CC BY
23
УДК 621.771.294
Канд. техн. наук С. А. Снитко, д-р техн. наук А. В. Яковченко, Н. И. Ивлева
Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ
КОЛЕСНЫХ ЗАГОТОВОК
Усовершенствована технология процесса штамповки колесных заготовок за счет предварительной формовки части обода и ступицы на заготовочном прессе и гребня на формовочном прессе. Получил развитие метод компьютерного проектирования калибровок для широкого сортамента колес.
Создание ресурсосберегающих технологий производства штамповано-катанных колес, а также методов их оперативной разработки является актуальной научно-технической проблемой [1-4]. В работах [5, 6] для условий прессопрокатных линий ОАО «Интерпайп НТЗ» и ОАО «Выксунский металлургический завод» (ВМЗ) предложены новые решения, направленные на совершенствование существующей технологии штамповки колесных заготовок. Их использование позволит повысить точность колес и снизить расход металла. Но освоение усовершенствованной технологии требует наличия точных по массе исходных заготовок, имеющих разновес до ±3 кг.
Наиболее перспективной, на наш взгляд, является технология, предусматривающая использование заготовок с частично сформованными на прессе силой 50 МН ободом и ступицей, из которых последующей штамповкой на прессе силой 100 МН получают колесные заготовки с предварительно сформованным перед прокаткой гребнем (рис. 1) [5, 6].
Новая технологическая схема предусматривает следующие основные операции: осадку заготовок на прессе силой 20 МН гладкими плитами или в верхнем плавающем технологическом кольце; кантовку заготовок, а затем их формовку с использованием верхней фигурной плиты или штампа на прессе силой 50 МН; центровку полученных заготовок верхним формовочным кольцом пресса силой 100 МН и последующую штамповку колесных заготовок с гребнем.
Выполненные нами расчеты показали, что предварительная формовка вначале части обода и ступицы, а затем и гребня, позволяют увеличить диаметр колесной заготовки и, соответственно, уменьшить величину раскатки колес на колесопрокатном стане (КПС). Кроме того, предварительная формовка части обода и ступицы снижает вероятность вскрытия пороков литого металла, а предварительная формовка гребня повышает стабильность его прокатки на КПС и позволяет снизить брак по закату и невыполнению гребня [6].
Для представленного на рис. 1 процесса штамповки на первом этапе нами были получены регрессионные уравнения для расчета формоизменения металла
© С. А. Снитко, А. В. Яковченко, Н. И. Ивлева, 2008
и сил штамповки в зависимости от двух факторов, определяющих относительную величину разгонки заготовок на прессе силой 50 МН и степень деформации металла в зоне диска на прессе силой 100 МН [7]. Но новая технология, с учетом всех ее преимуществ, может иметь широкие перспективы практического применения в колесопрокатных цехах. Поэтому акту-
в
Рис. 1. Технологическая схема штамповки колесных заготовок с гребнем на прессе силой 100 МН из заготовок с частично подготовленными ободом и ступицей на прессе силой 50 МН:
а - первый момент штамповки; б - промежуточный момент штамповки; в - последний момент штамповки
альна разработка математической модели процесса штамповки колесных заготовок с гребнем по новой технологии для широкого сортамента колес. На ее основе целесообразно усовершенствовать метод компь-
ютерного проектирования калибровок и разработать калибровки для экспериментальных колес 0 957 мм [8]. Решению этих задач и посвящена настоящая работа.
Рис. 2. Окно программы визуализации формоизменения металла и расчета силы штамповки на прессе силой 100 МН
Зависимости для оперативного расчета формоизменения металла и сил при штамповке колесных заготовок получены на основе планирования расчетного эксперимента и его реализации путем конечно-элементного моделирования. Получены формулы для расчета следующих параметров ( у^ ): степени заполнения металлом штампов, формирующих обод по его ширине (НТ / Н0) и гребню (и!р / Нг); степени заполнения металлом штампов, формирующих ступицу по ее высоте (иТ /Нс) (рис. 2); степени заполнения металлом
штампов в зоне выдавки (НВ /НВ); обобщенного коэффициента напряженного состояния металла в формовочных штампах (к). Формулы получены в виде заО На и0 кс висимостеи от шести факторов: — ; —; —; —;
а Но Во вс
Б Нт
; Т" (см. рис. 2). Методика разработки таких фор-
Но а
мул дана в работе [7].
