Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
И.Л. Константинов
Н.Н. Загиров
Е.В. Иванов
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Дисциплина «Теория процессов прокатки, прессования, волочения»
(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)
Укрупненная группа 150000 Металлургия, машиностроение и материалообработка
(номер и наименование укрупненной группы)
Направление150100 Металлургия__________________________________________
(номер и наименование направления, специальности)
Факультет технологический________________________________________________
Кафедра «Обработка металлов давлением»
г. Красноярск-2008
СОДЕРЖАНИЕ
МОДУЛЬ 1
ТЕОРИЯ ПРОКАТКИ.............................................................................................3
Раздел 1
Кинематика процесса прокатки.................................................................................................3
Лекция 1
Предмет курса «Теория процессов прокатки, прессования,
волочения»...............................................................................................................................3
Лекция 2
Виды прокатки. Геометрия очага деформации при прокатке............................................9
Лекция 3
Условие захвата металла валками.......................................................................................15
Раздел 2
Закономерности деформации и контактные напряжения
при прокатке..............................................................................................................................23
Лекция 4
Опережение и уширение при прокатке..............................................................................23
Лекция 5
Напряженно-деформированное состояние при прокатке полосы...................................29
Раздел 3
Энергосиловые параметры процесса прокатки.....................................................................34
Лекция 6
Силовые условия при прокатке...........................................................................................34
Лекция 7
Момент на валу главного двигателя...................................................................................44
Лекция 8
Производительность прокатного стана..............................................................................54
МОДУЛЬ 2
ТЕОРИЯ ПРЕССОВАНИЯ...................................................................................58
Раздел 1
Закономерности течения металла при прессовании..............................................................58
Лекция 9
Сущность и основные характеристики процесса прессования........................................59
Лекция 10
Основные способы прессования.........................................................................................64
Лекция 11
Течение металла при прессовании......................................................................................71
Лекция 12
Механизм образования пресс-утяжины..............................................................................76
Раздел 2
Характер напряженно-деформированного состояния
и силовые условия при прессовании......................................................................................81
Лекция 13
Технологические особенности разных видов прессования..............................................81
Лекция 14
Силовые условия прессования............................................................................................88
2
МОДУЛЬ 3
ТЕОРИЯ ВОЛОЧЕНИЯ........................................................................................96
Раздел 1
Закономерности течения металла и характер
напряженно-деформированного состояния при волочении.................................................96
Лекция 15
Сущность и основные характеристики процесса волочения...........................................96
Лекция 16
Напряженное и деформированное состояние при волочении. Сила и напряжение волочения....................................................................................................................................101
Раздел 2
Теоретические основы проектирования
технологических процессов волочения................................................................................109
Лекция 17
Основы проектирования переходов волочения. Заключение........................................109
МОДУЛЬ 1
ТЕОРИЯ ПРОКАТКИ
Раздел 1
Кинематика процесса прокатки
Лекция 1
Предмет курса «Теория процессов прокатки, прессования,
волочения»
План лекции
1. Введение
2. Цели изучения дисциплины
3. Задачи изучения дисциплины
4. Межпредметная связь
3
5. Основные положения и ученые, разработавшие основы теории прокатки, прессования и волочения
Введение
Обработка металлов давлением (ОМД)– один из наиболее прогрессивных способов получения изделий из металлов. Это объясняется высокой
производительностью ее основных процессов, улучшением свойств и структуры, качества поверхности и точности размеров изделий после пластической
деформации. Не менее важным является ресурсосберегающий характер
способов обработки давлением, т.е. значительное сокращение потерь металла
в процессе производства по сравнению с другими видами обработки металлов.
Виды обработки металлов давлением условно делят на две группы: прокатно-прессово-волочительное производство и кузнечно-штамповочное
производство. Видами ОМД, относящимися к первой группе, прокаткой,
прессованием и волочением (ППВ), получают, как правило, длинномерные
изделия. В качестве примера таких изделий можно привести листы, ленты,
фольгу, трубы, рельсы, балки, профили различных сортаментов - сплошные и
пустотелые, проволоку микронных размеров и пр. Три первых вида являются
наиболее производительными видами ОМД и по объему производства они
значительно превышают продукцию кузнечно-штамповочного производства.
