blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-8-665-673blackmet-1960Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYСовершенствование метода моделирования процесса прокатки кольцевых заготовок на радиально-осевом кольцепрокатном станеModeling of ring billets rolling on radial-axial ring-rolling millСниткоС. А.SnitkoS. A.

д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением»

83001, Донецк, ул. Артема, 58

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair “Metal Forming”

Donetsk

snitko_sa@mail.ruЯковченкоА. В.YakovchenkoA. V.

д.т.н., профессор кафедры «Обработка металлов давлением»

83001, Донецк, ул. Артема, 58

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metal Forming”

Donetsk

mond1991@mail.ruПилипенкоВ. В.PilipenkoV. V.

аспирант кафедры «Обработка металлов давлением»

83001, Донецк, ул. Артема, 58

Postgraduate of the Chair “Metal Forming”

Donetsk

VictorPilipenkoDNTU@gmail.comИвлеваН. И.IvlevaN. I.

прикладной программист

83001, Донецк, бульвар Пушкина, 12

Application Programmer

Donetsk

ivl22@mail.ruДонецкий национальный технический университетУкраинаDonetsk National Technical UniversityUkraineЧастное научно-производственное предприятие «МОНД»УкраинаPrivate research and production enterprise “MOND”Ukraine202008102020638665673Copyright © Снитко С.А., Яковченко А.В., Пилипенко В.В., Ивлева Н.И., 20202020Снитко С.А., Яковченко А.В., Пилипенко В.В., Ивлева Н.И.Snitko S.A., Yakovchenko A.V., Pilipenko V.V., Ivleva N.I.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/1960

На базе радиально-осевой прокатки кольцевых заготовок созданы ресурсосберегающие технологии обработки металлов д нием. Определение рациональных параметров этого процесса при освоении новых профилей является актуальной научно-технической задачей. Метод трехмерного конечно-элементного моделирования процесса является наиболее эффективным инструментом совершенствования технологических режимов процесса прокатки колец. Однако, как показала практика, метод конечно-элементного моделирования требует адаптации применительно к каждому процессу обработки металлов давлением. Этому вопросу и посвящена настоящая работа. Обоснована целесообразность использования для конечно-элементного моделирования процессов прокатки колец зависимости для расчета напряжения течения металла, разработанной на базе теории, учитывающей химический состав конструкционной углеродистой стали, ее температуру, скорость деформации, накопленную деформацию, а также процессы динамического преобразования структуры металла при горячей прокатке. Создана компьютерная программа автоматизированного определения параметров зависимости. Выполнен анализ точности полученной зависимости по отношению к экспериментальным данным. В ходе этих расчетов использовали метод автоматизированного определения напряжения течения металла путем сплайн-интерполяции экспериментальных данных, входящих в компьютерную базу цифровой информации для конкретной марки стали. Средняя относительная погрешность расчетных значений напряжения течения металла относительно экспериментальных составила 8 %. Предложен усовершенствованный метод выполнения расчетов параметров процесса прокатки кольцевых заготовок и выхода на требуемую скорость роста диаметра кольца. Метод реализуется в системе конечно-элементного моделирования, который аналогичен способу работы системы управления кольцепрокатным станом при решении этой же задачи (выхода на требуемую скорость роста диаметра кольца) при осуществлении соответствующей прокатки на практике. При вычислении величин обжатий использовали итерационный процесс и метод половинного деления. Средние отклонения расчетных величин параметров процесса прокатки кольцевых заготовок от экспериментальных не превысили 12,4 %, что дает возможность применения предложенного подхода для изучения закономерностей процесса прокатки колец и совершенствования технологии их прокатки.

