blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-7-516-521blackmet-1122Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОКАТКИ ШАРОВMATHEMATICAL MODELING OF BALLS ROLLINGФилипповаМ. В.FilippovaM. V.

к.т.н., доцент кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение». ЕВРАЗ ЗСМК

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Metal Forming and Metal Science”. OJSC “EVRAZ ZSMK”

fllippova_mv@mail.ruТемлянцевМ. В.TemlyantsevM. V.

д.т.н., профессор, профессор кафедры теплоэнергетики и экологии, проректор по научной работе и инновациям

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Thermal Power and Ecology”, Vice-Rector for Research and Innovations

uchebn_otdel@sibsiu.ruПеретятькоВ. Н.Peretyat’koV. N.

д.т.н., профессор кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение». ЕВРАЗ ЗСМК

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metal Forming and Metal Science”. OJSC “EVRAZ ZSMK”

kafkshp@sibsiu.ruПрудкийЕ. Е.PrudkiiE. E.

аспирант кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение». ЕВРАЗ ЗСМК

Postgraduate of the Chair “Metal Forming and Metal Science”. OJSC "EVRAZ ZSMK"

kafkshp@sibsiu.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation201719082017607516521Copyright © Филиппова М.В., Темлянцев М.В., Перетятько В.Н., Прудкий Е.Е., 20172017Филиппова М.В., Темлянцев М.В., Перетятько В.Н., Прудкий Е.Е.Filippova M.V., Temlyantsev M.V., Peretyat’ko V.N., Prudkii E.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1122

Изложены результаты моделирования прокатки точных по массе шаров диаметром 93 и 125 мм в винтовых калибрах в программах компьютерного моделирования QForm-3D и DEFORM-3D, описаны этапы и исходные данные создания модели виртуального шаропрокатного стана. Проведен анализ напряженного состояния металла в характерных точках вдоль оси прокатки: интенсивность напряжений, компоненты тензора напряжений, среднее нормальное напряжение. Представлены результаты замеров массы шаров, прокатанных на новых и изношенных валках. Проведены проверка качества внутренних слоев металла и замеры твердости прокатанных шаров по вертикальной и горизонтальной осям симметрии шара. Исследование формоизменения металла при моделировании прокатки шаров показало, что нагретая заготовка в виде прутка горячекатаной стали хорошо захватывается валками, процесс прокатки происходит стабильно без пробуксовок. Металл заготовки полностью заполняет калибры. Зазора между металлом и стенками калибра не наблюдается. Перемычки, соединяющие отформованные шары, полностью отделяются непосредственно в валках стана. При этом перемычка срезается ребордой валков и вдавливается в тело шара. Отделенный шар продолжает обкатываться на отделочном участке калибра, остатки перемычки заглаживаются, и из валков выходит полностью оформленный шар, имеющий гладкую поверхность. Установлено, что при моделировании напряженно-деформированного состояния все компоненты тензора напряжений имеют отрицательное значение, то есть все компоненты тензора напряжений при прокатке шаров сжимающие. Статистическая обработка данных по взвешиванию прокатанных шаров диаметром 93 и 125 мм показала, что отклонение массы от номинальной не превышает 1 %. Замеры твердости по диаметральному сечению шаров показали отсутствие провалов твердости во внутренних слоях прокатанного металла, что говорит о хорошем качестве сердцевинной зоны. 

The paper presents the results of simulation of rolling of balls precise in mass with diameters of 93 and 125 mm in screw calibers in QForm-3D and DEFORM-3D, the stages and initial data of creating a virtual model of ball-rolling mill are described. The stress state of the metal in characteristic points along the rolling axis was analyzed: stress intensity, stress tensor components, average normal stress. The results of mass measurements of balls rolled on new and worn rolls are presented. The quality check of the inner layers of metal was carried out and the hardness of the rolled balls was measured along the vertical and horizontal axes of ball symmetry. Investigation of metal deformation in simulation of ball rolling has shown that heated billet in form of hot-rolled steel rod is well gripped by rolls, rolling process is stable without slipping. Billet metal fills the gauges completely. There are no gaps observed between metal and gauges walls. Breaker cores connecting molded balls are completely separated in the mill rolls. In this case, core is cut by the rolls flange and is pressed into the ball body. Separated ball continues to roll in gauge finishing section, core remains are smoothed, and completely formed ball with a smooth surface appears from the rolls. It was established that in stress-strain state modeling all components of stress tensor have negative value, that is, all components of stress tensor during balls rolling are compressive. Statistical processing of data on weighing rolled balls with a diameter of 93  mm and 125  mm shows that deviation of mass from the nominal does not exceed 1  %. Measurements of hardness along the balls diametric section shows absence of hardness failures in the inner layers of rolled metal, which indicates a good quality of core zone.

