магнитогорск, 1997г.), на Всероссийской научно-технической конференции “Перспективные материалы, технологии, конструкции” (Красноярск, 1998г.), IV, V и VII конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001г., Череповец, 2003г., Москва, 2007г.); III, IV , V, VI школах - семинарах «Фазовые и структурные превращения в сталях» (пос. Кусимово, Башкортостан, 2003, 2004, 2006, 2008гг.); II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (Тула, 2004г.), Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации» (Москва, 2004г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование ОМД» (Рыбинск, 2006г.), Международной научно-технической конференции «Образование через науку» (Москва, 2005г.), Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007г.); II Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006г.), III региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» (Иркутск, 2006г.), Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005, 2007гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НТМ» (Москва, 2004, 2006, 2008гг.), на техническом совете ОАО «ММК-МЕТИЗ» (г. Магнитогорск, 2009г.), на совместном научном семинаре Пермского научно-образовательного центра проблем управления Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН и кафедры «Динамики и прочности машин» ГОУ ВПО «Пермского государственного технического университета» в 2009г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 монографии, 58 научных статей, из них 16 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ (в т.ч. 7 без соавторов), двух патентах РФ на изобретение, двух свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, изложена на 320 страницах машинописного текста (включая приложения), иллюстрирована 136 рисунками, содержит 60 таблиц, 15 приложений, библиографический список из 243 наименований.
Личный вклад автора заключается в разработке концепции управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики, организации, постановке и проведении экспериментальных и теоретических исследований, в разработке новых и совершенствовании действующих процессов и режимов обработки перспективных видов металлических изделий с заданным уровнем качества, обобщении полученных результатов.
Архитектура технологии производства металлических изделий
Технологический комплекс производства металлических изделий представляет группу взаимосвязанных и взаимодействующих технологических процессов, осуществляющих глубокую переработку продукции черной металлургии. К числу базовых технологических процессов, без которых невозможно их производство, следует отнести технологии горячей и холодной обработки металлов давлением, обработки резанием, термической и химико-термической обработки. Научные и технические знания общества вложены в эти технологии, в применении они считаются постоянными и воспроизводимыми, а также обладают свойством аддитивности [4]. Свойство аддитивности позволяет объединять одну технологию с другой и получать новую, не изменяя при этом базовые принципы формирования показателей качества готовой продукции.
Практически любую технологическую схему производства металлических изделий можно представить в виде трех последовательно реализующихся технологических блоков (рис. 1.4). В зависимости от вида продукции первые два технологических блока могут циклически повторяться.
В состав блока подготовительных операций входят операции термической обработки (при необходимости), подготовки поверхности к деформации, целью которых является обеспечение требуемой структуры, механических свойств и качества поверхности исходного горячекатаного или передельного металла к основным процессам формоизменения. Основной вид термической обработки на этой стадии - отжиг различного назначения (рекристаллизацион-ный, сфероидизирующий, полный) [5] .
При производстве высокопрочной проволоки применяют специальный вид термообработки - патентирование [6].
Для подготовки поверхности металла к деформации могут быть использованы: химические методы (травление в растворах кислот с последующим нанесением подсмазочного слоя); механические методы (механическое окалино-ломание, дробеструйная, резцовая и другие обработки). Набор технологических операций и их последовательность в рассматриваемом блоке зависит от выпуска конкретного вида продукции.
В состав технологического блока основного формоизменения могут входить различные способы холодной и горячей пластической обработки металлов давлением. Применение того или иного способа деформационной обработки металлического изделия обуславливается его формой и размером, материалом, технологическими возможностями оборудования, требованиями нормативно-технической документации к показателям качества (см. рис. 1.3). В качестве базовых деформационных процессов получения металлических изделий обработкой металлов давлением используются: волочение в монолитных и роликовых волоках (холодное и теплое), холодная и теплая прокатка в системах двух-и многовалковых калибров, холодная и горячая объемная штамповка, процессы гибки и прессования [1,5,7-11]. Применяются также совмещенные способы: прокатка-волочение, волочение в монолитных - волочение в роликовых волоках и другие варианты сочетаний [12]. В случае, если в последующем технологическом блоке не предусмотрено значительное изменение показателей качества, а только их контроль, то целью обработки является обеспечение требуемого качества продукции по механическим свойствам, точности геометрических размеров, качеству поверхности и специальным характеристикам. При наличии последующих термических или иных воздействий целью обработки является придание изделию необходимой формы и размеров, механических и специальных свойств, а также качества поверхности.
