blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-1-14-20blackmet-2034Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРазработка методики расчета остаточных напряжений и параметров пружинения листа на роликовой правильной машинеCalculation of residual stresses and parameters of sheet springing on roller levelerМаксимовЕ. А.MaksimovE. A.

Евгений Александрович Максимов, к.т.н., технолог

454090, Челябинск, ул. 3-го Интернационала, 113а

Evgenii A. Maksimov, Cand. Sci. (Eng.), Technologist

113a, 3-go Internatsionala str., Chelyabinsk 454090

maksimov50@mail.ruШаталовР. Л.ShatalovR. L.

Роман Львович Шаталов, д.т.н., профессор

107023, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

Roman L. Shatalov, Dr. Sci. (Eng.), Prof.

38, Bol'shaya Semenovskaya str., Moscow 107023

mmomd@mail.ruШаламовВ. Г.ShalamovV. G.

Виктор Георгиевич Шаламов, д.т.н., профессор

454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

Viktor G. Shalamov, Dr. Sci. (Eng.), Prof.

76, Lenina ave., Chelyabinsk 454080

ЗАО «Интрай»РоссияLLC “Intrai”Russian FederationМосковский политехнический университетРоссияMoscow Polytechnic UniversityRussian FederationЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation2021160220216411420Copyright © Максимов Е.А., Шаталов Р.Л., Шаламов В.Г., 20212021Максимов Е.А., Шаталов Р.Л., Шаламов В.Г.Maksimov E.A., Shatalov R.L., Shalamov V.G.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/2026

Показано, что практически все технологические процессы изготовления металлопродукции методами пластической деформации связаны с формированием в готовых изделиях самоуравновешенной системы остаточных напряжений. Уровень остаточных напряжений является во многих случаях важным параметром, определяющим качество изделий, полученных в результате пластического деформирования. Причины образования остаточных напряжений многообразны: неоднородность пластической деформации, температурного поля, фазовые превращения и др. По своей величине они могут превосходить напряжения от внешних нагрузок. В настоящее время к металлопродукции предъявляют дополнительные требования с целью создания машин и конструкций, работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей, резких колебаний параметров внешней среды. Опыт эксплуатации конструкций в различных областях техники и результаты многочисленных экспериментов показывают, что остаточные напряжения существенно влияют на надежность и долговечность машин и механизмов. На основе теории о разгрузке А.А. Ильюшина получены аналитические зависимости для расчета эпюры изменения остаточных напряжений по толщине листа при изгибе под роликами правильной машины (РПМ), а также угла пружинения. Рассмотрено образование эпюры остаточных напряжений по толщине листа при правке для второго, третьего и последующих роликов РПМ. Установлено, что в результате принципа суперпозиции эпюра остаточных напряжений под вторым и третьим роликами складывается, образуя суммарную эпюру после второго и третьего роликов. Для четвертого, пятого, шестого и последующих роликов РПМ также происходит алгебраическое сложение эпюр остаточных напряжений. Показано, что для листа из стали 45 толщиной 10 мм, шириной 500 мм, r/h = 200 максимальные растягивающие остаточные напряжения 200 МПа наблюдаются на расстоянии Z/h = 0,3 от нейтральной линии по толщине листа. Сравнительный анализ показал, что для данного листа расхождение между опытными и расчетными значениями остаточных напряжений составляет 10 – 26 %, что позволяет рекомендовать методику расчета остаточных напряжений при правке листа на РПМ для оценки качества выправляемых листов.

