Методические указания к решению и пример решения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению практической работы по содержанию Части II

«Технология конструкционных материалов» дисциплины

«Технология конструкционных материалов и материаловедение»

на тему «Обработка металлов давлением»

Для студентов всех форм обучения направлений подготовки

Профессиональное обучение (по отраслям)(профили «Металлургия», «Машиностроение и материалообработка», «Транспорт»,

Машиностроение (профиль «Оборудование и технологии сварочного производства»)

Екатеринбург

РГППУ

2017

Методические указания к выполнению практической работы по содержанию Части II «Технология конструкционных материалов» дисциплины «Технология конструкционных материалов и материаловедение» на тему «Обработка металлов давлением» для студентов всех форм обучения направлений подготовки 44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям) (профили подготовки «Металлургия», «Машиностроение и материалообработка». «Транспорт»), 15.03.01 Машиностроение (профиль «Оборудование и технологии сварочного производства». Екатеринбург, ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2017. 12 с.

Авторы:         д-р техн. наук, проф.                 Б.Н. Гузанов

                       канд. физ.- матем. наук             В.В. Бухаленков

Одобрены на заседании кафедры инжиниринга и профессионального обучения в машиностроении и металлургии. Протокол от 12.05.2017 № 9.

Заведующий кафедрой инжиниринга

и профессионального обучения

в машиностроении и металлургии                                          Б.Н. Гузанов

Рекомендованы к печати методической комиссией Института инженерно-педагогического образования РГППУ

Протокол от 15.05.2017 № 9

© ФГАОУ ВО «Российский

государственный профессионально-

педагогический университет», 2017

© В.В. Бухаленков, 2017

© Б.Н. Гузанов, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Методические указания к решению и пример решения

задачи описания процесса холодной листовой прокатки

1.1 Формулировка задачи:

Определите число проходов, необходимых для получения на реверсивном листопрокатном стане листа (полосы) толщиной 10 мм из сляба размером      100х1000 мм². При этом учтите, что рабочая клеть стана допускает максимально допустимое обжатие за один проход 8 %.

Изобразите на эскизах схемы основного и вспомогательного оборудования листопрокатного стана, а также его рабочей клети.

Рассуждения и указания

1.2.1 Успешное решение задачи окажется возможным только в случае, если студент имеет достаточно полное представление о содержании терминов, в которых описывается разбираемый в задаче процесс. В число терминов – учебных элементов информации – входят следующие:

■ продольная прокатка как вид обработки металлов давлением с целью получения полуфабриката (заготовки) из металлического материала;

■ оборудование (прокатный стан, рабочая клеть стана и др.) и инструмент (валки), с помощью которых получают полуфабрикат;

■ металлический лист как полуфабрикат, получаемый продольной прокаткой в гладких цилиндрических валках («валках с гладкой бочкой») исходной заготовки – сляба (расположение листа в валках листопрокатного стана показано на рис. 1.1);

■ сляб – полупродукт из металлического слитка – металлическая заготовка прямоугольного сечения с большим отношением ширины к толщине           (от 3 до 10) – предназначенная для дальнейшей прокатки в лист;

вид сляба на рольганге заготовительного прокатного стана – слябинга – приведён на рис. 1.2;

■ обжатие – обобщённая характеристика степени пластической деформации прокатываемой металлической полосы или листа при продольной прокатке по уменьшению толщины полосы за один проход;

различают абсолютное обжатие

ΔВ = В₀ – В₁, мм,                                        (1.1)

где В₀ – начальная толщина полосы, В₁ – толщина полосы после прокатки

и относительное обжатие 

ε = ΔВ / В₀ = (В₀ – В₁) / В₀,                                  (1.2)

выражаемое либо в долях единицы, либо в процентах;

■ максимально допустимое обжатие – наибольшее обжатие, превышение которого создаёт угрозу разрушения валков из-за превышения допустимого давления на валки со стороны деформируемого металла.

                                                                      Рисунок 1.1– Схема распо-                                                                    ложения валков листопро-                                                                    катно     го стана дуо и де- -                                                                формируемой металличе-                                                                      ской заготовки

Рисунок 1.2 – Вид нагретого

сляба  на  рольганге заготови-тельного  стана  –  слябинга

1.2.2 Оценим относительное обжатие сляба заданных размеров до конечной толщины листа В_k, которое имело бы место при деформации за один проход:

ε = (В₀ – В_k) / В₀ = (100 -– 10) / 100 = 0,9 ≡ 90 %.