В состав технологического блока окончательных операций и контроля могут входить операции окончательной термообработки (закалка-отпуск, сфе-роидизирующий отжиг, отпуск), отделочные и упрочняющие операции, основанные на методах обработки металлов давлением (правка, обкатка, вытяжка, механоциклическая обработка и др.), операции контроля качества продукции.
Согласно приведенной схеме можно отметить, что процессы формирования показателей качества металлических изделий базируются на взаимодействии методов обработки различной физической природы (рис. 1.5).
Большой вклад в формировании научной и практической базы производства металлических изделий внесли И.М. Павлов, И.Л. Перлин, СИ. Губкин, К.Д. Потемкин, И.А. Юхвец, Г.Э. Аркулис, А.Л. Тарнавский, К.И. Тулен-ков, Х.С. Шахпазов, И.Н. Недовизий, Л.А. Красильников, Н.В. Соколов, В.Я. Зубов, М.И. Злотников, Ю.И. Коковихин, Г.Л. Колмогоров, В.Л. Колмогоров, Г.С. Гун, М.Г. Поляков, Б.А.Никифоров, С.А. Зайдес, B.C. Паршин, М.Ф. Глушко, Б.Р. Картак, Г.А. Навроцкий, Н.И. Шефтель, В.Г. Шеркунов, В.А. Кулеша, Х.Н. Белалов, В.А. Харитонов, В.В. Битков, Г. Закс, Г. Бюлер, К. Ритман, О. Повельски, К. Митцнер и многие другие.
В ходе развития технологий метизного производства, характеризующегося взаимопроникновением знаний из смежных отраслей науки и техники, основные изменения касались совершенствования вспомогательных ходов технологических процессов, связанных с механизацией и автоматизацией, ускорением движения исполнительных механизмов, совмещения технологических операций в едином потоке [11]. Это послужило основой для создания и внедрения высокопроизводительного оборудования, современных модульных технологических линий, позволяющих повысить производительность труда за счет исключения из технологического цикла трудоемких, малопроизводительных операций, сократить производственные площади, резко снизить затраты на межоперационные перевозки [8,12].
Многообразие методов обработки, используемых в технологиях производства металлических изделий и свойство аддитивности, открывают широкие технологические возможности по формированию показателей качества продукции, созданию схем обработки, обладающих высокой степенью технологической развязки, внутренней гибкостью с большим числом вариантов, мобильностью при смене сортамента, возможностью выполнения малотоннажных партий, что является важным преимуществом в условиях нестабильной конъюнктуры рынка и цикличности спроса на продукцию. Здесь возможны технические решения на основе научных достижений различных областей знаний, внедрении известных технологических решений в новых условиях, объединяющих различные принципы обработки с учетом специфики их взаимодействия при формировании показателей качества изделий.
Показатели качества готовых металлических изделий формируются на протяжении всего процесса обработки и технологически наследуются от предшествующей операции к последующей (рис. 1.6).
При этом под технологическим наследованием понимается явление переноса (передачи) показателей качества металлических изделий от предшествующих операций к последующим. Исходя из этого понимания, в работах [13-15] определены основные принципы теории технологической наследственности, сформулировано учение о наследственных связях.
Последовательность включения тех или иных методов обработки в технологическую цепочку определяется на основе знаний о качественном и количественном их влиянии на технологическое наследование показателей качества изделий при решении конкретной технологической задачи. При проектировании технологии обработки первоначально оценивается характер наследования показателей качества металла в соответствии с назначением технологического метода. Последующий этап базируется на определении необходимой количественной степени технологического наследования показателей качества и построении на этой основе результативных режимов обработки, обеспечивающих заданный уровень эксплуатационных свойств продукции.
Специфической особенностью обработки в технологиях метизного производства является значительная немонотонность и разнонаправленность пооперационного изменения значений показателей качества изделий. Причем показатели качества обладают различной степенью чувствительности к технологическим воздействиям при одинаковых режимах обработки. Например, при волочении проволоки из стали марки 10 с диаметра 16,0 на 15,0 мм (степень деформации 12%), временное сопротивление повышается с 370 до 500 МПа (прирост 35%), относительное удлинение уменьшается с 30 до 7% (падение 76 %), а относительное сужение снижается с 69 до 67% (падение около 3%) [1].
