Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих способов резки полосового металла и теоретических исследований этих процессов
1.1. Резка полосы на дисковых ножницах 15
1.2. Фрезерование и строгание кромки 37
1.3. Лазерная резка полосы 40
1.4. Резка полосы управляемой трещиной 45
1.5. Теоретические исследования и способы решения задач по определению параметров безотходной резки проката 48
1.6. Задачи исследования процесса «контррезания» 62
Выводы 63
2. Разработка математической модели процесса «контррезания» 65
2.1. Сортамент и характеристика полосовой трансформаторной стали 66
2.2. Функциональная зависимость усилия резки от технологических параметров инструмента и разрезаемого металла 69
2.3. Выбор метода теоретического исследования 72
2.4. Математическая модель для определения усилий в процессе резки дисковыми ножами 76
2.5. Теоретический анализ процесса разрушения металла в операциях резки 97
2.6. Обоснование применения способа «контррезания» 128
Выводы 129
3. Параметрический анализ процесса резки способом «контррезания» 132
3.1. Исходные данные и диапазоны изменения 132
параметров
3.2. Расчет усилия резания по разработанной методике 132
3.3. Анализ процесса методом конечных элементов
3.4. Сопоставление результатов расчетов 139
Выводы 139
4. Экспериментальное исследование процесса резания листа способом «контррезания» и разработка новой технологии резки 146
4.1. Методика проведения эксперимента 146
4.2. Процесс резки полосы способом «контррезания» н8
4.3. Механизм резки полосы способом «контррезания» н8
4.4. Исследование некоторых дефектов горячекатаных и холоднокатаных полос трансформаторной стали 151
4.5. Потребность в современных агрегатах продольной резки полос из трансформаторной стали 168
Выводы 173
Заключение 174
Библиографический список
- Лазерная резка полосы
- Функциональная зависимость усилия резки от технологических параметров инструмента и разрезаемого металла
- Анализ процесса методом конечных элементов
- Исследование некоторых дефектов горячекатаных и холоднокатаных полос трансформаторной стали
Лазерная резка полосы
Процессы роспуска и обрезки кромок тонких полос применяют в цехах холодной прокатки металлургических заводов и в заготовительных цехах машиностроительных заводов [4,8,9]. Разработке и совершенствованию процессов и механизмов резки тонких полос уделяют большое внимание как в России, так и за рубежом [10-29] .
При выборе метода резки полос руководствуются идеей совмещения операций резки с основными технологическими процессами. Реализация такого подхода позволяет увеличить производительность, уменьшить количество единиц оборудования и производственные площади, сократить численность обслуживающего персонала, снизить энергозатраты. При разработке метода резки следует учитывать особенности конкретного технологического процесса, физико-химические свойства обрабатываемого материала, вид деформирующих агрегатов. Значительные преимущества получаются за счет внедрения безотходных (без снятия стружки) способов резки полос.
Достоинства того или иного механизма резки в первую очередь следует оценивать с позиций возможности работы механизма резки в непрерывном технологическом потоке при условии соблюдения требуемых показателей качества.
Задача первой главы диссертационной работы состоит в проведении анализа существующих способов и устройств резки листа с точки зрения их технологических возможностей, качества и скорости резки. Здесь же дана оценка известных теоретических исследований резания полосовых материалов на предмет их соответствия процессу обрезки кромок полос из трансформаторной стали.
Представленный анализ служит базой для создания новой техники и выполнения работ по определению параметров разрабатываемых процессов резки.
Один из этапов создания новой техники состоит в оценке оптимальности выбранного решения, установив при этом критерии оптимальности.
Применительно к созданию новых процессов и механизмов резки полос в цехах холодной прокатки введем некоторые ограничительные моменты. А именно, новые решения не должны оказывать отрицательного влияния на непрерывность и стабильность технологического процесса и создавать предпосылки для введения дополнительных операций. Другим ограничительным моментом следует считать показатели качества. Из показателей в первую очередь выделим прямоугольность кромки полосы и отсутствие заусенцев, образовавшихся в процессе резки и оказывающих отрицательное влияние на последующую обработку.
Резку листового проката можно производить следующими способами: сдвигом одной отрезаемой части металла относительно другой за счет приложения к указанным частям равных, но противоположных по знаку усилий, с помощью металлорежущего оборудования (фрезерование и строгание кромок), газовым пламенем, холодной ломкой (управляемой трещиной), сфокусированным лучом (лазером) .
