Анализ энергосиловых параметров процесса разделения на ножницах сортовых профилей в горячем состоянии

Развитие и совершенствование методов расчета [1] способствует углублению и расширению представлений о протекании разделительных операций в прокатном производстве, что в свою очередь позволяет уточнить технологические возможности уже существующего и вновь проектируемого оборудования. На современном этапе развития металлургического производства для поперечного разделения на части сортовых заготовок в горячем и холодном состоянии широко используются дисковые пилы и сортовые ножницы [2]. Однако, как показывает опыт эксплуатации, не смотря на весьма широкое использование дисковых пил в технологических схемах различных сортовых станов, данный способ разделения сортового металлопроката не всегда является единственно возможным и рациональным. Актуальные тенденции по повышению качества производимой продукции при одновременном увеличении выхода годного требуют более рационального подхода при выборе и обосновании способа выполнения разделительных операций сортовых профилей.

Отличительной особенностью реализации разделительных операций фасонных профилей на ножницах является необходимость использования фасонных (фигурных) ножей, с целью минимизации искажения формы профиля в зоне реза. При этом на сегодняшний день вопрос определения сил резки освещен достаточно мало. В классическом представлении процесса резки на ножницах [3] выделяют три стадии (рис. 1): вмятие ножей в металл, сдвиг (собственно рез), отрыв (скол), при этом максимальное значение силы традиционной схемы процесса поперечной резки предложено определять как:

где

• k₁ = 0,6...0,7 – коэффициент, характеризующий соотношение напряжений сдвига и предела прочности металла заготовки, определяемого его химическим составом и температурными условиями реализации процесса резки;
• k₂ = 1,1...1,2 – коэффициент, характеризующий соотношение напряжений сдвига и предела прочности металла заготовки, определяемого его химическим составом и температурными условиями реализации процесса резки;
• k₃ = 1,15...1,25 – коэффициент, учитывающий влияние бокового зазора между ножами;
• b, h – ширина и исходная толщина разрезаемой заготовки;
• e_b – коэффициент относительной глубины вмятия, равный отношению глубины внедрения ножей в металл к исходной толщине на завершающей стадии процесса внедрения (рис. 2)

Вместе с этим указывается, что при определении максимального значения силы, в случае реализации процесса разделения простых профилей (квадрат, круг) фасонными ножами можно использовать результаты для случая резки параллельными ножами, заготовки с сечением равным по площади. Однако, опираясь на результаты работы, в которой на базе разработанной математической модели энергосиловых параметров процесса поперечной резки непрерывнолитых заготовок на мерные длины было показано, что распределение силы резки в зависимости от хода ножей и температурно-деформационных параметров имеет сложный характер, можно констатировать, что по отношению к традиционным методам расчета [4] степень уточнения может достигать 50% и более за счет корректного учета реальной геометрии и кинематики развития очага. Таким образом, существует необходимость проведения дополнительных исследований, направленных на расширение представления о разделительных операциях фасонных профилей на ножницах и уточнение методик расчета энергосиловых параметров процесса.

Целью данной работы является экспериментальная оценка влияния условий реализации процесса резки на энергосиловые параметры при разделении фасонных профилей различной формы равного по площади сечения. Для достижения указанной цели проводили лабораторные исследования на ножницах поперечной резки Н-20 ДГМА (Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск). Кинематическая схема ножниц представлена на рис. 2.

Система регистрации включала в себя осциллограф многоканальный светолучевой Н145, сигнал на который подавался от датчика, установленного в верхнем cуппорте ножниц, питание и регистрация изменения сопротивления полумоста датчика осуществлялись посредством усилителя ТА-5. В приводе ножниц для понижения частоты вращения приводного вала и снижения скорости резки использовался мотор–редуктор 1 типа МЦ2С–63 с электродвигателем переменного тока, что позволил получить скорость перемещения верх него суп порта равную 2 мм/с. Кинематическая схема ножниц представлена на рис. 2, а. От мотор–редуктора 1, посредством клиноременной передачи 2, имеющей в своем составе ведущий шкив 3 и ведомый 4, крутящий момент передается на быстроходный вал одноступенчатого цилиндрического редуктора 5, установленного в станине 6 ножниц. Исполнительным элементом ножниц является эксцентриковая передача, состоящая из эксцентрика 7, закрепленного на выходном валу цилиндрического редуктора 5, и шатуна 8. Возвратно-поступательное движение шатуна 8 передается верхнему суппорту 9, установленному в расточках станины 6 ножниц, вертикальность перемещения суппорта 9 регулируется соответствующими направляющими, закрепленными на в утренней поверхности расточек. Между нижней головкой шатуна 8 и верхним основанием подвижного суппорта 9 установлен датчик 10. В нижней части верхнего подвижного суппорта 9 размещен верхний нож 11, нижний нож 12 закреплен в нижнем неподвижном суппорте 13, жёстко сопряжённым с узлом станин 6.

