CC BY
89
УДК 621.771.25
МНОГОВАРИАНТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРОКАТКИ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
С.А. Аксенов, Е.Н. Чумаченко, О.О. Сырчина
В работе рассмотрены два варианта калибровок валков для прокатки прутка круглого сечения диаметром 20 мм из прутка диаметром 55 мм. Первый - классическая калибровка «овал - круг». Второй -комбинация прокатки на гладкой бочке и в круглых калибрах. Сначала, с помощью аналитических уравнений были рассчитаны черновые варианты калибровок. Полученные формы калибров использовались при моделировании процесса прокатки в программном комплексе SPLEN (Rolling). По результатам моделирования производилась корректировка зазоров между валками с целью улучшения силовых характеристик и предотвращения переполнения или невыполнение калибров на последнем переходе
Ключевые слова: калибровка валков, имитационное моделирование, МКЭ, многовариантный анализ
Калибровки были разработаны по
методике Эриксона [1], базирующейся на оптимизации поперечного сечения
прокатываемого материала на каждом
переходе. Способы вычисления поперечного сечения прутка при прокатке в системе «овал -круг» рассмотрены в работе [2], в которой результаты расчета сравниваются с результатами экспериментов на лабораторных станах горячей прокатки. Расчет сил и моментов прокатки был произведен на основе аналитических методик, предложенных в работе [3]. Обзор аналитических уравнений, используемых для определения сил и моментов прокатки, может быть найден в монографии [4].
Рассматриваемый процесс представляет собой прокатку прутка круглого сечения диаметром 20 мм из прутка диаметром 55 мм. Калибровки должны служить для прокатки
широкого спектра материалов от низкоуглеродистых микролегированных до нержавеющих сталей, поэтому они разработаны с учетом пониженной пластичности некоторых сталей. Рассмотрено два варианта калибровок. Первый -классическая калибровка «овал - круг» с максимальными коэффициентами вытяжки 1.55 для овального и 1.35 для круглого калибра. Второй вариант представляет собой комбинацию прокатки на гладкой бочке и в круглых калибрах, коэффициенты вытяжки на каждом переходе аналогичны
соответствующим коэффициентам первого варианта. Диаметр валков составлял 350 мм.
Первоначально рассчитывались варианты в 9 и 11 переходов. В данной статье мы рассматриваем только вариант с 9-ю переходами. В обеих калибровках процесс
Рис.1. Калибровки для прокатки прутка по схемам «овал - круг» и «гладкая бочка - круг»
Аксенов Сергей Алексеевич - МИЭМ (ТУ), канд. техн. наук, доцент, тел. +7(499)235-20-24, aksenov. s.a@gmail. com
Чумаченко Евгений Николаевич - МИЭМ (ТУ), д-р техн. наук, профессор, тел. +7 (499) 235-20-24, mm@miem. edu.ru
Сырчина Ольга Олеговна - МИЭМ (ТУ), студент, тел.
+7 (963) 636-32-58, [email protected]
начинается с паузы в 10 секунд (стальную полосу переносят из печи в первый калибр), и завершается паузой в 30 секунд (охлаждением после последнего перехода). Между переходами так же делаются паузы для смены калибра, и мной рассчитывалось два варианта
калибровок: с паузами в 5 и с паузами в 10 секунд.
При проектировании вариантов калибровок, уширение металла в калибре рассчитывалось по следующей формуле:
АЬ = С,58-Ю6/ї02 -0,00178й0 +0,2745}&0-к,
где Н0 - высота полосы до прокатки, ^
- высота полосы после прокатки.
На рис. 1 приведены полученные последовательности калибров. При прокатке согласно схеме «овал - круг», подкат поворачивается на 900 после выхода из овального калибра на каждом переходе кроме первого. При прокатке по схеме «гладкая бочка - круг», поворот подката осуществляется каждый раз после прокатки на гладкой бочке.
Аналитические формулы из книги [6] были использованы для расчета силовых параметров. При расчете силы, использовались следующие формулы:
40 5
Е = 0.9| т + ——-6,14 т + 5
^ сГ 4-1
|(0,63+0,37^о5'
\
а
Где т- геометрические параметры калибров; ак
- размер круга; ц/ - параметр воздействия трения; а - напряжение течения; 8 - площадь касания.
Оптимизационные задачи, как правило, связаны с большим количеством моделирования с различными начальными условиями. Значительно сократить время позволяет метод «2,5 Б». Программное
обеспечение SPLEN(Rolling) базируется на данной технологии. Оно способно предсказать форму изменения материала, распределения напряжения, скорости деформации и температуры в зоне деформации [7, 8].
Экспериментальная проверка SPLEN(Rolling) показывает, что математические модели, полученные в нем точны, и соответствуют опытам [9].