On the basis of radial-axial rolling of ring billets, resource-saving technologies for metal forming have been created. Determining the rational parameters of this process is the actual scientific and technical task at development of new profiles. The method of three-dimensional finite element modeling is the most effective tool for improving the technological conditions of ring rolling process. However, as practice has shown, the finite element modeling method requires adaptation to each process of metal forming. This is the subject of the present work. The expediency of using dependency for calculating the metal flow stress for finite-element modeling of ring-rolling processes is substantiated. This dependence was developed on the basis of a theory that takes into account the chemical composition of structural carbon steel, its temperature, strain rate, accumulated deformation, and also the processes of dynamic transformation of the metal structure during hot rolling. A computer program for automated determination of dependency parameters has been developed. The analysis of the accuracy of the obtained dependence was performed in relation to the experimental data. In the course of these calculations, the method of automated determination of the metal flow stress was used by spline interpolation of the experimental data included in the computer database of digital information for a particular steel grade. The average relative error of calculated values of the metal flow stress was 8 % relative to the experimental ones. An improved method is proposed for calculating the parameters of ring billets rolling and reaching the required growth rate of the ring diameter implemented in a finite element modeling system, which is similar to the way the control system of the ring-rolling mill works in solving the same problem (reaching the required growth rate of the ring diameter) when implemented appropriate rolling in practice. When calculating the size of the compression, the iterative process and the method of half division were used. The average deviations of calculated values of the parameters of ring billets rolling from the experimental did not exceed 12.4 %, which makes it possible to apply the proposed approach to study the patterns of the rings rolling process and to improve the rolling technology.

