CC BY
66
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.771
КуницынГ.А., Голубчик Э.М., Песин А.М., Салганик В.М., Пустовойтов Д.О.
ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЁМНОГО ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ УЗКОЙ ЛЕНТЫ
Традиционно при анализе формоизменения металла в низких очагах деформации тонколистовой холодной прокатки поперечной деформацией металла пренебрегают. Для случаев прокатки широких полос это оправдано. Однако при существенном уменьшении ширины, например при прокатке узкой ленты, поперечное течение металла становится сложно игнорировать.
На 5-клетевом стане 630 ОАО «ММК» существует проблема прокатки полос из подката, имеющего клиновидный профиль поперечного сечения [1, 2]. Это связано с тем, что подкат получают путём роспуска широких горячекатаных рулонов. В результате его поперечный профиль меняется от плоского (центральные полосы при роспуске) до клиновидного (крайние полосы при роспуске) (рис. 1). Клиновидность крайних полос послероспус-ка колеблется от 0,03-0,06 мм на низкоуглеродистых и среднеуглеродистых марках сталей до 0,08-0,20 мм на высокоуглеродистых и легированных Соответственно после прокатки клиновидный профиль подката полностью переждит на готовую продукцию. Одним из возможных способов снижения относительной клиновид-ности ленты в процессе прокатки является увеличение поперечного течения металла [2, 3].
Целью данной работы является изучение основных закономерностей объёмного течения металла в низком симметричном и горизонтально асимметричном очаге деформации при жшодной прокатке узкой ленты, а также разработка на их основе эффективных технологических решений, позволяющих уменьшить клиновидность ленты.
Для математического моделирования технологических операций обработки металлов давлением широко используются специализированные пакеты прикладных программ, основанные на методе конечных элементов. Одним из таких пакетов является программный комплекс DEFORM 3D.
L.
J
С
Рис. 1. Поперечный профиль ленты при холодной прокатке: а - клиновидный; б - выпуклый; в - вогнутый
В основе конечно-элементной математической модели программного комплекса DEFORM положен подход Lee-Kobayashi [4, 5]. Математическая постановка задачи базируется на одном из наиболее известных вариационных принципов - на начале виртуальных скоростей, который выражается в виде следующего функционала:
5л = Jо 58dV- J F5uidS+KJsv 5svdV = 0,
(1)
’де J о 5sdV- мощность пластической деформации;
V
J FiSuidS- мощность внешних сил; K J sv SsvdV-
изменение объёма;
о =л/з/2 (о'о') = О (8 )-
тенсивность напряжении; о~- девиатор напряжении;
8 =у1 2/3 (8'е' ) - интенсивность скоростей деформаций; 8* - девиатор скоростей деформаций; ёу = £и ; 5и;- виртуальное поле скоростей, удовлетворяющее граничным условиям; V - объём деформируемого материала; Г1 - силы, действующие на поверхности 8р; К - константа с большим положительным значением («штраф»).
Связь между напряжениями и скоростями деформаций:
где
°ij =
k =-
1
3 8
+ + -2G iJ 3k 2 о E
(2)
-- модуль объёмной деформации; 3(1 - 2у )
Е - модуль упругости первого рода; О - модуль упругости второго рода; V - коэффициент Пуассона.
Напряжения трения на контактной поверхности с рабочим инструментом описываются по закону Амонтона-Кулона:
(3)
где ц - коэффициент трения; p - удельное нормальное давление.
V
На рис. 2, 3 представлены структура упругопластического очага деформации и схема процесса холодной прокатки ленты, принятая при моделировании.
Численное исследование проводили для высокоуглеродистой стали 70 толщиной 3 мм и шириной 50 мм с клиновидностью Зі = 0,04 мм. Анализировали влияние клиновидности на поперечное течение и уширение металла.
В результате исследования было получено, что при прокатке полос из подката клиновидного поперечного сечения появляется заметное различие в характере поперечной деформации металла со стороны левой и правой кромок полосы. Поперечное течение металла со стороны более толстой кромки увеличивается, а со стороны более тонкой - уменьшается (рис. 4).
На рис. 5 представлена кривая течения металла в поперечном направлении при прокатке ленты с клиновидным профилем. Перемещение металла со стороны более толстой кромки составило 0,547 мм, а со стороны более тонкой - 0,515 мм. Относительная разница уши-рений для левой и правой кромки составила 5,85%. При этом линия нулевого перемещения смещается в сторону более тонкой кромки на величину А (рис. 6).
