Разработка модели управления геометрическими показателями качества арматуры при профилировании

Оглавление

Toggle

Цикл статей:
Глава 1 – Повышение качества и конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал на основе разработки рациональных режимов холодной деформации и термической обработки

Глава 2 – Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки н^ размер под профилирование

Глава 3 – Разработка модели управления геометрическими показателями качества арматуры при профилировании

Глава 4 – Исследование формирования качества арматуры периодического профиля термическим упрочнением с отдельного нагрева

Глава 5 – Разработка рациональных режимов формирования заданного уровня качества высокопрочной арматуры для железобетонных шпал и реализа­ция результатов работы в промышленности

Оценка условий профилирования периодического профиля арматуры из холоднотянутой круглой заготовки

Известно, что вид периодического профиля арматуры определяет зако­номерности формоизменения, напряженно-деформированного состояния, формирования механических свойств металла при профилировании, техноло­гичность нанесения профиля и условия работы деформирующего инструмен­та. В разрабатываемой технологической схеме условия профилирования хо­лоднотянутой заготовки будут предопределять склонность к охрупчиванию, усталостную прочность, а также вероятность возникновения трещин зака­лочного происхождения.

С целью оценки условий деформации при холодном профилировании периодического профиля диаметром 10,0 мм по ТУ-14-125-704-96 провели исследования.

Оценку проводили по степени и характеру неравномерности коэффи­циента высотной деформации по ширине площади контакта профилирующих валков и арматуры. На рис. 3.1 показана схема профилирования серповидно­го периодического профиля из холоднотянутой заготовки круглого сечения. Для рассматриваемой задачи переменный по ширине площади контакта ру­чья валка и заготовки коэффициент высотной деформации запишется в виде:

– функции, описывающие контур заготовки и контур профилирующего калибра в том сечении по ширине площади контакта.

По выражению (3.1) строили диаграмму изменения коэффициента вы­сотной деформации (рис. 3.2) , по которой определяли интегральный коэф­фициент неравномерности высотной деформации, показывающий отличие полученной диаграммы от диаграммы, характеризующей условия равномер­ной деформации [64]:

где Р_д – площадь фигуры под диаграммой , полученной для конкретного про­филя арматуры; F_on – площадь описанного возле диаграммы прямоугольника.

Соотношение обжимаемых участков периметра к свободным характе­ризовали по коэффициенту охвата, определяемому по формуле [65]:

где ]Tz – сумма необжимаемых участков периметра профиля; d_H – номи­нальный диаметр профиля.

Степень развития поперечного течения металла при профилировании оценивали соотношением диаметра исходной заготовки к ширине площади контакта профилирующих валков и арматуры. В виду симметрии рассматри­вали Уа часть поперечного сечения арматурного профиля. Значение геомет­рической вытяжки, определяемой с учетом регламентируемых техническими условиями параметров профиля, составляло \х= 1,13, что соответствует зна­чению критерия Рема (1.1) 0,055. Результаты расчетов сведены в табл. 3.1.

Коэффициент охвата К ох	Коэффициент V	Показатель Вк
0,90	0,88	1,11

Анализ диаграммы (рис. 3.3) и расчетных данных, приведенных в табл. 3.1, показывает, что процесс нанесения серповидного профиля на по­верхность круглой заготовки характеризуется равномерным распределением коэффициента высотной деформации по ширине площади контакта и близ­ким к единице значением интегрального коэффициента неравномерности вы­сотной деформации. Это должно положительно сказываться на напряженном состоянии арматурного профиля и способствовать равномерному износу про­филирующего калибра. Высокое значение коэффициента охвата создаст бла­гоприятные условия для проявления металлом пластических свойств [66].

В целом конфигурация периодического профиля и условия его холод­ного профилирования отвечает требованиям, сформулированным в работах [21,69].

В то же время из практики производства двухсторонних периодических профилей известно, что существенным их недостатком является повышенное уширение в процессе профилирования и как следствие повышенная оваль­ность, прогрессивно растущая с увеличением диаметра проволоки [67,68].

Устранить, присущие двухвалковой схеме профилирования недостат­ки, возможно разработкой рациональной калибровки валков, использованием двухвалковых клетей – волок со смещенными очагами деформации, широкие технологические возможности которых показаны зарубежными и отечест­венными исследователями [70,71].

Экспериментальное исследование формирования геометрических показателей качества периодического профиля при профилировании

Условия проведения исследований

Основной объем исследований провели в условиях калибровочного це­ха ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (ОАО «ММК-МЕТИЗ») и лабораториях кафедры машиностроительных и металлургических техноло­гий.

