Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Развитие теории обработки металлов давлением

и работа  на заводах

 

Энергетическая теория прокатки. Первые научные работы А.Ф. Головина были связаны с изучением деформации и силовых параметров процесса прокатки. Для описания течения металла при обработке давлением он использовал оригинальное понятие "атом-смещение", схожее с понятием движения дислокаций. А.Ф. Головину принадлежит энергетическая трактовка течения металла. Используя закон наименьшего сопротивления, он проанализировал и предложил для различных процессов обработки давлением априорные схемы течения металла, а разработанный им метод смещенных объемов позволил находить правдоподобную (кинематически возможную) схему деформированного состояния. Действительно, в соответствии с этим методом деформированное состояние удовлетворяет кинематическим граничным условиям и интегральному условию несжимаемости в объеме очага деформации. Конечные деформации определялись как логарифмические и подсчитывались по конечному формоизменению заготовки. Важное значение имели исследования уширения и опережения металла при прокатке. Известны соответствующие формулы, выведенные А.Ф. Головиным.

Большую практическую ценность и широкое распространение в заводской практике получил  разработанный А.Ф. Головиным метод соответственной полосы для расчета калибровки валков прокатных станов. Многие заводские калибровщики до настоящего времени развивают этот метод. В 1924 г. вышла первая редакция курса "Прокатка", а в 1925 г. в "Журнале русского металлургического общества" были опубликованы его статьи по теории прокатки. За эти работы А.Ф. Головин в 1926 г. был удостоен ученого звания профессора. Работы А.Ф. Головина по теории прокатки и калибровке валков прокатных станов в то время были, безусловно, новыми и оригинальными. Они способствовали развитию физического представления о течении металла в очаге деформации и инициировали изобретательские способности у студентов и сотрудников кафедры.

В  1928-1932 гг.  на   кафедре   появилось  пополнение - ассистенты  А.И. Сахаров, А.Ф. Ермаков, Е.В. Пальмов, Б.Н. Бухвалов, Г.К. Крюков и Т.Ф. В лаборатории были установлены прокатный стан 130 (1927) и прокатный стан 200 (1928), изготовленный по проекту А.Ф. Ермакова на Свердловском заводе "Металлист". В этот период были успешно выполнены исследования по изучению работы листовых станов на четырех уральских заводах. Было установлено, что точность листа зависит от  коэффициента жесткости рабочей клети, а для учета этого обстоятельства предложена формула расчета межвалкового зазора в зависимости от упругой деформации клети, получившая имя автора. Материалы исследования были обобщены и опубликованы в монографии, а практические рекомендации   успешно внедрены.

                              

 

                 Пальмов Е.В. доктор технических               Бухвалов Б.Н. кандидат технических                          

           наук, профессор, основатель Уральской                наук, руководитель специализации

          научно-педагогической школы механиков         «Прокатка черных и цветных  металлов»

              металлургического оборудования                                                         

В 1932 г. вышла книга Е.В. Пальмова "Пути развития современного  прокатного дела", в которой большое внимание было уделено конструированию и эксплуатации оборудования прокатных цехов. В 1933-36 гг. А.Ф. Головин опубликовал свой знаменитый трехтомник, включающий "Теорию пластической деформации", "Теорию продольной прокатки" и "Калибровку". В середине 30-х годов увеличился выпуск инженеров, и на кафедру пришли новые талантливые педагоги: В.А. Тягунов (1934), П.А. Дунаев (1935), И.Я. Тарновский  (1936), В.С. Смирнов (1937), В.В. Швейкин (1938) и А.Г. Стукач  (1939).