На рис. 7 представлена скорость течения металла в поперечном направлении при прокатке узкой ленты с клиновидным профилем. Скорость перемещения частиц линейно возрастает от 0 для центральных слоев до 11,07 мм/с на кромке. При этом скорость на более тонкой кромке составляет 10,71 мм/с, а на более толстой - 11,07 мм/с. Относительная разница скоростей для левой и правой кромки составила 3,25%.
На основе моделирования МКЭ получены данные о распределении интенсивности деформации по ширине ленты. На рис. 8 показана интенсивность деформации при прокатке ленты с клиновидным профилем. Интенсивность деформации со стороны более толстой кромки составляет 0,425 мм/мм, а со стороны более тонкой - 0,403 мм/мм. Таким образом, относительная разница интенсивности деформации для левой и правой кромки составила 5,17%. Это объясняется тем, что смещённый объём со стороны более толстой кромки выше, чем со стороны более тонкой.
Выполнено исследование влияния профиля полосы (прямоугольный, выпуклый, вогнутый) (рис. 9) на поперечное течение металла при прокатке узкой ленты. Результаты моделирования представлены на рис. 10-11.
Упругая зона ■ Жёсткая зона ■ -Упрочнённая жёсткая зона Рис. 2. Структура очага деформации
Ж
Валок
Поле перемещении!
Направление
прокатки
Рис. 4. Поле перемещений в очаге деформации при прокатке ленты с клиновидным поперечным сечением (б=30%, ц=0,1)
И
I
I
(X
с
Лента
Симметрия относительно
ПЛОСКОСТИ 2-Х
Рис. 3. Схема процесса холодной прокатки ленты
Рис. 5. Перемещение частиц металла в поперечном направлении
При прокатке ленты 3x100 мм из стали 70 (е = 30%, ц = 0,1) с прямоугольным поперечным сечением уширение составило 0,62 мм. При прокатке ленты с выпуклым профилем (8Ь = 0,04 мм) уширение уменьшается до 0,58 мм (на 6,45%), а при прокатке ленты с вогнутым профилем (8Ь = 0,04 мм) уширение увеличивается до 0,82 мм (на 32,26%) в сравнении с прямоугольным профилем. Это объясняется тем, что при прокатке ленты с выпуклым профилем максимум интенсивности деформации наблюдается в середине полосы. Он составляет 0,405 и уменьшается к кромке до 0,387 (см. рис. 11). При прокатке ленты с вогнутым
профилем наблюдается обратная картина. Максимум интенсивности деформации смещается к кромкам ленты, составляет 0,405 и уменьшается к середине до
0,386. Поэтому при прокатке ленты с выпуклым профилем, в сравнении с прямоугольным, уширение уменьшается, а при прокатке ленты с вогнутым профилем - увеличивается.
Выводы
Теоретическое исследование процесса холодной прокатки ленты подтверждает объёмный характер течения металла, а не плоский, принятый в научных публикациях Особенностью полученных результатов являет-
Рис. 6. Смещениелинии нулевого перемещения на величину А
Рис. 9. Форма поперечного сечения ленты: а - выпуклая; б - вогнутая
Рис. 7. Скорость перемещения частиц металла в поперечном направлении
&
с
&
С
Расстояние от центральной оси, мм
Рис. 10. Влияние профиля подката на поперечное течение металла
Координата по ширине, мм
Рис. 8. Распределение интенсивности деформации по ширине при прокатке ленты с клиновидным профилем
Э £ ^ 8 3 К
И
8
к
0,402
0,400
0,398
0,396
0,394
0,392
0,390
0,388
0,386
0,384
[Т|Т,| 1 1 . 1 1 1
__ м —1 — ■ _
% I- 1
Ґ N
у
■ ? 5
I Выпуклый £
И _ Воі 'нутый ямоугольный 1 ►
№ Пр.
і і і і
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Расстояние от центральной оси, мм
Рис. 11. Распределение интенсивности деформации по ширине при прокатке ленты с различным поперечным профилем
ся наличие чётко выраженного уширения и соответствующей поперечной деформации металла по ширине ленты. Этот факт потребовал существенного пересмотра методик анализа формоизменения ленты, особенно с учётом клиновидности поперечного сечения подката после продольного роспуска горячекатаныхполос.
