Исследования влияния распространения температуры на состояние ножей горячей резки проката Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

https://doi.org/10.15350/17270529.2023.3.36

УДК 620.16

1.3.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические, физико-математические науки)

Исследования влияния распространения температуры на состояние ножей горячей резки проката

В. Б. Дементьев, Т. Н. Иванова, А. И. Коршунов

Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Россия, 426067, Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

Аннотация. Проведенные исследования показывают, что поверхностный слой ножей испытывает резкие температурные скачки в верхних слоях, по мере движения вглубь поверхности максимальная температура быстро снижается. Несоблюдение режимов и времени резания приводит к циклическому нарастанию температуры, которая может достигнуть критических значений. Также, периодические циклы кратковременного интенсивного нагрева и охлаждения приводят к появлению микро и макротрещин на рабочей поверхности ножа, возникающие напряжения способствуют дополнительному интенсивному износу и неравномерному выкрашиванию режущей кромки ножа. Проведены исследования по повышению качества и глубины упрочнения с применением высокотемпературной термомеханической поверхностной обработки с вибропластическим деформированием. Выявленные особенности влияния распределения температур по сечению ножа с учетом цикла нагрева-охлаждения позволяют регулировать время движения ножей, а также рекомендовать оптимальный материал для ножей резки горячего металла и режимы резки.

Ключевые слова: температура, нож, охлаждение, твердость, сталь.

И Вячеслав Дементьев, e-mail: demen@udman.ru

Studies of the Influence of Temperature Distribution on the Condition of Hot Cut Knives

Vyacheslav B. Dementyev, Tatyana N. Ivanova, Aleksandr I. Korshunov

Udmurt Federal Research Center UB RAS (34, T. Baramzina St., Izhevsk, 426067, Russian Federation)

Summary. Hot metal cutting knives are subjected to severe dynamic conditions: periodic impacts, uneven repeated heating and abrupt cooling - leading to deformation of the cutting edge, heat cracks and changes in the structure of the surface layer of the knife. Taking into account the heating-cooling cycle, the effect of temperature propagation over the cross section and deep into the surface of the knife depends on the time of the movement of rolls, the material of hot cutting knives and cutting modes. Thus, the difficult operating conditions of hot cutting knives lead to the fact that their durability is on average 15-20 days. The conducted studies show that the surface layer of knives experiences sharp temperature jumps in the upper layers; as you move deeper into the surface, the maximum temperature quickly decreases. Failure to comply with cutting conditions and time leads to a cyclic increase in temperature, which can reach critical values. In addition, periodic cycles of short-term intense heating and cooling lead to the appearance of micro and macro cracks on the working surface of the knife; the resulting stresses contribute to additional intensive wear and uneven chipping of the cutting edge of the knife. Studies have been carried out to improve the quality and depth of hardening with the use of high-temperature surface treatment (HTMST) with vibroplastic deformation. Taking into account the heating-cooling cycle, the revealed features of the influence of the temperature distribution over the cross section of the knife, make it possible to control the time of the movement of knives, as well as to recommend optimal material for hot.

Keywords: temperature, knife, cooling, hardness, steel.

El Vyacheslav Dementyev, e-mail: demen@udman. ru

Работа плоских ножей горячей резки происходит в сложных температурно-напряженных условиях [1, 2]. Ножи испытывают динамические нагрузки от ударов, многократный нагрев от высокой температуры разрезаемого металла и резкое охлаждение от подачи смазочно-охлаждающей жидкости, подводимой к зоне реза, интенсивный износ и пластическую деформацию режущей кромки. Кроме того, не смытые отходы окалины увеличивают температуру разогретой режущей кромки ножа. Последующее интенсивное охлаждение кромки вызывает фазовые изменения в поверхностном слое ножа до глубины 4 мм. Поэтому стали, применяемые для ножей горячей резки, должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Высокая прочность и вязкость при разогреве.

2. Не изменять форму и не разрушать кромку ножа при высоких ударных нагрузках и давлениях.