Ясно, что получить лист требуемой толщины за один проход нельзя. Надо уменьшать толщину заготовки постепенно, проход за проходом, каждый раз уменьшая зазор между валками на величину, которая обеспечит относительное обжатие не более 8 %.

1.2.3 Преобразуя выражение (1.2), можно получить формулу вычисления для толщины листа В₁ после максимально допустимого обжатия в первом проходе:

В₁ = В₀ ∙ (1 – ε), –                                (1.3)

и определить её количественно для заданных условий задачи

В₁ = 100 ∙ (1 – 0,08) = 92 мм.

Следуя выражению (1.3), можно определить толщину листа В₂ после второго прохода:

В₂ = В₁ ∙ (1 – ε) = В₀ ∙ (1 – ε) ∙ (1 – ε) = В₀ ∙ (1 – ε)².         (1.4)

Подставим числовые значения В₀ и ε и получим В₂ = 84,64 мм

Точно также можно найти толщину листа после третьего прохода:

В₃ = В₂ ∙ (1 – ε) = В₀ ∙ (1 – ε)² ∙ (1 – ε) = В₀ ∙ (1 – ε)³.              (1.5)

Она окажется равной 77,87 мм.

Простым повторением вычисления толщины листа В_i после очередного i-го прохода можно найти номер последнего k-го прохода, в котором получается конечное значение В_k ≤ 10 мм. Это и будет искомый ответ.

1.2.4 Однако задача может иметь более изящное решение. Обратив внимание как соотносится номер прохода, обозначенный нижним индексом у символа В в левой части выражений (1.3), (1.4), (1.5) и показатель степени у множителя (1 – ε) в правой части указанных выражений, можно записать формулы для любого n-го прохода

В_n = В₀ ∙ (1 – ε)ⁿ                                 (1.6)

и для конечного k-го прохода

В_k = В₀ ∙ (1 – ε)^k.                           (1.7)

Ответ можно найти, решая уравнение (1.7) относительно k.

1.2.5 Основное и вспомогательное оборудование листопрокатного стана можно охарактеризовать так, как показано на рис. 1.3:

Рисунок 1.3 – Схема двухвалкового листопрокатного стана

Методические указания к решению и пример решения

задачи описания процесса волочения

2.1 Формулировка задачи:

Разработайте маршрут (последовательность операций) получения холоднотянутой проволоки из стали Ст4 диаметром 5 мм из заготовки (отожжённого прутка) диаметром 10 мм. При этом учтите, что за один проход пластическая деформация не должна превышать 30 %, а при суммарной деформации 60 % исчерпывается запас пластичности (материал наклёпывается), что приводит к обрывам проволоки при дальнейшем волочении.

Прокомментируйте процесс получения проволоки схемами инструмента и оборудования.

Рассуждения и указания

2.2.1. Успешное решение задачи окажется возможным только в случае, если студент имеет достаточно полное представление о содержании терминов, в которых описывается разбираемый в задаче процесс. В число терминов – учебных элементов информации – входят следующие:

■ волочение как вид обработки металлов давлением с целью получения полуфабриката (прутки и трубы кругового или другого сечения) из металлического материала;

■ оборудование (волочильный стан) и инструмент (волока, или фильера), с помощью которой получают полуфабрикат;

■ проволока как полуфабрикат (пруток или труба), получаемый протягиванием исходной заготовки – сплошного прутка или трубы через отверстие (очко) волоки;

расположение протягиваемой заготовки, волоки и направление их взаимного перемещения под действие внешнего усилия показано на рис. 2.1;

■ обжатие – обобщённая характеристика степени пластической деформации протягиваемой заготовки при волочении, определяемая так же, как относительное обжатие при продольной прокатке с той лишь разницей, что вместо толщин учитываются площади поперечных сечений заготовки до входа в волоку  и после выхода из неё  (т.е. за один проход):

ε =  ∙  , %.                               (2.1)

■ максимально допустимое обжатие – наибольшее обжатие, превышение которого создаёт угрозу обрыва протягиваемой заготовки из-за превышения предела прочности σ_В деформируемого металла;

в рассматриваемой задаче ε_max = 30 %;

■ наклёп – упрочнение материала с ростом степени холодной пластической деформации, препятствующее дальнейшей деформации заготовки до нужного сечения в каждом следующем акте волочения (проходе) из-за исчерпания запаса пластичности;

в рассматриваемой задаче запас пластичности исчерпывается при ε = 60 %;

■ рекристаллизационный отжиг – операция термической обработки, направленная на снятие деформационного упрочнения при длительной выдержке наклёпанной заготовки при температуре, превышающей температурный порог рекристаллизации Т_п.р.;

■ рекристаллизация – см. курс «Материаловедение» или [3].

