Урало-Сибирская научно-практическая конференция

Теоретическое исследование процесса прокатки двутавровой заготовки в клетях универсально-балочного стана

Ю.С. Комратов, О.С. Лехов 

 
Российский государственный профессионально-педагогический университет
620012, г.Екатеринбург, ул.Машиностроителей 11

Целью исследования является определение напряженно-деформированного состояния и характер течения металла, возникающего в очаге деформации при прокатке широкополочных балок в горизонтальных и вертикальных валках универсальных клетей УБС. Напряженное состояние в горизонтальных и вертикальных валках определялось от действия усилия прокатки и температурных напряжений. Для горизонтальных валков учтены также остаточные напряжения, возникающие при их изготовлении.

Материал балки в очаге деформации испытывает упругопластические деформации, которые достигают конечных значений. Причем сопротивление деформации определялось в зависимости от степени и скорости деформации, а также от температуры металла. Модуль упругости металла принимался в зависимости от температуры металла. Считаем, что материал валков подвержен только упругим деформациям и напряжениям, подчиняющимся закону Гука. С модулем упругости 205 МПа и коэффициентом Пуассона 0,3. коэффициент трения в очагах деформации определялся в зависимости от температуры металла.

Для решения упругопластической задачи, методом конечных элементов в объемной постановке использован пакет ANSYS.

В силу симметрии очага деформации рассматривалась четверть продольного сечения балки с двумя валками. Учитывалась деформация двутавровой заготовки по трем направлениям на основе трехмерной, объемной модели.

Результаты расчета процесса прокатки получены в виде эпюр распределения нормальных и касательных напряжений по дугам захвата и ширине очага деформации с горизонтальными и вертикальными валками. Анализ расчетных данных показал, что в очаге деформации реализуется благоприятная с позиции качества проката схема напряженного состояния с преобладанием высоких сжимающих напряжений. Например, нормальные напряжения в очаге деформации горизонтальных валков при изменение температуры балки от 1040 ⁰С до 700 ⁰С возрастают с 610 МПа до 862 МПа, а в очаге деформации вертикальных валков изменяются от 514 МПа до 913 МПа.

Величина касательных напряжений, которые определяют износ торцевых поверхностей горизонтальных валков, зависит как от разности скоростей металла и валков, так и температуры металла и равна 84 197 МПа.

Напряжения в валках при прокатке определялись одновременно при исследовании напряженно-деформированного состояния очагов деформации при прокатке двутавровой балки. Расчет напряженного состояния валков выполнен на основе решения объемной задачи теории упругости методом конечных элементов с использованием программы ANSYS. Установлено, что радиальные сжимающие напряжения при температуре металла 1040 ⁰С не превышают 300 МПа. В случае понижения температуры металла до 700 ⁰С радиальные напряжения увеличиваются в 1,6 раза. Тангенциальные напряжения в области очага деформации являются также сжимающими. Их уровень ниже радиальных напряжений примерно в два раза. Растягивающие тангенциальные напряжения в валках возникают в области их входа в очаг деформации и их уровень не превышает 60 МПа.

Также определены температурные напряжения в валках, вызванные неоднородным полем температур в момент разогрева и выхода на квазистационарный температурный режим работы. Установлено, что в период прокатки поверхность валка разогревается до температуры 318 ⁰С, а в период пауз охлаждается до 90 ⁰С, причем это происходит на глубине до 3 5 мм. При этом в зоне контакта валка с металлом имеют место сжимающие тангенциальные напряжения, достигающие 260 МПа. В зонах, где валок не контактирует с металлом и охлаждается водой, напряжения имеют растягивающий характер и достигают 50 МПа.