прокатка кольцевой заготовкикольцепрокатный станметод конечно-элементного моделированиянапряжение течения металлапромышленный экспериментскорость роста диаметра кольцаring billet rollingring-rolling millfinite element modeling methodmetal flow stressindustrial experimentgrowth rate of ring diameterReferencesGorbatyuk S.M., Kochanov A.V. Method and equipment for mechanically strengthening the surface of rolling-mill rolls // Metallurgist. 2012. Vol. 56. No. 3 – 4. Р. 279 – 283.Gorbatyuk S.M., Kochanov A.V. Method and equipment for mechanically strengthening the surface of rolling-mill rolls. Metallurgist. 2012, vol. 56, no. 3-4, pp. 279–283.Снитко С.А., Яковченко А.В., Сотников А.Л. Влияние схем штамповки колесных заготовок на силовые режимы работы формовочного пресса и износ инструмента деформации // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 5. С. 385 – 392.Snitko S.А., Yakovchenko А.V., Sotnikov А.L. Influence of wheel billet stamping schemes on power modes of forming press operation and on wear of the deformation tool. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 5, pp. 385–392. (In Russ.).Efremov D.B., Gerasimova A.A., Gorbatyuk S.M., Chichenev N.A. Study of kinematics elastic-plastic deformation for hollow shapes used in energy absorption devices // CIS Iron and Steel Review. 2019. Vol. 18. No. 2. P. 30 – 34.Efremov D.B., Gerasimova A.A., Gorbatyuk S.M., Chichenev N.A. Study of kinematics elastic-plastic deformation for hollow shapes used in energy absorption devices. CIS Iron and Steel Review. 2019, vol. 18, no. 2, pp. 30–34.Belevitin V.A., Smyrnov Y.N., KovalenkoS.Y. etc. Modeling of the energy potential saving in the production of seamless pipes // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2017. Vol. 52. No. 4. P. 718 – 723.Belevitin V.A., Smyrnov Y.N., Kovalenko S.Y., Suvorov A.V., Skliar V.A. Modeling of the energy potential saving in the production of seamless pipes. Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2017, vol. 52, no. 4, pp. 718–723.Zakharov A.N., Gorbatyuk S.M., Borisevich V.G. Modernizing a press for making refractories // Metallurgist. 2008. Vol. 52. No. 7 – 8. P. 420 – 423.Zakharov A.N., Gorbatyuk S.M., Borisevich V.G. Modernizing a press for making refractories. Metallurgist. 2008, vol. 52, no. 7-8, pp. 420–423.Смирнов Е.Н., Смирнов А.Н., Скляр В.А. и др. Оценка технологической целесообразности снижения температуры начала прокатки в условиях стана с обжимными клетями трио // Сталь. 2018. № 6. С. 21 – 26.Smirnov E.N., Sklyar V.A., Smirnov A.N., Belevitin V.A., Eron’ko S.P., Pivovarov R.E. Effects of decreasing the initial rolling temperature in three-high roughing stands. Steel in Translation. 2018, vol. 48, no. 6, pp. 381–387.Gorbatyuk S.M., Pavlov S.M., Shapoval A.N., Gorbatyuk M.S. Experimental use of rotary rolling mills to deform compacts of refractory metals // Metallurgist. 1998. Vol. 42. No. 5 – 6. P. 178 – 183.Gorbatyuk S.M., Pavlov S.M., Shapoval A.N., Gorbatyuk M.S. Experimental use of rotary rolling mills to deform compacts of refractory metals. Metallurgist. 1998, vol. 42, no. 5-6, pp. 178–183.Смирнов Е.Н., Скляр В.А., Смирнов А.Н. и др. Исследование влияния температурного состояния торцевой области кратной непрерывнолитой сортовой заготовки на растрескивание торцов раската при прокатке // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 7. С. 539 – 547.Smirnov E.N., Sklyar V.A., Smirnov A.N., Belevitin V.A., Pivovarov R.E. Influence of thermal state of the end area of multiple continuous-cast billet on cracking of the ends of hot-rolled breakdown at rolling. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 7, pp. 539–547. (In Russ.).Горбатюк С.М., Морозова И.Г., Наумова М.Г. Разработка рабочей модели процесса реиндустриализации производства термической обработки штамповых сталей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 5. С. 410 – 415.Gorbatyuk S.M., Morozova I.G., Naumova M.G. Development of the working model of production reindustrialization of die steel heat treatment. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 5, pp. 410–415. (In Russ.).Seitz J., Schwich G., Guenther S., Hirt G. Investigation of a composite ring rolling process by FEM and experiment // The 12 th Int. Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Process (NUMIFORM) 2016, 4 – 7.7.2016, Troyes (France). – Troyes: Curran Associates, Inc., 2016. P. 622 – 629.Seitz J., Schwich G., Guenther S., Hirt G. Investigation of a composite ring rolling process by FEM and experiment. In: The 12 th Int. Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Process (NUMIFORM). 2016, 4-7.7.2016, Troyes (France). Troyes: Curran Associates, Inc., 2016, pp. 622–629.Gorbatyuk S.M., Osadchii V.A., Tuktarov E.Z. Calculation of the geometric parameters of rotary rolling by using the automated design system autodesk inventor // Metallurgist. 2011. Vol. 55. No. 7 – 8. P. 543 – 546.Gorbatyuk S.M., Osadchii V.A., Tuktarov E.Z. Calculation of the geometric parameters of rotary rolling by using the automated design system autodesk inventor. Metallurgist. 2011, vol. 55, no. 7-8, pp. 543–546.Lee K.H., Ko D.C., Kim D.H. etc. Design method for intermediate roll in multi-stage profile ring rolling process: the case for excavator idler rim // Int. Journal of Processing and Manufacturing. 2014. Vol. 15. No. 3. P. 503 – 512.Lee K.H., Ko D.C., Kim D.H., Lee S.B., Sung N.M., Kim B.M. Design method for intermediate roll in multi-stage profile ring rolling process: the case for excavator idler rim. Int. Journal of Processing and Manufacturing. 2014, vol. 15, no. 3, pp. 503–512.Seitz J., Jenkouk V., Hirt G. Manufacturing dish shaped rings on radial-axial ring rolling mills // Production Engineering. 