CC BY
137Качество в обработке материалов
авг.1981. № 4105-8.
3. Рубин Г.Ш. Выбор и исследование рациональных технологических схем получения высокоточных фасонных профилей на основе комплексной оценки эффективности технологии: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.05 / Рубин Геннадий Шмульевич. Магнитогорск, 1983. 142 с.
4. Колокольцев В.М. Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова. История. Развитие // Вестник Магнитогор ского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1(45). С. 5-6.
References
1. Azgaldov G.G., Reichman E.P. About qualimetry - M.: Standards, 1973.- 172 p.
2. Rubin G.Sh., Gun G.S.. Logical laws as-
sessing the quality of products. deposited in VINITI 19 aug.1981. № 4105-8
3. Rubin G.Sh. Selection and research rational technological schemes obtaining high-precision shaped sections based on a complex assessment of the effectiveness of technology: thesis. Candidate of Technical Sciences Magnitogorsk, 1983. 142 p.
4. Kolokoltsev V.M. Nosov Magnitogorsk State Technical University. History. Development. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2014, no. 1(45), pp. 5-6.
C--------------------------------------------------------------------------------\
УДК 521.771.63 Шемшурова Н.Г.
ч________________________________________________________________________________
К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ ПРОКАТА
Аннотация Выполнены исследования по прогнозированию механических свойств холодногнутых профилей по известным характеристикам листовой заготовки.
Ключевые слова: Листовая заготовка, гнутые профили, методика УКРНИИМЕТ, деформационное упрочнение, характеристики механических свойств, оценка качества, статистическая обработка
В современных строительных технологиях широко применяют стальные холодногнутые профили (ХГП), имеющие при повышенных характеристиках прочности, жесткости и ресурса небольшую цену и высокое качество. Они выполняют одновременно несколько строительных задач и являются, по существу, профильными конструкциями, которые работают в сложных климатических условиях [1].
При оценке качества металлургической продукции обычно учитывают основные показатели назначения, такие как геометрические размеры, механические свойства, химический состав, структуру. При поставке гнутых профилей потребителю в сертификатах качества предоставляют сведения о механических свойствах готовой продукции без учета влияния упрочнения в процессе холодного профилирования - ме-
ханические свойства стальной заготовки автоматически «переносят» на механические свойства готовых профилей.
Согласно основным принципам управления качеством, положенным в основу МС ИСО 9004 [2, приложение В], подход к принятию решений должен осуществляться на основе достоверных фактов на основании измерений, производимых для получения данных о процессах. Поэтому потребитель имеет право знать реальные характеристики механических свойств готовых гнутых профилей, чтобы принимать адекватные решения по их использованию.
Учет деформационного упрочнения позволит облегчить конструкции и, согласно данным института сварки им. Е.О. Патона, позволит потребителю экономить до 10 % проката без дополни-
№2 2014
Страница 81
Качество в обработке материалов
тельных капитальных вложений. Однако при этом следует учитывать и снижение пластических свойств в процессе профилирования.
Следует иметь в виду, что при профилирования механические свойства заготовки по поперечному сечению профиля распределяются неравномерно и зависят от степени деформации отдельных участков профиля, то есть от конфигурации и геометрических параметров профиля, режима формовки, механических свойств заготовки. Наибольшее изменение (до 70%) механических свойств профилируемого металла происходит в местах изгиба: увеличиваются прочностные характеристики (временное сопротивление разрыву ав и предел текучести ат) и уменьшаются пластические (относительное удлинение ё5). На плоских участках профилей, особенно на кромках полок, также наблюдается упрочнение металла. При этом снижение пластических свойств может достигать 5%.
Вероятностно-статистические методы контроля позволяют выполнить оценку неоднородности свойств гнутых профилей
и гарантировать их необходимую обеспеченность.
Оценку механических свойств сортовых гнутых профилей, производимых в ЛПЦ-8 ОАО «ММК», проводили в соответствии с ТУ 14-1-3023 [3,4], разработанными в свое время УКРНИИМетом. При этом показатели механических свойств должны быть больше заданного нормативного уровня X на величину А, которая гарантирует уровень свойств в поставляемом прокате с доверительной вероятностью не ниже 0,95. Величина А табулирована и определяется в зависимости от значений среднеквадратического отклонения выборки а, среднеквадратического отклонения внутри партии а0, разности h между средним значением х выборки и нормативным X и количеством образцов, подвергаемых механическим испытаниям на растяжение.