3. Оптимальная теплопроводность для обеспечения быстрого отвода тепла и не допущение чрезмерного разогрева режущей кромки ножа.

4. Высокое сопротивление термической усталости, вызываемой многократным нагревом и охлаждением режущей поверхности ножа.

Независимо от применяемой марки стали (40Х13, У7А, 9Х, 37ХН3А, 4Х5В2ФС и др.), термообработки (отпуск, медленное охлаждение и т.п.), наплавки на режущие кромки (твёрдым сплавов, керамическим флюсом и пр.; наложение буферного слоя электродами, поверхностным упрочнением наплавкой электродами ОК 93.06 на кобальтовой основе или электродами ОК 92.35, ОК 85.58 на никелевой основе, затем медленное охлаждение детали в теплоизоляционном материале, после остывания режущие кромки ножей шлифуются), нанесение нанопокрытий (титана, карбидов и пр.), стойкость ножей горячей резки составляет 15 - 20 суток. Ножи выходят из строя из-за образования трещин разгара на рабочей поверхности, которые возрастают с увеличением температуры и теплообмена, способствуют смятию режущей кромки и интенсивности износа (выкрашиванию). Часто в производственных условиях не соблюдается интервал между резами и время реза.

Для определения функции распределения температуры I (х, у, т) по сечению ножа во времени необходимо решить плоскую задачу теплопроводности, которая описывается уравнением [3]:

^ = , (1)

при граничных условиях

ду = 0, ду = / [ t (х, Ъ, т) - 0 [], = [* ( Я ,у,т)-^0 о 1 ] ,

, (2)

где ¿соо1 - температура смазочно-охлаждающей жидкости, °С; ^ - температура реза, °С.

Верхняя (х = К) и боковые (у = ±Ь) грани ножа все время поддерживаются при температуре равной ¿ССЮ1, поэтому можно ввести

в (х, у, ^ = Г (х, у, т) - ^ о о 1. (3)

Тогда уравнение (1) и граничные условия можно записать в следующем виде

дв (д2в , д2в\

(4)

9у = 0, в (х, Ъ , т) = 0 , в( Я ,у, т) = 0 ,

(5)

при граничных условиях

ду

дв(х.О.т')

Если рассмотреть разрывную функцию времени в виде ряда Фурье, вводя независимые переменные, после преобразований получим приближенное дифференциальное уравнение на верхней границе ножа

(6)

Результаты расчета изменения температуры на поверхности ножа приведены на рис. 1 при глубине 1; 6; 10; 16 мм в процессе реза с Я = 200 мм, Ь = 50 мм, ^=1100 °С, ¿еоо1 = 20 °С, то = 20 с, т1 = 4 с, нож из стали 40Х13, коэффициент температуропроводности а = 0.07 см2/с.

Изменение температуры точек ножа, находящихся на разных расстояниях от поверхности, показывает, что поверхностный слой испытывает резкие температурные скачки ближе к поверхности. По мере удаления вглубь поверхности максимальная температура быстро снижается. Чем дальше точки от поверхности, тем быстрее выравнивается температура.

ГС

600 wo

200

1

<2\ \

3 \

Л

5

О 2 4 6 8 ю т. сек Рис. 1. Результаты расчета изменения температуры по сечению ножа в течение одного цикла нагрев - охлаждение: 1 - температура поверхности, 2 - 5 температура на расстоянии соответственно

1, 6, 10, 16 мм от поверхности

Fig. 1. The results of calculating the change in temperature over the cross section of the knife during one cycle of heating ■ cooling: 1 - surface temperature, 2 - 5 temperature at a distance of 1, 6, 10, 16 mm, respectively, from the surface

Результаты измерения температуры по сечению ножа горячей резки представлены на рис. 2.

