Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МОДУЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА МАССОВОЙ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ 10
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ 13 И СПЛАВОВ
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБОРУДОВАНИЯ СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 31 1. 3 МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
С АСИММЕТРИЧНЫМ ОЧАГОМ ДЕФОРМАЦИИ 44
1.4 АНАЛИЗ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ПРЕДПОСЫЛОК
ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА АГРЕГАТА
СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 61
ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 68
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ
ПАРАМЕТРОВ АСИММЕТРИЧНОГО ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ-
ПРЕССОВАНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 70
2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АСИММЕТРИЧНОСТИ
ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ
НА ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ 71
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ГЕОМЕТРИИ АСИММЕТРИЧНОГО ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ И СРЕДНЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПРОКАТКЕ-ПРЕССОВАНИИ 83
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 102
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ РАСЧЕТА СИЛ НА ВАЛКАХ
И МАТРИЦЕ 108
2.5 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАСЧЕТА МОМЕНТОВ НА ВАЛКАХ 120
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 132
3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ
ПАРАМЕТРОВ АГРЕГАТА СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-
ПРЕССОВАНИЯ 134
3.1 СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СПОСОБА
И УСТРОЙСТВ СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 134
ВЫБОР ГЛАВНОГО И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АГРЕГАТА СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ ВНУТРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА 13 8
РАЗРАБОТКА ОБЩИХ ПОДХОДОВ, ТРЕБОВАНИЙ
И ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ АГРЕГАТА СОВМЕЩЕННОЙ
ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 155
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 164
4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ
АГРЕГАТА НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 165
РАЗРАБОТКА И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ УСТАНОВКИ СПП-400 165
РАЗРАБОТКА ЭСКИЗНЫХ ПРОЕКТОВ АГРЕГАТОВ СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ 171
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 200
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 201
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 204
ПРИЛОЖЕНИЯ 218
Введение к работе
В условиях постоянного технологического развития и глобализации рынков перед предприятиями, производителями металлопродукции, остро стоит проблема повышения эффективности производства и обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции. Особенно актуальна эта проблемы при производстве длинномерных изделий из цветных металлов и сплавов в виде прутков, проволоки и профилей малого поперечного сечения.
Решение этой проблемы требует как дальнейшего совершенствования действующих технологических процессов производства длинномерной продукции, так и создания технологических систем на базе интегрированных и совмещенных устройств и агрегатов, основанных на сокращении до минимума числа этапов технологического процесса, снижении затрат материальных и энергетических ресурсов.
Задачи создания технологических систем на базе интегрированных и совмещенных устройств и агрегатов в последние годы приобрели особую актуальность, в их решении накоплен определенный производственный опыт и созданы научно-технические основы для разработки технологий и оборудования. В приоритетных направлениях развития науки и техники Российской Федерации в рамках направления «Производственные технологии» включена критическая технология - «Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств».
К настоящему времени в области разработки нового процесса совмещенной прокатки-прессования, разработанного на кафедре «Обработка металлов давлением» ГОУ ВПО «Государственный университет цветных металлов и золота», выполнен определенный научно-технический задел и накоплен практический опыт создания опытно-промышленных установок. Вместе с тем от производителей длинномерной продукции поступают заявки на приобретение промышленных образцов такого оборудования, причем заявки имеют широкий спектр запросов от производства припоев на основе серебра в виде проволоки диаметром 1,6 мм, до жил высоковольтных электрических кабелей больших сечений с заданной длиной без стыковой сварки более коротких жил. Все это обусловило необходимость разработки подходов и принципов проектирования промышленных агрегатов совмещенной прокатки-прессования.
В структуре жизненного цикла сложных технических систем одной из важнейших является стадия проектирования. Эта стадия включает два основных этапа:
- внешнее проектирование (макропроектирование), когда исследуются свойства внешней среды, оцениваются рассогласования характеристик дейст-
5 вующих систем относительно их требуемых значений, определяются характеристики и тенденции развития систем-аналогов, выясняются цели, ради достижения которых создается система, уточняется круг решаемых ею задач. Результатом этого этапа является техническое задание на разработку проекта;
- внутреннее проектирование (микропроектирование), когда определяется на основании структурно-параметрического описания и модели функционирования структура системы и её конструктивно-компоновочные схемы, технические решения ее подсистем и элементов, их конструкция, параметры, режимы эксплуатации и др.
С информационной точки зрения проектирование - процесс преобразования входной информации об объекте проектирования, состоянии знаний в рассматриваемой области знаний, опыте проектирования объектов аналогичного назначения в выходную информацию в виде проектно-конструкторской и технологической документации. К области научных задач проблем проектирования объектов новой техники относятся задачи как построения общей теории проектирования сложных систем и объектов, так и разработка математических моделей проектируемых объектов, включающих структурно-параметрическое описание собственно объекта с помощью набора проектных параметров и модель его функционирования.