Первый из названных способов является наиболее эффективным и отработанным, а потому и более распространенным, он исключает стружкообразование и обеспечивает получение относительно ровной плоскости реза. Рассмотрим эти операции подробнее. 1.1. Резка полосы на дисковых ножницах
Наиболее распространенным способом резки листовой стали в потоке является резка дисковыми ножницами. Дисковые ножницы устанавливаются в различных подготовительных или отделочных агрегатах цехов холодной прокатки и предназначаются или для обрезки кромок полос, или для роспуска широких полос на узкие ленты. Для обрезки кромок применяют двухпарные дисковые ножницы, а для роспуска широкой полосы - многопарные.
Все дисковые ножницы, устанавливаемые в указанных выше агрегатах, подразделяются на два основных типа: ножницы с ножами, консольно насаженными на валы режущих головок, и ножницы с двумя общими ножевыми валами - оправками .
На рисунке 1 представлены дисковые ножницы, устанавливаемые в непрерывно-травильных агрегатах и в агрегатах поперечной резки горячекатаного металла, предназначенные для обрезки кромок у полос толщиной до 7 мм и шириной до 1500 мм.
Ножницы имеют фундаментную плиту 7, на направляющих которой установлены передвижные каретки 2 и 77 с режущими механизмами 5, 7 и комбинированными шестеренными клетями 3. Перемещение передвижных кареток 2 и 77 по направляющим плиты 7 осуществляется от электродвигателя через редуктор 9 и винтовую передачу 10, смонтированную внутри фундаментной плиты.
Функциональная зависимость усилия резки от технологических параметров инструмента и разрезаемого металла
Влияние величин Ф, /л, /на значение параметра qlTs достаточно полно представлено в работах [42-54]. Теоретический и практический интерес представляет исследование зависимости параметра Л от размеров и формы сечения режущего инструмента соотнесенных с толщиной разрезаемого металла.
Второй и третий параметры функции (2.2) раскрывают геометрические характеристики процесса резки. Величина alh характеризует нарастание усилия резки в процессе внедрения ножей. Безразмерная величина IIL характеризует нарастание длины линии контакта режущих кромок ножей с разрезаемым металлом. тода линий скольжения. Экспериментально подтверждено хорошее совпадение результатов расчета с истинными значениями усилий резки. Для объективного выбора метода исследования необходимо дать известным методам сравнительную характеристику.
Полная система дифференциальных уравнений теории пластичности, позволяющая полностью описать поведение материальных точек деформируемого тела, объединяет уравнения движения, физические уравнения связи напряженного и деформированного состояний, кинематические уравнения, уравнения неразрывности, уравнения теплопроводности и дифференциальные уравнения траекторий движения частиц. Вместе с тем, решение данной системы уравнений крайне затруднено из-за большого числа уравнений в частных производных. Поэтому, для решения практических задач определения напряженно-деформированного состояния металла в процессах ОМД, были разработаны методы основанные на допущениях, позволяющих уменьшить число уравнений, необходимых для описания состояния деформируемого тела. К таким методам решения прикладных задач следует отнести метод совместного решения упрощен 73 ных дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, метод линий скольжения, метод баланса работ, вариационные методы, метод конечных элементов.
Широкое применение для решения задач обработки металлов давлением получил метод совместного решения приближенных уравнений равновесия и пластичности, разработанный Е.П. Унксовым [59,84,87,88], А.И. Целиковым и др. для конкретных процессов деформирования. Метод позволяет непосредственным интегрированием находить уравнения, выражающие распределение напряжений на контактной поверхности, и получать уравнения зависимости удельных усилий от различных факторов. Напряженно-деформированное состояние рассматривается в методе как осесимметричное или плоское, дифференциальные уравнения равновесия упрощаются принятием условия, что нормальные напряжения зависят только от одной координаты. Благодаря этому, остается одно дифференциальное уравнение и в нем вместо частных производных можно принять обыкновенные .
Одним из наиболее строгих математических методов анализа процессов ОМД является метод линий скольжения (характеристик) , разработке которого посвящены работы А.Д. Томленова [60], В.В. Соколовского [56], Р. Хилла [5 8] и др. авторов. Метод линий скольжения в инженерном его выражении является вполне доступным и позволяет находить распределение напряжений в объеме тела. Суть его заключается в построении сетки линий скольжения и использовании их свойств, которые позволяют упростить дифференциальные уравнения равновесия. Метод линий скольжения отличается большой сложностью. Для определения полного усилия необходимо каждый раз суммировать напряжения по отдельным точкам контактной поверхности, а ее изменение по времени затрудняет решение.