Подвижный 11 и неподвижный 12 ножи были изготовлены из стали 5ХВС с термообработкой до HRC = 50…55. Конструкция режущих кромок несимметрична относительно вертикальной оси и выбрана таковой, что бы можно было моделировать условия резки сортовых заготовок и параллельны и ножами (см. рис. 2, б, в), и ножами с фигурной в виде прямоугольного треугольника режущей кромкой (см. рис. 2, г, д). В ходе проведения эксперимента в качестве исследуемых образцов использовали свинцовые заготовки равной площади поперечного сечения: квадрат сечения 10x10,2 мм и круг диаметром 11,6 мм. П и этом, для сравнения, образцы разрезали двумя способами: в первом случае рез производился параллельными ножами (см. рис. 2, , в); во втором – резали фасонными треугольными ножами (см. рис. 2, г, д) . Поверхности разделения на части исследуемых образцов фасонными ножами представлены на рис. 2, е, ж. При этом, показаны ножи на соответствующих контактных поверхностях. С целью исследования энергосиловых параметров процесса измеряли силу резки. Результаты измерений представлены на рис. 3.

Анализ полученных зависимостей показывает, что максимальная сила резки выше при выполнении раздели тельных операций на ножницах с параллельными ножами. Т.к., при порезке квадрата сечением 10,2х10,2 мм, максимальная сила резки на параллельных ножах составила 1128 H, а при использовании фасонных ножей – 1002 H; для круга диаметром 11,6 мм максимальна сила резки на параллельных ножах равна 1213 H, а на фасонных – 1112 H. В свою очередь, при резке круга диаметром 11,6 мм наблюдается увеличение максимальной силы, как при порезке параллельными, так и фасонными ножами, при этом резка круга сопровождается увеличением максимальной величины по сравнению с квадратом на 7 – 10% для ножей соответствующей формы [5].

Сравнение продолжительности процесса резки в зависимости от формы профиля и ножей указывает на то, что, разделительные операции, связанные с размещением квадратного профиля на угол и резки фасонными ножами, приводят к увеличению времени собственно реза на 4 с , в тоже время при порезке круглой заготовки зависимость продолжительности операции от формы используемых ножей менее выражена – разница в продолжительности реза составляет – 1 с. Увеличение продолжительности разделительной операции при резке круга фасонными ножами можно объяснить деформацией разрезаемого сечения в процессе резки (см. рис. 2, ж). В целом можно указать на тот факт, что при определении максимальной силы резки даже в случае реализации процесса разделения простых профилей (квадрат, круг) фасонными ножами наблюдается отличие результатов от случая резки параллельными ножами, заготовок с сечением равным по площади.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

• максимальная сила резки равных по площади сечений заготовок зависит от положения профиля (направления движения ножей) и формы используемых ножей;
• величина максимальной силы резки параллельными ножами квадрата и круга на 9 – 13% выше, чем при резке фасонными ножами на угол, при этом большая разница наблюдается при резке квадрата;
• несмотря на равную площадь разрезаемого сечения и форму используемых ножей, максимальное усилие при резке круга на 7 – 10% больше, чем при резке квадрата.

Результаты работы могут быть использованы при дальнейших исследованиях разделительных операций фасонных профилей на ножницах с целью расширения представления о процессе резки и повышения степени точности энергосиловых параметров процесса.

Список источников

1. Численная методика расчета энергосиловых параметров процесса горячей поперечной резки непрерывнолитых сортовых заготовок / А. В. Сатонин, С. М. Стриченко, А. В. Завгородний, А. А. Житлова // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. – Краматорск: ДГМА, 2011, – № 2, – С. 43–47
2. Целиков А. И. Прокатные станы: учебник для вузов / А. И. Целиков, В. В. Смирнов, – М.: Металлургиздат, 1958, – C. 432
3. Машины и агрегаты металлургических заводов: учебник для вузов, Т. 3. Машины и агрегаты для производства и отделки проката / А. И. Целиков, В. М. Полухин, В. М. Гребеник и др. – М.: Металлургия, 1988, – C. 680
4. Королев А. А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов / А. А. Королев, – М.: Металлургия, 1985, – C. 375
5. Илюкович Б. М. Прокатка и калибровка, Т. 1. Основы теории калибровки. Калибровка блюмов и заготовки, кругов и шестигранников, квадратной стали, проволоки и арматуры: справочник / Б. М. Илюкович, Н. Е. Нехаев, С. Е. Меркурьев, под. ред. Б. М. Илюковича, – Дніпропетровськ : РВА ДніпроВАЛ, 2002, – C. 506