CC BY
87
УДК 621.73.043
П.И. Золотухин, канд. техн. наук, доц., (4742) 32-81-90, zolotyhinpi@rambler.ru
(Россия, Набережные Челны, ОАО «КАМАЗ-Металлургия»), И.М. Володин, д-р техн. наук, проректор по науч. работе, (4742) 32-80-13, wim@stu.lipetsk.ru
(Россия, Набережные Челны, ОАО «КАМАЗ-Металлургия»), В.С. Мартюгин, гл. технолог, (8552) 45-10-49, martugin@kamlit. т (Россия, Набережные Челны, ОАО «КАМАЗ-Металлургия»), Е.П. Карпайтис, асп., (4742) 32-81-90, kaf-md@stu.lipetsk.ru (Россия, Липецк, ЛГТУ)
ПРУЖИНЕНИЕ ВАЛКОВ КОВОЧНЫХ ВАЛЬЦОВ МОДЕЛЕЙ ARWS-1 - ARWS-2a
Получены экспериментальные формулы для расчета пружинения валков ковочных вальцов моделей ARWS-1, ARWS-1a, ARWS-2 и ARWS-2a. Формулы являются частью методики проектирования ручьев секторов-штампов для горячей вальцовки заготовок за два, три и четыре прохода.
Ключевые слова: сектора-штампы, ручьи, пружинение валков, статистическая обработка, уравнение регрессии, проектирование.
Вальцовка заготовок применяется в качестве заготовительной операции при штамповке поковок переменного сечения на кривошипных го-рячештамповочных прессах. Деформирование заготовки производится во вращающихся секторах-штампах, расположенных на части окружности валков ковочных вальцов. Вальцовка позволяет получать рациональные по форме полуфабрикаты, которые обеспечивают минимальный расход металла в облой при их последующей горячей объемной штамповке [1-3].
Определение размеров ручьев секторов-штампов производится на основании чертежей переходов вальцованной заготовки. Глубину вреза ручьев Нв следует определять с учетом пружинения валков АЛ (рис. 1). Пружинение АЛ заключается в увеличении межосевого расстояния ковочных вальцов A и, следовательно, высоты калибра Н1. Величина пружинения зависит от конструкции вальцов и силы деформирования Р.
Высота калибра Н1 должна быть меньше высоты соответствующего сечения заготовки Нз на величину пружинения АЛ
Н1 = Нз -М .
Размеры Н1 и Нв связаны соотношением
Н1 = 2 Нв + б , 65
где £ - зазор между секторами-штампами. Поэтому при проектировании инструмента глубина вреза Нв каждого ручья с учетом пружинения уменьшается на величину АА / 2. Радиус ручья остается расчетным.
При вальцовке заготовок под последующую штамповку широко применяют деформирование в системе овальных, круглых и квадратных калибров. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено [1-3], что при вальцовке в овальных калибрах площадь контакта с заготовкой и, следовательно, сила деформирования больше, чем при вальцовке в круглых или квадратных калибрах.
Рис. 1. Пружинение валков при горячей вальцовке в калибрах
Поэтому при проектировании секторов-штампов во избежание образования бокового заусенца в следующем по ходу деформирования калибре достаточно уменьшить на величину пружинения АА только расчетную высоту овального калибра. Отметим, что в рассматриваемом сечении расчетная высота калибра равна высоте заготовки.
На большинстве предприятий вальцовку применяют при изготовлении удлиненных в плане поковок [1-3]. При этом производится штамповка вальцованных заготовок в открытых штампах с укладкой плашмя. Боковой заусенец, образовавшийся в последнем проходе вальцовки в случае выхода металла в разъем между валками, может быть вытеснен в облой при штамповке (рис. 2, а).
На кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ-Металлургия» внедрены в производство новые ресурсосберегающие технологии штамповки круглых в плане поковок из вальцованных заготовок (рис. 2, б) [5]. Вальцованная
66
заготовка укладывается деформированной частью в штамповочный ручей, расположенный вертикально, и боковой заусенец (при его наличии) может привести к браку поковок. Таким образом, к полуфабрикату предъявляются повышенные требования по качеству. Одним из основных требований является отсутствие поверхностных дефектов, в первую очередь бокового заусенца. Учет пружинения при проектировании калибров позволяет получать заготовки без заусенца. В связи с большим количеством факторов, влияющих на пружинение, наиболее достоверные результаты получают опытным путем для каждой модели вальцов. В работах [1-3] приведены результаты исследования зависимости пружинения от силы вальцовки для ряда моделей консольных вальцов.