Для нанесения периодического профиля использовали неприводную клеть-волоку со смещенными парами валков (рис. 3.4), которую устанавли­вали в линию волочильного стана ИЗТМ 10-28. Диаметр валков – 170 мм. Бандажи валков изготовили из стали XI2М с твердостью рабочей поверхно­сти 60 Ш.С.

Первая пара валков с овальным калибром, расположенных горизон­тально, предназначалась для предварительного бокового обжатия и стабили­зации задачи исходной заготовки в профилирующий калибр. Параметры ка­либровки овального калибра рассчитали по методике, описанной в работе [72] для системы калибров «круг-овал-круг» (рис. 3.5)

Размеры круглого профилирующего калибра определяются формой поперечного сечения профиля с учетом поля допусков, регламентированных техническими условиями: Н=9,3 мм, Вк=10,4 мм, Кк=5,8 мм.

Для формирования выступов на поверхности периодического профиля в ручьях второй пары валков, расположенных вертикально, электроэррози- онным способом выполнили серповидные канавки под углом 30° с шагом 10,0 мм и глубиной 0,7 мм. Калибровки экспериментальных валков на рис. 3.6, 3.7.

При проведении экспериментов использовали холоднотянутую заго­товку диаметром 11,2 мм, полученную по различным режимам из горячека­таного и отожженного сортового металла производства ОАО «Магнитогор­ский металлургический комбинат» диаметром 13,0 из сталей 40С2 и 55С2. Скорость профилирования составляла 0,5 м/с.

Для измерения геометрических параметров арматуры после профили­рования с каждого образца отбирались темплеты. С помощью проектора ЛЭ- ТИ- 60 конфигурация темплетов в увеличенном масштабе переносилась на бумагу, откуда затем снимались необходимые для анализа формоизменения параметры. Изменение размеров поперечного сечения профиля в вертикаль­ном и горизонтальном направлениях определяли при сопоставлении изобра­жений поперечного сечения исходной круглой заготовки под профилирова­ние и темплета после профилирования.

Геометрические размеры периодического профиля (рис. 3.8) контроли­ровали микрометром типа МК 0 – 25 по ГОСТ 6507 – 88, высоту выступа оп­ределяли с помощью рычажно-зубчатого индикатора часового типа.

Изображения темплетов оцифровывались и обрабатывались в про­грамме «Mathcad Pro», где вычислялись значения коэффициента вытяжки при профилировании с учетом реального формоизменения. Линейную плот­ность периодического профиля определяли путем взвешивания одного метра проволоки на весах марки ВНЦ-2 по ГОСТ 29329 – 82 с точностью до 0,001кг. Длину образца арматурной проволоки измеряли металлической ли­нейкой с точностью до 0,001 м. Обработку всех экспериментальных данных проводили методами математической статистики [73].

Разработка математической модели формоизменения арматуры при профилировании на основе полного факторного эксперимента

Технология натяжения арматуры на бетон при производстве шпал пре­дусматривает наличие резьбы на концах стержней, что обуславливает жест­кие требования по овальности профиля. Выполнение требований по овально­сти арматуры, массе погонного метра и условиям сцепления с бетоном зави­сит как от геометрических характеристик периодического профиля, так и ус­ловий формоизменения в очаге деформации при профилировании. Под фор­моизменением понимали изменение расстояний между точками контуров, характеризующих преобразуемое в ходе операции профилирования сечение заготовки, а также изменение формы и размеров сечения.

Для определения закономерностей формоизменения арматуры при про­филировании в качестве исследуемых параметров были выбраны: абсолют­ное обжатие в первой паре валков М- временное сопротивление разрыву

холоднотянутой заготовки под профилирование &В0 ■ Высота профили­рующего калибра определяет форму поперечного сечения арматурного про­филя, которая строго регламентирована техническими условиями, поэтому в ходе экспериментов этот параметр не варьировался и составлял 9,3 мм. Так­же на постоянном уровне фиксировались размер заготовки под профилиро­вание 11,2 мм и диаметр валков 170 мм. В качестве функций откликов слу­жили геометрические показатели качества профиля: высота выступа к (У]) и овальность периодического профиля, характеризуемая разницей размеров по вертикальному и горизонтальному направлениям: (£>\+2Н) (У₂).

Для установления связи между исследуемыми величинами применили аппарат математического планирования эксперимента. Использовали полный факторный план типа 2 и уравнение регрессии линейного типа с взаимодей­ствиями факторов:

у = Ь₀+Ь_]х_] +Ь₂х₂+Ъ_пх₁х₂.

Уровни значений и интервалы варьирования факторов (табл. 3.2) выби­рали путем предварительного проведения серии однофакторных пассивных экспериментов из условия получения требуемых геометрических параметров профиля.