Метод сопротивления материалов пластическим деформациям, разработанный Г.А. Смирновым-Аляевым и его сотрудниками, объединяет в себе ряд способов аналитического и экспериментального исследования, что позволяет анализировать напряженно-деформированное состояние при рассмотрении достаточно сложных, с точки зрения теоретического анализа, процессов ОМД. Этот метод позволяет определить усилия и формоизменение при больших (конечных) пластических деформациях при монотонной или приближенно монотонной деформации.
В основе метода баланса работ (энергетический метод) лежит положение о том, что при пластической деформации работа внешних сил на соответствующих им перемещениях равна сумме работ внутренних сопротивлений, которое следует из закона сохранения энергии. Этот метод уже давно применялся С.Н. Петровым, Э. Зибелем, А.Ф. Головиным, а также в более поздних работах исследованиях И.Л. Перлиным [92], М.В. Сторожевым [93], В.Н. Вы-дриным [94]. М.В. Сторожев и И.Л. Перлин применили метод баланса работ для определения усилий при прессовании, а В.Н.Выдрин при прокатке. Этот метод широко применяется для определения энергосиловых параметров процессов обработки металлов давлением.
Первые результаты использования вариационных методов в инженерных расчетах были получены в работах И.Я. Тарновского, В.Л. Колмогорова, Г.Я. Гуна, Л.Г. Степан-ского [95]. Методы базируются на составлении и решении вариационного уравнения принципа виртуальных скоростей и напряжений. Решение уравнения проводится с применением прямых методов вариационного исчисления, например, метод Ритца. Получаемые при применении вариационных принципов решения достаточно точно отражают реальную картину процессов деформирования, позволяют исследовать напряженно-деформированное состояние трехмерных задач. Решение задачи зависит от удачного выбора подходящих функций для описания полей скоростей и напряжений при составлении вариационного уравнения.
Метод конечных элементов, в развитие которого большой вклад внесли П. Маркал, И. Кинг, X. Кудо [96], Г.Я. Гун и другие исследователи, широкое распространение получил сравнительно недавно. Согласно этому методу, при решении конкретной задачи вначале строится ее модель в виде системы уравнений в частных производных, и этим уравнениям придается вариационная форма. Затем непрерывная модель дискретизируется согласно выбранному пространству конечных элементов. На втором этапе задаются нагрузки, характеристики материалов и другие величины, позволяющие вычислить элементарные матрицы и соответствующие им правые части. Из элементарных матриц строятся глобальные, которые затем перестраиваются, чтобы учесть граничные условия. Полученная в результате система линейных уравнений решается прямым или итерационным методом. Метод конечных элементов позволяет получать подробную информацию о деформируемом материале. Вместе с тем, определенные особенности пластической среды, такие как, нелинейность уравнений и условие несжимаемости существенно затрудняют реализацию метода. Однако математические преобразования метода конечных элементов относительно несложно переводить в алгоритм для ЭВМ. Поэтому в настоящее время существует достаточно большое количество пакетов прикладных программ твердотельного мо 76 делирования на базе метода конечных элементов, например: ANSYS, SolidEdge, ESRD StressCheck и др. Опираясь на предшествующий опыт, для исследования функции (2.2) используем метод линий скольжения.
Анализ процесса методом конечных элементов
Приведенные выше виды стабильности определяются свойствами материалов. Благодаря им сопротивление разрушению растет с длиной трещины и катастрофическое неуправляемое разрушение отодвигается или даже исключается вообще.
Второе условие стабилизации - создание ситуаций, при которой отношение -dU/дс не увеличивается с ростом длины трещины, а достаточно независимо от него. Равновесие, имеющееся в этом случае - нейтральное, является наименее надежным - оно представляет собой низшую степень стабильности. В качестве примера рассматривается простое сжатие, сопоставляемое с растяжением. В условиях растяжения высвобождаемая упругая энергия для единичной толщины характеризуется выражением
Из последнего следует, что между разрушающим усилием и длиной трещины связи нет. Это означает, что в условиях сжатия трещина может иметь любой размер и оставаться стационарной. Именно такого рода равновесие он и называет нейтральным. Однако, учитывая, что в реальных материалах рассеяние энергии происходит посредством различных механизмов, можно думать, что равновесие этого вида способно оказаться и устойчивым.