Калибрование исходной заготовки после обточки
При математическом моделировании формирования параметров шероховатости поверхности стали при калибровании исходной заготовки после резцовой обточки рассматривали процесс пластической деформации микровыступа для параболической модели микрорельефа с учетом принятых допущений (рис. 3.7).
Усилие деформации микровыступа определяли аналогично (3.2) с помощью метода совместного решения дифференциального уравнения равновесия и условия пластичности [130].
Величину средней нагрузки, действующей в очаге деформации на поверхность обточенной стали с различной начальной высотой микронеровностей Н, находили из уравнения.
На рис. 3.8 - 3.12 приводятся некоторые результаты моделирования влияния параметров управления процессом калибрования в монолитной волоке на формирование высотного параметра шероховатости поверхности стали Ra. На рис. 3.8 представлена зависимость параметра шероховатости поверхности калиброванной сталила от значений параметра шероховатости исходной заготовки RaQupn различных видах подготовки поверхности стали к деформации. Из анализа зависимости (рис. 3.8) видно, что при увеличении значений параметра Ra0 исходной заготовки шероховатость поверхности калиброванной стали пропорционально возрастает, что хорошо согласуется с литературными данными [110,125]. При одинаковом значении параметра Ra0 шероховатость поверхности калиброванной стали, полученной из заготовки после обточки, характеризуется более высокими значениями Ra, чем после травления. Такой характер формирования параметра шероховатости объясняется высокой плотностью пиков на поверхности стали после механической обработки путем резцовой обточки. С увеличением плотности пиков площадь контактной поверхности в очаге деформации возрастает, а контактное давление на отдельные пики уменьшается, что приводит к меньшему сглаживанию параметров шероховатости поверхности обточенной стали в процессе калибрования.
На рис. 3.9 и 3.10 приведены зависимости изменения параметра шероховатости поверхности стали Ra в процессе калибрования от предела текучести (Тт при различных значениях модуля упрочнения материала D.
Характер изменения параметра шероховатости поверхности калиброванной стали Ra характеризуется обратной зависимостью от предела текучести и прямой зависимостью от модуля упрочнения материала. С увеличением предела текучести калибруемой стали увеличивается контактное давление в очаге деформации, что в большей степени способствует сглаживанию микровыступов поверхности. Увеличение модуля упрочнения калибруемой стали определяет меньшую степень деформации пиков микронеровностей поверхности. На рис. 3.11 представлена зависимость изменения параметра шероховатости поверхности стали Ra от степени деформации при калибровании. Зависимость является обратной, так как с увеличением степени деформации контактное давление в очаге деформации возрастает, что приводит к большей степени выглаживания пиков микронеровности поверхности. На рис. 3.12 представлены зависимости изменения параметра шероховатости поверхности стали Ra от угла рабочего канала волоки ос. Увеличение угла рабочего канала волоки при калибровании приводит к уменьшению параметра шероховатости Ra, что объясняется увеличением контактного давления и вытеснением смазки из очага деформации при обработке, что в свою очередь способствует интенсификации выглаживания пиков микронеровностей исходной заготовки.
Полученные в данном разделе результаты в дальнейшем были использованы в качестве исходной информации при разработке структуры и параметрической идентификации логических правил управления показателями качества поверхности калиброванной стали.
Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки под профилирование
Исследование напряженного состояния в процессе волочения промежуточной заготовки под профилирование выполняли методом линий скольжения с учетом общепринятых допущений на основании способа решения осесиммет-ричных задач теории пластичности, предложенного Г. Генки и развитого отечественными учеными Л.М. Качановым, Г.Э. Аркулисом, Х.И. Копыловским. [25, 213-215]. Для автоматизации расчетов, построения и визуализации полей напряжений в очаге деформации при волочении было разработано программное обеспечение «Автоматизированный расчет напряженно-деформированного состояния методом линий скольжения при волочении» (рис. 5.3, 5.4) [216].
С использованием программы выполнили анализ влияния параметров управления процессом волочения на распределение напряжений по сечению проволоки. На рис. 5.5 - 5.7 показано распределение радиальных сгг и продольных напряжений сг вдоль границы поля линий скольжения на входе в очаг деформации и влияние на него различных параметров управления: степени деформации, угла канала волоки и контактного трения. Анализируя полученные данные установлено, что продольные напряжения сг являются растягивающими в центральной части очага деформации и сжимающими в контактной области. С учетом знака они уменьшаются от оси проволоки к контактной поверхности и увеличиваются от входного сечения очага деформации к выходному. Радиальные напряжения тгг являются преимущественно сжимающими по всему очагу деформации. По абсолютной величине они уменьшаются от контактной поверхности к оси и от входного сечения проволоки к выходному.