На схемах заготовки, получаемой на прессе силой 50 МН, и колесной заготовки, получаемой на прессе силой 100МН (см. рис. 2), приняты следующие обозначения: О - наружный диаметр обода колесной заготовки (700 мм < О < 930 мм); а - диаметр отверстия
в ступице (130 мм < а < 230 мм); Н0 - ширина обода (130 мм < Н0 < 195 мм); Н^ — текущая ширина обода; В0 -толщина обода (45 мм < В0 < 110 мм); Нс — высота ступицы (200 мм < Нс < 250 мм); Н^ — текущая высота ступицы; Вс — толщина ступицы (40 мм < Вс < 60 мм); На—толщина диска (20 мм < На < 60 мм); Нт — текущая толщина диска; Н 0 — высота заготовки (100 мм < Н 0 < 160 мм); Б — величина разгонки заготовки (0 < Б < 67 мм); Нд — высота
выдавки; Нд — текущая высота выдавки; — диаметр нейтральной линии, относительно которой выполняется равенство масс в соответствующих частях заготовки и колесной заготовки; Оу — диаметр нейтральной линии, относительно которой выполняется равенство коэффициентов укова в частях колесной заготовки.
Эксперимент спланирован в зависимости от указанных выше шести факторов. Это позволило учесть значительное число сочетаний размеров заготовок, получаемых на прессе силой 50 МН, и штампуемых из них на прессе силой 100 МН колесных заготовок. Эксперимент спланирован по плану второго порядка. Применено центральное композиционное ортогональное планирование для п = 6 (п - количество факторов). Перевод натуральных переменных в кодовые осуществлен с использованием данных, представленных в табл. 1.
При выполнении эксперимента реализовано 77 опытов. Для этого было разработано 45 калибровок для прессов силой 50 МН и 100 МН. Несовпадение числа опытов и числа калибровок объясняется следующим. Опыты N° 1 - № 32 и N° 33 - № 64 выполнялись, соответственно, по одним и тем же калибровкам. У них
отличался только фактор Нт / На . Аналогично, опыты № 75-№ 77 также отличались только значением указанного фактора. Опыты №1-№ 32 соответствуют фактору Нт / На = 1, то есть последнему моменту штамповки. В опытах № 33-№ 64, в соответствии с план-матрицей эксперимента, отношение Нт /На = 1,36. В
опытах № 76 и № 77 Нт / На =0,86 и Нт / На =1,5 соответственно. То есть в опыте № 76 текущая толщина диска Нт становится меньше толщины диска На по
калибровке. В опыте № 77 отношение Нт /На =1,18 соответствует середине исследуемого диапазона по рассматриваемому фактору. Поэтому формоизменение металла при штамповке на основе выполненного экс-
Таблица 1 — Кодирование факторов и уровни их варьирования
Интервал варьирования и уровни факторов О а Н0 Н0 В0 Нс Вс Б Н0 Нт Н
Кодовое обозначение X1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6
Нулевой уровень Xi = 0 4,557 0,211 2,823 3,319 0,332 1,181
Интервал варьирования 0,99 0,063 0,723 0,614 0,063 0,181
Нижний уровень Xi =-1 3,567 0,148 2,1 2,705 0,269 1,0
Верхний уровень Xi = +1 5,547 0,274 3,543 3,933 0,395 1,362
Нижний уровень в звездной точке Xi =-1,7606 2,814 0,1 1,55 2,238 0,221 0,862
Верхний уровень в звездной точке Xi =+1,7606 6,3 0,322 4,1 4,4 0,443 1,5
перимента в пределах 0,86 < кт / к^ < 1,5 можно изучать в динамике. В опытах № 65-№ 76 значения всех шести факторов берутся на нижнем и верхнем уровнях в звездных точках.
Путем статистической обработки результатов опытов получены регрессионные зависимости для расчета параметров (уг) в виде полиномов второй степени:
6 6 6 у = ао +Е а1х1 + Е аих? + Е а1]х1х] +
г=1
г=1
г=1,] > г
+ Е аукХ1Х]Хк,
г=1, ] >г,к > ]
(1)
где ао, аг, аг7, аг], аг]к - коэффициенты полинома.
Также разработаны зависимости для расчета параметров очага деформации заготовочного пресса силой 50 МН, координат точек сопряжений контуров проектируемых заготовок с учетом частичной формовки обода и ступицы и модели окон компьютерной программы, в которых непосредственно проектируются калибровки (рис. 2, 3).
Совершенствование метода компьютерного проектирования калибровок, основные положения которого изложены в работе [9], связано, во-первых, с учетом возможности разработки калибровок по новой технологии, представленной на рис. 1, для широкого сортамента колес.
Во-вторых, здесь мы отказались от получения и использования регрессионного уравнения по расчету положения нейтральной линии, определяемой диаметром Вм (см. рис. 2), относительно которой металл в последний момент штамповки колесной заготовки на формовочном прессе течет в зоны обода и ступицы. Более эффективным оказалось выполнить расчет величины Бм , используя восстановленный на основе зависимостей уг (1) контур колесной заготовки с учетом расчетного заполнения штампов металлом.