В данной работе исследовали пружинение валков двухопорных ковочных вальцов моделей АКЛУ8-1, АКЛУ8-1а, АИЛУ8-2 и АИЛУ8-2а фирмы «Еиишсо» («Эймуко», ФРГ). Проектирование технологии вальцовки заключается в определении схемы вальцовки, расчете поперечных и продольных размеров заготовки и ручьев секторов-штампов по проходам, расчете усилий и крутящих моментов по проходам. Для проектирования технологии и конструирования инструмента в основном использовали по методику В.К. Смирнова с соавторами [1]. При внедрении новых технологических процессов в производство в ряде случаев выполняли доводку инструмента, заключавшуюся в корректировке размеров поперечных сечений ручьев.
а б
Рис. 2 . Варианты укладки вальцованной заготовки с боковым заусенцем: а - плашмя; б - вертикально с последующим деформированием в торец
Выполнен анализ 38 новых технологий вальцовки заготовок на ковочных вальцах моделей АКЛУ8-1, АКЛУ8-1а, АКЛУ8-2 и АКЛУ8-2а за два,
67
три и четыре прохода по схемам круг-овал-круг, круг-овал-круг-овал, круг-овал-круг-овал-круг, круг-овал-круг-овал-квадрат.
Опытные значения величины пружинения валков АА определяли при деформировании круглой заготовки в овальном калибре как разницу между расчетной высотой вальцованной заготовки Hз и фактической высотой калибра Hi. Высота Hi в каждом конкретном случае была окончательно установлена при доводке инструмента в процессе внедрения технологии вальцовки.
Силу вальцовки P в рассматриваемых технологических процессах рассчитывали в зависимости от размеров поперечного сечения заготовки и калибра, марки деформируемой стали, степени деформации и температуры металла в каждом проходе, диаметра валков, схемы вальцовки. Сопротивление металла деформации определяли по данным работы [4].
Для получения эмпирических формул (уравнений регрессии), описывающих зависимость пружинения АА от силы деформирования P, выполнена статистическая обработка полученных массивов АА и P отдельно для каждой модели ковочных вальцов.
Последовательно выполнены все этапы обработки массивов [6, 7]: проверка исходных данных на соответствие закону нормального распределения; проверка наличия грубых погрешностей; расчет коэффициентов регрессии с использованием метода наименьших квадратов; оценка значимости уравнения регрессии в целом, а также значимости каждого коэффициента; проверка массива остатков на соответствие закону нормального распределения. Обработку данных выполняли с использованием надстроечной программы Excel «Пакет анализа» [6].
Оценку близости эмпирического распределения данных в рассматриваемых массивах к нормальному закону выполняли по показателям асимметрии As и эксцесса Ek. Необходимость отсева грубых погрешностей (выбросов) в экспериментальных выборках (массивах АА или P ) в работе выполняли по методике Н.В. Смирнова.
После определения коэффициентов в уравнении регрессии оценивали значимость (адекватность) этого уравнения. Уравнение считали значимым при выполнении условия ар < а [6]. Здесь а= 0,05 - заданный уровень значимости (при этом доверительная вероятность p = 0,95); ар -уровень значимости, соответствующий расчётному значению F - критерия Фишера.
Далее проверяли значимость каждого коэффициента регрессии. Если выполняется условие аt < а, то коэффициент регрессии считали значимым [6, 7]. Здесь аt - уровень значимости, соответствующий расчётному значению t - критерия Стьюдента.
В табл.1 приведена краткая техническая характеристика ковочных вальцов и диапазоны изменения технологических параметров в исследованных технологических процессах.
Расчеты показали, что распределение элементов в исходных массивах АЛ и Р близко к нормальному закону. Грубых выбросов в этих массивах нет. Для исследованных моделей ковочных вальцов получены уравнения регрессии следующего вида:
ARWS-1 и ARWS-2 - АА = а ■ Р) + Ь; (1)
ARWS-1а и ARWS-2а - АА = а ■ (Р /1000) + Ь. (2)
Коэффициенты регрессии а и Ь для каждой модели вальцов имеют свои числовые значения.