Таким образом, наиболее неблагоприятное напряженное состояние имеет место на оси проволоки, где максимальны с учетом знака и продольные, и радиальные напряжения. Неравномерность распределения напряжений по сечению проволоки с уменьшением степени деформации возрастает (рис. 5.5). Продольные напряжения сг являются растягивающими на оси проволоки при любых степенях деформации. Причём с уменьшением степени деформации они увеличиваются. При малых степенях деформации поверхностные слои проволоки у входа в волоку оказываются сжатыми в продольном направлении [сг}у 0). Радиальные напряжения 7гг с учетом знака уменьшаются от оси проволоки к поверхности, где имеют максимум по абсолютной величине. Причем при больших степенях деформации радиальные напряжения на оси проволоки сжимающие, а при малых степенях деформации - растягивающие. Таким образом, при определенных параметрах управления процессом волочения в центральных слоях проволоки может возникнуть неблагоприятная зона напряженного состояния всестороннего растяжения.
Как видно из рис. 5.5, чем меньше степень деформации, тем больше растягивающие напряжения и протяженность зоны всестороннего растяжения на оси проволоки. Увеличение угла канала волоки действует аналогично уменьшению степени деформации при волочении (см. рис. 5.6). Чем больше значение угла канала волоки, тем больше неравномерность напряженного состояния. С увеличением угла канала волоки радиальное напряжение Jrr растет по всему сечению. Продольное напряжение сг при этом увеличивается на оси проволоки, а у поверхности убывает и принимает даже отрицательные значения. Контактное трение оказывает сравнительно слабое влияние на напряженное состояние (см. рис. 5.7). С увеличением коэффициента трения радиальное напряжение возрастает по всему сечению проволоки, а продольное напряжение на оси проволоки увеличивается и убывает к ее поверхности. Таким образом, увеличение контактного трения действует аналогично уменьшению степени деформации и увеличению угла волоки. Однако при характерных процессу волочения значениях коэффициента трения / = 0,02 0,1 эти изменения невелики.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при некоторых параметрах процесса волочения в центре очага деформации имеется зона напряженного состояния всестороннего растяжения. Протяженность её по радиусу проволоки и действующие в ней растягивающие напряжения тгг и сг тем больше, чем меньше степень деформации и больше угол канала волоки. Напряженное состояние всестороннего растяжения является весьма неблагоприятным для материала протягиваемой проволоки. В зависимости от материала, его структуры, параметров обработки наличие зоны всестороннего растяжения может проявлять себя по-разному во внутренней области изделия. В одних случаях могут образовываться внутренние дефекты в проволоке, в других -только понижаться твердость и наблюдаться явление «разрыхления» [25,212] .
Для прогноза вероятности возникновения неблагоприятного напряженного состояния при волочении разработанный программный продукт предусматривает расчет критериев тип, оценивающих рациональность назначаемых режимов обработки [217].
Результаты моделирования напряженного состояния при волочении в дальнейшем были использованы при структурной и параметрической идентификации логических правил управления для поддержки принятия управляющих решений при назначении режимов обработки на этапе холодной пластической деформации арматуры.
Разработка и промышленная реализация технологических режимов производства калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности
В настоящем разделе приводятся результаты реализации разработанной методологии управления показателями качества металлических изделий на примере проектирования режимов обработки калиброванной стали с регламентированным качеством поверхности.
Выполненные исследования и моделирование процессов формирования и технологического наследования показателей микрорельефа поверхности стали при калибровании (см. гл. 3) послужили основой для разработки математической модели с элементами нечеткой логики для управления качеством поверхности стали, позволяющей определять режимы обработки, обеспечивающие заданный уровень ее потребительских свойств. Математическая модель была реализована в специализированной программе FuzzyTECH Professional и использована при проектировании промышленных режимов изготовления калиброванной стали диаметром 16,65 мм с регламентированным качеством поверхности по ТУ 14-176-128-03 в условиях ОАО «МКЗ» (Приложение 5).
Требования к показателям качества готовой продукции приведены в табл. 7.6. В микроструктуре стали содержание зернистого перлита должно быть не менее 80%. Глубина обезуглероженного слоя поверхности стали не должна превышать 0,15 мм на сторону. Заготовкой для производства калиброванной стали является бунтовой подкат диаметром 19,0 мм из стали марки 40Х обычной точности прокатки В по ГОСТ 2590 группы качества поверхности 1 по ГОСТ 10702.