В-третьих, в окне программы, разработанной для новой технологии (см. рис. 2), контрольное построение текущего контура колесной заготовки, совмещенного с контуром, который соответствует последнему моменту штамповки с учетом требуемого заполнения штампов металлом, дополнено контурами самих штампов. Их положение соответствует положению текущего контура колесной заготовки. Наличие трех указанных выше
Рис. 3. Окно программы проектирования калибровок для пресса силой 50 МН
контуров дает более полную картину при анализе формоизменения металла в формовочных штампах.
В окнах, показанных на рис. 2, 3, выполнена разработка калибровок по металлу для заготовочного и формовочного прессов для экспериментальных колес Ж957 мм конструкции ВНИИЖТ [8].
Таким образом, создана математическая модель процесса штамповки колесных заготовок с гребнем из заготовок с частично подготовленными ободом и ступицей для широкого сортамента колес. На ее основе разработаны модели окон программы и сама программа проектирования калибровок для пресса силой 50 МН. Разработана также программа визуализации формоизменения металла и расчета сил штамповки колесных заготовок на прессе силой 100 МН. Усовершен -ствованный метод компьютерного проектирования калибровок для новой технологии позволяет: во-первых, в режиме реального времени оценивать степень заполнения металлом различных элементов формовочных штампов и устанавливать факт превышения силой штамповки ее допустимого значения, когда оно имеет место, еще на этапе проектирования; во-вторых, определять причину такого превышения, связывая ее с переполнением штампов в зоне ступицы или обода, что дает конкретное направление дальнейшей корректировки калибровки.
Перечень ссылок
1. ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» в свете современных мировых тенденций развития производства железнодорожных колес / А.И. Козловский, В.П. Есаулов, А.В. Шрамко, Л.В. Голубева // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004. -№ 1. - С. 8-13.
2. Тубольцев Ю.Г. Тенденции развития колесопрокатного производства на ОАО НТЗ // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 8-9. - С. 483-487.
3. Совершенствование процессов обработки металлов давлением при производстве колес в условиях ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» / В.А. Яровой, А.В. Белущенко, И.М. Иващенко, А.И. Донской // Су-часш проблеми металургй. Науковi вют1. Том 8. Пластична деформащя металiв. - Дншропетровськ: «Системы технологи», 2005. - С. 557-560.
4. Яковченко А.В., Снитко С.А., Ивлева Н.И. Пути совершенствования компьютерных программ проектирования калибровок инструмента деформации для производства штамповано-катаных железнодорожных колес // Металл и литье Украины. - 2003. - N° 6. - С. 30-35.
5. Пат. 79312 С2 Укршна, МПК (2006) В21 К 1/28, В21 1 1/00, В21 Н 1/00. Споаб формування колюних заготовок, що мають обод, диск i маточину. О.В. Яковченко, С.О Сштко (Украша). - № а2005 03368; Заявл. 11.04.2005; Опубл. 11.06.2007, Бюл. № 8. - 10 с.: ил.
6. Яковченко А.В., Снитко С. А., Собхи Хасан. Новые технологические схемы и калибровки для производства колес из точных и уменьшенных по массе заготовок // Ресурсозбертакго технологи виробництва та обробки тиском матерiалiв у машинобудуванш: Зб. наук. пр. -Луганськ, 2005. - С. 100-107.
7. Моделирование формоизменения металла и силы при штамповке колесных заготовок / А.В. Яковченко, С.А. Снитко, А.С. Волков и др. // Науковi пращ Дон-НТУ. Металурпя. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - Вип. 102.-С. 124-135.
8. Особенности деформирования железнодорожных колес с плоскоконическими и криволинейными дисками. / А.Я. Кузовков, В .Г. Кривоногов, И. Л. Пашолок, Ю.П. Петренко // Сталь. - 2002. - № 3. - С. 84-87.
9. Яковченко А.В., Голышков Р.А., Снитко С.А., Ивлева Н.И. Метод компьютерного проектирования калибровок для штамповки заготовок колес широкого сортамента // Вюник Схщноукрашського нацюнального уш-верситету iменi Володимира Даля. - Луганськ: вид-во СНУ iм. В. Даля, 2007.- № 7(113). - Ч. 1. - С. 49-59.
Одержано 10.12.2007
Удосконалено технологю процесу штампування колiсних заготовок за рахунок попередньог формовки частини ободу та ступицi на заготiвельному npeci i гребня на формувальному npeci. Набув розвитку метод комп 'ютерного проектування калiбровок для широкого сортаменту колiс.
Technology of wheel blank's stamping is improved at the expense ofpreliminary moulding of rim part and nave on a blank press and ripple on a forming press. The method of the computer calibrations design is developed for the wide assortment of wheels.
