Содержание к диссертации
Введение
1. Производство гнутых профилей из низколегированных марок стали и известные методы определения усилий при профилировании 5
1.1. Область применения профилей из низколегированных марок стали 5
1.2. Заготовка из низколегированных марок стали, используемая для производства гнутых профилей 11
1.3. Известные методы определения энергосиловых параметров и напряженно-деформированного состояния
при профилировании 17
1.4. Исследование причин образования некоторых дефектов гнутых профилей 27
1.5. Задачи исследования 30
2. Исследования влияние технологических факторов на энергосиловые параметры процесса профилирования 31
2.1. Определение влияния степени упрочнения заготовки на величину фактического предела текучести при профилировании 31
2.2. Исследование напряжений и деформаций в образцах из стали марки 10Г2ФБЮ 37
2.3. Исследование максимального утонения в месте изгиба при профилировании 43
2.4 Выводы по второй главе
3. Разработка методики определения энергосиловых параметров процесса профилирования 47
3.1. Определение степени деформации и запаса пластичности при производстве лонжеронной заготовки из стали марки 10Г2ФБЮ...47
3.2. Определение возможности профилирования швеллера толщиной 8 мм и более из низколегированных марок стали на стане 2-8x100-600 ОАО «ММК» 52
3.3. Оценка эффективности использования гуммированных валков при производстве швеллеров большой толщины с позиции энергозатрат 62
3.4. Выводы по третьей главе 68
4. Совершенствование процесса профилирования и проведение промышленного эксперимента по профилированию лонжеронной заготовки из низколегированной марки стали 71
4.1. Разработка калибровки валков для производства гнутого профиля 71
4.2. Оценка точности геометрических размеров гнутых швеллеров 280x80x8,0 мм и 261x72x8,0 мм, полученных в процессе промышленного эксперимента 86
4.3. Результаты замеров давления металла на валки при профилировании швеллера 261x72x8,0 мм 89
4.4. Оценка эффективности предложенных технических решений 93
4.5. Выводы по четвертой главе 96
Заключение 97
Список использованных источников
- Заготовка из низколегированных марок стали, используемая для производства гнутых профилей
- Исследование напряжений и деформаций в образцах из стали марки 10Г2ФБЮ
- Определение возможности профилирования швеллера толщиной 8 мм и более из низколегированных марок стали на стане 2-8x100-600 ОАО «ММК»
- Результаты замеров давления металла на валки при профилировании швеллера 261x72x8,0 мм
Заготовка из низколегированных марок стали, используемая для производства гнутых профилей
Качество гнутых профилей в значительной мере определяется качеством исходной заготовки. Так, точность выполнения отдельных элементов сечения готового профиля зависит от точности порезки исходной заготовки по ширине и от ее серповидности. Разнотолщинность не дает возможности получить стабильные размеры готовых профилей. Волнистость и коробоватость исходной заготовки также отрицательно сказываются на точности геометрических размеров готового профиля. Основные требования к прокату из стали повышенной прочности определены в ГОСТ 19281 и ГОСТ 17066 [12,13].
Металл, предназначенный для холодного профилирования, должен обладать определенной совокупностью механических свойств, позволяющих его пластически деформировать и в то же время придающих готовому гнутому профилю необходимую прочность. Для увеличения прочностных свойств готового профиля существует множество способов, одним из которых является добавление в сталь легирующих элементов (например: марганца, титана, ниобия). В результате анализа химического состава сталей марок Зпс, 09Г2 и 10ХНДП и качества готовой продукции получены уравнения регрессии зависимости брака по трещинам при формовке гнутых профилей от химического состава стали и разработаны рекомендации по использованию подката из низколегированных марок стали [14].
Из-за неоднородности химического состава, непостоянства режимов прокатки и неравномерного охлаждения по длине полосы, особенностей технологии производства подката на различных станах и других причин механические свойства горячекатаного подката могут меняться в широких пределах. Проведенные исследования позволили установить, что колебания механических свойств в подкате для профилегибочных станов достигают 12... 18% от значений, указанных в сертификате, что может привести к образованию трещин в местах изгиба из-за недостатка запаса пластичности [15].
Высокие требования к качеству изделий, предназначенных для сборки автомобилей, имеют решающее значение для производителей автотранспорта, так как от этого зависит не только надежность узлов и агрегатов, но и поведение автомобиля в критической ситуации. В настоящее время все лидеры машиностроения работают с теми предприятиями, которые имеют международные сертификаты в области управления качеством ИСО ТУ 16949:2002, которые описывают особые требования по применению ИСО 9001:2000 в автомобильной промышленности и организациях, производящих соответствующие запасные части.