Practically all technological processes of metal products manufacturing by plastic deformation methods are associated with the formation of a self-balanced system of residual stresses in finished products. Level of residual stresses is in many cases an important parameter that determines the quality of products obtained as a result of plastic deformation. Reasons for the formation of residual stresses are diverse (inhomogeneity of plastic deformation, temperature field, phase transformations, etc.), which in their magnitude can exceed stresses from external loads. Currently, additional requirements are imposed on metal products in order to create machines and structures operating under high loads and speeds, sharp fluctuations in the parameters of the external environment. The experience of operating structures in various fields of technology and the results of numerous experiments show that residual stresses significantly affect the reliability and durability of machines and mechanisms. Based on the A.A. Ilyushin theory of unloading, analytical dependences were obtained for calculating the diagram of the change in residual stresses across the sheet thickness during bending under the rollers of leveler, as well as the springing angle. Formation of a diagram of residual stresses along the sheet thickness during leveling for the second, third and subsequent rollers of the leveler is considered. It was found that as a result of the superposition principle, the residual stresses diagrams under the second and third rollers are added, forming a total diagram after the second and third rollers. For the fourth, fifth, sixth and subsequent leveler rollers, an algebraic addition of the residual stress diagrams also occurs. It is shown that for a 45 steel sheet with a thickness of 10 mm, a width of 500 mm, r/h = 200, the maximum tensile residual stresses of 200 MPa are observed at a distance of Z/h = 0.3 from the neutral line along the sheet thickness. And in this case the discrepancy between the experimental and calculated values of residual stresses is 10 – 26 %, which makes it possible to recommend a method for calculating the residual stresses when leveling a sheet on a roller leveler for estimation of its quality.