Для обоснования общего подхода и методических принципов разработки технологии и моделей функционирования модульного оборудования на базе способа совмещенной прокатки-прессования в работе рассмотрены тенденции и факторы, вызывающие необходимость разработки современных модульных технологий производства массовой длинномерной металлопродукции, а также состояние исследований в области смежных процессов, таких как прессование с использованием активных сил трения и асимметричных процессов продольной прокатки.
В работе показано, что разработанный на уровне изобретений и реализованный в виде лабораторной и опытно-промышленной установок способ совмещенной прокатки-прессования является перспективным для реализации в виде базового объекта модульных технологий для производства длинномерной металлопродукции, что позволило сформулировать технические требования к промышленному агрегату совмещенной прокатки-прессования.
Вместе с тем, теоретические исследования совмещенной прокатки-прессования выполнены в основном для условий симметричного процесса, а экспериментальные для асимметричного, в связи с чем для научно-методического обеспечения процедур проектирования необходима разработка моделей для анализа и синтеза асимметричного процесса.
В связи с этим, для реализации этапа внутреннего проектирования с выходом на эскизный проект агрегата совмещенной прокатки-прессования необходимо сформулировать цель исследований и задачи, которые необходимо решить для ее
достижения.
Учитывая актуальность проблемы создания модульных технологий производства длинномерной продукции из цветных металлов и сплавов цель настоящего исследования сформулирована в следующем виде: разработать комплекс технологических и технических решений для модульной технологии производства длинномерной продукции из цветных металлов и сплавов на базе совершенствования процедур проектирования и создания моделей функционирования агрегата совмещенной прокатки-прессования.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
Выполнен комплекс экспериментальных исследований на лабораторной установке совмещенной прокатки-прессования СПП-200 взаимосвязи проектных параметров с входными и конструктивными параметрами в широком диапазоне их изменения в условиях асимметрии очага деформации.
Разработаны структурно-параметрическое описание агрегата совмещенной прокатки-прессования с помощью набора проектных параметров и модель его функционирования в стационарном режиме при варьировании управляемых параметров, обеспечивающая эффективные конструкторско-технологические решения на базе прогнозирования выходных характеристик процесса по заданным проектным параметрам с учетом асимметрии очага деформации и особенностей деформирования с активными силами трения.
Сформированы проектные процедуры, обеспечивающие выбор проектных параметров по принципу гарантированного результата, обоснован выбор главного и основных параметров с учетом параметрических и функциональных ограничений, а также необходимые для выполнения проектных работ и технологических разработок зависимости характеризующие производительность агрегата совмещенной прокатки-прессования и его прогнозную стоимости в зависимости от значения главного параметра.
Разработаны общий подход, требования и принципы создания агрегатов совмещенной прокатки-прессования, на основе которых определен состав стандартного, унифицированного и индивидуального оборудования и комплектующих единиц в рамках интегрированной линии непрерывного производства длинномерных изделий, её прогнозные технические характеристики, основные функциональные показатели и условия эксплуатации.
Разработаны эскизные проекты промышленных агрегатов совмещенной прокатки-прессования консольного типа и с закрытой станиной.
В результате решения поставленных задач в диссертации получены следующие, наиболее важные результаты, отличающиеся научной новизной:
1. Экспериментально установлены следующие общие закономерности про
цесса совмещенной прокатки-прессования:
увеличение вытяжки приводит к росту сил на матрице и валках, что связано с ростом давлений подпора в очаге деформации от силы прессования;
скорость роста сил на матрице и валках от вытяжки для свинца ниже, чем деформируемых в горячем состоянии меди Ml и сплава АД31, что объясняется различным скоростным упрочнением и условиями трения;
уменьшение площади поперечного сечения калибра при одной и той же вытяжке приводит к снижению сил на матрице и валках при малых вытяжках, а с увеличением вытяжки разность сил в различных калибрах возрастает, последнее обусловлено нелинейным характером прироста контактной площади калибра при увеличении его размеров;
изменение силы на валках Рв очень чувствительно к изменению силы прессования Рм, так при деформировании сплава свинца и алюминиевого сплава АД31 в горячем состоянии коэффициент абсолютной чувствительности к = дРв/дРм равен 1,8, а при горячей деформации меди Ml он равен 1,126, что
объясняется более низким коэффициентом трения меди по стали в связи с наличием на поверхности заготовки окислов;
момент на валке с врезом больше момента на валке с выступом практически в 2 раза, что связано с разностью площадей контакта стенок калибра с заготовкой при деформации, а скорость изменения моментов от изменения силы на валках значительно ниже, чем скорость роста силы на валках от силы прессования;
установлено, что изменение моментов более чувствительно к изменению силы прессования, чем к изменению силы на валках, при этом сделано предположено, что величина момента на валках в большей мере обусловлена силами трения на поверхностях калибра, которые, при выполнении условия равновесия горизонтальных сил, должны быть уравновешены силой прессования Рпр;
установлена корреляционная взаимосвязь между моментами на валке с выступом Mi и валке с врезом М2, причем скорость изменения AM2 /АМ1 более
высокая при горячей деформации меди и алюминиевого сплава АДЗ 1, чем сплава свинца, что обусловлено в последнем случае более низкими значениями коэффициента трения и скоростного упрочнения сплава свинца, по сравнению с алюминиевым сплавом АДЗ 1 и медью.