Особенно это относится к прокатке, т.к. прокатному производству подвергают приблизительно 80% всего выплавляемого металла. Например, высокую
производительность прокатки можно объяснить и тем, что этот процесс можно вести в непрерывном режиме с очень высокой скоростью. Кроме того, данные виды ОМД хорошо сочетаются со средствами механизации и автоматизации.
Постоянно растущая потребность в продукции, получаемой ППВ, объясняет необходимость в разработке современных высокопроизводительных,
экономичных технологических процессов ППВ. Однако решение этой задачи
возможно только на хорошей теоретической подготовке специалистов данного профиля производства. Поэтому в условиях экономической и хозяйственной самостоятельности предприятий образованность, компетентность и профессионализм являются важнейшими качествами современного специалиста,
которые позволяют ему мыслить самостоятельно, творчески, свободно ориентироваться в непрерывно возникающих проблемах производства и грамотно
эксплуатировать оборудование.
1.1 Цели изучения дисциплины
Целью дисциплины «Теория процессов прокатки, прессования, волочения» является формирование навыков самостоятельного решения аналитиче-
4
ских и экспериментальных задач для конкретных технологических процессов
прокатно-прессово-волочильного производства (ППВ).
Курс «Теория процессов ППВ» предназначен для подготовки магистров
по направлению 150100 – Металлургия и предусматривает изучение порядка
и методов расчета показателей деформации, формоизменения и энергосиловых параметров процессов прокатки, прессования и волочения. При изучении
курса необходима систематизация и алгоритмизация знаний на основе углубленного самостоятельного изучения учебной и научно-технической литературы. Непременным условием такой проработки является использование также
разработанных на кафедре «Обработка металлов давлением» учебных пособий, программных комплексов, имитационных моделей, заданий для практических занятий на ЭВМ и т.д.
Курс лекций посвящен теоретическим основам процессов прокатки,
прессования и волочения, как фундаменту профессиональных знаний будущих магистров, которые намерены посвятить себя этим видам ОМД. Задачей
курса является на базе основных положений механики сплошных сред изложить методы расчета технологических параметров процессов ППВ, объяснить
с современных позиций вопросы выбора оптимальных условий деформации,
которые бы обеспечивали протекание данных процессов в условиях максимальной пластичности металлических материалов. Кроме того, новые технологические процессы должны минимизировать материальные и энергозатраты и одновременно обеспечивать формирование заданной структуры и эксплуатационных свойств изделий.
1.2 Задачи изучения дисциплины
В соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150100 – Металлургия задачами дисциплины являются формирование
знаний, умений и навыков, отражающих различные компетенции.
В результате изучения дисциплины «Теория процессов ППВ» студент
должен знать:
- общие методы анализа формоизменения, энергосиловых параметров,
режимов обработки металлов давлением при реализации процессов
ППВ;
- способы воздействия на напряженно-деформированное состояние,
структуру и свойства металлов и сплавов;
- принципы построения математических моделей процессов прокатки,
прессования и волочения;
- содержание и основные характеристики технологических операций
ППВ.
После изучения дисциплины студент должен уметь:
5
- выбирать и рассчитывать необходимое оборудование с учетом решения задач энерго- и ресурсосбережения, а также защиты окружающей
среды от техногенных воздействий производства;
- оценивать технические и организационные решения с позиций достижения качества продукции;
- выбирать методы испытаний; анализировать и обрабатывать результаты исследований и измерений;
- использовать на практике методы расчета параметров процессов ППВ.
Студент должен иметь навыки:
-выполнять исследования металлургических процессов, оборудования и
металлопродукции, литературный и патентный поиск с применением
информационных средств и технологий;
- выбирать материал и режим его обработки, исходя из условий его эксплуатации и комплекса предъявляемых требований;
- анализировать основные научно-технические проблемы теории и
практики ППВ.
Совокупность знаний, умений и навыков должна обеспечить формирование следующих инструментальных (ИК), общепрофессиональных (ОПК) и
специальных профессиональных (СПК) компетенций:
1. Умение находить и перерабатывать информацию, относящуюся к
процессам прокатки, прессования и волочения (ИК1).
2. Умение проводить расчеты напряженно-деформированного состояния процессов ППВ, обобщать результаты этих расчетов и на основании этого делать выводы и рекомендации (ИК2).
3. Умение моделировать процессы ППВ с использованием современных
методик (ОПК1).