 

                           

 

Тягунов В.А. доктор технических наук,              Дунаев П.А. доктор технических наук,

    профессор, заведующий  кафедрой                  профессор, создал и руководил кафедрой

                  МОМЗ в УПИ                         «Машины и технология ОМД» в

          Челябинском политехническом институте

 

                

 

Швейкин В.В. доктор технических наук,           Стукач А.Г. кандидат технических наук,

           профессор, руководитель специализации             доцент, руководитель специализации

            «Трубное производство»       «Пластическая обработка сплавов цветных

                                                                                     металлов»

 

В 1938 г. году А.Ф. Головину была присуждена ученая степень доктора технических наук. В этом же году на кафедре было организовано "Бюро калибровок". Начальником бюро стал В.В. Швейкин, пришедший из промышленности, а научным руководителем - А.Ф. Головин. Вот примеры некоторых научно-исследовательских работ в довоенный период:

• совершенствоавние калибровки валков станов 320 и 450 Надеждинского металлургического  завода  и   прокатки  тракторного  башмака  (А.Ф. Головин, А.И. Сахаров, Б.Н. Бухвалов);
• совершенствование калибровки валков и интенсификация прокатки  сутунки на Верх-Исетском металлургическом заводе (Б.Н. Бухвалов и А.И. Сахаров);
• повышение качества поверхности проката на блюминге Магнитогорского металлургического комбината (А.Ф. Головин, Б.Н. Бухвалов);
• освоение пускового сортамента продукции на непрерывном проволочном стане ММК (А.Ф. Головин, И.Я. Тарновский);
• разработка пусковой калибровки и скоростного режима работы валков непрерывного листопрокатного стана завода "Запорожсталь" (А.Ф. Головин, И.Я. Тарновский);
• исследование работы листопрокатных станов на Миньярском металлургическом заводе (А.Ф. Головин, Б.Н. Бухвалов, И.Я. Тарновский);
• разработка рекомендаций по уменьшению разностенности труб на трубопрокатных установках с реечным и автоматическими станами на Первоуральском новотрубном заводе (А.Ф. Головин, В.В. Швейкин, Б.Н. Бухвалов);
• разработка рекомендаций по устранению дефекта "цветной надав" при листовой прокатке (А.Ф. Головин, Е.В. Пальмов, В.С. Смирнов);
• совершенствоавние калибровки валков и повышение производительности проволочного стана завода "Красный Октябрь" (А.Ф. Головин, Б.Н. Бухвалов, И.Я. Тарновский);
• разработка калибровки валков для производства автообода на Чусовском металлургическом заводе (Б.Н. Бухвалов);
• совершенствование калибровки валков сортопрокатного стана Выксунского металлургического завода (А.Ф. Головин, Б.Н. Бухвалов);

разработка и внедрение новой калибровки валков сортопрокатного стана на Нижнесергинском металлургическом заводе (А.Ф. Головин, Б.Н. Бухвалов).

 

После смерти А.Ф. Головина (1949) заведующим кафедрой стал И.Я. Тарновский (1907-1970). Состав кафедры постоянно изменялся. Еще в 1936 г. Е.В. Пальмов основал в УПИ кафедру "Механическое  оборудование металлургических заводов", а А.И. Сахаров уехал в Новокузнецк, где заведовал кафедрой прокатки. В.А. Тягунов работал с Е.В. Пальмовым и после его смерти стал  заведующим кафедрой МОМЗ. П.А. Дунаев создал кафедру "Машины и технология обработки металлов давлением" в Челябинском политехническом институте (1951). В.С. Смирнов стал заведующим кафедрой "Пластическая обработка металлов" (1949),  а позднее ректором  Ленинградского  политехнического  института  (1956).  В.Н. Выдрин создал кафедру прокатки в Челябинском политехническом институте (1956). П.К. Тетерин уехал в Москву и работал в ЦНИИЧЕРМЕТе (1947). На смену им приходили молодые талантливые специалисты.