Таблица 1
Краткая техническая характеристика ковочных вальцов и диапазоны изменения технологических параметров
№ п/п Параметры Модель вальцов
ARWS-1 ARWS-1а ARWS-2 ARWS-2а
1 Номинальное межосевое расстояние, мм 370 460 560 680
2 Номинальная сила вальцовки, кН 630 920 1250 3000
3 Объем выборки 10 8 19 29
4 Диаметр исходной заготовки, мм 50...60 50.70 70.95 65.130
5 Коэффициент вытяжки 1,23... 1,45 1,24. 1,65 1,16. 1,55 1,16. 1,53
6 Отношение осей овальной заготовки 1,4. 2,3 1,2. 2,9 1,3. 2,7 1,5. 2,7
7 Пружинение АЛ, мм 0,9.2,0 1,4.1,9 1,5.2,7 1,3.3,3
8 Сила вальцовки Р, кН 350. 630 330. 920 830. 920 1080. 3000
Распределение данных в массивах остатков также близко к нормальному закону. Остатками называют разницу между расчетом функции отклика АЛ по формулам (1) или (2) и ее исходными экспериментальными значениями. При нормальном распределении остатков найденные коэффициенты регрессии а и Ь наиболее вероятны [6, 7].
Приведем интервалы изменения основных статистических характеристик для полученных уравнений регрессии: коэффициент корреляции
r = 0,76...0,82; расчетное значение критерия Фишера F = 9,87 ... 36,28;
уровень значимости
aF = 2,0 • 10 6 ... 2,0 • 10 2
уровень значимости
—7 — 2
аI = 6,5 • 10 ...2,3 • 10 (для коэффициентов а и Ъ). Из приведенных характеристик следует, что при заданной величине а= 0,05 все уравнения в целом значимы (ар < а) и значим каждый из коэффициентов регрессии, входящий в уравнения (а< а).
На рис. 3 приведены схемы двух первых переходов одной из внедренных технологий вальцовки заготовок на ковочных вальцах модели ARWS-2а по схеме круг-овал-круг-овал-круг (показаны размеры «горячей» заготовки).
Рис. 3. Схемы двух первых переходов вальцовки заготовок
На рис. 4 представлено поперечное сечение ручья первого перехода, соответствующее сечению А-А вальцованной заготовки. Учтенная при проектировании секторов-штампов величина пружинения АЛ =3,3 мм. Зазор между секторами s = 16 мм.
Рис. 4. Сечение ручья первого перехода
70
Проектирование ручьев секторов-штампов с учетом пружинения валков позволяет исключить образование бокового заусенца на заготовке при вальцовке в калибре, следующим за овальным калибром. Методика внедрена в производство на кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ-Металлургия ».
Список литературы
1. Смирнов В.К., Литвинов К.И., Харитонин С.В. Горячая вальцовка заготовок. М.: Машиностроение, 1980. 150 с.
2. Скрябин С.А., Колпашников А.И. Профилирование заготовок на ковочных вальцах. М.: Машиностроение, 1988. 224 с.
3. Получение заготовок на ковочных вальцах: рекомендации. Воронеж: Изд-во ЭНИКМАШ, 1980. 56 с.
4. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: справочник. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
5. Патент РФ 2271542. Способ изготовления поковок со стержнем / Володин И.М., Ромашов А.А., Мартюгин В.С. [и др.]. Опубл. 10.04.2006.
6. Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel. М.: Финансы
и статистика, 2003. 386 с.
7. Володин И.М., Золотухин П.И. Статистический анализ результатов экспериментальных исследований в обработке металлов давлением: учеб. пособие с грифом УМО ВУЗов. Липецк: Изд-во ЛГТУ. 2003. 105 с.
P.I. Zolotukhin, I.M. Volodin, V.S. Martugin, E.P. Karpaytis
THE SPRINGBACK OF THE ARWS-1 - ARWS-2A ROLLS OF GAP MILLS
Experimental formulas for determining the springback of the ARWS-1, ARWS-1a, ARWS-2 and ARWS-2a rolls of gap mills are obtained. The formulas are part of methods for designing stamps for hot roll forging of billets in two, three, or for steps.
Key words: gap mill, hot roll forging, stamps, springback of rolls, statistical data manipulation, regression equation.
Получено 19.06.12