4. Умение корректировать технологические процессы ППВ (СПК1).
1.3 Межпредметная связь
Изучение дисциплины «Теория процессов прокатки, прессования, волочения» базируется на усвоении студентами следующих дисциплин: «Математика», «Физика», «Материаловедение: Технология конструкционных материалов», «Механика: Сопротивление материалов» и логически продолжает курсы «Механика сплошных сред» и «Теория обработки металлов давлением». В
материалах лекций широко используются понятия напряженное состояние,
деформированное состояние, изучаются влияние трения, сопротивление деформации, действие сил и напряжений в процессах прокатки, прессования и
волочения. Изучение курса «Теория процессов ППВ» необходимо для дальнейшего усвоения дисциплин, как «Основы технологических процессов
ОМД: Прокатно-прессово-волочильное производство»; «Технология листо-
6
вой прокатки»; «Технология прессования»; «Технология волочения»; «Проектирование прокатно-прессово-волочильных цехов».
1.4 Основные положения и ученые, разработавшие основы
теории прокатки, прессования и волочения
Как отмечалось выше, теория прокатки базируется в основном на математической теории пластичности, механике сплошных сред, теоретической
механике, сопротивлении материалов.
В теорию пластичности большой вклад внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Л.Эйлер, Г.Треска, Сен-Венан, М.Леви, Л.Прандтль, М.Губер, Р.Мизес, Г.Генки, П.Бриджмен, А.Надаи, А.А.Христианович,
Ю.Н.Роботнов, А.А.Ильюшин, В.В.Соколовский, А.Ю.Ишлинский, Н.Н.Давиденков, А.Д.Томленов и др.
Теория прокатки создана трудами российских и зарубежных ученых
С.И.Губкина, Н.А.Соболевского, А.И.Целикова, И.М.Павлова, В.С.Смирнова,
И.Я.Тарновского, П.И.Полухина, А.А.Королева, Б.П.Бахтинова, Е.С.Рокотяна, Е.Зибеля, Т.Кармана и др.
Теория прокатки приобретает особую роль в общей теории ОМД.
Прежде всего, конструкторы и технологи должны обоснованно и надежно
рассчитывать энергосиловые параметры прокатки (усилия, моменты, мощность). Для этого необходимо изучать напряженно-деформированное состояние металла при прокатке, сопротивление металла пластической деформации,
кинематику процесса прокатки, закономерности контактного трения и т.п.
Особое значение имеет определение энергосиловых параметров для повышения точности прокатки и автоматизации прокатных станов. Эта проблема важна для создания новых высокоскоростных непрерывных станов. Теория непрерывной прокатки требует разработки ряда сложных вопросов: учета
остаточного упрочнения, точного определения опережения, изменение температуры по рабочим клетям и т.д.
Многие вопросы теории прокатки изложены в работах А.И. Целикова и
его учеников. Это книги: «Прокатные станы», «»Теория расчета усилий в
прокатных станах», «Основы теории прокатки», «Теория прокатки», «Теория
продольной прокатки» и др.
Прессование (экструдирование) как технологический способ обработки
пластических металлов стало возможно лишь в XVII веке, когда в значительной мере развились металлургия и машиностроение. Одним из основных стимулов для развития этого процесса послужила возрастающая в XVII-XVIII веках потребность в трубах для подачи жидкостей. Местом первых разработок в
этой области стала Англия. В России механические устройства для прессования пластичных материалов применяли с XVII века, а первые установки для
прессования появились в конце XIX века. Сначала это были вертикальные механические прессы для прямого прессования свинцовых прутков и труб.
7
Прообразом современных горизонтальных гидропрессов для прямого прессования стал пресс конструкции Г. Дика, созданный в Германии в 1894-1895 г.г.
Его появлением положено начало промышленному применению прессования
меди, медных и алюминиевых сплавов. Этот процесс в части областей вытеснил прокатку, механическую обработку и литье.
С течением времени техника прессового производства совершенствовалась – улучшались конструкции прессов и увеличивались их усилия; использовались более совершенные конструкции прессового инструмента и материалы для их изготовления; вовлекались в обработку все новые металлы и сплавы, усложнялась форма, и улучшалось качество пресс-изделий.