Исходный массив данных, необходимых для исследования, выбирали из журналов производства. Полученные данные использовали для решения задачи множественного регрессионного анализа с целью минимизации выражения
п ПГ /
V(х - у!) -V\y, -(ъ
i=1 i=1
0
Ъх, + Ъ„х,
+... + Ъх +... + Ъ х
J V Р W
где y, - функция отклика для i-го
опыта (характеристики механических свойств подката для профилирования); у' - вычисляемые предсказываемые выравненные значения исследуемой характеристики; п - количество опытов; р -число факторов; Xj - значение J-го фактора для i-го опыта; Ъ0, hj - значения ко-
эффициентов в линейном уравнении
п
У = Ъо + Vhjxj .
i=1
Согласно работе [5] условия, позволяющие поставлять готовые гнутые профили с гарантированными механическими свойствами, имеют вид:
F + a V F -а F ;
Виз из Взаг пл в тУ заг ’
i=1 п
i=1 п
Ta F + а V F > a F ;
тиз из 1заг^^ пл т ту заг ’
i=1 i=1
п п
T8 F + 8 V F >8 F ,
5 из из 5 заг пл 5 ТУ заг ’
i=1 i=1
где FЗаг, Fus, Fпл - площадь заготовки,
мест изгиба и плоских элементов гнутого профиля соответственно; авиз, атиз, $5из -механические свойства в местах изгиба гнутого профиля; авзаг, атзаг, ^5заг - значения механических свойств заготовки и плоских участков гнутого профиля; ав ту, ат тУ, ё5ТУ - значения механических
свойств по ТУ 14-1- 3023 для соответствующей толщины и марки стали гнутого профиля.
№2 2014
Страница 82
Качество в обработке материалов
Так как в процессе формовки гнутых профилей прочностные свойства практически всего поперечного сечения повышаются за счет упрочнения металла, прочностные свойства готовых гнутых профилей всегда будут отвечать требованиям ТУ 14-1-3023, если им соответствуют свойства исходной заготовки. Тогда как для соответствия пластических свойств профилей данным техническим условиям пластические свойства заготовки должны быть выше значений, указанных в ТУ 14-1-3023.
Необходимые пластические свойства исходной заготовки, гарантирующие пластические свойства поперечного сечения готового профиля
8
к
f
8 F
5 ТУ зс
У& F I/YF
5из из / п
i =1
i =1
где k = 1 + 0,05{F3ajFU3) - коэффициент, учитывающий упрочнение прямолинейных элементов профиля до 5% и соотношение площади металла, деформируемого в местах изгиба (FU3), ко всей площади заготовки (Fra).
Принимаем, что площади поперечного сечения заготовки в местах изгиба получают наибольшее упрочнение в процессе формовки, а прямолинейные участки профиля имеют свойства на уровне исходной заготовки. Ширина деформируемых участков в местах изгиба [6]
b
0,327Rcp
13,1 + S2
где Яв - внутренний радиус места
изгиба, мм; S - толщина заготовки, мм;
Rcp = RB + S/2 - средний радиус в месте изгиба, мм.
Площадь деформированных участков профиля в местах изгиба
Fu3 = bS = 0,327RcpS (l3,1 + S2 )/^R2 . Площадь прямолинейных участков
У F
/ j п
F
n
У F .
/ J из
i=1
Используя последнюю формулу, произвели расчет значений минимальных пластических свойств заготовки при производстве швеллеров. При этом для мест изгиба профилей из стали марки СтЗпс значения d5 принимали на 13% ниже значений d5 заготовки, а из стали марки 09Г2 - на 12% [7].
Результаты расчета представлены в табл. 1.
Сравнивая данные, полученные расчетным путем и при испытаниях, можно сделать вывод: для того, чтобы расчетные данные удовлетворяли требованиям ТУ 141-3023 (изменение 5) [3], значения d5sas должны примерно на 8-12% превышать значения d5 готовых профилей.
Анализируя значения механических характеристик, взятых из журналов производств, можно видеть, что прочностные характеристики листовой заготовки для профилирования из стали марок Ст3пс и 09Г2 имеют достаточно высокие значения. Их уровень зависит от толщины проката: с ее увеличением прочностные свойства снижаются. Так, средние значения предела текучести для проката из стали марки Ст3пс толщиной 3,0 мм составляют 301 Н/мм2; 8,0 мм - 259 Н/мм2; из стали марки 09Г2 толщиной 3,0 мм - 356 Н/мм ; 8,0 мм - 337 Н/мм2. При увеличении толщины от 3,0 мм до 8,0 мм снижение ат составляет для Ст3пс 42 Н/мм ; для 09Г2 -19 Н/мм2.
