Актуальность работы
На сегодняшний день оребренные поверхности применяются в различных агрегатах, машинах и приборах металлургической, машиностроительной, химической и пищевой отраслях промышленности, строительстве и энергетике. При этом в зависимости от их функционального назначения существует множество видов оребрения, разделяющихся по его геометрическим параметрам и конфигурации. Каждому виду оребрения предъявляются специфические требования по его технологичности и эксплуатационным характеристикам, что в дальнейшем играет ключевую роль при выборе способа нанесения оребрения на поверхность заготовки.
Тем не менее многие позиции оребренных изделий до сих пор не находят широкого применения в связи с низкой эффективностью технологий и оборудования для их получения. Таким образом, задача по совершенствованию технологий, оборудования и инструмента для получения заготовок с оребренной поверхностью является актуальной.
Целью работы является разработка процесса и определение параметров прокатки плоских ребристых заготовок на основе моделирования очага деформации.
Задачи исследования
1. Разработка математической модели процесса прокатки плоских заготовок с оребрением с получением данных по формоизменению и энергосиловым параметрам процесса.
2. Реализация в программном пакете алгоритма задания процесса прокатки ребристых заготовок с произвольной геометрией и при выбранных условиях протекания процесса.
3. Проведение анализа основных технологических параметров процесса прокатки заготовок с оребрением на основе результатов математического моделирования.
4. Разработка и подбор новых технологических и конструктивных решений, предлагаемых к внедрению на производстве с целью повышения экономической эффективности процесса оребрения плоских заготовок.
Научная новизна
1. Создание математической модели очага деформации нестационарного процесса оребрения поверхности плоских заготовок, учитывающей упрочнение материала при холодной деформации, накопленную неравномерность распределения физико-механических свойств металла при прокатке и различные виды граничных условий.
2. Получение зависимостей формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке плоских ребристых заготовок от технологических параметров процесса и геометрии инструмента.
3. Получение зависимостей распределения крутящих моментов, действующих на рабочих валках прокатного стана, с целью установления их необходимых соотношений.
4. Определение условий, необходимых для реализации процесса прокатки плоских заготовок с оребрением в многовалковых клетях прокатных станов через опорные валки.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов обеспечена применением методов теории обработки металлов давлением и количественным согласованием результатов математического моделирования процесса прокатки с оребрением с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях, а также приведенными в исследованиях других авторов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Получены рекомендации для создания технологии и оборудования для прокатки плоских ребристых заготовок с любым видом оребрения поверхности.
2. Результаты исследований привели к созданию новой конструкции прокатного узла КВАРТО (патент РФ №2497615). Даны рекомендации по проектированию и изготовлению профилированных валков для нанесения оребрения с целью повышения стойкости инструмента и срока его службы.
3. Проведено сопоставление процесса прокатки в гладких валках с процессом прокатки заготовок с оребрением для аналогичных условий деформирования с целью оценки возможности использования существующего прокатного оборудования для прокатки плоских ребристых изделий.
4. Обобщенная методика решения задачи по определению параметров нестационарного процесса прокатки в программном комплексе DEFORM использована при подготовке и выпуске учебного пособия, успешно используемого при подготовке студентов и аспирантов УрФУ, обучающихся на технических специальностях.
5. Результаты исследований использованы при работах, выполненных в рамках грантов по программам УМНИК (2008, 2009 гг.) и СТАРТ (2011 г.).
Положения диссертационного исследования, выносимые на защиту
1. Математическая модель процесса прокатки плоских ребристых заготовок.
2. Алгоритм реализации математической модели процесса прокатки плоских заготовок с оребрением произвольной геометрии и при выбранных условиях протекания технологического процесса в программном комплексе DEFORM.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров процесса в зависимости от режимов обжатий и геометрии профиля прокатного валка.
4. Рекомендации по выбору параметров технологии, оборудования и инструмента для получения плоских заготовок с оребрением.
5. Новые технические решения, обеспечивающие повышение эффективности процесса прокатки плоских ребристых заготовок.
Апробация работы
Основные результаты исследований опубликованы в ряде научно-технических изданий и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе, XV международной научной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2009 г.), XVI международной научной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии (СММТ)» (Санкт- Петербург, 2009, 2011, 2013 гг.), V международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011 г.), VIII научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ)» (Екатеринбург, 2011 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК; получен патент на изобретение; на основе материалов диссертации издано учебное пособие.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 2 таблицы, 40 формул, библиографический список из 106 наименований, 3 приложения.
1. Проведенный анализ известных способов производства изделий с оребрением выявил, что наиболее рациональным является способ производства изделий с оребрением, например, листов и полос, в прокатных клетях с профилированными валками.
2. С использованием МКЭ разработана математическая модель процесса прокатки плоских заготовок с оребрением, учитывающая неравномерное распределение физико-механических свойств металла в очаге деформации, а также различные виды граничных условий.
3. Разработан алгоритм определения напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, позволяющий исследовать энергосиловые параметры процесса, определять формоизменение заготовки в любой момент времени, характер распределения напряжений и перемещений металла с целью совершенствования технологического процесса и оборудования для прокатки плоских ребристых заготовок.
4. Экспериментальные исследования по определению предела текучести металла полосы, проведенные автором, а также сравнение с данными исследований по определению формоизменения и энергосиловых параметров, выполненных другими авторами, при прокатке полос с односторонним поперечным оребрением позволяют сделать вывод об адекватности разработанной математической модели.
5. Проведенные работы позволили предложить новые технические решения по регулированию геометрических параметров оребренной полосы и состояния ее поверхности, а также по конструкции валкового узла рабочей клети прокатного стана с приводом на опорные валки, направленные на повышение эффективности производства.
6. Полученные аналитические выражения для минимально возможного значения коэффициента трения между рабочим и опорным валками, при котором происходит процесс прокатки, и для коэффициента натяжения переднего конца полосы позволяют определить условия для реализации привода рабочих валков прокатного стана через опорные валки и повысить эффективность процесса прокатки полосовых заготовок.
7. Результаты работ использованы в рамках грантов по программам УМНИК (2008, 2009 гг.) и СТАРТ (2011 г.).
8. Методика решения задачи по определению параметров нестационарного процесса прокатки в программном комплексе DEFORM опубликована в учебном пособии, используемом для обучения студентов и аспирантов УрФУ.
9. Результаты работ переданы для внедрения на ОАО «ПНТЗ» и ОАО «УЗТМ».
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