роликовая правильная машиналистовой прокатостаточные напряженияпараметры пружинения листа после правкиroller levelerrolled sheetresidual stressesspringingsheet after levelingReferencesСоколов И.А., Уральский В.А. Остаточные напряжения и качество металлопродукции. М.: Металлургия, 1981. 96 с.Sokolov I.A., Ural’skii V.A. Residual Stresses and Quality of Metal Products. Moscow: Metallurgiya, 1981, 96 p. (In Russ.).Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 234 с.Bogatov A.A. Mechanical Properties and Models of Metal Destruction. Yekaterinburg: UGTU, 2002, 234 p. (In Russ.).Давиденков Н.Н. Рентгенография в применении к исследованию материалов. М.: ОНТИ, 1963. 248 с.Davidenkov N.N. Radiography for Materials Research. Moscow: ONTI, 1963, 248 p. (In Russ.).Богатов А.А., Тропотов А.В. О влиянии начальной поврежденности металла на длительную прочность и долговечность // Проблемы прочности. 1983. Вып. 11. С. 345–348.Bogatov A.A., Tropotov A.V. Influence of initial metal damage on long-term strength and durability. Problemy prochnosti. 1983, no. 11, pp. 345–348. (In Russ.).Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. М.: Академия наук, 1963. 272 с.Il’yushin A.A. Plastichnost’. Osnovy obshchei matematicheskoi teorii. Moscow: Akademiya nauk, 1963, 272 p. (In Russ.).Шелест А.Е., Юсупов В.С., Перкас М.М., Шефтель Е.Н., Просвирнин А.С., Акопян К.Э. Разработка методики определения геометрических параметров металлических листов на роликовых машинах // Производство проката. 2016. № 7. С. 3–8.Shelest A.E., Yusupov V.S., Perkas M.M., Sheftel’ E.N., Prosvirnin A.S., Akopyan K.E. Development of methods for determining the geometric parameters of metal sheets on roller machines. Proizvodstvo prokata. 2016, no. 7, pp. 3–8. (In Russ.).Недорезов И.В. Моделирование процессов правки проката на роликовых машинах. Екатеринбург: Аква-пресс, 2003. 256 с. Семененко Ю.Л. Машины для правки проката. М.: ГНТИ, 1961. 205 с.Nedorezov I.V. Modeling of Rolling on Roller Machines. Yekaterinburg: Akva-press, 2003, 256 p. (In Russ.).Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1985. 376 с.Semenenko Yu.L. Machines for Rolled Products Leveling. Moscow: GNTI, 1961, 205 p. (In Russ.).Kaiser R. Simulation of the roller straightening process with respect to residual stresses and curvature // Materials Science Forum. 2014. Vol. 768–769. P. 456–463. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.768-769.456Korolev A.A. Design and Calculation of Machines and Mechanisms of Rolling Mills. Moscow: Metallurgiya, 1985, 376 p. (In Russ.).Grüber M., Oligschläger M., Hirt G. Adjusting of roller levelers by finite element simulation including a closed–loop control // Advance Materials Research. 2014. Vol. 1018. P. 207–214. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.207Kaiser R. Simulation of the roller straightening process with respect to residual stresses and curvature. Materials Science Forum. 2014, vol. 768, pp. 456–463. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.768-769.456Grüber M., Oligschläger M., Hirt G. The effect of the initial stress and strain state in sheet metals on the roller levelling process // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 651–653. P. 1023–1028. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.207Grüber M., Oligschläger M., Hirt G. Adjusting of roller levelers by finite element simulation including a closed–loop control. Advance Materials Research. 2014, vol. 1018, pp. 207–214. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.207Grüber M., Hirt G. A strategy for the controlled setting of flatness and residual stress distribution in sheet metals via roller leveling // Procedia Engineering. 2017. Vol. 207. P. 1332–1337. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.892Grüber M., Oligschläger M., Hirt G. The effect of the initial stress and strain state in sheet metals on the roller leveling process. Key Engineering Materials. 2015, vol. 651, pp. 1023–1028. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.207Trusov K.A., Mishnev P.A., Garber E.A., Bolobanova N.L., Nushtaev D.V., Ardatov K.V. Investigation of blank bow defect after roller leveller by finite element analysis // IOP Conference Series: Journal of Physics. 2018. Vol. 1063. No. 1. Article 012192. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1063/1/012192Grüber M., Hirt G. A strategy for the controlled setting of flatness and residual stress distribution in sheet metals via roller levelling. Procedia Engineering. 2017, vol. 207, pp. 1332–1337. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.892Trusov K.A., Mishnev P.A., Kopaev O.V., Nushtaev D.V. Numerical simulation of roller leveling using SIMULIA Abaqus // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 287. No. 1. Article 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/287/1/012014Trusov K.A., Mishnev P.A., Garber E.A., Bolobanova N.L., Nushtaev D.V., Ardatov K.V. Investigation of blank bow defect after roller leveller by finite element analysis. IOP Conference Series: Journal of Physics. 2018, vol. 1063, no. 1, article 012192. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1063/1/012192Behrens B.A., Krimm R. Controlled sheet metal straightening // TMS Annual Meeting. 2008. Vol. 3. P. 129–136.Trusov K.A., Mishnev P.A., Kopaev O.V., Nushtaev D.V. Numerical simulation of roller leveling using SIMULIA Abaqus. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, vol. 287, no. 1, article 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/287/1/012014Liu Z., Luo Y., Wang Y., Liao T. A new curvature analytical method in plate leveling process // ISIJ International. 2018. Vol. 58. No. 6. P. 1094–1101. https://doi.org/10.2355/isqinternational.ISIJINT-2017-738Behrens B.A., Krimm R. Controlled sheet metal straightening. TMS Annual Meeting. 2008, vol. 3, pp. 129–136.Silvestre E., Sáenz de Argandoña E., Galdós L., Mendiguren J. Testing and mod-eling of roll leveling process // Key Engineering Materials. 2014. Vol. 611-612. P. 1753–1762. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.611-612.1753Liu Z., Luo Y.,Wang Y., Liao T. A new curvature analytical method in plate leveling process. ISIJ International. 2018, vol. 58, no. 6, pp. 1094–1101. https://doi.org/10.2355/isqinternational.ISIJINT-2017-738Morris J.W., Hardy S.J., Thomas J.T. Some fundamental considerations for the control of residual flatness in tension leveling // Journal of Materials Processing Technology. 2002. Vol. 120. No. 1-3. P. 385–396. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)01175-XSilvestre E., Sáenz de Argandoña E., Galdós L., Mendiguren J. Testing and modeling of roll leveling process. Key Engineering Materials. 2014, vol. 611-612, pp. 1753–1762. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.611-612.1753Liu Z., Wang Y., Yan X. A new model for the plate leveling process based on curvature integration method // Int. Journal of Mechanical Sciences. 2012. Vol. 54. No. 1. P. 213–224. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2011.10.011Morris J.W., Hardy S.J., Thomas J.T. Some fundamental considerations for the control of residual flatness in tension leveling. Journal of Materials Processing Technology. 2002, vol. 120, no. 1-3, pp. 385–396. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)01175-XLiu Z., Wang Y., Yan X. A new model for the plate leveling process based on curvature integration method. Int. Journal of Mechanical Sciences. 2012, vol. 54, no. 1, pp. 213–224. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2011.10.011Liu Z., Wang Y., Yan X. A new model for the plate leveling process based on curvature integration method. Int. Journal of Mechanical Sciences. 2012, vol. 54, no. 1, pp. 213–224. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2011.10.011

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