Результаты замера твердости заготовки и гнутого швеллера из стали марки 09Г2 показаны на рис. 1, из которого видно, что изменение механических свойств при профилировании протекает интенсивнее для заготовки с более низкими прочностными свойствами в исходном состоянии.
№2 2014
Страница 83
Качество в обработке материалов
Таблица 1
Расчетные минимальные значения d5 заготовки при производстве и поставке гнутых швеллеров
Тип и размер профиля, мм $5заг> % Тип и размер профиля, мм ^5заг> %
Швеллер равнополочный из стали марки СтЗпс
80х50х4,0 36,3 160х80х5,0 34,8
80х60х3,0 31,5 180х80х6,0 35,4
100х60х3,0 32,0 185х80х3,0 33,8
100х50х5,0 34,8 180х50х4,0 35,8
120х50х3,0 32,5 100х80х5,0 35,1
120х60х3,0 35,1 200х80х4,0 36,0
120х60х4,0 35,0 200х80х5,0 36,5
120х100х8,0 34,3 200х80х6,0 35,5
140х60х5,0 34,3 206х75х6,0 33,4
145х64х4,0 35,0 300х100х8,0 34,0
160х80х4,0 35,9 400х95х8,0 34,0
Швеллер равнополочный из стали марки 09Г2
155х65х5,0 30,0 160х80х6,0 29,8
120х60х4,0 30,8 170х70х5,0 31,6
120х60х6,0 31,0 180х80х6,0 31,5
140х60х4,0 31,8 180х130х8,0 28,0
140х60х6,0 29,9 200х80х5,0 32,5
140х75х5,0 28,8 200х100х6,0 30,2
160х80х4,0 29,2 250х90х8,0 33,5
Швеллер неравнополочный из стали марки Ст3пс Швеллер неравнополочный из стали марки 09Г2
160х42х18х4,0 35,7 76х84х40х4,0 30,9
296х124х180х8,0 33,2 80х80х40х4,0 31,2
100х80х50х4,0 33,0 100х80х50х4,0 31,7
Среднее значение временного сопротивления разрыву для этих марок стали и указанных толщин также снижается с увеличением толщины: для СтЗпс - на
19 Н/мм2; 09Г2 - на 28 Н/мм2. Откуда можно заключить, что подкат, поступающий в ЛПЦ-8, толщиной 3,0-5,0 мм имеет максимально возможные согласно нормативной документации значения механических характеристик, а для толщин 6,0-8,0 мм - минимально возможные.
Пределы изменения механических характеристик гнутых профилей рассчитывали с использованием статистических методов (табл. 2).
Рис. 1. Влияние толщины заготовки на изменение твердости при формовке гнутых швеллеров из стали марки 09Г2
№2 2014
Страница 84
Качество в обработке материалов
Таблица 2
Пределы изменения механических характеристик
Показатель качества элемента гнутого профиля Ст3пс / равнополочный швеллер 09Г2 / равнополочный швеллер 09Г2 / неравнополочный швеллер
Тв , Н/мм2
- заготовки по НД*, не менее 370 450 -
- заготовки фактич. 422,8-451,3 436,5-463,0 -
- гнутого профиля 443,4-477,7 451,3-472,8 -
Тт , Н/мм2
- заготовки по НД, не менее 235 315 315
- заготовки фактич. 270,8-296,3 315,0-338,4 296,3-324,7
- гнутого профиля 289,4-324,7 332,6-354,1 311,0-342,4
^5 , %
- заготовки по НД, не менее 25 21 21
- заготовки фактич. 32,0-35,1 32,0 - 33,1 34,3 - 38,1
- гнутого профиля 29,5-32,0 30,9-31,8 33,2-36,9
*) - ТУ 14-1-3023
По результатам исследований были получены поправочные коэффициенты, позволяющие определить характеристики механических свойств готового гнутого
профиля по известным соответствующим характеристикам листовой заготовки (табл.
3).