2. Впервые разработана модель функционирования агрегата совмещенной
прокатки-прессования в стационарном режиме при варьировании управляемых
параметров, включающая следующий комплекс моделей:
- геометрии асимметричного очага деформации: углов захвата и длины кон
тактных дуг на валках в зависимости от радиусов валков и окружных скоростей
8 их вращения; длины очага деформации; распределения обжатий под валками; коэффициента формы очага деформации под каждым валком и средний для очага деформации; площадей контактных поверхностей;
расположения равнодействующих сил на валках в условиях асимметричной деформации, показано, что точки их приложения лежат в разных плоскостях, на основании чего доказана ведущая роль сил трения на стенках калибра в величине моментов, возникающих на валке с выступом и врезом;
расчета средних контактных напряжений на валках, учитывающая давление подпора от силы прессования и снижение контактных напряжений на валках за счет разности их окружных скоростей вращения в сочетании со степенью деформации, при этом показано, что в условиях совмещенной прокатки-прессования правомерно применение расчета средних контактных напряжений по средним геометрическим размерам асимметричного очага деформации;
оценки температурных условий процесса с учётом двумерного теплового потока в калибре;
расчета моментов на валках.
3. Разработаны и обоснованы необходимые для выполнения проектных работ и технологических разработок зависимости производительности агрегата совмещенной прокатки-прессования и его прогнозной стоимости в зависимости от значения главного параметра.
Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на применении теории обработки металлов давлением и математических методах исследования. Достоверность их подтверждена результатами лабораторных и промышленных испытаний, опытно-промышленного опробования и внедрением в производство.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
разработано структурно-параметрическое описание интегрированной линии для производства длинномерных изделий из цветных металлов и сплавов, включающей в качестве базового функционального элемента агрегат совмещенной прокатки-прессования, при этом обоснован выбор главного и основных параметров с учетом параметрических и функциональных ограничений;
разработаны общий подход, требования и принципы создания агрегатов совмещенной прокатки-прессования на основе которых определен состав стандартного, унифицированного и индивидуального оборудования и комплектующих единиц в рамках интегрированной линии непрерывного производства длинномерных изделий, её прогнозные технические характеристики, основные функциональные показатели и условия эксплуатации;
разработана методика проектирования, основанная на том, что для процесса совмещенной прокатки-прессования существует область работоспособно-
сти, обуславливающая производительность как функцию окружной скорости валков, ограниченная номинальными значениями сил на матрице и валках и мощностью привода, кроме того, она включает определение границ области работоспособности на основании принципов теории надежности с учетом вероятностного характера изменения входных и выходных параметров;
- на основании теоретического анализа температурных условий работы ин
струмента разработаны рекомендации по комбинированному охлаждению валков
с целью обеспечения их прочности и долговечности;
- впервые разработаны эскизные проекты промышленных агрегатов СПП:
а) с коробчатой станиной и консольным расположением валков, обеспечи
вающую оперативную смену инструмента для изготовления небольших партий
продукции из легкодеформируемых сплавов (алюминия АД1, серебра ПСр40 и
т.д.) с широкой номенклатурой;
б) со станиной закрытого типа, обеспечивающей большую жесткость, и
предназначенных для обработки заготовок большого поперечного сечения с вы
сокой производительностью, а так же позволяющих обрабатывать труднодефор-
мируемые сплавы.
Полученные в работе научные и практические результаты используются при подготовке специалистов в курсах лекций «Моделирование и оптимизация технологических систем и комплексов обработки металлов давлением», «Теория и технология прокатки, прессования и волочения», «Системы автоматизированного проектирования процессов ОМД», «Технология ювелирного производства», «Непрерывное литьё и обработка цветных металлов и сплавов», курсовом и дипломном проектировании по специальности «Обработка металлов давлением».
На ООО «ТК «Сегал» внедрена опытно-промышленная установка СПП-400.
Представленная работа выполнялась в рамках научной программы Минобразования России «Инновационная деятельность высшей школы» (2003 г.) по проекту «Разработка и создание опытно-промышленного образца модульного агрегата прокатки-прессования интегрированной литейно-прессовой линии для производства длинномерных изделий из цветных металлов и сплавов», гранта Президента РФ №НШ-2212.2003.8 (2003-2005 гг.) на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ, научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 г.), подпрограмма № 2 «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», раздел № 2.2 «Опытно-конструкторские, технологические и экспериментальные разработки», направление № 2 «Производственные технологии», проект №52633 «Разработка новых сплавов и припоев на основе драгоценных металлов и технологий производства из них слитков, полуфабрикатов и ювелирных изделий».