При прорезке раската на поверхности ножа отмечается повышение температуры, которое носит циклический характер. При опускании ножа на раскат и в процессе реза температура поверхности интенсивно увеличивается. В последующем при перемещении раската температура ножа под влиянием охлаждающей жидкости резко снижается. Время нагрева ножа меньше времени охлаждения, однако с каждым новым резом температура поверхностных слоев увеличивается. Особенно большое количество тепла накапливается в период прорезки двух раскатов. При этом время между резками не превышает 15 с. Температура поверхности в отдельные моменты достигает критического интервала. При переходе на прорезку новой пары раскатов интервал между резами составляет 40 с, температура поверхности ножа при этом снижается до 80 - 100 °С. При последующих резах раскатов в связи с малыми интервалами между резами температура вновь циклически растет.

На глубине 6 мм отмечается более плавное повышение температуры. Цикличность, связанная с периодами реза и перемещения раската, не велика, колебания температуры не превышают 100 °С. Максимальная температура, достигающая 400 - 500 °С, наблюдается в отдельные периоды резки. На большей глубине 10 и 16 мм колебания температуры еще ниже. Рост носит закономерный характер, зависящий от соотношения периодов прорезки и перемещения раската. Максимальная температура с охлаждением на глубине 10 мм не превышает 250 °С, 16 мм - 200 °С (рис. 2, a).

Т.'с

60 180 300 420 540 660 г, сек

а)

60 180 300 420 540 660 г, сек

b)

Рис. 2. Результаты осциллографирования изменения температуры по сечению ножа: а) при интенсивном охлаждении, b) без охлаждения.

1 - 4 температура на расстоянии соответственно 1; 6; 10; 16 мм от поверхности

Fig. 2. Results of oscillography of temperature change across the knife section: a) with intensive cooling, b) without cooling. 1 - 4 temperature at a distance of 1, respectively; 6; 10; 16 mm from the surface

Циклически изменяется и разность температур по толщине ножа. В периоды реза она достигает 400 °С и более. Во время перемещения раскатов в результате интенсивного охлаждения поверхности ножа и в период перемещения сдвоенных раскатов разность температур резко снижается. Затем в процессе реза разность температур между поверхностью и глубинными точками вновь увеличивается.

Исследования [4] показали, что при резке проката появляются участки поверхности ножа с высокой и низкой температурой. Происходит закалка поверхностного слоя ножа с а^-у-превращением или с опасными у^-а-превращением. Многократное мартенситное превращение, протекающее в поверхностном слое, вызывает значительные фазовые напряжения, которые суммируются с термическими и эксплуатационными от действующих нагрузок, превышают предел упругой деформации отдельных микрообъемов поверхности [5]. Следствием являются микро- и макротрещины на рабочей поверхности ножа. Кроме этого, возникающие напряжения способствуют дополнительному интенсивному износу и неравномерным выкрашиванием режущей кромки ножа.

При отсутствии охлаждения нагрев происходит более интенсивно, достигает критической температуры и сохраняется более длительное время. Но разность температур резко уменьшается и после первых резов она выравнивается, что приводит к уменьшению напряжений. Трещины появляются под действием термических напряжений. Малая прочность материала ножа при высоких температурах приводит к смятию режущей кромки. Поэтому работа ножей без охлаждения недопустима [6].

Изменение динамики максимальной температуры нагрева участков по сечению ножа определялись электронно-микроскопическим и металлографическим способами, результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерения твердости и анализа микроструктуры закаленных образцов сталь У7А

Table 1. Results of hardness measurement and analysis of the microstructure of hardened samples of U7A steel

Расстояние от рабочей поверхности ножа Distance from the working surface of the knife, mm Средняя микротвердость Average microhardness, Средняя макротвердость Average macrohardness, HRC Микро структур а Microstructure Экспериментальная температура разогрева Experimental heating temperature, °С

0.2 280 23 Пластинчатый перлит Lamellar perlite 780-850

0.5 295 24 Пластинчатый перлит, участки феррита Lamellar pearlite, areas of ferrite 730-780

1 290 26 Пластинчатый перлит, участки феррита Lamellar pearlite, areas of ferrite 730-780