Рисунок 2.1 – Взаимодействие инструмента, протягиваемой заготовки, и направление их взаимного перемещения под действие внешнего усилия при волочении:

1 – волока (фильера), 2 – протяги-

ваемая заготовка, 3 – держатель

волоки (станина).

2.2.2 Определение степени пластической деформации ε, представленное выражением (2.1), относится к разряду так называемых вербальных определений, отвечающих на вопрос «что есть ε?». Однако оно неприменимо в реальной практике измерения обжатия, так как не существует средств прямого измерения физической величины «площадь». Значение площади для круга вычисляется по измеренному значению диаметра последнего, а для измерения диаметра существуют средства измерения, например, штангенциркуль. Естественно вербальное определение (2.1) преобразовать в операциональное определение, которое к ответу на вопрос «что есть ε?» добавляет ответ на вопрос «как найти ε?». Это возможно при использовании известной формулы для площади круга:

                                                    =  ,                                           (2.2)

где F – площадь круга, d – диаметр круга.

Преобразуя (2.1) и подставляя (2.2) в (2.1), получаем

ε =  = 1 −  = 1 –  ,                          (2.3)

где d₀ – диаметр заготовки при входе в очко волоки, d₁ – диаметр прутка после волочения за один проход (рис. 2.1).

2.2.3 Оценим относительное обжатие исходной заготовки с d₀ = 10 мм до конечного размера проволоки d_k = 5 мм, которое имело бы место при волочении за один проход:

ε = 1 –  = 1 –  = 1 – 0,25 = 0,75 ≡ 75 %.

Ясно, что получить проволоку требуемого диаметра за один проход нельзя. Надо уменьшать диаметр заготовки постепенно, проход за проходом, каждый раз уменьшая диаметр отверстия («очка») волоки на величину, которая обеспечит относительное обжатие не более 30 %.

2.2.4 Преобразуя выражение (2.3), можно получить формулу вычисления для диаметра очка волоки d₁ после максимально допустимого обжатия в первом проходе:

d₁ = d₀  = d₀ ,                     (2.4)

и определить его количественно для заданных условий задачи

d₁ = 10∙  = 10∙0,836 = 8,36 мм.

Следуя выражению (2.4), можно определить допустимое значение диаметра заготовки d₂ после второго прохода и, соответственно, диаметр очка второй волоки:

d₂ = d₁  = d₀  = d₀  . (2.5)

Подставляя в (2.5) числовые значения d₀ и ε, получаем d₂ = 7,00 мм

Точно также можно выразить диаметр очка третьей волоки d₃:

d₃ = d₂  = d₀  .                              (2.6)

Он окажется равным 5,85 мм.

Простым повторением вычисления диаметра очка каждой следующей волоки d_i после очередного i-го прохода можно найти номер последнего k-го прохода, в котором получается конечное значение d_k ≤ 5,0 мм. Это будет ответ на вопрос, за сколько проходов удастся получить проволоку требуемого диаметра, или сколько потребуется волок.

2.2.5 Вместе с тем, задача определения числа проходов может иметь более изящное решение. Обратив внимание, как соотносится номер прохода, обозначенный нижним индексом у символа d в левой части выражений (2.4), (2.5), (2.6) и показатель степени у множителя (1 – ε) в правой части указанных выражений, можно записать формулы для любого n-го прохода

d_n = d₀                          (2.7)

и для конечного k-го прохода

d_k = d₀ .                        (2.8)

Ответ можно найти, решая уравнение (2.8) относительно k.

2.2.6Однако искомым решением данной задачи является не просто определение числа проходов (числа волок), а маршрут волочения. Под маршрутом понимается прежде всего назначаемое из условия допустимого обжатия за проход число проходов, соответствующие диаметры очков потребных волок и, если необходимо, назначение рекристаллизационного отжига для снятия наклёпа.

Методом повторения вычисления диаметра очка каждой следующей волоки d_i после очередного i-го прохода (см. выражения 2.4 – 2.6) уже определены параметры трёх волок, использование которых позволяет получить за три прохода заготовку с d₃ = 5,85 мм. В следующем 4-ом проходе при максимально допустимом обжатии ε_max = 30 % удалось бы получить заготовку диаметром d₄ = 4,89 мм. Поэтому в последнем 4-ом проходе будет использована волока с диаметром очка d_k = 5,00 мм.

