Усовершенствованный метод расчета площади контактной поверхности соприкосновения металла с валками при поперечно-винтовой прокатке

Abstract

Для повышения точности определения формы и площади контакта трубной заготовки с валком предложена универсальная методика, основанная на математической модели формоизменения металла при поперечно-винтовой прокатке. Указанная математическая модель позволяет пошагово строить контуры очага деформации с учетом закономерностей развития контура прокатываемой гильзы в очаге деформации. Пятно контакта валка с заготовкой представляет собой криволинейную поверхность, существенно меняющуюся в зависимости от траектории движения заготовки в процессе прокатки. Определение площади контактной поверхности металла с валками при поперечно-винтовой прокатке осуществляется с использованием распространенных графических пакетов, таких как QFORM, DEFORM, ANSYS, SOLIDWORK, Компас, AUTOCAD. В предлагаемой методике непрерывно учитывается изменение параметров деформируемого тела (радиуса заготовки, толщины стенки гильзы) относительно оси прокатки с учетом разворота валков. Использование предлагаемой методики моделирования, обладающей минимальными допущениями, дёт возможность получить фактическое значение площади контакта металла с прокатным инструментом для каждого участка очага деформации, отстоящего друг от друга на величину полушага подачи гильзы. Появляется возможность исследования фактического очага деформации по мере продвижения гильзы с учетом ее формоизменения в очаге деформации. Площадь контакта металла с валком, полученная путем ее графического построения хорошо совпадает с результатами натурного промышленного эксперимента и на 20 % точнее, чем при расчете с использованием метода, основанного на приближенном описании формы очага деформации эллипсами. Полученные данные площади контакта являются исходными данными для расчета энергосиловых параметров процесса прошивки (раскатки). Сравнительный анализ показал, что отклонение полученных моделированием значений усилия металла на валок от промышленно-экспериментальных данных не превышает 10 %. Предложенная методика может быть использован при анализе процессов поперечно-винтовой прокатки: прошивке, раскатке (элонгировании). Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности использования разработанного принципа описания свободного контура раската при разработке компьютерных алгоритмов моделирования поперечно-винтовой прокатки.

The universal methodology based on the mathematical model of metal deformation during cross rolling process has been proposed to improve accuracy in determination of shape and area of contact of the pipe billet with a roll. The indicated mathematical model allows stepwise building of deformation zones contour with due consideration of consistency in development of the rolled shell contour in deformation zone. Area of the roll contact with the shell has a form of curved surface significantly changing as a function of the shell movement path during the rolling process. Determination of the contact area of metal surface with the rolls during cross rolling process is fulfilled with the use of widespread graphic packages like QFORM, DEFORM, ANSYS, SOLIDWORK, Compass, AUTOCAD. The proposed methodology takes care on a continuous basis of changing parameters of a deformable body (radius of billet, shell wall thickness) w.r.t. rolling axis with due consideration of a roll turning. The use of proposed simulation method featuring minimum assumptions allows receipt of actual value of the contact area of metal with a rolling tool for each deformation area spaced from each other at a half step of the shell feed. It becomes possible to study actual deformation zone while the shell moves with due consideration of its deformation in the deformation zone. The contact area of the metal with the roll obtained from its graphic construction well coincides with results of full-scale industrial experiment and it is more accurate by 20 % as compared with calculation using method based on approximated description of deformation zone shape by ellipses. The contact area data obtained serve as an input for calculation of energy parameters for piercing process (rolling-off). Comparative analysis showed that deviation of values of the metal force on the roll generated by simulation is not more than 10 % as against experimental data. The proposed methodology can be used for analyzing cross rolling processes: piercing, expansion (elongation). The results obtained allow us to come to conclusion on possibility of using the developed principle describing free rolling-off contour during development of computer algorithms for simulation of cross rolling process.