В результате горячей прокатки стального прутка по заданным схемам (рис. 1) были получены прогнозы распределения
механических характеристик процесса деформирования: распределения температуры, момента и сил. Графики распределения приведены соответственно на рис. 2, 3, и 4.
Рис. 2. Распределение температур по переходам
Рис. 3. Распределение момента прокатки по переходам
Рис. 4. Распределение усилия прокатки по переходам
По данным графикам можно сделать вывод: температура прутка при прокатке с паузами в 10 секунд меньше, чем при прокатке с паузами в 5 секунд, при этом моменты и силы наоборот больше на 10-20%, при использовании варианта с большими паузам. Это объясняется тем фактом, что сопротивление материала пластической деформации возрастает с убыванием температуры.
Так же по графикам наблюдается следующие: все характеристики, распределены практически равномерно, за исключением силы. В калибровке по схеме "овал-круг" во
втором переходе происходит резкий скачек силы в сторону увлечения. Для снижения усилия прокатки на первых двух переходах, необходимо увеличить обжатие, то есть уменьшить зазор между валками, на первом переходе. В изначальном варианте калибровок в первом переходе величина зазора равнялась 19мм. Были проанализированы варианты с величиной зазора 13, 14 и 15мм. Результаты расчета данных вариантов представлены в виде графиков распределения силы на рис. 5. Анализ показал, что усилие прокатки прутка на первых двух переходах максимально снижаются при использовании варианта 14мм.
Рис. 5. Усилие прокатки при различных величинах зазора между валками на первом переходе
В ходе работы были получены имитационные модели горячей прокатки по двум видам калибровок. Существенных различий между рассматриваемыми калибровками не выявлено. Распределения температур, силовые и энергетические
параметры сопоставимы. Однако, применение варианта «гладкая бочка - круг» позволяет существенно укоротить рабочее тело валка и требует меньших материальных затрат, поскольку на валке при использовании данного варианта размещается лишь 4 калибра и гладкие участки, а при использовании варианта «овал - круг» - 8 калибров.
Литература
1. C. Eriksson, Working range for sequences and series of two-symmetrical grooves in wire rod rolling. Journal of Materials Processing Technology, 2006, Vol. 174, Nos. 1-3, p. 250-257.
2. V. Solod, R. Kulagin, Y. Beygelzimer, A local approach to simulating bar forming in pass rolling. Journal of Materials Processing Technology, 2007, Vol. 190, No. 1-3, p. 23-25.
3. L. S. Bayoumi, Y. Lee, Effect of interstand tension on roll load, torque and workpiece deformation in the rod rolling process. Journal of Materials Processing Technology, 2004, Vol. 145, No. 1, p. 7-13.
4. V. Danchenko, Technologia i modelowanie
procesow walcowania w wykrojach. Wydavnictwo
Politechniky Czenstochowskiej : Czenstochowa 2002.-508 p.
5. T. Kubina, S. A. Aksenov, Mathematical Simulation in Optimisation of Roll Pass Progression. Hutnicke listy, 2011, №4, p. 88-91.
6. S. Aksenov, E. N. Chumachenko, I. V. Logashina, Roll Pass Design Development with SPLEN(Rolling) Computer Software // Hutnicke listy. 2010. №4. P. l10-113.
7. Чумаченко Е.Н., Аксенов С.А., Логашина И.В. Математическое моделирование и энергосбережение при прокатке в калибрах // Металлург. 2010. № 8. С. 34-37.
8. J. Kliber, S. A. Aksenov, R. Fabik, Numerical study of deformation characteristics in PSCT volume certified following microstructure. Metallurgy, 2009, Vol. 48, No. 4, pp. 257-262.
9. S. A. Aksenov, E. N. Chumachenko, J. Kliber, R. FABIK, Inverse analysis of a plane strain compression test results for the purpose of material mechanical and microstructural properties study. Hutnik, 2009, No. 8, pp. 555557.
Московский государственный институт электроники и математики (ТУ)
MULTIVARIATE ANALYSIS OF ROLLING PROCESS BASED ON COMPUTER
SIMULATION
S.A. Aksenov, E.N. Chumachenko O.O. Syrchina
In this paper we consider two roll pass designvariants for rolling a round bar of a 20mm diameter from a 55mm diameter input. The first oneis a classical "oval-round" schedule. The second roll pass design uses a combination of smooth part of the roll and round roll passes. In the first stage, with the help of analytical equations, the draft versions of roll pass designs were developed. The obtained calibers forms were used in the simulation of the rolling process in the SPLEN (Rolling) software. According to simulation results the roll gaps were corrected to improve the strength characteristics and to prevent overflow or failure of calibers on the last pass
Key words: rolls pass design, simulation, finite element method, a multivariate analysis