Так, например, к подкату для изготовления лонжеронной заготовки автомобилей КамАЗ из стали марки 20ГЮТ предъявляются требования по ТУ 650 РК - 01440 - 010 - 95 [16]. Данные требования утверждены на Карагандинском металлургическом комбинате и согласованны с ОАО «КамАЗ».
Руководствуясь СТП 101-64-82, подкат на стан 2-8x100-600 ОАО «ММК» поставляется из стали марок по ГОСТ 380, ГОСТ 1050 (до марки 25 включительно), ГОСТ 19281 (09Г2, 09Г2Д, 10ХНДП). Требования к качеству поверхности гнутых профилей регламентирует ГОСТ 11474. Предельные отклонения полосовой стали, поставляемой без продольного роспуска, по толщине, ширине, разнотолщинности в одном поперечном сечении и серповидности должны соответствовать требованиям ГОСТ 19903, ГОСТ 19904, ГОСТ 6009 [17-23].
Основные технические требования, предъявляемые к заготовке с микролегированием из стали марки 20ГЮТ, определяются несколькими позициями: - предел прочности не более 620 Н/мм ; - предел текучести не более 540 Н/мм2; - относительное удлинение 8ю не более 17%; - твердость не более 210 НВ; - ударная вязкость KCU, Дж/см , при температуре -40С не более 39; - отклонения геометрических размеров для заготовки: При обеспечении механических свойств подката допускается отклонение по химическому составу титана и алюминия не более ±0,01%;
- загрязненность неметаллическими включениями (сульфиды) не должна превышать третий балл ГОСТ 1778; - прокат поставляется после дробеметной обработки с качеством по
верхности для третьей группы по ГОСТ 4041.
Производство лонжеронной заготовки из марки стали 20ПОТ с микролегированием было освоено на Магнитогорском металлургическом комбинате. Производителем полосовой заготовки являлся Карагандинский металлургический комбинат. Заготовка поставлялась нарезанной на мерные длины размером 405x8000 и 371x8000 мм. При освоении этой марки стали толщиной 8,0 мм был проведен промышленный эксперимент по замеру усилий действующих в клетях стана (см. глава 3). Задача в производство такой заготовки осуществлялась поштучно без применения механического оборудования, что, несомненно, было не эффективно с точки зрения производительности труда. Поэтому были продолжены исследования по освоению марки стали выпускаемой в ОАО «ММК» и подходящей по механическим характеристикам для машиностроителей. Такая сталь была найдена - прокат толстолистовой из низколегированной стали марки 10Г2ФБЮ, выпускаемый для электросварных труб диаметром 530-1020 мм (ТУ 14-1-4627-96). Стоит отметить, что циклическая долговечность лонжеронов из стали марки 10Г2ФБЮ для рамы автомобиля КамАЗ-6520, согласно проведенным в ОАО «КамАЗ» испытаниям, не ниже, чем из стали 20ГЮТ (приложение 1). Данные заключения специалистов ОАО «КамАЗ» позволили перейти к производству лонжеронной заготовки в ОАО «ММК» из стали марки 10Г2ФБЮ порулонным способом, что значительно увеличило производительность труда. Подкат из стали марки 10Г2ФБЮ поставляется в рулонах массой до 15 тн. Роспуск на полосы осуществляется на агрегате продольной резки ЛПЦ-7 ОАО «ММК», а порезка заготовки на мерные длины - непосредственно в линии стана 2-8x100-600.
Исследование напряжений и деформаций в образцах из стали марки 10Г2ФБЮ
Данная формула, позволяет рассчитать давление металла на валки при всех возможных комбинациях значений входящих в них параметров при условии, что они находятся в указанных пределах [34]. Автор данной формулы считает, так как энергосиловые параметры процесса профилирования определяются большим числом факторов - как существенных, связанных с процессом формообразования (геометрические, технологические и конструктивные параметры), так и случайных (перекос валков, неточное выполнение их размеров, разнотолщин-ность полосы, неоднородность механических свойств, качество поверхности заготовки), многие из которых к тому же влияют друг на друга, то получение необходимого объема информации при минимально возможном объеме исследований обеспечивается методом математического планирования эксперимента.