2013. Vol. 7. No. 6. P. 611 – 618.Seitz J., Jenkouk V., Hirt G. Manufacturing dish shaped rings on radial-axial ring rolling mills. Production Engineering. 2013, vol. 7, no. 6, pp. 611–618.Li L., Yang H., Guo L., Sun Z. A control method of guide rolls in 3D-FE simulation of ring rolling // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 205. No. 1 – 3. P. 99 – 110.Li L., Yang H., Guo L., Sun Z. A control method of guide rolls in 3D-FE simulation of ring rolling. Journal of Materials Processing Technology. 2008, vol. 205, no. 1-3, pp. 99–110.Park M., Lee Chanjoo, Lee Jungmin etc. Development of L-sectioned ring for construction machines by profile ring rolling process // Int. Journal of Processing and Manufacturing. 2016. Vol. 17. No. 2. P. 233 – 240.Park M., Lee Chanjoo, Lee Jungmin, Lee Inkyu, Kim B., Lee Kyunghun. Development of L-sectioned ring for construction machines by profile ring rolling process. Int. Journal of Processing and Manufacturing. 2016, vol. 17, no. 2, pp. 233–240.Sun B., Xu J., Xing C. Numerical and experimental investigations on the effect of mandrel feeding speed for high-speed rail bearing inner ring // The Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 100. No. 5 – 8. P. 1993 – 2006.Sun B., Xu J., Xing C. Numerical and experimental investigations on the effect of mandrel feeding speed for high-speed rail bearing inner ring. Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018, vol. 100, no. 5-8, pp. 1993–2006.Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Speed roll laws influence in a ring rolling process // Key Engineering Materials. 2013. Vol. 554 – 557. P. 337 – 334.Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Speed roll laws influence in a ring rolling process. Key Engineering Materials. 2013, vol. 554-557, pp. 337–334.Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Speed idle roll law optimization in a ring rolling process // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 651 – 653. P. 248 – 253.Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Speed idle roll law optimization in a ring rolling process. Key Engineering Materials. 2015, vol. 651-653, pp. 248–253.Allegri G., Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Driver roll speed influence in ring rolling process // 12 th Int. Conference on the Technology of Plasticity (ITCP), 17 – 22.9.2017, Cambridge (United Kingdom). – Cambridge: Procedia Engineering. P. 1230 – 1235.Allegri G., Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Driver roll speed influence in ring rolling process. In: 12 th Int. Conference on the Technology of Plasticity (ITCP), 17-22.9.2017, Cambridge (United Kingdom). Cambridge: Procedia Engineering, pp. 1230–1235.Giorleo L., Giardini C., Ceretti E. Validation of hot ring rolling industrial process 3D simulation // Int. Journal of Material Forming. 2013. Vol. 6. No. 1. P. 145 – 152.Giorleo L., Giardini C., Ceretti E. Validation of hot ring rolling industrial process 3D simulation. Int. Journal of Material Forming. 2013, vol. 6, no. 1, pp. 145–152.Zhou P., Zhang L., Gu S. etc. Mathematic modeling and FE simulation of radial-axial ring rolling large L-section ring by shape axial roll // Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 72. No. 5 – 8. P. 729 – 738.Zhou P., Zhang L., Gu S., Ruan J., Teng L. Mathematic modeling and FE simulation of radial-axial ring rolling large L-section ring by shape axial roll. Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014, vol. 72, no. 5-8, pp. 729–738.Kang J.H. Research on filling limit of profile ring rolling on circumferential surface // Int. Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2014. Vol. 4. No. 12. P. 40 – 45.Kang J.H. Research on filling limit of profile ring rolling on circumferential surface. Int. Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2014, vol. 4, no. 12, pp. 40–45.Deform 3D v6.1. Ring Rolling System Manual. – Columbus: Scientific Forming Technologies Corporation, 2007. – 30 p.Deform 3D v6.1. Ring Rolling System Manual. Columbus: Scientific Forming Technologies Corporation, 2007, 30 p.Солод В.С., Бейгельзимер Я.Е., Кулагин Р.Ю. Математическое моделирование сопротивления деформации при горячей прокатке углеродистых сталей // Металл и литье Украины. 2006. № 7 – 8. С. 52 – 56.Solod V.S., Beigel’zimer Ya.E., Kulagin R.Yu. Mathematical modeling of deformation stress during hot rolling of carbon steels. Metall i lit’e Ukrainy. 2006, no. 7-8, pp. 52–56. (In Russ.).Яковченко А.В. Экспериментальные исследования энергосиловых и температурных параметров при нестационарном процессе прокатки колец // Металл и литье Украины. 1997. № 1. С. 44 – 45.Yakovchenko А.V. Experimental studies of power and temperature parameters during non-stationary ring rolling process. Metall i lit’e Ukrainy. 1997, no. 1, pp. 44–45. (In Russ.).Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Cправочник. – М.: Металлургия, 1976. – 488 с.Polukhin P.I., Gun G.Ya., Galkin A.M. Soprotivlenie plasticheskoi deformatsii metallov i splavov: spravochnik [Plastic strength of metals and alloys: Guide]. Moscow: Metallurgiya, 1976, 488 p. (In Russ.).Яковченко А.В., Снитко С.А., Ивлева Н.И.Методы компьютерного моделирования напряжения течения металла в процессах горячей пластической деформации: Учеб. пособие. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – 197 с.Yakovchenko A.V., Snitko S.A., Ivleva N.I. Metody komp’yuternogo modelirovaniya napryazheniya techeniya metalla v protsessakh goryachei plasticheskoi deformatsii: ucheb. posobie [Computer modeling techniques for metal flow stresses during hot plastic deformation: Manual]. Donetsk: DonNTU, 2018, 197 p. (In Russ.).

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