3 320 28 Сорбитообразный перлит Sorbitic perlite 600-650

5 410 40 Троосто-сорбит Troosto-sorbitol 450-480

6 500 47 Троостит Troostitis 420-480

8 560 50 Троостит Troostitis 380-420

10 650 55 Мартенсит и участки троостита Martensite and areas of troostite до 350

16 800 60 Мартенсит Martensite до 300

Исследования по измерению твердости проводили по глубине ножа от поверхности до 16 мм, где структура после термообработки (закалка, отпуск) до состояния неизменной структуры ножа - реечный мартенсит с величиной зерна до 15 - 20 мкм. Рассмотрим структуру и твердость от поверхности ножа от влияния градиента температуры и охлаждения СОЖ. Рассмотрим изменение структуры и твердости ножа при работе с учетом воздействия изменения температурных факторов. Так на глубине 10 мм в структуре возникают участки, соответствующие структуре - троостит, где температура соответствует среднему отпуску (350 °С). Следует отметить, что чем дальше от поверхности, тем больше появляется сорбитной структуры. Переходная структура в виде троостит в виде темных полей переходит в мартенсит. Сравнение результатов экспериментального (табл. 1) и теоретического распределения температур по сечению ножей горячей резки по выражениям (1) - (6) показало их сходимость.

Для повышения качества и глубины упрочнения проводили исследования высокотемпературной термомеханической поверхностной обработкой с вибропластическим деформированием (ВТМПО) [7]. Технологическая схема и общий вид установки ВТМПО представлены на рис. 3 и рис. 4.

При обработке по данной технологии упрочнения рассматривали влияние параметров процесса на качество упрочненного слоя и контактно-усталостную прочность ножей из стали 9Х. Качество ножей оценивали по конструктивной прочности материала при испытании образцов, вырезанных из упрочненного слоя. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Рис. 3. Конструктивная схема установки ВТМПО: 1 - привод, 2 - передняя бабка, 3 - заготовка, 4 - индуктор, 5 - задняя бабка, 6 - электродвигатель, 7 - редуктор, 8 - рейка, 9 - станина, 10 - тарированная пружина, 11 - виброударный механизм, 12 - узел накатки, 13 - накатной ролик, 14 - обкатной ролик, 15 - узел обкатки

Fig. 3. Structural diagram of the VTMPO installation: 1 - drive, 2 - headstock, 3 - workpiece, 4 - inductor, 5 - tailstock, 6 - electric motor, 7 - gearbox, 8 - rail, 9 - bed, 10 - calibrated spring, 11 - vibroimpact mechanism, 12 - knurling unit, 13 - knurling roller, 14 - rolling roller, 15 - running-in unit

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что статическое усилие при ВТМПО влияет на прочностные и пластические свойства [8]. При достижении оптимального усилия (50 МПа) прочность поверхностного слоя повышается (по сравнению с объемной закалкой) на 25 %, пластичность более чем в 3 раза, характеристики вязкости разрушения в 2 - 3 раза. Повышение комплекса свойств материала упрочненного слоя объясняется особым структурным состоянием термомеханически обработанной стали: увеличением плотности дислокаций (количества несовершенств), фрагментацией структуры и более равномерным распределением карбидных фаз, а также наличием благоприятных сжимающих напряжений (300 - 400 МПа). Повышенная плотность дислокаций увеличивает сопротивление микропластическим сдвигам, ведущим к зарождению трещин. Увеличение запаса вязкости и пластичности наиболее напряженных слоев в результате ВТМПО является основной причиной с точки зрения повышения конструктивно-усталостной прочности. Зная динамику изменений температуры по глубине, можно варьировать оптимальные свойства материала и режимы резки.