Известно, что при профилировании продольная деформация не значительна в отличие от производства листового проката, где она приводит к упрочнению металла по всей площади, однако деформации подвергаются места изгиба. Соответственно, в местах изгиба наблюдается наибольшее давление металла на валки [35]. Стоить отметить, что при профилировании в местах изгиба происходит упрочнение материала, которое способствует увеличению нагрузки, расходуемой на формоизменение полосы.
Данное влияние главным образом определяется маркой стали формуемой полосы. Так, имея различные механические и пластические характеристики, металл в месте изгиба будет получать соответственно различную степень упрочнения и, как следствие, в большей или меньшей степени влиять на энерго 24 силовые параметры процесса профилирования.
Учет влияния этих свойств материала на энергосиловые параметры процесса профилирования следует осуществлять через коэффициент упрочнения. Данный коэффициент зависит от марки стали, из которой производится готовый профиль. Влияние коэффициента упрочнения особенно необходимо учитывать при профилировании толстолистовых заготовок (толщиной 7,0 мм и более), так как в этом случае энергосиловые параметры изменяются в достаточно больших диапазонах, что может привести к перегрузке оборудования.
При современном уровне техники определение зависимости механических свойств от различных факторов не представляет особых трудностей. Однако, несмотря на это, количественной теории, связывающей механические свойства металла между собой, а также с его химическим составом и физической структурой, пока не существует, хотя природа сил взаимодействия между атомами известна. Это связано с тем, что решение такой математической задачи, которая в данный момент не может быть даже сформулирована, чрезвычайно сложно.
Есть некоторые предложения, которые по разному пытаются учесть упрочнение материала при расчете энергосиловых параметров при профилировании. Так в Донецком техническом университете предлагается учитывать изменение предела текучести (ат) по логарифмической зависимости от суммарного угла подгибки [36,37]:
Дальнейший расчет усилия профилирования производится на основе формулы, выведенной Тришевским И.С. [27]. Расчеты по этой методике выполнялись для профилирования сложного несимметричного профиля из стали марки 08Ю толщиной 0,7 мм.
Тришевский И.С. и др. ученые рассматривали вопрос, связанный с влиянием на энергосиловые параметры ряда факторов, роль которых не была учтена в работах [27,29], в частности, влияние упрочнения металла и радиуса формовки мест изгиба. Как показали дальнейшие исследования [38], в действительности формоизменение места изгиба происходит практически на первом участке очага деформации; при этом деформации достигают величины пластических: на границе раздела участков - на поверхности, в осевой плоскости валков - по всей толщине места изгиба [31]. Результатом исследований было развитие и уточнение методики определения энергосиловых параметров профилирования с учетом вышеуказанных факторов. Так, при профилировании швеллеров, давление было предложено определять как сумму нагрузок при формоизменении криволинейного элемента, смежного с подгибаемой полкой
Было предложено для материалов, упрочняющихся по линейной зависимости, использовать модуль упрочнения на втором участке графика истинных напряжений, равный П - (10...12)ат [35]. Данный модуль упрочнения используется для расчета изгибающего момента: h - ширина стенки, мм; х изменяется в пределах с х h-c. Исследованию деформации подгибаемых элементов при профилировании посвящен ряд работ [40-52], в которых дано приближенное решение задачи. Первоначально [33,42] исходили из того, что при подгибке на заданный угол металл у кромок профилируемых полос не должен деформироваться пластически, а продольная деформация должна равномерно распределяться вдоль участка плавного перехода и быть одинаковой по толщине.
Определение возможности профилирования швеллера толщиной 8 мм и более из низколегированных марок стали на стане 2-8x100-600 ОАО «ММК»
Основными факторами, определяющими прочностные характеристики оборудования профилегибочного агрегата, мощность его привода, рациональный технологический режим формовки профилей, являются величина и характер распределения давлений формуемого металла в калибрах валков.
Поэтому одной из важных задач при разработке технологии производства гнутых профилей, различных по форме, размерам и материалу является оперативное прогнозирование возможности формовки гнутых профилей без нарушения сплошности [31]. При этом необходимо заранее знать для каждого конкретного случая максимальные допустимые деформации в местах изгиба. Однако трудность прогнозирования технологических возможностей оборудования заключается в отсутствии совершенно надежных формул для определения давления.
В случае определения энергосиловых параметров процесса профилирования на основе фактических значений давления металла на валки, результат расчета в значительной степени зависит от вида применяемой формулы.
Найдем величину Р при профилировании лонжеронного швеллера 261x72x8,0 мм {ат= 500 кН/мм, а= 650 кН/мм) при угле подгибки a=10,ac=10HRB=116MM.
В (табл. 3.1) приведены результаты расчета, произведенного по формулам (1.2), (1.6), (1.9) и (1.12) [89].
Как видно из этой таблицы, наиболее близки значения к экспериментальным данным дают расчеты по формуле Тришевского И.С., полученной на основе теоретического обоснования процесса профилирования. Таблица 3.1 Расчетные значения усилий профилирования по известным формулам Авторы формул Расчетные значения Р,кН Экспериментальные значения Р, кН % отклонения Тришевский И.С. 135,62 128,00 5,6% Калужский В.Б. 195,60 128,00 34,5% Богоявленский К.Н. 347,31 128,00 В 2,71 раза Мекельт Г. 38,02 128,00 В 3,36 раза Несмотря на то, что наиболее близкие значения к экспериментальным данным при прочих равных условиях дают расчеты по формуле Тришевского И.С. [27], однако и эта формула также не лишена недостатков.
Например величина «С», являющаяся проекцией половины дуги изгиба, определяется, как следует из рис. 3.1
К определению параметра «С» при вычислении величины давления. следующим образом: c = (Rg+S0)g\— , а по предлагаемой формуле когда ас = 10, R = 30,0 мм, S = 8,0 мм. В первом случае с = 3,32 мм, во втором случае с = 9,8 мм. Как видно из примера, значения расходятся в несколько раз, кроме того, как уже отмечалось ранее, в данной формуле не учтен ряд факторов, в частности, влияние упрочнения металла и радиуса формовки мест изгиба.
Учет утонения применяется в основном для уточненного расчета ширины заготовки и не учитывается при расчете усилия профилирования. То же можно сказать и о временном сопротивлении разрыву, когда расчет усилия по клетям производится без учета упрочнения материала в месте изгиба. Данные допущения приемлемы, когда дело имеем с металлом небольшой толщины до 4,0 мм, а при исследовании возможности профилирования заготовки толщиной 8,0 мм и более, такие допущения не допустимы, так как усилие профилирования значительно возрастает и близко к предельным значениям.
Для оценки энергосиловых параметров при производстве лонжеронной заготовки из стали марки 10Г2ФБЮ толщиной 8,0 мм на ПГА 2-8x100-600 примем методику И.С. Тришевского [27]. Для учета упрочнения материала в месте изгиба и определения фактической величины сопротивления деформации воспользуемся полученной формулой (2.6) где кущ,, - коэффициент упрочнения.
В качестве контрольных показателей наиболее целесообразно использовать величину утонения в местах изгиба и деформации растяжения волокон на их наружной поверхности. Сопоставляя их расчетные значения для каких-либо конкретных условий или фактические величины, замеренные на недокатах и готовом профиле, можно заранее оценить запас пластичности металла в месте изгиба и еще на стадии проектирования предусмотреть использование этого запаса наиболее рациональным способом. Расчет утонения будем осуществлять по формуле (2.20) с учетом поправочного коэффициента, тогда: №=kymnH/AS = 1,242 -AS1-08, где AS- величина абсолютного утонения по формуле (2.15), мм. Согласно технологическому паспорту ПГА 2-8x100-600, максимальная толщина профилируемой полосы составляет 8,0 мм, максимальное давление металла на валки - 300 кН и максимальное значение временного сопротивления разрыву ов профилируемого металла - 640 Н/мм . Для определения возможности профилирования лонжеронной заготовки (швеллера) на данном агрегате необходимо выяснить, какое давление металла на валки можно ожидать при профилировании полосы толщиной 8,0; 10,0 и 12,0 мм из стали марки 10Г2ФБЮ.
Режим профилирования выбираем согласно вновь предлагаемой калибровке (см. главу 4): суммарные углы подгибки по проходам равны 0-10о-20о-32-44-58о-70о-80о-88о-90, соответственно частные углы подгибки в каждом проходе равны 10-10-12-12-14-12-10о-8-2, так как по первоначальной калибровке используемой в производстве распределение усилий по калибрам было нерациональным [90]. Внутренние радиусы подгибки соответственно равны: 117-57-34-24-17-13-11-10-10 мм.
Расчет проведем для двух марок стали, из которых производят лонжерон-ные заготовки из швеллера размером HxBxS 261x72x8,0 мм. Это стали марки 20ГЮТиЮГ2ФБЮ. Исходные данные предела текучести для стали 20ГЮТ ат = 450 Н/мм2; 10Г2ФБЮ от = 540 Н/мм . Результаты расчетов представлены в табл. 3.2-3.4 и на рис.3.2.