Впервые выполнено численное моделирование объёмного течения металла при холодной прокатке узкой ленты в зависимости от формы профиля попереч -ного сечения: клиновидный, выпуклый, вогнутый. Показано распределение интенсивности деформации и скорости течения металла по ширине ленты при холодной прокатке. Установлено, что уширение значительно возрастает (до 32%) при прокатке ленты с вогнутым профилем и уменьшается (на 6,5%) при прокатке ленты с выпуклым профилем в сравнении с подкатом, имеющим прямоугольное поперечное сечение.
При прокатке полос из подката клиновидного поперечного сечения появляется заметное различие в характере поперечной деформации металла со стороны левой и правой кромок полосы. Поперечное течение металла со стороны более толстой кромки увеличивается, а со стороны более тонкой - уменьшается. При этом относительная разница между уширением со стороны левой и правой кромок возрастает до 6%. Линия нулевого перемещения смещается в сторону более тонкой кромки на 0,6 мм.
Список литературы
1. Технология ХОЛОДНОЙ прокатки точных и бездефектных полос в условиях неравномерного обжатия по ширине / Ку-ницын Г.А., Салганик В.М., Песин А.М.; Магнитогорск. гос. те<н. ун-т. Магнитогорск, 2000. 60 с. Деп. в ВИНИТИ
11.08.00, № 2227-В 00.
2. Внедрение новых технологий асимметричной прокатки в ОАО «ММК» / СалганикВ.М., ПесинА.М., Трахтенгерц Е.П., Дригун Э.М. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: межрегион. сб. науч. трудов. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 128-133.
3. Песин А.М. Моделирование и развитие процессов асиммет-ричного деформирования для повышения эффективности листовой прокатки: дис. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск, 2003. 395 с.
4. Kobayashi S., Oh S.I. and Altan T. Metalforming and the Finite-Element Method. Oxford University Press. 1989. 377 p.
5. Oh S.I., Wu W.T., Tang J.P. Capabilities and applications of FEM code deform: the perspective of the developer // Materials Processing Technology. 1991. Vol. 27. P. 25-42.
Bibliography
1. Cold rolling of flaw-free strips at nonuniform width reduction / Kunitsin G.A., Salganik V.M., Pesin A.M.; Magnitogorsk state technical university. Магнитогорск. Magnitogorsk, 2000. 60 p. Dep. in VINITI 11.08.00, № 2227-B00.
2. Introduction of new technology of asymmetrical rolling at OJSC «MMK» / Salganik V.M., Pesin A.M. Trahtengerts E.P., Dri-gun E.M. // Modelling and developments of metal forming processes: collection of scientific works. Magnitogorsk: MSTU, 2002. P. 128-133.
3. Pesin A.M. Modelling and development of asymmetrical deformation processes aimed at the improvement of sheet rolling effectiveness: thesis ... Doctor of technical sciences. Magnitogorsk, 2003. 395 p.
4. Kobayashi, S., Oh S.I. and Altan T. Metalforming and the Finite-Element Method. Oxford University Press. 1989. 377 p.
5. Oh S.I., Wu W.T., Tang J.P. Capabilities and applications of FEM code deform: the perspective of the developer // Materials Processing Technology. 1991. Vol. 27. P. 25-42.
УДК 621.778.8
Железков O.C., Семашко B.B.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРЕЗКИ ГРАНЕЙ ГОЛОВОК КЛЕММНЫХ БОЛТОВ
Клеммные болты по ОСТ 32.161-2000 (рис. 1) широко применяются в современных конструкциях верхнего строения железнодорожного пути для крепления рельс к железо бетонным шпалам. В условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» они изготавливаются в больших объ-
мах методом холодной штамповки на многопозиционных автоматах-комбайнах <ЗРВА-161, КА -64, КА -74 [1].
Применяемый технологический процесс изготовления клеммных болтов включает следующие операции: отрезка заготовки; предварительная высадка конической головки; окончательная высадка головки в виде шарового сегмента, примыкающего к стержню, и торцевого цилиндрического участка с диаметром =47 мм; редуцирование участка стержня под накатку резьбы; обрезка двух параллельных граней головки с опиранием криволинейной опорной поверхности заготовки на режущие кромки матрицы; накатка резьбы [1].
Операция обрезки граней состоит из двух этапов. На первом этапе при движении пуансона срезаемый металл в виде облоя зажимается между торцевыми поверхностями матрицы и пуансона. На втором этапе при движении выталкивателя производится проталкивание головки через отверстие в пуансоне с отделением облоя.