 

                         

 

Выдрин В.Н. доктор технических наук,      Тарновский И.Я. доктор технических наук            профессор, основатель кафедры                                          профессор, заведующий кафедрой

прокатки в Челябинском политехническом                 «Обработка металлов давлением»

                            институте 

3. Создание новых методов расчета формоизменения

и силы деформации

 

Разработанная А.Ф. Головиным методология научного исследования процессов обработки металлов давлением, базирующаяся на эвристическом подходе и физическом моделировании процессов, в середине 50-х годов уступила место новому научному направлению, основанному на применении вариационных принципов механики  деформируемого тела для решения краевых задач и математического моделирования технологических процессов. Идея нового метода принадлежит выпускнику нашей кафедры Герою Социалистического Труда, академику РАН, известному математику и механику Н.Н. Красовскому, а первым, кто  применил новые идеи для анализа неравномерности деформации металла и силы осадки, был его друг и сокурсник А.А. Поздеев. На последнем году аспирантуры, имея задание научного руководителя И.Я. Тарновского экспериментально исследовать неравномерность деформации при осадке, А.А. Поздеев самостоятельно осваивал теорию пластичности, механику и прикладную математику. Эту увлеченность разделил с ним аспирант первого года обучения В.Л. Колмогоров (научный руководитель В.В. Швейкин), ставший впоследствии наряду с А.А. Поздеевым и И.Я. Тарновским научным руководителем нового направления в теории ОМД.

А.А. Поздеев впервые применил вариационный принцип  изменения деформированного состояния (обобщение принципа Лагранжа и Журдена на сплошную среду). Первая работа в этом направлении была опубликована в сборнике "Обработка металлов давлением" (М.: Металлургиздат, 1954, вып.3; Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Красовский Н.Н. К вопросу определения усилий при обработке металлов давлением).                                                                               

 

 

Красовский Н.Н. и Поздеев А.А. выпускники 1949 г., отличные студенты и спортсмены,

 стали членами Академии наук  СССР

 

 

Примечательно, что в  монографии "Формоизменение при пластической обработке металлов  (ковка  и  прокатка)" И.Я. Тарновский  ярко  продемонстрировал  развитие  идей А.Ф. Головина. Тем не менее он высоко оценил работу А.А. Поздеева, сам засел за учебники, организовал семинар для сотрудников кафедры, на котором лекции по  математике читал Я.А. Арест, а по механике В.П. Малышев. Работы А.А. Ильюшина, Л.М. Качанова,  Р. Хилла, Л.С. Лейбензона и других классиков математической теории пластичности и упругости для многих сотрудников кафедры стали настольными. По инициативе Иосифа Яковлевича были внесены изменения в учебный план: увеличено число часов для изучения высшей математики (раздел "Вариационное исчисление") и введен новый курс "Теория пластичности", переработана программа курса "Теория ОМД”.В 1955 г. на металлургическом факультете была создана проблемная лаборатория черной и цветной металлургии, научным руководителем отделения "Обработка металлов давлением" стал И.Я. Тарновский. Значительный объем бюджетного финансирования обеспечил приток на кафедру молодых инженеров, стимулировал подготовку кадров высшей квалификации и издательскую деятельность сотрудников кафедры. А.А. Поздеев и И.Я. Тарновский разработали методологию решения задач обработки металлов давлением с применением прямых вариационных методов. За короткое время сотрудниками кафедры были решены сложные задачи определения формоизменения и расчета силовых параметров процессов ковки, штамповки, прокатки, прессования и волочения. Для поставленных задач была отработана методика определения  кинематически возможных полей скоростей или приращений перемещений. В некоторых из них учитывалось упрочнение металла, в частности был разработан метод гидродинамических приближений. Были преодолены некоторые трудности связанные с удовлетворением граничных условий и приближенным с применением прямых вариационных методов. За короткое время сотрудниками кафедры были решены сложные задачи определения формоизменения и расчета силовых параметров процессов ковки, штамповки, прокатки, прессования и волочения. Для поставленных задач была отработана методика определения  кинематически возможных полей скоростей или приращений перемещений. В некоторых из них учитывалось упрочнение металла, в частности был разработан метод гидродинамических приближений. Были преодолены некоторые трудности связанные с удовлетворением граничных условий и приближенным вычислением определенных интегралов, проявлена изобретательность при вычислении варьируемых параметров, определяющих кинематически возможное деформированное состояние при различных условиях течения металла в очаге деформации. Исследователи широко применяли вычислительную технику. По предложению А.А. Поздеева был разработан метод разрывных решений для идеально пластического материала, предусматривающий дискретизацию очага деформации на зоны с однородной деформацией и жесткие недеформируемые зоны. Это существенно упростило решение вариационных задач. Впоследствии этот метод получил название "метод верхней оценки".

