Аналіз формозміни металу та удосконалення технології деформування заготовок при виробництві штамповано-катаних коліс

Аналіз технології деформування заготовок при виробництві залізничних коліс. Вплив параметрів кінцево-елементних моделей на точність розрахунків формозміни металу й сил при штампуванні заготовок залізничних коліс. Техніко-економічна ефективність роботи.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

РЕФЕРАТ

Об'єкт дослідження - технологія деформування заготовок залізничних коліс і методи її розрахунку.

Ціль роботи - аналіз формозміни металу при деформуванні заготовок залізничних коліс на пресах та розробка нового способу штампування заготовок, що забезпечує стабільність розмірів заготовок під прокатку.

Методи дослідження і апаратура - математичне моделювання, персональний комп'ютер.

Результати та їх новина - розроблено новий спосіб штампування заготовок залізничних коліс, що забезпечує стабільність розмірів заготовок під прокатку.

Рекомендації щодо використання - для використання на пресово-прокатних лініях ВАТ "Iнтерпайп - НТЗ" і ВАТ "Виксунський металургійний завод".

Область використання - чорна металургія, штампування заготовок залізничних коліс.

Економічна ефективність - очікуваний ефект, отриманий за рахунок зниження відсотка браку коліс за дефектом «косина маточини», дорівнює 350,25 тис. грн.

КОЛІСНА ЗАГОТОВКА, ШТАМПУВАННЯ, МАТОЧИНА, СИЛОВІ ПАРАМЕТРИ, МОДЕЛЮВАННЯ, ФОРМОЗМІНЕННЯ, ЗНИЖЕННЯ БРАКУ, КУПОЛОПОДІБНІСТЬ, ПРЕС



ВСТУП

Виробництво штамповано-катаних залізничних коліс в умовах України здійснюється на пресово-прокатній лінії колесопрокатного цеху ВАТ «Інтерпайп-НТЗ». Обсяги виробництва не тільки покривають потреби України в даному виді продукції, але і відвантажуються споживачам у країнах СНД і далекого зарубіжжя.

Слід зазначити, що в України є значні виробничі потужності з виробництва штамповано-катаних коліс широкого розмірного і марочного сортаменту. Разом з тим досягнутий в Україні рівень виробництва коліс багато в чому поступається закордонним аналогам, як через знос основних фондів та відсталості застосовуваних технологій, так і через використання зливків з мартенівської сталі, що піддаються різанню на злиткорозрізних верстатах з подальшою ламкою на пресах на окремі заготовки .

Технічно можливий на сьогоднішній день обсяг виробництва коліс на рік значно перевищує внутрішні потреби України в даному виді металопродукції. Так склалося історично, ще з часів СРСР. Тому більшість замовлень на колеса українського виробництва є експортними. Їх отримання здійснюється на тендерній основі в умовах жорсткої конкурентної боротьби підприємств-виробників даного виду продукції. Низька конкурентоспроможність залізничних коліс вітчизняного виробництва пов'язана, в першу чергу, з високою металоємкістю їх виробництва. Остання обумовлена значною величиною допусків на штампування і прокатку заготовок коліс і подальшим підвищеним обточуванням чорнових коліс при механічній обробці. Тому, тема цієї роботи, спрямована на вдосконалення технології деформування заготовок залізничних коліс в плані підвищення стабільності їх розмірів, а, отже, зниження витратного коефіцієнта металу, є актуальною.

1. СУЧАСНИЙ СТАН ВИРОБНИЦТВА КОЛІС МЕТОДАМИ ОБРОБКИ ТИСКОМ

Щорічно у світі виробляється 3 - 3,5 млн. штампованих і штамповано-катаних залізничних коліс. Найбільшими виробниками коліс є Росія, Україна, США, Китай, Німеччина та Індія. Технології штампування і прокатки залізничних коліс на підприємствах, які їх виготовляють, мають ряд відмінностей [1 - 4]. Необхідно встановити як позитивні сторони даних технологій, так і їх недоліки для подальшого врахування при вирішенні завдань ресурсозбереження в колесопрокатному виробництві України. Останнім часом набули широкого розповсюдження методи комп'ютерного аналізу проектованих калібрувань [5 - 12 і др.]. Тому також необхідно встановити межі застосування цих методів і особливості їх застосування для вирішення завдань колесопрокатного виробництва. Напрямок справжніх досліджень пов'язаний з вдосконаленням способів деформування заготовок коліс на пресах в плані підвищення стабільності їх розмірів на основі аналізу формозміни металу і силових параметрів при штампуванні заготовок шляхом математичного моделювання.

1.1 Аналіз технології деформування заготовок при виробництві залізничних коліс

Найбільш широке застосування одержали методи виробництва залізничних коліс на основі операцій штампування і прокатки. При цьому використовують від двох до чотирьох гідравлічних пресів і колесопрокатний стан (КПС) горизонтального або вертикального типів. Основними виробниками коліс в Україні та Росії є ВАТ «Інтерпайп - НТЗ» і ВАТ «Виксунський металургійний завод» (ВМЗ), на яких річний об'єм виробництва зріс в останні роки до 550 тис. коліс і 800 тис. коліс, відповідно. Третім великим виробником коліс є російський ВАТ «Нижнєтагільський металургійний комбінат» (НТМК). На ньому завершена корінна реконструкція колесопрокатного цеху (КПЦ), який забезпечує виробництво 630 тис. коліс на рік з урахуванням вимог міжнародних стандартів [13-15]. У 2005 р. на ВАТ «НТМК» розпочато освоєння нових обладнання та технологій.