Третье условие получения стабильной трещины обеспечивается при отношении dUІде, убывающем с длиной трещины с. Выше говорилось о том, что спонтанность связана с упругим резервуаром нагруженной системы. Следовательно, чтобы трещина была управляемой, нужно убрать этот посредствующий элемент и нагружать трещину непосредственно. Это означает, что надо иметь дело с маленькими образцами, острыми концентраторами и по возможности более хрупкими материалами. И все это для того, чтобы можно было пренебречь упругой энергией всего нагружаемого образца. Простой расчет показывает, что чем больше в этих условиях образец, тем на большее расстояние способна распространяться в нем трещина. Таким образом, в энергетически изолированном образце, когда внешняя сила полностью контролируется, а потребление энергии определяется поверхностной энергией и пропорционально длине трещины, может создаться положение, при котором сила, движущая трещину, постоянно уменьшается, способствуя тем самым стабилизации трещины.
Рассмотрим траекторию распространения хрупкого разрушения в низкоуглеродистых сталях при условии, когда вдоль направления трещины приложено сжимающее усилие. Предполагается, что едва ли не определяющим в этом процессе является переход трещины из зерна в зерно, связанный с почти неизбежным изменением направления разрушения, обусловленным разориентировкой плоскостей спайности в смежных кристаллитах. Внутри зерна переход разрушения на другую кристаллографическую плоскость считается исключенным. Выбор одной из трех плоскостей спайности определяется, согласно [37], фактором интенсивно 125 сти нормальных напряжений, максимальным для активной плоскости распространения трещины.
Прежде всего, рассматривается однородная упругая изотропная среда, моделирующая распространение трещины в пределах одного кристаллита. Трещина длиной 2с располагается в среде, подверженной на бесконечности действию как растягивающих, так и касательных напряжений. Пусть т(г,9) - нормальные напряжения на плоскости ОР в точке Р вблизи вершины трещины. Фактор интенсивности нормальных напряжений Na(9) в точке О на плоскости ОР записывается так:
Далее обратимся к поликристаллическому агрегату, сжимаемому одноосными напряжениями. Траектория трещины состоит теперь из сегментов Р Р0,Р0Р1,...,Рп_2Р„_1, каждый из которых соответствует движению трещины в пределах одного кристаллита. Пусть Ji -J»-i углы между положительным направлением оси х и сегментами Р Р0,Р0Р1,...,Рп_2Рп_і соответственно. Тогда, подставляя т =-Psm Хп-\ и т = Psm n_lcoszn-i в последнее уравнение, выражение для вт можно получить в виде где отрицательное значение берется для 0 %п_{ (ж/2) и -ж %п_х -{ж12), а положительное для —{ж 12) %п О и {ж12) %п ж. Поскольку рассматривается идеализированный случай, при котором максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений NG(6) всегда совпадает с плоскостью спайности, Хп Угол между направлением распространения трещины в п зерне на стадии Рп Рп характеризуется выражением
Далее рассматривается определение величин Х\,%2 — Хп в случае, когда %Q выбрано произвольно. Получаются соотношения, независимые от
Из этих уравнений следует, что отклонения направления распространения трещин от направления оси в двух последовательных стадиях разрушения противоположны по знаку. В результате окончательная траектория разрушения представляет собой ломаную линию, состоящую из сегментов, наклоненных под углами 45 и -45 к положительному направлению оси. Таким образом, усредненная макроскопическая траектория в установившейся стадии параллельна оси х независимо от ориентировки начальной микротрещины.
Более сложной является ситуация, когда плоскости максимальных коэффициентов интенсивности напряжений в устье трещины не совпадают с плоскостями спайности. В двумерном случае в этих условиях существуют две плоскости спайности, потенциально способные быть вскрытыми, пересекающие кончик трещины Рп_х{СхСъ и С2С4) в зерне Gn ортогонально друг другу. Допускается, что все четыре направления, по которым может расти трещина, лежат внутри зерна Gn . Вместе с тем ясно, что разрушение последует вдоль одной из плоскостей Рп-\СХ , Рп-\С2 і Рп-\Съ Рп_хСА, на которой величина Na{6) окажется наибольшей. В то же время кристаллографическая ориентировка зерен случайна. Из этого следует, что все плоскости, проходящие через вершину Рп-\, имеют равные возможности стать плоскостями разрушения.
Исследование некоторых дефектов горячекатаных и холоднокатаных полос трансформаторной стали
К установкам для продольной резки и обрезки кромок тонких полос предъявляются высокие требования по точности. При непрерывной работе и большой длине полосы необходимо обеспечить наилучшее возможное и воспроизводимое качество реза. При этом большое значение придается не только допускам на ширину, но и качеству (обрезанных) кромок полосы. Режущие инструменты должны иметь большой срок службы и, кроме того, должна быть обеспечена возможность быстрой перестройки установки на новую программу резки, причем желательно автоматически. И, наконец, все представленные показатели и данные настройки должны быть зафиксированы системой сбора параметров эксплуатации.