 

 

                 

Колмогоров В.Л. доктор технических

наук, член-корреспондент РАН,

заместитель директора института машиноведения УрО РАН, руководитель

Уральской научно-педагогической школы

по обработке металлов давлением

 

 

 

Гун Г.Я. доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой

«Сопротивление материалов» МИСИС

 

 

 

В конце 50-х и начале 60-х годов В.Л. Колмогоров разработал методологию определения тензорных полей напряжений, применяя вариационный принцип Кастильяно с учетом особенностей постановки задач в механике  обработки металлов давлением. В докторской диссертации (1964) он обосновал вариационный принцип виртуальных скоростей (приращений перемещений) и напряжений. В.Л. Колмогоров сформулировал и доказал вариационные теоремы для достаточно общих краевых задач, особенностью которых являются наличие конечных деформаций, сложных реономных свойств неоднородной деформируемой среды, учитывающих сжимаемость и анизотропность, нелинейный характер граничных условий, неопределенность границ пластической зоны очага деформации, динамический характер течения металла при высоких скоростях нагружения.

Необходимо отметить большой вклад в развитие новых методов решения задач механики обработки металлов давлением выпускника кафедры Г.Я. Гуна. Ему принадлежит формулировка и строгое доказательство ряда теорем, идея применения функций комплексного переменного для построения кинематически возможных полей скоростей и решения многих актуальных проблем при исследовании процессов ОМД. Он и его ученики одними из первых в нашей стране стали применять метод конечных элементов, в результате чего был создан коммерческий пакет программ для моделирования и оптимизации процессов ковки и штамповки. Г.Я. Гун начиная с 1965 г. подготовил и прочитал для студентов Московского института стали и сплавов курсы лекций "Дополнительные главы высшей математики", "Механика сплошных сред", "Теория обработки металлов давлением", написал учебники и монографии. Многие профессора МИСиС считают себя его учениками и последователями.

Под руководством И.Я. Тарновского, А.А. Поздеева и В.Л. Колмогорова были решены  задачи  кузнечно-штамповочного  производства  (О.А. Ганаго,  В.Н. Трубин,   Р.А. Вайсбурд,  А.Н. Леванов,  С.Г. Пучков,  В.В. Ериклинцев,  Лю-Хай-Куань,  В.И. Степаненко,  Э.Р. Римм, Г.А. Еремеев и др.), прокатного производства (В.К. Смирнов, В.Б. Ляшков, А.Н. Скороходов, Б.М. Илюкович,  С.Л. Коцарь,  Б.Е. Хайкин,  В.А. Шилов,  К.И. Литвинов,  В.И. Никитин, В.И. Тарновский, В.П. Котельников, Ю.И. Одиноков, Б.М. Бойко, В.П. Корж, В.А. Чичигин и др.),  производства  труб  (В.В. Швейкин,  П.Н. Ившин,      Л.М. Грабарник, Д.С. Фридман, Б.Н. Губашев и др.), прессования (А.Г. Стукач, Б.М. Готлиб, В.И. Степаненко и др.),  деформации  биметаллов  (В.Б. Ляшков, В.М. Корщиков, В.И. Знаменский, А.Г. Залазинский и др.), для испытания механических свойств металлов (А.А. Богатов). Многие из них стали докторами наук и возглавили свои научные школы. В конце 50-х, начале 60-х годов были опубликованы десятки статей в центральных журналах, научные результаты решения задач обсуждались на многих всесоюзных конференциях.