Рис. 4. Общий вид лабораторной установки ВТМПО

Fig. 4. General view of the VTMPO laboratory setup Таблица 2. Механические свойства упрочненного слоя ножей из стали 9Х

Table 2. Mechanical properties of the hardened layer of knives made of steel 9X

Технология упрочнения Hardening technology Поверхностная твердость Surface hardness, HV MPa Глубина упрочненного слоя Depth of hardened layer, mm Механические свойства Mechanical properties Характеристики вязкости разрушения Fracture toughness characteristics

ударный изгиб Impact bend статический изгиб Static bend

8 Y KCU KCV х=10-3

MPa % j/cm2 mm

Объемная закалка с печного нагрева до 1130 К, в масло Volumetric hardening from furnace heating to 1130 K, into oil 6000 сквозное 1300 1120 4.5 1.0 2 0.2 3

Поверхностная закалка с температуры 1170 К нагрева ТВЧ, п = 4 об/мин Surface hardening from a temperature of 1170 K with high-frequency heating, n = 4 rpm 6300 14-15 1420 1200 7.0 1.0 2.5 0.5 4

ВТМО ВУД: температура нагрева 1170 К; n = 4 об/мин, энергия удара 35 Дж с частотой 30 ударов в секунду при удельном усилии Р=50 МРа VTMO WOOD: heating temperature 1170 K; n = 4 rpm, impact energy 35 J with a frequency of 30 beats per second with specific force P=50 MPa

Р = 50 MPa 7200 16-17 1580 1350 14 3.5 6.0 2.0 7

Анализ полученных результатов исследований (теоретических и экспериментальных) позволяет сделать вывод о том, что при использовании ножей из сталей У7А, 40Х13, 9Х и других, относящихся к инструментальным и имеющих при термической обработке мартенситную структуру, срок службы ножей может возрасти в 1.5 - 2 раза за счет регулирования временного интервала резки проката и применения процесса ВТМПО, при котором формируется структура с равномерным распределением карбидных фаз в мартенситной структуре.

Исследование проводилось в рамках темы государственного задания 1021032422582-2-2.3.1 Исследование влияния термомеханических процессов для управления переходными параметрами процесса и режимов с учетом условий возникновения микроповреждений, формирующих структуры для изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками (FUUE-2022-0005).

The research was carried out within the framework of the topic of state assignment 1021032422582-22.3.1 Study of the influence of thermomechanical processes to control transient process parameters and modes, taking into account the conditions for the occurrence of microdamages that form structures for products with increased performance characteristics (FUUE-2022-0005).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ульяницкий В. Н., Петров П. А., Ульяницкая О. В., Билан Г. А. Анализ эффективности методов повышения стойкости и долговечности режущего инструмента ножниц прокатного производства // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. 2019. Вып. 15 (58). С. 78-86.

2. Чумаков Ю. А Исследование влияния условий нагружения на характер распространения реакции в плоском слое и его напряженно-деформированное состояние // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Материалы XXIV Всероссийской конференции. Омск: ОмГТУ, 2015. С. 210-214.

3. Трещев А. А., Петров А. А., Теличко В. Г. Напряженно-деформированное состояние тонких прямоугольных пластин из разносопротивляющихся материалов в условиях термосилового нагружения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 1. С. 110-117.

4. Anarova Sh. A., Ismoilov Sh. M. Mathematical support of the stress-strain state of rods under spatial load considering temperature // Проблемы вычислительной и прикладной математики. 2020. № 4 (28). С. 5-19.

5. Остсемин А. А., Уткин П. Б. Напряженно-деформированное состояние и коэффициенты интенсивности напряжений наклонного эллиптического дефекта в пластине при двухосном нагружении // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2010. № 2. С. 73-88.

REFERENCES

1. Ul'yanitskiy V. N., Petrov P. A., Ul'yanitskaya O. V.,

Bilan G. A. Analiz effektivnosti metodov povysheniya stoykosti i dolgovechnosti rezhushchego instrumenta nozhnits prokatnogo proizvodstva [Analyzing the efficiency of methods to enhance the resistance and durability of the rolling shear cutting tool]. Sbornik nauchnykh trudov Donbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Collection of Scientific Papers of Donbass State Technical Institute], 2019, iss. 15 (58), pp. 78-86. (In Russian).