 

математическое моделированиекомпьютерное моделированиешаршаропрокатный станпоперечно-винтовая прокатка качество шаранапряженно-деформированное состояниестатистическая обработкатвердость шарасреднее нормальное напряжениеmathematical simulationcomputer simulationballball rolling millcross rollingball qualitystress-strain statestatistical processingball hardnessaverage normal stressReferencesСпециальные прокатные станы / А.И. Целиков, М.В. Барбарич, М.В. Васильчиков и др. – М.: Металлургия, 1971. – 336 с.Tselikov A.I., Barbarich M.V., Vasil’chikov M.V. etc. Spetsial’nye prokatnye stany [Special  rolling  mills].  Moscow:  Metallurgiya,  1971, 336 p. (In Russ.).Грановский С.П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в винтовых калибрах. – М.: Металлургия, 1980. – 116 с.Granovskii S.P. Novye protsessy i stany dlya prokatki izdelii v vintovykh kalibrakh [New processes and mills for products rolling in  screw calibers]. Moscow: Metallurgiya, 1980, 116 p. (In Russ.). Kotenok V.I., Podobedov S.I. Energy-efficient design of rolls for ball-rolling mills // Metallurgist. 2001. Vol. 45. No. 9 – 10. P. 363 – 367.Kotenok V.I.,  Podobedov  S.I.  Energy-efficient  design  of  rolls  for  ball-rolling mills. Metallurgist. 2001, vol. 45, no. 9-10, pp. 363–367.Peretyatko V.N., Klimov A.S., Filippova M.V. Roller grooving in ball-rolling mills. Part 1 // Steel in Translation. 2013. Vol. 43. No. 4. P. 168 – 170.Peretyat’ko V.N., Klimov A.S., Filippova M.V. Roller grooving in  ball-rolling mills. Part 1. Steel in Translation. 2013, vol. 43, no. 4,  pp. 168–170.Перетятько В.Н., Климов А.С., Филиппова М.В. Калибровка валков шаропрокатного стана. Сообщение 2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 6. С. 16 – 20.Peretyat’ko V.N., Klimov A.S., Filippova M.V. Calibration of rolls  of a ball-rolling mill. Report 2. Izvestiya VUZov. Chernaya metal-lurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2013, no. 6, pp. 16–20. (In  Russ.).Романенко В.П., Сизов Д.В. Компьютерное моделирование процесса винтовой прокати крупных заготовок в двухвалковом стане // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 11. С. 13 – 16.Romanenko V.P., Sizov D.V. The computer modeling of the helical rolling of large workpieces on a two-high mill. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy.  2010,  no.  11, pp. 13–16. (In Russ.).Chumachenko E.N., Aksenov S.A., Logashina I.V. Mathematical modeling and energy conservation for roling in passes // Metallurgist. 2010. No. 8. P. 498 – 503.Chumachenko  E.N., Aksenov  S.A.,  Logashina  I.V.  Mathematical  modeling and energy conservation for rolling in passes. Metallurgist. 2010, no. 8, pp. 498–503.Филиппова М.В., Сметанин С.В., Перетятько В.Н. Компьютерное моделирование прокати шаров большого диаметра // Черная ме-таллургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2016. № 9. С. 75 – 78.Filippova M.V., Smetanin S.V., Peretyat’ko V.N. Computer simulation  of  large-diameter  balls  rolling.  Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2016, no. 9, pp. 75–78. (In Russ.).Gubanova N.V., Karelin F.R., Choporov V.F., Yusupov V.S. Study of rolling in helical rolls by mathematical simulation with the Deform 3D software package // Russian Metallurgy (Metally). 2011. No. 3. P. 188 – 193.Gubanova N.V., Karelin F.R., Choporov V.F., Yusupov V.S. Study  of rolling in helical rolls by mathematical simulation with the Deform  3D  software  package.  Russian Metallurgy (Metally).  2011,  no.  3, pp. 188–193.Liu F., Shan D., Lü Y. Experimental study and numerical simulation of isothermal closed die forging for aluminum alloy rotor // Trans. Nonferrous Metals Soc. China. 