В Україні функціонує один спеціалізований цех з випуску залізничних коліс, що входить до складу «Інтерпайп - НТЗ». Аналогічний йому цех по складу обладнання пресово-прокатної лінії і використовуваної технології перебуває в Росії, на ВАТ «ВМЗ». Пресово-прокатні лінії цих цехів були введені в експлуатацію в сімдесятих роках минулого століття [24, 25]. Більший обсяг виробництва коліс на ВАТ «ВМЗ» багато в чому визначається наявністю стабільних замовлень на колеса 957 мм для потреб внутрішнього ринку Росії. Технологічна схема виробництва масових залізничних коліс 957 мм по ГОСТ 9036-88 представлена на рис. 1.1. Вихідні заготовки для їх виготовлення в умовах ВАТ «Інтерпайп - НТЗ» і ВАТ «ВМЗ» отримують із злитків, відлитих зі спокійної мартенівської сталі у виливниці сифонним способом [2,3,19]. Передбачено використання декількох злитків, наприклад, круглого поперечного перерізу, що має діаметр ~ 500 мм, корисну довжину 2150 мм, зі сталі марок 1 і 2 по ГОСТ 10791-89. Висота і діаметр одержуваних з нього заготовок рівні (317 - 327) мм і (488 - 497) мм, відповідно. В умовах ВАТ «ВМЗ» використовуються також нові малоконусні злитки 470 мм і довжиною 2700 мм. Для їх надрізання використовуються злиткорозрізні верстати. Процес подальшого ламання злитків на пресі силою 4 МН здійснюють подачею робочого клину в зазор між заготовками. Наявність у заготовок шийок (див. рис.1.1), які залишаються після ламання надрізаних злитків, призводить до овальності заготовок на початкових етапах їх деформації і до дефекту у коліс, який називається «складка маточини». Значне розкидання з геометрії виливниць і низька точність різання на злиткорозрізних верстатах впливають на різновіс заготовок [2,3,20,21], який може досягати 25-30 кг. Він обумовлює, як відомо, нестабільність маси за елементами колісної заготовки [20,21]. Як наслідок, відбувається переповнення штампа, а потім і калібру, що призводить до нестабільності розмірів прокатаних чорнових коліс, утворенню товстого диска в маточині, заходів і інших дефектів [19,21,22].

Застосування металу в злитках і велика ширина різання (18 мм) в значній мірі визначають високий витратний коефіцієнт металу, що перевищує 1,45. Так втрати металу за рахунок прибуткової і донної частин першого з зазначених злитків, а також залишку та стружки, одержуваних при його поріззанні, близькі до 20%. Втрати придатного металу становлять (6-7)% [2, 3].

Провідні світові виробники коліс, у тому числі і ВАТ «НТМК», широко використовують безперервнолитий метал, що забезпечує стабільність структурного стану і рівня властивостей у всіх виробах даної партії [1, 23].

В умовах ВАТ «ВМЗ» експлуатуються сучасні дискові пилки, що мають ширину різання 11 мм, що безумовно знижує втрати металу. На ВАТ «НТМК» експлуатація дискових пилок була розпочата ще раніше, до зупинки цеху на докорінну реконструкцію. При їх використанні перенастроювання на інші профілерозміри коліс виконується практично миттєво, а різновіс заготовок не перевищує (0,3-0,5)% від маси заготовок при використанні круглих безперервнолитих заготовок і (0,5-1,0)% - малоконусних злитків. Перехід на точні малоконусні злитки або безперервнолиті штанги, а також використання дискових пилок для їх різання не тільки визначає зниження втрат металу, але також дає точні по масі заготовки, які можуть служити основою для вдосконалення технологічних схем та калібрування інструменту деформації з метою підвищення якості коліс [ 2,3,23].

Нагрівання заготовок в умовах ВАТ «НТЗ» і ВАТ «ВМЗ» виконують у двох кільцевих нагрівальних печах, що мають діаметри 30 м. У першій печі здійснюється попереднє нагрівання, а в другій - остаточне до температури (1250 - 1260)° С. При виробництві коліс 957 мм застосовують посад по 5 заготовок у ряд. Нагріті заготовки по рольгангу від печі подаються до камери гідрозбиву окалини з їхніх торцевих поверхонь водою високого тиску (1,8 - 2,0) МПа.

Всі преса (див. рис. 1.1), що входять до складу пресово-прокатної лінії, є чотирьохколонними з архітравом і встановленою на фундаменті станиною. Між станиною і архітравом розташована траверса, яка переміщається по колонам преса. На пресі силою 20 МН при температурі металу (1205-1225)° С відбувається попередня осадка заготовок з метою видалення окалини з їх бічних поверхонь. Робочий цикл осадочного преса зусиллям 20 МН складається з опускання траверси до зіткнення із заготовкою, робочого ходу - осадки заготовки гладкими плитами (швидкість осадки V = 0,06 м/с) і підйому траверси у вихідне положення. Нерівномірне нагрівання і наявність шийок у заготовок призводять до овальності заготовок, тобто до їх асиметрії.