Пооперационная технология производства калиброванной стали включала технологические операции, приведенные на рис. 7.4. Как уже отмечалось, основной причиной ухудшающей качество поверхности калиброванной стали являются дефекты поверхности исходной заготовки, наследуемые с прокатного передела. В качестве предупреждающего воздействия, направленного на подавление неблагоприятных наследственных связей, в технологическую схему обработки была включена операция резцовой обточки с целью удаления и предотвращения технологического наследования дефектов поверхности прокатного происхождения, а также обезуглероженного слоя, образовавшегося в результате выполнения операции сфероидизирующего отжига.
Термическая обработка подката осуществлялась в электрической колпа-ковой печи типа СЮБ 6001 согласно разработанной технологической карте ТК 176-МТ.КР-232-2005 (Приложение 6). Для формирования структуры зернистого перлита отжиг стали проводился в защитной атмосфере по режиму: I зона - 770 С, II зона - 740 С; по достижении температуры 740 С по середине садки задание менялось: I зона - 720 С, II зона - 700 С. Продолжительность сфероидизирующего отжига составляла 42 - 45 ч. По окончании выдержки сталь охлаждалась под колпаком до температуры 600 С по стендовой термопаре. При этом температура стали составляла 600 С (по гибкой термопаре). После снятия колпака сталь охлаждалась под муфелем до температуры 120 С.
Операцию резцовой обточки осуществляли на линии «Кизерлинг» вращающимися резцами с режущими кромками, находящимися на головке. Режущая головка состояла из четырех резцедержателей, в которые вставлялись твердосплавные режущие пластины трехгранной формы. Режим обточки указан в табл. 7.9. При обточке стали использовали охлаждающую жидкость, приготовленную на основе эмульсола «Ровел-Уверол».
В процессе производства калиброванной стали для оценки влияния технологических операций на механические свойства и показатели качества поверхности со всех технологических переделов отбирали не менее 10 образцов. Вся совокупность показателей качества стали выявлялась на основе общепринятых методик в сертифицированной центральной лаборатории завода. Высотные параметры шероховатости поверхности стали в продольном направлении измеряли по периметру образцов на четырех трассах по восемь повторений на каждой с помощью профилометра PGN-1 на базовой длине 0,8 мм по методике ГОСТ 2789. Результаты испытаний образцов представлены в табл. 7.10.
После обточки производилась подготовка поверхности стали к калиброванию в соответствии с производственными режимами. Для обеспечения заданного уровня качества поверхности калиброванной стали ее повторно калибровали с диаметра 17,3 мм на конечный диаметр 16,65 мм. Параметры управления процессом калибрования определили на основе разработанной математической модели с элементами нечеткой логики с использованием блока логических правил управления качеством поверхности стали после резцовой обточки (см. п. 3.4). Согласно расчету для обеспечения требуемого значения высотного параметра шероховатости поверхности Ra (не более 1,5 мкм) необходимо обточенный подкат диаметром 17,3 мм с параметром шероховатости поверхности Ra0 = 2,5 мкм и временным сопротивлением разрыву 570 МПа подвергнуть калиброванию со степенью деформации 7 % в монолитной волоке в с углом рабочего канала 16 и длиной калибрующей зоны /кп = 2,5 мм.
Технологический инструмент с необходимыми геометрическими параметрами был изготовлен в условиях калибровочного цеха ОАО «МКЗ». Процесс калибрования по разработанному режиму 17,3 — 16,65 мм вели на промышленных скоростях на волочильном стане ВМ - 1/750. Результаты переработки калиброванной стали представлены в табл. 7.11.
Динамика изменения коэффициента технологического наследования (2.35) высотного параметра шероховатости поверхности калиброванной стали в процессе обработки представлена на рис. 7.5.
Опытно-промышленная проверка показала, что разработанные на основе математической модели технологические режимы калибрования обеспечивают заданный уровень качества поверхности готовой продукции.
По результатам выполненных исследований разработаны и внесены изменения в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-135-05 «Производство проката со специальной отделкой поверхности» (Приложение 7). Результаты работы были использованы при составлении программы технического развития и проведении тендера по закупке метрологического инструментария и оборудования для производства высококачественной калиброванной стали на ОАО «МКЗ» (Приложение 8).