Чтобы выполнить точные требования в отношении качества реза, наиболее важные параметры должны постоянно оставаться в специфическом и неизменном соотношении между собой. Это относится к режущему зазору между ножами и к их перекрытию. Эти параметры должны быть согласованы с маркой разрезаемого материала, состоянием полосы и её толщиной. Наиболее точные требования предъявляются к состоянию ножей и к их держателям. Предварительно напряженные прецизионные подшипники, шлифованные проводки со специальными системами направляющих роликов и шарико-винтовые пары, а также аккуратное изготовление - все это необходимо для того, чтобы агрегат резки соответствовал требуемым стандартам качества.
Внешние влияющие факторы, такие, как различия в температуре окружающей среды, зазор в подшипниках, неточности в обработке режущих элементов, необходимо учитывать при конструировании системы управления. Должна быть также предусмотрена возможность преобразования имеющихся значений в команды электрического позиционирования с вводом поправок на постоянно существующие погрешности в механических элементах. Это значит, что основным позиционированием нужно управлять не по открытой схеме, а с регулированием в замкнутом контуре (с обратной связью). Позиционирование по большому числу осей должно осуществляться одновременно и возможно более близко к заданному положению, чтобы можно было реализовать требуемое короткое время для повторной настройки.
Высокопрецизионные системы измерения длины с фотоэлектрическим сканированием базовых меток, кодированных по расстоянию, позволяют получить разрешающую способность в микрометровом диапазоне. Измерительные сигналы перерабатываются путем интерполяции и дискретизации (преобразования в цифровую форму) в электронных устройствах, достигающих на практике в экстремальных случаях при измеряемой длине до 1000 мм на режущую головку или держатель ножа разрешающей способности от 0,1 до 0,5 мкм. Электронная переработка сигналов от систем измерения длины в сочетании с точным позиционированием сервоприводов теоретически позволяет получить точность позиционирования от ±0,5 до ± 1 мкм. В каждом случае необходимо делать поправку на постоянную механическую погрешность, определяемую при измерительных проходах, которая вводится в память компьютера.
Влияние температуры весьма значительно. Разность всего в 1 К уже приводит к изменению на 11 мкм на длине 1000 мм [26]. Неравномерное расширение машины, вызванное различиями в массе на отдельных участках или неодинаковыми температурами окружающей среды, оказывает неблагоприятное воздействие на точность резки. Результаты измерения, проведенные в рабочих условиях, фактически показали, что влияние температуры вызывает не резкое, а лишь сравнительно медленное изменение. Автоматическая компенсация температуры при помощи биметаллического датчика не дает желаемого результата. Поэтому необходимо применять автоматический последовательный процесс калибровки. Соответствующие ножевые головки в их позиции максимального раскрытия перемещаются к крайней стартовой позиции, чтобы избежать необходимости резать или разрушать движущийся лист. Их позиция обнаруживается дополнительными измерительными и сканирующими системами и данные обрабатываются в компьютере, после чего они возвращаются в старую или заранее выбранную новую рабочую позицию. При такой работе можно получить точность позиционирования в пределах ±2 мкм на предварительно выбранном размере [26].
Испытания при управлении позиционированием для режущего зазора между ножами в замкнутом контуре и для настройки их перекрытия при скорости полосы 1000 м/мин подтвердили нижеследующее [18] . При включении управления позиционированием наблюдалось среднее варьирование режущего зазора около 3 мкм, и около 5 мкм по величине перекрытия. При отключении контроля, несмотря на включенный тормоз, приводы проскальзывали по направлению к более высоким значениям. Режущий зазор и перекрытие можно корректировать вручную ступенями по 2 мкм во время работы, т.е. в любом направлении, но на практике это применяется редко или почти никогда не делается.
Воспроизводимые результаты резки могут быть получены не только при непрерывной работе, но и при большой длине разрезаемой полосы. В дополнение к хорошему качеству режущих кромок, предварительным условием для этого является оптимальный срок службы ножей. Сочетание правильно установленных режущего зазора и перекрытия с состоянием материала и толщиной полосы приводит к увеличению срока службы ножей в 10-20 раз по сравнению с обычными условиями работы режущих устройств. При использовании карбидных (твердосплавных) ножей это увеличение может достичь 20-40 раз.