Таблица 3
Поправочные коэффициенты
Марка стали / профиль ТВ Тт ^5
СтЗпс / равнополочный швеллер 1,05-1,06 1,07-1,09 0,91-0,92
09Г2 / равнополочный швеллер 1,02-1,03 1,06-1,10 0,96-0,97
09Г2 / неравнополочный швеллер - 1,05 0,97
Из табл. 2 видно, что в некоторых случаях фактические значения механических характеристик не удовлетворяют требованиям технических условий. Таким образом, чтобы данные гнутые профили удовлетворяли требованиям ТУ 14-1-3023, особенно для больших толщин, с целью управления качеством готовой продукции, необходимо более строго подходить к оценке характеристик механических свойств.
Ранее были получены экспериментальные данные по твердости (HRB ) исходной заготовки [7] и готового профиля, которые представлены в табл. 4.
По согласованию с потребителем механические свойства готовых гнутых про-
филей определяют путем перемножения значений прочностных и пластических свойств заготовки (подката) на соответствующие поправочные коэффициенты.
Из табл. 4 видно, что твердость профиля из стали марки 09Г2 при профилировании возрастает на 14,9-28%, сталь марки Ст3пс упрочняется в большой степени, чем сталь марки 09Г2.
Нами собран статистический материал за пятилетний период в ЛПЦ-8 ОАО «ММК» по механическим свойствам при производстве равнополочного швеллера 50х50х4,0 мм из стали низколегированной марки 09Г2 (всего было отобрано 53 образца) [9].
№2 2014
Страница 85
Качество в обработке материалов
Таблица 4
Механические характеристики исходной заготовки и готового профиля
Марка стали Исходная заготовка Готовый профиль Поправочный коэффициент
HRB Наименование профиля Размеры HRB
3пс 70,9 Уголок 50х50х3,0 91,2 1,29
3пс 71,0 Уголок 28х28х3,0 98,6 1,39
3пс 75,2 Швеллер 100х40х3,0 97,8 1,30
3пс 80,0 Уголок 50х50х3,0 91,9 1,15
09Г2 79,0 Швеллер 50х50х4,0 90,0 1,14
09Г2 80,7 Швеллер 67х65х35х3,0 86,3 1,07
09Г2 80,3 Швеллер 90х50х3,5 87,2 1,09
Из отобранных проб готового швеллера были нарезаны образцы для испытаний на растяжение и вырезаны элементы мест изгиба, которые также подвергли испытаниям на растяжение, в результате которых получили фактические данные механических свойств мест изгиба швеллеров и самих готовых швеллеров. При этом учитывали механические свойства заго-
товки, число мест изгиба и геометрические размеры получаемого профиля [10]. Рассчитывали статистические характеристики: математическое ожидание х и доверительный интервал х ± 3с.
Статистические данные результатов испытаний сведены в табл. 5.
Таблица 5
Фактические характеристики механических свойств гнутого швеллера 50х50х4,0 мм из
стали марки 09Г2
Статистическая характеристика сВ, Н/мм2 сТ, Н/мм2 £, %
Заготовка
х 461 372 52
с 1,9 2,2 0,2
х ± 3с 455,3-466,7 365,4-378,6 51,4-52,6
М есто изгиба швелле ра
х 621 584,6 36,1
с 2,2 3,1 0,15
х ± 3с 614,6-627,6 575,3-593,9 35,65-36,55
Уровень изменения свойств при профилировании в месте изгиба, % 31,7-37,8 52,0-62,5 40,6-47,55
Гнутый швеллер
х 485,3 401,5 48,9
с 2,1 2,3 0,17
х ± 3с 479,0-491,6 394,6-408,4 48,39-49,41
Уровень изменения механических свойств профиля, %, по отношению:
- к месту изгиба 25,0-31,0 40,9-50,5 32,4-38,6
- к заготовке 2,6-8,0 4,2-11,8 4,0-8,7
№2 2014
Страница 86
Качество в обработке материалов
Из табл. 5 видно, что для гнутого швеллера в целом из стали марки 09Г2 ат в 1,41-1,51 раза ниже, сгв - в 1,25-1,31 раза ниже, S5 - в 1,32-1,39 раза выше, чем эти же характеристики в местах изгиба данного профиля.
Экспериментальное исследование механических свойств гнутого швеллера 50х50х4,0 мм из стали марки 09Г2 показало, что при профилировании происходит несколько большее изменение значений свойств, чем показывают расчеты: прочностные свойства выросли в общем случае на 2,6-11,8%, а пластические - снизились на 4,0-8,7% по сравнению с заготовкой, что, конечно же, необходимо учитывать как при производстве, так и при эксплуатации гнутых профилей.