Развитию прессования в большой степени способствовали теоретические
исследования многих российских ученых: П.С. Истомина, С.И. Губкина,
И.Л. Перлина, В.В. Жолобова, Л.В. Прозорова, Л.А. Шофмана, Я.М. Охрименко, Ю.Ф. Шевакина, М.З. Ерманка, Г.Я. Гуна, Ю.П. Глебова, А.И. Колпашникова, Л.Г. Степанского, и др.
Волочение – один из наиболее древних способов обработки металлов
давлением. Ранее волочения была известна только ковка. Волочение зародилось около 3500 лет до н.э. в Древнем Египте. Этот способ первоначально использовали для получения проволоки из золота, применяемой для изготовления булавок, браслетов, витых дужек сосудов и пр. Затем начало развиваться
ювелирное дело и понадобилось много проволоки из золота и серебра. В начальный период развития проволоку протягивали вручную, затем изобрели
волочение на катушку. Эти устройства послужили прообразом современных
машин однократного волочения. Первые многобарабанные станы, предложенные в начале XIX века, имели 2-4 барабана, и приводной вал вращался
гидравлическим двигателем. В 1862 году в Англии построили первый многоклетьевой прокатный стан для непрерывной прокатки стальной проволочной
заготовки. Использование такой заготовки для волочения снизило количество
переходов волочения, время на заправку и повысило производительность
процесса. Первые цепные волочильные станы были созданы в начале XIX
века. Движение цепей этих станов осуществлялось от приводного шкива, соединенного с паровым двигателем.
В России бурное развитие волочильного производства приходится на
30-е годы ХХ века. Позднее были созданы новые высокомеханизированные
станы для прокатки катанки, разработаны и внедрены в промышленность
установки совмещенного литья и прокатки медной и алюминиевой катанки, а
также установки для вытягивания проволочной заготовки из расплава, применение которых значительно сокращает длительность технологического
цикла, повышает производительность и уменьшает отходы металла. В настоящее время волочением изготавливают проволоку практически из всех цветных металлов и сплавов, включая труднодеформируемые сплавы. Разработаны новые материалы для изготовления волочильного инструмента и процессы
его обработки. Созданы установки для электроэрозионной, ультразвуковой,
8
лазерной разделки и доводки канала волоки. Большие достижения достигнуты и в трубоволочильном производстве. Все это стало возможным только на
основе теоретических исследований. И в эти исследования большой вклад
был внесен российскими учеными А.И. Целиковым, И.Л. Перлиным, М.З. Ерманком, В.П. Северденко, В.З. Жилкиным, В.Л. Колмогоровым и др.
Вопросы для контроля
1. На какие группы делятся виды обработки металлов давлением?
2. Какие общие признаки объединяют прокатку, прессование и волочение?
3. Сформулируйте цель изучения дисциплины «Теория процессов
ППВ».
4. Перечислите задачи изучения дисциплины «Теория процессов ППВ».
5. Что должен знать и уметь студент после изучения «Теории процессов
ППВ»?
6. Какие навыки должен иметь студент после изучения «Теории процессов ППВ»?
7. Какие компетенции приобретает студент в результате изучения «Теории процессов ППВ»?
8. На каких дисциплинах основывается «Теория процессов ППВ»?
9. Для усвоения, каких дисциплин необходимо знание «Теории процессов ППВ»?
10. Назовите российских и зарубежных ученых, внесших вклад в развитие теории прокатки, прессования и волочения.
Лекция 2
Виды прокатки. Геометрия очага деформации при прокатке
План лекции
1. Виды прокатки
2. Геометрия очага деформации при прокатке
3. Параметры деформации при прокатке
2.1 Виды прокатки
Прокаткой называется процесс деформации металла путем обжатия исходной заготовки между вращающимися валками с целью уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы.
9
Широкое применение прокатки объясняется рядом преимуществ ее по
сравнению с другими видами обработки давлением (прессованием, волочением), а также высокой производительностью этого процесса и меньшей стоимостью получаемых изделий. Прокатка является эффективным инструментом
для формирования структуры, обеспечивающей повышение эксплуатационных свойств изделий. Поэтому существует много схем термомеханической
обработки, включающих прокатку.
В настоящее время широко внедряется совмещение обработки давлением с литейным производством. Примером может служить высокопроизводительный способ непрерывного литья и прокатки стали и сплавов.