Маршрут волочения можно начать записывать следующим образом:

10,00 → 8,36 → 7,0 → 5,85 → 5,00.                  (2.9)

ε_сумм  =   30 % 60 %

№ прохода 1 2    3         4

Однако запись (2.9) ещё нельзя считать записью маршрута волочения. И вот почему. Под записью помещены сведения о том, как накапливается суммарное обжатие ε_сумм от прохода к проходу. Из них следует, что после второго прохода должен исчерпаться запас пластичности из-за наклёпа материала заготовки, и продолжение волочения станет невозможным без промежуточного рекристаллизационного отжига. В записи (2.9) сведений о нём нет.

2.2.7Режим традиционной операции термической обработки металла или сплава описывается следующими параметрами: скоростью нагрева изделия до необходимой температуры, собственно температурой нагрева, временем выдержки при заданной температуре и скоростью охлаждения до комнатной температуры.

Температура рекристаллизационного отжига Т_отж  холоднодеформированного (наклёпанного) металла или сплава должна превышать значение температурного порога рекристаллизации Т_п.р., которая в свою очередь связана с температурой плавления (начала плавления) Т_пл материала, выраженной в Кельвинах:

Т_отж > Т_п.р. = (0,3…0,4)Т_пл.                                 (2.10)

Углеродистая сталь обыкновенного качества Ст4 по стандарту содержит 0,18…0,27 мас.% углерода. Если для оценки температуры начала её плавления использовать бинарную диаграмму «железо - цементит», можно видеть, что температура начала её плавления при медленном нагреве, определяемая линией IE диаграммы, будет варьироваться в диапазоне 1490…1460^ОС. Принимая Т_пл = 1450^ОС, можно оценить температурный порог рекристаллизации

Т_п.р. ≈ 0,4 Т_пл = 0,4 (1450 + 273) ≈ 690 К ≈ 420^ОС.

Полученное значение согласуется с оценкой теоретической температуры рекристаллизации 450^ОС для стали, приведённой в табл. 5.1 источника [1] . Там же приведены установленные практикой температуры рекристаллизационного отжига стали – 600…700^ОС.

2.2.8С учетом обстоятельства, описанного в п. 2.2.7, окончательная запись маршрута волочения примет вид:

10,00 → 8,36 → 7,0 → Отж. 650^ОС 4 ч., охл. с печью → 5,85 → 5,00.  (2.11)

2.2.9 Основное и вспомогательное оборудование цепного волочильного стана можно охарактеризовать так, как показано на рис. 2.2.

1 – станина, 2 – пруток (исходная заготовка), 3 – волока, 4 – клещи,

5 – противовес, 6 – тележка, 7 – 7 – крюк, 8 – приводной барабан,

9 - шарнирно-пластинчатая цепь, 10 – барабан.

Рисунок 2.2 – Схема цепного волочильного стана

Библиографический список

1 Дальский, А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, А.Ф. Вязов и др. – 6-е изд., испр. и доп. – Москва: Машиностроение, 2005. – 592 с.

2 Колесов, С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов/ С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – Москва: Высшая школа, 2004. - 519 с.

3 Гузанов, Б.Н. Задания и методические указания к выполнению контрольной работы № 2 по дисциплине «Материаловедение» на тему «Диаграмма фазового равновесия сплавов железо – цементит и термическая обработка стали» для студентов заочной формы обучения с полным сроком направления подготовки 44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям), профилей подготовки «Транспорт», «Машиностроение и материалообработка» / Б.Н. Гузанов, В.В. Бухаленков. – Екатеринбург, ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2016. 51 с.

4 Дриц, М.Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учебник для вузов/ М.Е. Дриц, М.А. Москалев. – Москва: Высшая школа, 1990. – 447 с.

5 Алаи, С.И. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов пед. Ин-тов по спец. № 2120 «Общетехнические дисциплины и труд»/ С.И. Алаи, П.М. Григорьев, А.Н. Ростовцев; Под общ. ред А.Н. Ростовцева. – Москва: Просвещение, 1986. – 303 с.

6 Кнорозов, Б.В. Технология металлов/ Б.В. Кнорозов, Л.Ф. усова, А.В. Третьяков, И.А. Арутюнов, С.П. Шабашов, В.К. Ефремов. – Москва: Металлургия, 1979. – 904 с.

7 Жадан, В.Т. Технология металлов и других конструкционных материалов: Учебник для студентов немашиностроит. спец. втузов / В.Т. Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов. Москва: Высшая школа. – 704 с.