2. Chumakov Yu. A. Issledovanie vliyaniya usloviy nagruzheniya na kharakter rasprostraneniya reaktsii v ploskom sloe i ego napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie [Study of the influence of loading conditions on the nature of reaction propagation in a flat layer and its stress-strain state]. Chislennye metody resheniya zadach teorii uprugosti i plastichnosti. Materialy XXIV Vserossiyskoy konferentsii [Numerical methods for solving problems of the theory of elasticity and plasticity]. Materials of the XXIV All-Russian Conference. Omsk: OmGTU, 2015, pp. 210-214. (In Russian).

3. Treshchev A. A., Petrov A. A., Telichko V. G. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie tonkikh pryamougol'nykh plastin iz raznosoprotivlyayushchikhsya materialov v usloviyakh termosilovogo nagruzheniya [Stress-strain state of thin rectangular plates of differently resisting materials under thermal force loading/ Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of the Tula State University. Technical Science], 2008, no. 1, pp. 110-117.

(In Russian).

4. Anarova Sh. A., Ismoilov Sh. M. Mathematical support of the stress-strain state of rods under spatial load considering temperature. Problemy vychislitel'noy i prikladnoy matematiki [Problems of Computational and Applied Mathematics], 2020, no. 4 (28), pp. 5-19.

5. Ostsemin A. A., Utkin P. B. Stress-strain state and stress intensity factors of an inclined elliptic defect in a plate under biaxial loading. Mechanics of Solids, 2010, vol. 45, iss. 2, pp. 214-225. https://doi.org/10.3103/S002565441002007X

6. Иванова Т.Н. Технологические особенности изготовления клинка // Наука и технологии. Том 3. Материалы ХКП Всероссийской конференции, посвященной 75-летию Государственного ракетного центра им. академика В.П. Макеева. М.: РАН, 2022. С. 116-124.

7. Шаврин О. И., Трухачев А. В., Савинов В. А., Конышев В. Н. Экономия металла и повышение его надежности в машиностроении. Устинов: Издательство Удмуртия, 1985. 96 с.

8. Шаврин О. И., Дементьев В. Б., Соловьев С. Д. Винтовое обжатие и виброударное деформирование заготовок в технологическом процессе высокотемпературной термомеханической обработки: Учебное пособие. Ижевск: Издательство УИР ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, 2021. 188 с.

6. Ivanova T. N. Tekhnologicheskie osobennosti izgotovleniya klinka [Technological features of blade manufacturing]. Nauka i tekhnologii [Science and technology]. Materialy XLII Vserossiyskoy konferentsii, posvyashchennoy 75-letiyu Gosudarstvennogo raketnogo tsentra im. ak. V.P. Makeeva. Moscow: RAN Publ., 2022, vol. 3, pp. 116-124. (In Russian).

7. Shavrin O. I., Trukhachev A. V., Savinov V. A., Konyshev V. N. Ekonomiya metalla ipovyshenie ego nadezhnosti v mashinostroenii [Saving metal and increasing its reliability in mechanical engineering]. Ustinov: Udmurtiya Publ., 1985. 96 p.

8. Shavrin O. I., Dement'ev V. B., Solov'ev S. D. Vintovoe obzhatie i vibroudarnoe deformirovanie zagotovok v tekhnologicheskom protsesse vysokotemperaturnoy termomekhanicheskoy obrabotki [Screw compression and vibration-impact deformation of workpieces in the technological process of high-temperature thermomechanical processing]: Uchebnoe posobie. Izhevsk: IzhGTU Publ., 2021. 188 p.

Поступила 07.06.2023; после доработки 25.09.2023; принята к опубликованию 16.10.2023 Received June 7, 2023; received in revised form September 25, 2023; accepted October 16, 2023

Информация об авторах

Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, главный научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация, e-mail: demen@udman. ru

Иванова Татьяна Николаевна, доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация

Information about the authors

Vyacheslav B. Dementyev, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation, e-mail: demen@udman.ru

Tatyana N. Ivanova, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Senior Researcher, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation

Коршунов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация

Aleksandr I. Korshunov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation