Исследование и разработка технологии процесса поперечно-винтовой прокатки для повышения пластичности заэвтектических силуминовых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Ковалев, Дмитрий Александрович

• Ковалев, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковалев, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1.Станы поперечно-винтовой прокатки.

1.2.Условия захвата.

1.3.Скоростные условия в станах ПВП.

1.4.Напряженно-деформированное состояние метла при ПВП.

Выводы по разделу.

2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ

ПРОКАТКЕ В СТАНАХ ПВП.

2.1. Основные принципы метода конечных элементов.

2.2.Построение модели НДС на базе программы ANSYS/LS-DYNA

2.2.1. Анализ распределения напряжений при прокатке заготовки на трехвалвовом стане ПВП* полученного с применением программы ANSYS/LS-DYNA.

2.2.2. Анализ скоростных и энергосиловых параметров процесса.

2.2.3. Адекватность математической модели.

2.2.4. Анализ распределения деформации в объеме заготовки.

2.3.Построение модели НДС на базе программы Deform3D.

2.3.1. Анализ распределения напряжений при прокатке заготовки на трехвалвовом стане ПВП, полученного с применением программы DEFORM.

2.3.2. Анализ распределения напряжений в прутке при прокатке заготовки с диаметра 100 на 80 миллиметров.

2.3.3. Адекватность математической модели.

2.3.4. Определение силовых параметров прокатки.

Выводы по разделу.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ НА СТАНЕ ПВП 20-60.

3.1. Введение.

3.2.Аппаратная часть.

3.3.Программное обеспечение.

3.4.Измерение усилий при прокатке.

Выводы по разделу.

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СПЛОШНЫХ ЗАГОТОВОК И ТРУБ.

4.1.Разработка технологии ПВП и изменение структуры силуминовых сплавов после прокатки.

4.2.Влияние ПВП на структуру заэвтектических силуминов.

4.3.Прошивка трубной заготовки из силуминовых сплавов.

Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологии процесса поперечно-винтовой прокатки для повышения пластичности заэвтектических силуминовых сплавов»

Повышение пластических свойств металлов за счет обработки давлением; всегда; являлось важной задачей науки и производства.

Известно, что заэвтектические силумины с содержанием кремния 18'

24% обладают рядом очень важных и полезных свойств (высокойудельной прочностью, хорошей износостойкостью в трущихся парах, малой плотностью, низким коэффициентом линейного расширения; а также высокими антикоррозионными свойствами) и используются в авиаи автомобилестроении: Однако до последнего времени; заэвтектические силумины считались, литейными сплавами; не. способными к пластическому деформированию' Эти; сплавы в литом состоянии из-за 0 крупного размера1; зерен кремния почти = не обладают пластическим» свойствами; т е: имеют низкие механические показатели. Поэтому разработка технологических параметров деформации исходных слитков этих сплавов на примере сплава 01390 в грехвалковом стане поперечно-винтовой . прокатки (ПВП) на основе предварительного1 исследования напряженно-деформированного состояния* (НДС) металла с целью повышения их пластических свойств) представляет большой» научный? и практический интерес и'является актуальной:

Для повышения пластических свойств сплава 01390 путем разработки' технологии: прокатки слитков? металла в прутки с целью дальнейшего использования их в качестве заготовки в последующих операциях обработки; металлов давлением^ (ОМД) необходимо решить целый ряд задач: определить и исследовать зависимость напряженно-деформированного состояния заготовки, сплава 01390 от условий ПВП, разработать програмно-аппаратный комплекс для' измерения силовых параметров ПВП и сравнить данные полученные с помощью математического моделирования с экспериментальными данными;, исследовать влияние ПВП на структуру и свойства малопластичного заэвтектического силумина 01390 и в конечном итоге получить изделия из сплава 01390 методом пластического деформирования.

В области обработки металлов давлением процесс ПВП относят к числу наиболее сложных с точки зрения НДС металла при прокатке. Поэтому теоретическому и экспериментальному исследованию этого процесса посвящено значительное число работ, как у нас, так и за рубежом. Однако основной вклад в развитие теории процесса поперечно-винтовой прокатки внесли российские ученые. Наибольшее значение имели работы Емельяненко П.Т., Смирнова B.C., Тетерина П.К., Целикова А.И., Осадчего В.Я., Полухина П.И., Потапова И.Н., Остеренко В.Я., Фомичева И.А., Голубчика P.M., Швейкина В.В., Романцева Б.А., Никулина А.Н., Панова Е.И., и многих других. Несмотря на большое число ценных работ по теории поперечно-винтовой прокатки, многие ее вопросы остаются недостаточно исследованными.

1. Литературный обзор

Вопросы теории ПВП - условия захвата заготовки валками, напряженно-деформированное состояние металла и скоростные условия процесса - являются более сложными в сравнении с другими процессами обработки металлов давлением. Они в значительной степени (наряду с качеством металла и нагревом заготовки) определяют качество готового продукта, производительность и технико-экономические показатели работы трубопрокатных агрегатов

Исходным материалом для получения труб на прошивных станах ПВП являются круглые катаные или литые заготовки-штанги из углеродистых, легированных и труднодеформируемых сталей и сплавов.

Заготовки в гильзу прошивают на прошивном стане, который имеет 2 или 3 валка и сферическую оправку. Заготовка, вращаемая валками, подается вперед на оправку за счет наклона валков относительно оси прокатки на угол подачи. Заготовка прошивается оправкой, в результате чего образуется полая гильза.

Характеризующим- эффективность процесса является точность геометрических размеров гильз и, в частности, степень их разностенности. На практике у гильз после прошивки на 2-х валковом стане ширина поля разностенности составляет до 25 %' от толщины стенки. Это объясняется тем, что в двухвалковых прошивных станах основным фактором, определяющим образование разностенности, является нестабильность положения оправки и заготовки-гильзы в очаге деформации. Причем, чем больше овализация заготовки-гильзы, тем больше амплитуда колебаний оправки и тем шире поле разностенности.

Уменьшить разностенность можно, снизив интенсивность изменения величины калибра в результате увеличения диаметра валка или используя

•, I для прошивки 3-х валковый стан [1,2].

I 1 б

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Ковалев, Дмитрий Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Установленная зависимость радиальных, осевых и тангенциальных напряжений от степени деформации при ПВП, позволила научно обосновать режимы деформации для получения мелкозернистой структуры сплава 01390 без осевого или кольцевого разрушения заготовки. Осуществлена прокатка малопластичного сплава 01390 в трехвалковом стане ПВП без нарушения сплошности, что позволило получить достаточно однородную мелкозернистую структуру (10-20 мкм) и повысить пластические свойства в 3-3,5 раза.

2. Установлено, что при многопроходной поперечно-винтовой прокатке сплава 01390 средний размер кристалловIкремния остается равным 10-20 мкм. Выявленный эффект «насыщения»,/выражается в том, что после двух прокаток с общим коэффициентом вытяжки более 2,5 не происходит дальнейшего измельчения содержащихся'в сплаве кристаллов кремния.

3. Исследованное напряженно-деформированное состояние металла при ПВП, которое было получено с учетом скручивания заготовки, позволило определить и подтвердить данные других авторов, что при поперечно-винтовой прокатке наиболее, интенсивно деформируются периферические и средние слои деформируемой заготовки, что также было подтверждено экспериментальным исследованием степени измельчения кристаллов кремния по радиусу заготовки.

4. Применение программно-аппаратного комплекса для измерения силовых параметров поперечно-винтовой прокатки цилиндрических заготовок, позволило сделать вывод о том, что расчет силовых параметров ПВП, полученный моделированием процесса в специализированном пакете программ DEFORM 3D, дает заниженные результаты по сравнению с экспериментальными данными на 18%.

5. Сопоставительный анализ универсального прикладного пакета программ ANSYS/LS-DYNA и специализированного DEFORM 3D показал, что качественная картина распределения напряжений по ANSYS/LS-DYNA и специализированному пакету DEFORM 3D идентична, однако абсолютные значения напряжений по ANSYS/LS-DYNA больше на 20-25%.

6. В результате повышения пластических свойств, из катанной цилиндрической заготовки сплава 01390 диаметром 80 мм методом поперечно-винтовой прошивки, получены гильзы-трубы размером 80x15±0,4 мм и 80х8±0,4 мм, а также отштампована упорная чашка амортизатора.

7. На основании проведенных исследований и разработанных технологических параметров прокатки заготовок из заэвтектических силуминовых сплавов (температура прокатки, частота вращения и угол подачи валков, степень деформации), разработаны основные технологические и конструктивные параметры промышленного трехвалкового стана ПВП для прокатки заготовок диаметром 100. 170 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковалев, Дмитрий Александрович, 2011 год

1. Осадчий В.Я., Вавилин A.C., Зимовец В.Г., Коликов А.П. Технология и оборудование трубного производства. - Интермет инжиниринг, Москва, 2001

2. Панов Е.И. Создание универсального стана поперечно винтовой прокатки и исследование технологических режимов его работы. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. - Москва, 2002

3. Iron and Steel Engineer, 1971, Sept. p. 61-68

4. Емельянененко П.Т. Теория косой и пилигримовой прокатки. -М.:Металлургиздат, 1949.-491 с; ил.

5. Смирнов B.C. Поперечная прокатка. -М.: Машгиз, 1948. -195 с; ил.

6. Гетия И.Г., Скоробогатская Л.Н., Левшунов М.А. и др. Трехвалковые прошивные станы: Обзор / -М.: Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований черной металлургии, 1975. -21 с ; ил

7. Э. Зибель. Основные соображения о процессе косой вальцовки. Сб. материалов по производству бесшовных и сварных труб1. ДМИ, вып. 1, 1932

8. Осадчий В.Я. Разработка и создание новых прошивных супер-станов. Научно-практическая конференция посвященная 100-летию Целикова А.И. Москва 2004

9. Чекмарев А.П. Прошивка в косовалковых станах. М.: Металлургия, 1967

10. Глейберг А.З. О величине угла, образующей входного конуса валков прошивных станов. Сталь.№8. 1953

11. Орлов С.И., Швейкин В.В. Особенности пластической деформации при поперечной осадке, поперечной и винтовой прокатках. Изд. ВУЗов 4M, №5. 1959

12. Данилов Ф.А., Глейберг А.З. Балакин В.Г. Производство стальных труб горячей прокаткой. Металлургиздат. 1954.

13. Церетели П.А., Харадзе Д.М. Салпейтер Г.Б.Усовершенствование оборудования и технологии прокатки на трубопрокатной установке 400. Бюллетень ЦНИИТЭИ. №4. 1965.

14. Ваткин Я.Л. Оптимальные углы входного конуса валков Прошиных станов. Бюллетень ЦНИИТЭИ.ЧМ. №5. 1967.

15. Тетерин П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1971.

16. Смирнов B.C., Владимиров В.И., Мартон А.И., Садовников Б.В. Влияние единичных обжатий на процесс разрушения алюминия при поперечной прокатке. ДАН СССР, №6, 1972.

17. Чекмарев А.П. Интенсификация поперечно-винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1970

18. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб. М.: Металлургия, 1972.

19. Шевченко A.A., Пищиков Г.А. Ступенчатая калибровка валков прошивного стана пилигримовых установок. Бюллетень Научно-технической информации УкрНИТИ№6-7, Металлургиздат, 1959.

20. Швейкин В.В., Карпенко Л.Н. Улучшение технологии прокатки труб из слитков. Сталь, №4, 1957.

21. Ваткин Я.Л. и др. Новая калибровка валков прошивного стана пилигримовой установки. Бюллетень ЦНИИИН, 4M, №17, 1964.

22. Ваткин Я.Л. и др. Новые калибровки валков прошивных станов. Бюллетень ЦНИИТЭИ, 4M, №24, 1966.

23. Ваткин Я.Л., Суконник И.М. Калибровка валков станов поперечно-винтовой прокатки. Сб. статей Урал-НИТИ. Производство сварных и бесшовных труб. №9. М.: Металлургия, 1968.

24. Голиков И.Н., Губин Г.В., Карклит А.К. Перспективы развития технологии черной металлургии. М., Металлургия, 1973. 568 с. с ил.

25. Емельяненко П.Т. Теория косой и пилигримовой прокатки. М.: Металлургиздат, 1949

26. Фомичев H.A. Косая прокатка. Харьков. Металлургиздат, 1963.

27. Смирнов B.C. Поперечная прокатка. Машгиз, 1948

28. Смирнов B.C. Поперечная прокатка в машиностроении., -М.: Машгиз, 1957.-375 с.

29. Смирнов B.C., Лунев В.А. Дополнительные напряжения при поперечной прокатке с малыми обжатиями. Изд. Ан СССР. Металлы, №2, 1965.

30. Смирнов B.C., Ефимов И.А. Механизм разрушения при поперечной прокатке. Труды ЛПИ, № 185, 1956.

31. Смирнов B.C. Теория прокатки. М. Металлургия, 1967

32. Смирнов B.C., Григорьев А.К. Теория ОМД и развитие новых технологических процессов в СССР. Изв. ВУЗов, №4, 1970

33. Смирнов B.C. В сб. Прокатное и трубное производство, Металлургиздат, 1958.

34. Смирнов B.C. Расчет напряжений при ковке круглых тел. Труды ЛПИ им. Калинина, № 185, 1956.

35. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.

36. Пляцковский O.A., Хохлов-Некрасов О.Г. Деформация и механизм разрушения сердцевины заготовок при прокатке на станах винтовой и поперечной прокатки. Изв. Вузов. 4M., №2, 1962

37. Пляцковский O.A., Пищиков Г.П. Устранение образования полости при прошивке высоколегированных сталей. Сталь, №4, 1952

38. Тетерин П.К., Лузин Ю.Ф. О механизме разрушения металла при поперечной прокатке. Сталь, №10, 1960

39. Тетерин П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки. М:: Металлургия, 1971

40. Целиков А.И. Вопросы обработки металлов давлением. Изд.АН СССР, 1958:

41. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. Металлургиздат, 1962.

42. Воронцов В.К., Полухин П.И. Фотопластичность. М.: Металлургия, 1969.

43. Э. Зибель. Обработка металлов в пластическом состоянии. Пер. с нем., М.: Металлургиздат, 1934.

44. Ломсадзе Д.М., Микаутадзе М.М. Основные вопросы поперечной прокатки и ковки. Труды ГПИ им. Ленина., №2, 1965.

45. Швейкин В.В. Об образовании полости при косой прокатке. Сб.Теория прокатки. М.: Металлургия, 1962.

46. Швейкин В.В., Орлов С.И. К вопросу о распределении пластической деформации при поперечной осадке цилиндрических тел. Изв. ВУЗов ЧМ., №6, 1958.

47. Северденко В.П., Каледин В.А. О напряженном состоянии при поперечной ковке. Доклады АН БССР, 1963

48. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970.

49. Колмогоров В.Л. К разрушению при поперечной прокатке и ковке. Изв. ВУЗов ЧМ., №11, 1963.

50. Лисочкин А.Ф. Поперечная прокатка. Сталь, №6, 1946

51. Смирнов B.C. Влияние режима деформации на образование полости при прошивке. Сталь, №8, 1953.ч

52. Смирнов B.C., Жань Шунь-Тянь. Влияние некоторых технологических факторов на склонность к осевому разрушению заготовки при косой прокатке. Труды ЛПИ, №203, 1959.

53. Гедеванишвили Г.К., Оклей Л.Н. Деформация осевой части заготовки при прошивке. Сталь, №8, 1953.

54. Остренко В.Я'., Лисицын А.И. Определение напряжений в поперечном сечении трубной заготовки. Сб. «Технический прогресс в трубном производстве». М.: Металлургия, 1965.

55. Оклей Л.Н., Ломсадзе Д.М. Некоторые вопросы процесса косой* прокатки без оправки: Труды ГПИ, №4 (84), 1962.

56. Богуславский Г.В: Деформация в круглых телах при радиальном обжатии между плоскими плитами. Известия ВУЗов, ЧМ, №1, 19591

57. Богуславский* Г.В. Исследование радиальных деформаций цилиндрических тел. Сб. «Теория прокатки», Металлургиздат, №1, 1962'.

58. Финкелыптейн Я.С. Оценка и моделирование прошиваемости при косой прокатке. Сб. «Теория прокатки», М.: Металлургиздат, 1962.

59. В.И. Владимиров В.И., Садовников Б.В., Смирнов B.C. Исследование разрушения алюминия при поперечной прокатке методом измерения плотности. ФизХИМ, №1, 1976.в

60. Смирнов B.C., Владимиров В.И., Садовников Б.В. Микроскопическое исследование пластической деформации при поперечной прокатке. ДАН СССР, №3, 1972.