Результаты замеров давления металла на валки при профилировании швеллера 261x72x8,0 мм
От расположения профиля в валках стана при профилировании существенным образом зависит оптимальность технологических параметров процесса, а также качество готовой продукции. При выборе положения профиля в валках необходимо стремиться расположить профиль большим размером вдоль горизонтальной оси валков, обеспечивая тем самым минимальную глубину вреза в валки и оптимальность параметров процесса формовки. Элементы профиля с повышенными требованиями к качеству поверхности целесообразно располагать на основных диаметрах или вблизи них. При профилировании необходимо стремиться к тому, чтобы полки профиля подгибались вверх. Это обеспечивает получение хорошей формы профилей в соответствии с требованиями существующих стандартов, наибольшую простоту и универсальность рабочих валков.
Для обеспечения рационального режима профилирования при максимально допустимых углах подгибки следует применять такие схемы формовки, которые обеспечивают минимальную продольную деформацию (растяжение) металла вдоль кромок. Это может быть обеспеченно применением валковой арма 73 туры и специальных способов формовки, заключающихся в придании крайним подгибаемым элементам более жесткой формы [92-94].
В данной работе предлагается способ получения гнутого швеллера с уменьшенными радиусами подгибки на готовом профиле относительно ГОСТ 8278 за счет применения усовершенствованной группы калибров с применением в чистовых проходах универсальных клетей (Per. №ОРИП ММК 25\05. Справка о приорите №2005-128006 от 07.09.2005г.) [84,95].
Для более равномерного распределения продольных деформаций подгибаемых элементов по клетям и предупреждения гофрообразования у кромок, продольного прогиба профиля и его скручивания в процессе и после профилирования применяется способ изготовления гнутых профилей [96], в соответствии с которым при формообразовании по переходам предусматривают равные горизонтальные смещения кромки заготовки в формующих валках при прохождении полосы из клети в клеть.
Анализ работы действующего оборудования показывает, что для обеспечения рациональных условий формовки целесообразно применять станы с изменяемым или уменьшенным расстоянием между рабочими клетями. При настройке это расстояние следует определять и устанавливать из условия создания общего участка плавного перехода вдоль всего стана без зон разгрузки. Постепенная подгибка элементов заготовки в течение всего процесса формовки без пружинения в промежуточных проходах способствует оптимизации энергосиловых параметров профилирования и улучшению качества профилей вследствие устранения энергозатрат на подгибку элементов заготовки после пружинения в каждом технологическом проходе и знакопеременной деформации на участках изгиба [26].
Применение гнутых профилей из сталей повышенной и высокой прочности обеспечивает повышение несущей способности конструкций при прежнем весе или снижении веса при прежней несущей способности. Высокие показатели прочностных свойств, как правило, достигаются лишь при низких пластических свойствах исходных заготовок для получения профилей. В процессе профили 74 рования более прочных заготовок значительно возрастают энергосиловые параметры, а места изгиба из-за опасности появления трещин приходится выполнять с отношением внутреннего радиуса к толщине RB/So не менее 2-4, что на 7-8% снижает несущую способность профилей и ухудшает их конструктивные свойства [88].
При организации промышленного производства профилей из низколегированных марок стали толщиной 7,0-10,0 мм калибры валков в клетях 1-2 должны быть закрытыми, чтобы устранить переформовку мест изгиба и повысить точность размеров профиля. При этом следует учитывать, что использование закрытых калибров эффективно только при поставке рулонной заготовки с минимальным отклонением по ширине полосы. Поэтому по техническим условиям на порезку рулонов допускаемые отклонения от расчетной ширины заготовки не должны превышать +1,0 мм [97]. С целью повышения точности геометрических размеров в процессе формообразования (преимущественно в последних технологических проходах) вводится дополнительная операция гибки подгибаемых полок на угол до 10 в направлении, противоположном направлению формовки, с последующей доформовкой заготовки до окончательных размеров профиля.
Для улучшения качества профилей и компенсации пружинения в местах сопряжения прямолинейных участков (обычно приводящего к искажению формы поперечного сечения профилей) применяют способ, в соответствии с которым в первых проходах формуют профили с зауженными участками, растягиваемыми впоследствии в последних проходах при получении профиля заданной формы и размеров [98].
Рассмотрим предлагаемый способ профилирования гнутых швеллеров [84], заключающейся в последовательной по проходам подгибке полок профиля с заданными величинами радиусов изгиба.