2005. Vol. 15. No. 2. С. 136 – 141.Liu F., Shan D., Lü Y. Experimental study and numerical simulation  of isothermal closed die forging for aluminum alloy rotor. Trans. Nonferrous Metals Soc. China. 2005, vol. 15, no. 2, pp. 136–141.Kapustova M., Kravarik L., Bliznak J. Computer simulation of precision die forging // Machine design. 2011. Vol. 3. No. 2. Р. 143 – 146.Kapustova M., Kravarik L., Bliznak J. Computer simulation of precision die forging. Machine design. 2011, vol. 3, no. 2, pp.143–146.Gohil D., Maisuria M. Computer Simulation Technique for the Closed Die Forging Process: A Modular Approach // Proceedings of the7th WSEAS International Conference on system science and simulation in engineering. 2008. Р. 61 – 66.Gohil  D.,  Maisuria  M.  Computer  Simulation  Technique  for  the  Closed  Die  Forging  Process:  A  Modular  Approach.  Proceedings of the7th WSEAS International Conference on system science and simulation in engineering. 2008, pp. 61–66.Ulik А., Kravarik L., Bernadic L. Research of metal flow in closed die in precision forging // Slovak university of technology in Bratislava. 2009. No. 27. P. 113 – 118.Ulik А., Kravarik L., Bernadic L. Research of metal flow in closed  die in precision forging. Slovak university of technology in Bratislava. 2009, no. 27, pp. 113–118.Slagter W., Florie С., Venis А. Advances in Three-Dimensional Forging Process Modelling // Proceedings of the 15th National Conference on Manufacturing Research. 1999. Р. 73 – 78.Slagter W., Florie С., Venis А. Advances in three-dimensional forging process modeling. Proceedings of the 15th National Conference on Manufacturing Research. 1999, pp. 73–78.Скрипаленко М.М. Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования прошивки слитков в двухвалковом стане винтовой прокатки // Кузнечно-штамповочное производство. 2016. № 12. С. 22 – 26.Skripalenko M.M. Computer modeling and experimental studies of  pinning of ingots in a twin-roll mill of screw rolling. Kuznechnoshtampovochnoe proizvodstvo. 2016, no. 12, pp. 22–26. (In Russ.).Ershov A.A., Loginov Y.N., Demakov S.L. Assessing the consequences of the softening of metal during hot-working by using the software package QForm V8 // Metallurgist. 2015. Vol. 59. No. 7. P. 659 – 663.Ershov A.A.,  Loginov Y.N.,  Demakov  S.L. Assessing  the  consequences of the softening of metal during hot-working by using the  software  package  QForm  V8.  Metallurgist.  2015,  vol.  59,  no.  7,  pp.  659–663. Максимов В.М., Хлыбов О.С. Моделирование процессов про-шивки в стане винтовой прокатки с использованием QForm // Кузнечно-штамповочное производство. 2016. № 12. С. 17 – 21.Maksimov V.M., Khlybov O.S. Simulation of the firmware processes in the screw rolling mill using QForm. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. 2016, no. 12, pp. 17–21. (In Russ.).Колмогоров В.Л. Напряжения, деформация, разрушение. – М.: Металлургия, 1970. – 229 с.Kolmogorov V.L. Napryazheniya, deformatsiya, razrushenie [Stresses, deformation, destruction]. Moscow: Metallurgiya, 1970, 229 p.  (In Russ.).Перетятько В.Н., Климов А.С., Филиппова М.В. Калибровка валков для прокатки шара // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2012. Вып. 30. С. 44 – 50.Peretyat’ko V.N., Klimov A.S., Filippova M.V. Calibration of rolls  for ball rolling. Vestnik gorno-metallurgicheskoi sektsii Rossiiskoi akademii estestvennykh nauk. Otdelenie metallurgii. 2012, vol. 30,  pp. 44–50. (In Russ.).Перетятько В.Н. Шаровая заготовка // Заготовительное производство в машиностроении. 2012. № 3. С. 17 – 19.Peretyat’ko V.N. Ball blank. Zagotovitel’noe proizvodstvo v mashinostroenii. 2012, no. 3, pp. 17–19. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.