61. Смирнов B.C., Владимиров В.И., Желязков, К.Т., Садовников Б.В. Внутренние напряжения, создаваемые дислокациями в цилиндрическом образце после поперечной прокатки: ДАН СССР, №4,1973.

62. Смирнов B.C. Садовников- В.Б: Исследование неравномерности деформации при поперечной прокатке. Технология легких сплавов. №11, 1973.

63. Садовников-В.Б. Дислокационный механизм деформации и разрушение при поперечной прокатке. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, 1972.

64. Казанская И.И., Милютин СП. Трехвалковые станы с подпором. Металлургическое машиностроение: НИИИНФОРМТЯЖМАШ.- 1965.-№.3.-С. 13-20.

65. Осадчий В.Я., Никулин А.Н. Сопоставительный анализ условий» деформирования при продольной и винтовой прокатке. Труды конференции СПбГПУ, 2006.

66. Беришвили Т.К., Жордания И.С., Лежава O.A. и- др. Влияние масштабного фактора на характер пластического течения металла при поперечно-винтовой прокатке. Сообщения АН ГрузССР, №3, 1983.

67. Никулин А.Н. О влиянии ¡соотношения диаметров валка и заготовки на напряженно-деформированое состояние металла при винтовйо прокатке. Металлы, №4, 1994. :

68. Жаворонков В.А., Марков Ю.А, Исследование нормальных контактных напряжений при поперечной и винтовой прокатке сплошных и полых заготовок. Труды МВТУ. -1974. —№. 176. -Машины-автоматы и прокатное производство. -С. 73-85.

69. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением.-М.: Машиностроение, 1979. -215 с.

70. Целиков А.И., Белянинов В.К., Ананьев И.Н. и др Объемные задачи теории-прокатки. Труды МВТУ. -1984. -№. 412. -Машины и агрегаты металлургического производства, -С. 8-24.

71. Панов Е.И., Восканьянц A.A., Иванов А.В и др. Трехмерное конечно-элементное моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки. Технология легких сплавов. -2001.-№.5-6.-С. 54-59.

72. Ильин О.Ю., Панов Е.И., Шапиро В.Я. Разработка конструкции оборудования и освоение поперечно-винтовой прокатки легких сплавов. Технология легких сплавов. -2000. -№. 5. С 39-46.

73. Официальный web сайт компании SFTC и DEFORM http://www.deform.com

74. Задков В.Н., Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: архитектура и программные средства систем автоматизации. М., Наука, 1988. 376 с.

75. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП. М., Высшая школа, 1989. 263 с.

76. Бесекерский-В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро-ЭВМ. М, Наука, 1978.-320 с.

77. Целиков А.И., Барбарич Н.В., Васильчиков М.В. и др. Специальные прокатные станы /. -М.: Металлургия, 1971. -336 с ; ил.

78. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. -М.: Металлургия, 1990. -344 с.

79. Галкин С.П. Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. Москва , 1998 401 с.ил. -Библиогр.: с. 360-369.

80. Ерманюк М.З. «Прессование изделий специальной формы». Металлургия, 1994.

81. Шапиро В.Я., Тартаковский И.К., Афанасьев А.К. и др. « Прошивной стан для труб из алюминиевых сплавов». Цветная металлургия. №4, с. 40-42, 1979.

82. Целиков А.И., Барбарич М.В., Васильчиков М.В., Грановский С.П., Жукович-Стоша Е.А. «Специальные прокатные станы». Издательство «Металлургия», с. 104,152,163,336, табл.6 и 7, 1971.

83. Потапов И.Н., Полухин П.И. «Технология винтовой прокатки». Металлургия, 1990.

84. Шапиро В .Я. и др. « Прошивка в двухвалковом стане слитков Д16». Цветные металлы, №2, с. 55-57.

85. Пименов Ю.П., Тарарышкин В.И., Эскин Г.И. «Оптимизация технологии плавки и модифицирования заэвтектических силуминов». Технология легких сплавов, №3, с. 17-23, 1997.

86. Тарарышкин В.И., Пименов Ю.П., Эскин Г.И. «Выбор модификаторов для измельчения структуры заэвтектических силуминов». Технология легких сплавов, №3, с. 32-38, 1997.

87. Эскин Г.И., Пименов Ю.П. «Коррозионно-стойкие свариваемые заэвтектические силумины для нефтегазового комплекса». Технология легких сплавов, №6, с. 27-32, 1997.