Прокатка, как и любой другой процесс обработки давлением, основан
на способности материалов пластически деформироваться без разрушения.
При пластической деформации изменяется не только форма и размеры деформированного тела, но и структура материала. Процессы прокатки принято
классифицировать по разным признакам.
1. В зависимости от направления обработки различают продольную (а),
поперечную (б) и винтовую (в) прокатки (рис. 2.1).
Рис.2.1. Виды прокатки
2. По режиму работы станов прокатка бывает непрерывной и реверсивной.
3. По состоянию металла различают горячую, теплую и холодную прокатку.
4. По виду изделия прокатка может быть листовая и сортовая.
5. Рабочие валки могут быть с гладкой бочкой или с нарезными калибрами. Наиболее распространенным является процесс прокатки в двух валках.
6. По схеме действия сил на прокатываемую полосу и на валки, условиям на контакте, напряженно – деформированному состоянию и скоростным
условиям в очаге деформации различают симметричный и асимметричный
процессы прокатки.
Процесс прокатки в двух валках называется симметричным, когда имеется полная аналогия схемы действия сил на прокатываемую полосу, условия
10
на контакте, напряженно – деформированного состояния и скоростных условий в зонах обжатия, относящихся к каждому из валков.
Если оси валков параллельны и лежат в одной плоскости, валки имеют
одинаковые диаметры и вращаются в разные стороны с одинаковыми окружными скоростями, прокатываемый металл однороден по своим механическим
свойствам и на него действуют только силы от валков, то такой процесс прокатки называется простым. Такой вид прокатки и будет в основном рассмотрен в данном курсе лекций.
2.2 Геометрия очага деформации при прокатке
При продольной прокатке одновременно пластической деформации
подвергается не весь объем обрабатываемого металла, а только его небольшая
часть находящаяся вблизи валков. Эту часть металла называют очагом деформации. Различают геометрический очаг деформации и фактический очаг деформации.
Геометрический очаг деформации (1) это объем прокатываемого металла, АА1В1В, заключенный между валками прокатного стана, а также плоскостями входа АА1 металла в валки и выхода ВВ1 металла из валков. Экспериментально установлено, что пластическая деформация распространяется и на
зоны прилегающего к плоскостям входа и выхода – это зоны внеконтактной
деформации. На рис. 2.2 видно две зоны внеконтактной деформации (3) МАА1М1 и (2) ВДД1В1. С учетом этого объем металла, включающий геометрический очаг деформации и внеконтактной зоны – это фактический очаг деформации.
11
Рис.2.2. Геометрия очага деформации при прокатке
Дуга АВ, по которой деформируемый металл контактирует с валками –
дуга захвата. Центральный угол α, соответствующий дуге захвата АВ – угол
захвата. Проекция очага деформации на горизонтальную ось – длина очага
деформации – lд. По данным исследователей фактическая длина очага деформации зависит от многих факторов и обычно меняется от 1,2 до 1,7 от длины
геометрического очага деформации.
Таким образом, форма геометрического очага деформации при прокатке характеризуется:
1 – углом захвата α;
2 – высотами сечения h0 и h1;
12
3 – длиной очага деформации lд;
4 – начальной и конечной шириной полосы b0 и b1.
При малых углах α ≈
cos α = 1 −
∆h
.
D
(2.1)
AB ≈ lä =
R∆ h .
(2.2)
∆h
R
2.3 Параметры деформации при прокатке
Для характеристики перемещения металла при прокатке используют относительные величины, коэффициенты:
- обжатия
1 h0
=
η h1
(2.3)
- уширения
β =
b1
b0
(2.4)
- удлинения (вытяжки)
λ =
l1
l0
(2.5)
Произведение этих коэффициентов из закона постоянства объема равны
1, т.е.:
h1 b1 l1 V1
⋅ ⋅ =
= 1,
h0 b0 l0 V0
η ⋅β ⋅λ =
где
(2.6)
V1
- объем металла до и после прокатке.
