Совершенствование оборудования и технологии для кислородной резки металлопроката на базе современных представлений теории тепломассопереноса и динамики движения связанных механических систем

• Автор: Никифоров, Николай Иванович
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 56 с. : ил.; 20х15 см

Общая характеристика работы.
Актуальность проблемы. Кислородная резка, как основная технологическая операция получения заготовок для сварных конструкций н деталей машин, широко применяется в народном хозяйстве По данным статистики в предшествующие годы трудоемкость по резке составляет более 10% от обшей трудоемкости сварочных работ. В 80-е годы широкое распространение получила резка заготовок с применением портальных машин с программным, управлением. За 80-88 годы было внедрено свыше 1500 единиц указанных машин на предприятиях машиностроения, судостроения, оборонного и топливно-энергетического комплексов и др.
Однако за прошедшие годы из-за отсутствия обновления эксплуатируемый парк машин сильно износился, не отвечает современному уровню по основным показателям точности и скорости резки. Исследования показали, что отклонения от заданных размеров составляют более 2 мм Поскольку получаемые после резки заготовки в большинстве случаев подвергаются последующей сварке, их точность прямо влияет на качество продукции, трудоемкость сварочных работ и расход электроэнергии и материалов
Технологический Процесс кислородной резки характеризуется ограниченной скоростью (0,1 - 0,5 м^мин), что дает низкую производительность и вызывает термические деформации, снижающие точность деталей при резке металла.
Для возрождения и развития экономики России необходимо дальнейшее совершенствование процесса кислородной резки с целью повышения ее производительности и обновления имеющегося оборудования точными портальными машинами, что позволит обеспечить экономичную вырезку заготовок и деталей для современных сварных конструкций.
С разработкой теории термохимических и физических процессов в реагирующих средах и динамики связанных механических систем, с появлением мощной вычислительной техники появилась возможность с новых позиций исследовать процесс и точность машин для кислородной резки Разработанные современные математические модели позволили подойти к более глубокому пониманию элементов эффективной технологии кислородной резки: подогреву металла перед резкой, окислению металла, нагреву и удалению его в процессе резки и минимизации погрешностей, возникающих при машинной резке.
В работе реализован комплексный подход к совершенствованию технологии и оборудования кислородной резки на основе взаимосвязанных представлений современной теории нагрева, высокотемпературного окисления металла и удаления 'щемава из полости реза и особенностей резательной аппаратуры, машин н технологии.
Цель работы. Развить теоретические основы кислородной резки металлов и создать на их базе высокопроизводительные процессы н высокоточные машины для раскроя листового проката.
Для решения этой проблемы необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа процесса кислородной резки разработать подходы к решению проблемы повышения производительности и точности механизированной резки для прогресса заготовительного производства.
2. Разработать математическую модель процесса кислородной резки для теоретической оценки теплового, химического и газодинамического механизмов повышения производительности.
3 Исследовать функциональные особенности и разработать методы расчета сопел подогревающего пламени и режущего кислорода для высокопроизводительной резки металлов
4. Исследовать кинематические и динамические особенности машин термической резки как факторы, определяющие точность вырезаемых деталей, и разработать принципиальные решения по их совершенствованию
5 Разработать типоразмерный ряд машин и оборудования для кислородной резки для модернизации заготовительного производства, базовую аппаратуру, машины и технологию для реализации полученных научно-технических решений и внедрить их результаты исследований на предприятиях страны
1 На основе анализа основных составляющих механизированной кислородной резки с использованием современной теории механики реагирующих сред и тепломассообмена построена комплексная физико-математическая модель процесса, на базе которой проведена серия компьютерных экспериментов, позволивших получить пространственную динамику формирования полости реза и изучить его основные закономерности
2. Основываясь на теории Вагнера, выведено уравнение кинетики окисления стали при кислородной резке Показано, что процесс окисления можно отождествлять с прохождением электрического тока по электролиту и использовать для его описания закон Фарадея Установлено, что процесс окисления и эвакуация расплавленного металла из полости реза имеет волновой характер. Определяющими факторами интенсификации процесса окисления и повышения скорости резки является повышение температуры разрезаемого металла и давления режущего кислорода
3 Компьютерные исследования установили, что основной причиной отставания лобовой кромки реза, ограничивающего скорость резки и снижающего его точность, является воздействие тепловых полей, формируемых подогревающим пламенем интенсифицирующим скорость окисления верхней части реза, и сниженная теплопроводность при высоких температурах смываемого расплава в нижней части реза. Для снижения величины отставания при резке сталей толщиной до 150 глл рекомендовано использовать сверхзвуковые кислородные струи, образуемые в профилируемых соплах типа Лаваля. Оптимальными параметрами кислородной струи является: скорость, равная 2-2.5 Моха при числе нерасчетности 0.4-10 и давлении кислорода 12-14 атм
4 В результате проведенных компьютерных экспериментов, моделирующих процесс нагрева металла кольцевым пламенем, выявлено наличие пространственного температурного минимума по оси резака, которое сдерживает начало процесса резки. Неравномерность температуры уменьшается по мере нагрева листа, уменьшения диаметра кольцевого отверстия и приближения пламени к оси резака Для уменьшения времени нагрева предложены многоканальные сопла с углом наклона 8-10 0 к оси режущего кислорода и рекомендовано применение, ка ряду с ацетиленом, горючих газов с наибольшей температурой пламени: пропилена и МАФ-газа, которые нагревают металл а 1.3 раза быстрее, чем пропан и природный газ.
5 Разработана динадеческая модель погрешностей движения механического привода и деталей машины, ив основе которой предложена методика их расчета, учитывающая важнейшие составляющие отклонений от заданной траектории
Получены уравнения, позволяющие определять скорость резки линейных н криволинейных участков в зависимости от установленных динамических характеристик подвижных элементов, циклических составляющих кинематических шибок приводов, массы портала н кривизны контура детали. Предложены решения по снижению кинематических и динамических погрешностей воспроизведения заданного контура