Профилировали холоднотянутую проволоку диаметрами 11,2 мм, по­лученную из подката диаметром 13,0 мм из сталей 40С2А и 55С2 по сле­дующим технологическим режимам волочения и термообработки [74]:

13,0 (отжиг) – 11,2(отжиг) (с>_в=670 Н/мм²);

13,0 (отжиг) – 12,2(отжиг)-11,2 (а_в=800 Н/мм²);

13,0 (отжиг) – 11,2 (с_в =930 Н/мм²)

На каждом уровне реализовали по шесть параллельных опытов. В каж­дой серии экспериментов проводили анализ промахов по критерию Стьюдента.

Обработку результатов полного факторного эксперимента провели по стандартной методике [75]. После расчетов коэффициентов уравнения рег­рессии, проверки их значимости получили математическую модель в сле­дующем виде:

Проверка на адекватность с помощью критерия Фишера показала, что регрессионные уравнения достаточно точно описывают результаты эксперимента в исследуемой области изменения технологических параметров. На рис. 3.9 показаны зависимости геометрических показателей качества периодического профиля арматуры от технологических параметров процесса профилирования, полученные по результатам расчета по математическим моделям (3.2), (3.3). 

Разработанная модель позволяет определить рациональные режимы профилирования, обеспечивающие получения арматурного профиля с регла­ментированными техническими условиями геометрическими показателями качества.

Выводы

1. Выполнен анализ условий профилирования круглой холоднотяну­той заготовки в двухвалковом калибре с формированием на ее поверхности периодического профиля арматуры с серповидными выступами по ТУ -14­125-704-96. Показано, что процесс профилирования характеризуется равно­мерной высотной деформацией, что положительно сказывается на напряжен­ном состоянии арматуры. Высокое значение коэффициента охвата создает благоприятные условия для проявления металлом пластических свойств.
2. Разработана математическая модель управления геометрическими показателями качества высокопрочной арматуры с двухсторонним периоди­ческим профилем с серповидными выступами в процессе холодного профи­лирования в клети-волоке со смещенными парами валков. Модель позволяет определять высоту анкерующего выступа и геометрические размеры попе­речного сечения профиля в зависимости от технологических факторов про­цесса профилирования.
3. На базе модели установлено количественное влияние технологиче­ских факторов профилирования и исходной заготовки на формирование гео­метрических показателей качества арматуры.

Список литературы

1. Е.Тавер. Объект управления при управлении качеством // Стандарты и качество .-№2.-2001.- С.15-19.
2. О.П. Глудкин. Всеобщее управление качеством М.: Радио и связь, 1999, 432С.
3. Л.Скрипко. Как определять результативность и эффективность процессов? // Стандарты и качество .- № 5.- 2005.-С.23-28.
4. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. – М., Металлургия, 1971, 448С.
5. Ильюшин A.A. Пластичность. Гостехиздат, 1948, 365С.
6. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969,
   432С.
7. Томленов А. Д. Теория пластического деформирования металлов. М., Металлургия, 1972, 389С.
8. Шевченко К.Н. Основы математических методов теории обработки металлов давлением. М., Высшая школа, 1970, 376С.
9. Качанов JTM. Основы теории пластичности: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд. -М.: Наука, 1969, 418С.
10. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности М.: Металлургия, 1987, 390С.
11. Хилл Р. Математическая теория пластичности. Гостехиздат, 1956,
    480С.
12. Генки Г. Теория пластичности, Изд-во ИЛ, 1949, 418С.
13. Jordan T.F., Tomsen E.G. Journal Mechanics and Physics Solids, 4, 1956
14. Pawelski О. Archiv for das Eisenhuttenwesen, 1961, 32, p. 607
15. Копыловский Х.И. Исследование методом линий скольжения напряженного состояния материала в очаге деформации при волочении круглых мо¬но- и биметаллических прутков. Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н., Магнито¬горск, 1968, 164С.
16. Тарновский И.Я., Смирнов В.К., Коцарь С.Л. Продольная прокатка профилей переменного сечения. Свердловск. 1962, 366С.
17. Бахтинов В.Б., Бахтинов Ю.Б. Производство профилей переменного сечения.- М.: Металлургия, 1981,276С.
18. Периодические профили продольной прокатки (оборудование и технологии). Воронцов Н.М., Жадан В.Т., Грицук Н.Ф., и др. -М.: Металлургия, 1978, 232С.
19. Термическая обработка в машиностроении: Справочник (под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта). М.: Машиностроение, 1980, 467С.
20. Бараз Р.В., Зубов В.Я. Стабильность структуры и релаксация напря-жений в цилиндрических пружинах// Известия вузов- №2.- 1970.-С. 34-38.