V0
Для оценки интенсивности деформации применяют относительные величины:
- относительное обжатие
εh =
h0 − h1 ∆ h
=
h0
h0
(2.7)
- относительное уширение
εb =
b1 − b0 ∆ b
=
b0
b0
(2.8)
- относительное удлинения
εl =
l1 − l0 ∆ l
=
l0
l0
(2.9)
Уравнения (2.3 – 2.5) и (2.7 – 2.9) связаны между собой:
13
η =
h1 h0 − ∆ h
=
= 1− ε h
h0
h0
(2.10)
β =
b1 b0 + ∆ b
=
= 1+ ε b
b0
b0
(2.11)
λ =
l1 l0 + ∆ l
=
= 1+ ε l
l0
l0
(2.12)
η ⋅ β ⋅ λ = (1 – εh) ⋅ (1 – εb) ⋅ (1 – εl) = 1
(2.13)
При малых деформациях произведениями коэффициентов можно пренебречь и тогда:
εb + εl + εh = 0
(2.14)
При больших степенях деформации используются истинные (логарифмические) деформации:
- высотная
h0 h0 dh
ln = ∫
h1 h1 h
(2.15)
- поперечная
b1 b1 db
ln = ∫
b0 b0 b
(2.16)
- продольная
l1 l1 dl
ln = ∫ .
l0 l0 l
(2.17)
Или логарифмируя, получаем:
ln
h
l1
b
+ ln 1 − ln 0 = 0
l0
b0
h1
(2.18)
В качестве характеристики очага деформации используют коэффициент
формы lд/hср. Он характеризует продольное сечение очага деформации и численно равен отношению высотной деформации к углу захвата:
lä
ln ( h0 / h1 )
≈
hñð
α
14
(2.19)
В практике наиболее часто будут встречаться: коэффициент вытяжки
λ =
h0 − h1
l1
1
⋅ 100% ; λ = 1 .
ε = 1− ; ε =
;
степень
относительного
обжатия
l0
h0
λ
1− ε
Вопросы для контроля
1. Что изучает дисциплина «Теория ППВ»?
2. Дайте определение процессу прокатки.
3. По каким признакам классифицируют процессы прокатки?
4. В чем разница геометрического и фактического очагов деформации?
5. Что такое симметричный процесс прокатки?
6. Дайте определение углу захвата.
7. Какими параметрами характеризуется форма геометрического очага
деформации при прокатке?
8. Какие относительные величины используют для характеристики
перемещения металла при прокатке?
9. Какие относительные величины используют для оценки интенсивности деформации при прокатке?
10. Что такое истинные (логарифмические) деформации при прокатке и
по каким формулам их определяют?
11. Как можно записать закон постоянства объема применительно к
прокатке?
12. По какой формуле определяют коэффициент формы очага деформации при прокатке?
Лекция 3
Условие захвата металла валками
План лекции
1. Условие захвата металла валками при неустановившемся периоде
прокатки
2. Принудительный захват
15
3. Условие захвата металла валками при установившемся периоде прокатки
3.1 Условие захвата металла валками
при неустановившемся периоде прокатки
При прокатке различают три периода: неустановившийся, установившийся и выброс (рис. 3.1)
Рис. 3.1. Периоды прокатки:
а – захват; б - установившейся процесс; в - выброс
В период захвата происходит заполнение зазора между валками металлом (рис. 3.1, а). По мере продвижения переднего торца полосы через валковую щель изменяются коэффициенты деформации, площадь контактной поверхности, давление на валки и другие параметры. Процесс прокатки неустойчив. Только после того, как передний конец полосы выйдет из валков на
некоторое расстояние ln (рис. 3.1, б) – процесс прокатки стабилизируется.
Также неустановившейся характер имеет процесс выброса полосы из валков
(рис. 3.1, в). Как только длина заднего конца полосы сократится до некоторого размера lз, начинают изменяться основные параметры прокатки. Поэтому
основной период прокатки установившейся (рис.3.1, б). В этот период все параметры прокатки во времени не изменяются. При установившемся процессе
прокатки через любое поперечное сечение очага деформации в единицу времени проходит одинаковое количество металла.
Это условие в теории прокатки называется условием постоянства секундных объемов и математически записывается так:
16
Fϕ υϕ = const,
(3.1)
где Fϕ – площадь поперечного сечения полосы под произвольным углом ϕ (рис. 3.1, б).