При этом, чем выше скорость резки, тем больше величина отставания для заданной толщины металла. Поэтому с целью получения высокой точности вырезаемой из толстолистовой стали детали процесс должен выполняться на малых скоростях.
Благоприятное влияние на снижение отставания оказывает применение высокоскоростных сопел режущего кислорода, которые при прочих равных условиях позволяют в 2 раза уменьшить величину отставания по сравнению с применяющимися на практике соплами ступенчато - цилиндрического типа.
Существенное влияние на отставание оказывает давление режущего кислорода перед мундштуком. Причем с повышением давления кислорода до 12 атм величина отставания уменьшается до 1 мм, что удовлетворяет требованиям точности.
Устранения влияния теплового воздействия кислородной резки на размерную точность крупногабаритных заготовок.
В настоящем разделе работы исследовалось влияние параметров, обусловленных процессом резки, на размерную точность вырезаемых деталей. К ним относятся линейное тепловое удлинение всей заготовки вследствие ее общего нагрева за счет тепла реакции окисления металла а также пламени, тепловых упругопластических деформаций металла на кромке реза за счет воздействия линейного источника тепла, объемных структурных превращений металла на кромке реза, изменение положения заготовки из-за ее сдвига при воздействии на нее обрез и др.
Линейное тепловое удлинение вызвано температурным расширение материала вследствие его общего нагрева. Это явление наиболее сильно проявляется при вырезке деталей с протяженной какой-либо одной стороной, т.е. длинных, узких деталей.
Нами установлено, что во время резки заготовка разогреется до - 120°С. При этой температуре заготовка удлинится на величину Д1 = а*Ьг( Т - То), где : а- коэффициент температурного расширения, Т - температура заготовки в нагретом состоянии, То -температура металла в исходном состоянии, Ь]- длина заготовки, примерно на 7,5 мм.
Таким образом, если в программе на заготовку не будет учтен ее нагрев, то при последующем охлаждении детали до температуры окружающей среды она окажется короче на величину, приведенную выше. Для получения точного размера вырезаемой заготовки был использован метод компенсации линейного теплового удлинения программированием на машине с ЧПУ прибавлением к размеру заготовки величины линейного теплового удлинения.
Упругопластические деформации металла пои кислородной резке. При местном нагреве листа линейным быстродвижущимся источником теплоты от реакции окисления металла и пламени происходит неравномерный нагрев кромки реза. Непосредственно в зоне, нагретой до температуры свыше 600 °С, прилегающей к кромке реза возникают пластические деформации, которые при охлаждении металла кромки реза приводят к появлению на ней остаточных напряжений растяжения, которые и вызывают искривление заготовки.
Вместе с тем результаты обобщения экспериментальных данных по резке длинных полос одним резаком показали, что их деформация увеличивается с увеличением толщины разрезаемого металла и уменьшается с увеличением скорости резки возрастают также с увеличением длины вырезаемой заготовки.
Одним из способов уменьшения деформаций вырезанных заготовок наряду с повышением скорости резки является сокращение тепловложения в металл путем уменьшения ширины реза.
В работе было установлено, что значительное уменьшение ширины реза может быть достигнуто путем применения мундштуков с соплами режущего кислорода типа Лаваля и повышенных давлений режущего кислорода (до 12 кгс/см2).
Наконец, заготовка рейки относится к деталям с осевой симметрией, благодаря чему резку верхней и нижней стороны рейки можно производить одновременно двумя