Список литературы
1. Перспективы развития производства гнутых профилей в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» / Н.Г. Шемшурова,
Н.М. Локотунина, В.Г. Антипанов и др. // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. - 2005. - №3 (11). - С.58-61.
2. ГОСТ Р ИСО 9004-2010. Менеджмент для достижения устойчивого успеха организации: Национальный стандарт РФ. - М.: Стандартинформ, 2011.
3. ТУ 14-1-3023-80. Производство и поставка гнутых профилей с гарантированным уровнем механических свойств, дифференцированных по группам прочности. - Харьков: УКРНИИМЕТ, 1980.
4. Пути повышения потребительских свойств гнутых профилей, производимых в ОАО «ММК»: уч. пособие / Н.Г. Шемшурова, Н.М. Локотунина,
В.Г. Антипанов, В.Л. Корнилов. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. - 99 с.
5. Определение механических свойств сортового проката без испытания образцов / М.М.Ильченко, Ю.Н.Алексеев, И.В.Трофимов и др. // Сталь. - 1972. - №2. - С. 526-528.
6. Применение статистического контроля механических свойств сортового проката /
Н.Г.Бочков, Ю.Н.Алексеев, И.В.Трофимов и др. // Сталь. - 1975. - №2. - С. 134-137.
7. Шемшурова Н.Г. Сортовые гнутые профили: Учеб. пособ. - Магнитогорск: МГМА, 1997. - 102 с.
8. Производство гнутых профилей на Магнитогорском меткомбинате / В.Ф. Рашников,
M. Ф. Сафронов, В.Г. Антипанов, Н.Г. Шемшурова и др. - Магнитогорск. МГТУ, 1999. - 157 с.
9. Ионова О.В., Шемшурова Н.Г. Управление качеством сортовых гнутых профилей, производимых в ЛПЦ-7 ОАО «ММК» // Известия Челябинского научного центра: Журнал на электронных носителях. Раздел: Металлургические процессы и металлообработка. - 2006. - №1 (31). - C.41-44.
10. Ионова О.В., Шемшурова Н.Г. О формировании механических свойств в процессе производства холодногнутых профилей проката // Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. - №4. -С. 68.
References
1. Development Prospects of roll-formed sections in conditions of "MMK" / N.G.Shemshurova,
N. M.Lokotunina, V.G.Antipanov and other. // Vestnik MSTU. G.I.Nosova. - 2005. - №3 (11). - S.58-61.
2. GOST R ISO 9004-2010. Managing for the sustained success of the organization: National Standard of the Russian Federation. - M.: Standartinform, 2011.
3. TU 14-1-3023-80. Manufacture and supply of roll-formed sections with a warranty-ment level of mechanical properties, differentiated by strength group . -Kharkov: UKRNIIMET, 1980.
4. Ways to improve consumer properties of bent profiles, produced by JSC "MMK", Uch. Benefit / N.G.Shemshurova, N.M.Lokotunina, V.G.Antipanov, V.L.Kornilov. - Magnitogorsk: GOU VPO "MSTU", 2006. - 99 p.
5. Determination of the mechanical properties of long products without testing of samples / M.M.Ilchenko, Yu.N.Alekseev, I.V.Trofimov and other. // Steel. - 1972. - №2. - P. 526-528.
6. Application of statistical control of the mechanical properties of long products / N.G.Bochkov, Yu.N.Alekseev, I.V.Trofimov and other. // Steel. -1975. - №2. - P. 134-137.
7. Shemshurova N.G. Varietal roll-formed sections: tutorial - Magnitogorsk: IANGV, 1997. - 102 p.
8. Production of roll-formed sections at the Magnitogorsk Metallurgical Plant / V.F.Rashnikov, M.F.Safronov, V.G.Antipanov, N.G.Shemshurova and other. - Magnitogorsk: MSTU, 1999. - 157 p.
9. Ionova O.V., Shemshurova N.G. Quality management of varietal roll-formed sections produced in LPC-7 OJSC "MMK" // Proceedings of the Chelyabinsk Scientific Centre: Journal in electronic form. Section: Metallurgical processes and metal-working. -2006. - №1 (31). - C.41-44.
10. Ionova O.V., Shemshurova N.G. On the formation of the mechanical properties during the production of roll-formed sections // News of the universities. Ferrous metallurgy. - 2007. - №4. - P. 68.
№2 2014
Страница 87