Рассмотрим неустановившийся период прокатки (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Схема захвата металла валками для неустановившегося периода прокатки
В качестве заготовки выберем полосу. При соприкосновении полосы с
вращающимися валками между ними возникает взаимодействие. Валки действуют на полосу силой N, стремясь оттолкнуть металл и силой Т, стремящейся втолкнуть металл в зазор между валками. В свою очередь полоса давит на
валки силой Р, и тормозит их вращение силой Т0. Для определения захватывающей способности валков сопоставляют действие сил N и Т в направлении
прокатки, т.е. рассматривают горизонтальные проекции сил:
Tx = T ⋅ c oα s 
.
N x = N ⋅ s i nα 
Рассмотрим три случая:
17
(3.2)
T
x
1. N < 1 – захват отсутствует;
x
(3.3)
T
x
2. N = 1 – валки буксуют;
x
(3.4)
Tx
3. N > 1 – металла захватывается валками, т.е. идет прокатка.
(3.5)
x
Выберем третий случай, рассмотрим его, подставив 3.2 в 3.5, и получим:
T ⋅ cos α
>1
N ⋅ sin α
Преобразуем (3.6) в
T
> tg α
N
(3.6)
.
Так как Т = µ ⋅ N (по закону Амонтона-Кулона), где μ – коэффициент
трения, то получим:
µ > α.
µ ⋅N
> tg α
N
или после сокращения
µ > tg α
Так как при малых углах tgα ≈ α, то в итоге запись 3.6 преобразуется в
Это выражение и будет считаться условием захвата металла валками.
Геометрически это означает, что равнодействующая R сил N и T отклонена вправо к плоскости выхода (рис. 3.1). И, наконец, условие захвата можно
записать через угол трения β (это угол, образованный равнодействующей R и
вертикалью, рис 3.1). Тогда получим, что захват металла валками начнется,
если:
β > α.
(3.7)
Таким образом, чтобы произошел захват полосы валками, угол захвата
должен быть меньше угла трения. В дальнейшем будет показано, что величина коэффициента трения зависит от многих факторов: состояния поверхности
и материала валков, скорости прокатки, температуры металла и др. Все эти
факторы в совокупности и предопределяют максимальные углы захвата, достигаемые на практике.
Практические значения максимальных углов захвата прокатных станов
разного назначения приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Максимальные углы захвата
Станы, условия прокатки
Валки
18
Максимальный
угол захвата,
Блюминги, черновые клети заготовочных и сортовых станов
Сортовые станы
Листовые станы горячей прокатки
Листовые станы холодной прокатки (применяется технологическая смазка)
Стальные с загрубленной поверхностью (насеченные, рифленые)
Стальные обточенные
Стальные или чугунные, во многих случаях шлифованные
Стальные шлифованные или полированные
град
26 – 34
22 – 24
15 – 22
4 – 10
При прокатке в калибрах в большинстве случаев условия захвата лучше, чем на гладкой бочке, так как боковые стенки калибра способствуют защемлению полосы.
3.2 Принудительный захват
Теперь рассмотрим случай, когда заталкивающая сила Q (рис. 3.3) велика и способна осуществить значительное вдавливание металла в валки. Такой
захват называется принудительным или искусственным. При наличии достаточной заталкивающей силы захват может произойти при условии
αз > βз,
(3.8)
где αз и βз – соответственно, углы захвата и трения при захвате.
Сила Q, как и силы трения Т, направлена по ходу прокатки. Однако
роли этих сил в осуществлении захвата сильно различаются. Остановимся на
этом подробнее.
Составим уравнение равновесия продольных сил, действующих на полосу, с учетом силы Q
2Nx = 2Tx + Q.
19
(3.9)
Рис. 3.3. Принудительный захват – смятие кромок полосы под действием силы Q
Подставляя в это уравнение значение сил Nx и Tx, после несложных
преобразований находим
Q = 2Ncosз(tgз – fз)
(3.10)
и
N=
Q
( 2cosα ç ( tgα ç − f ç ) )
(3.11)
Выражение (3.9) позволяет утверждать, что всякое увеличение заталкивающей силы Q вызывает ответный рост отталкивающих сил N. Таким образом, сила Q сама по себе не может создать перевеса втягивающих сил
над отталкивающими.
Сила Q способствует осуществлению захвата косвенно. Под действием
ее сминаются передние кромки полосы, в результате чего точка приложения
сил N и T смещается в глубь зева валков (рис. 3.3). Происходит поворот сил,
благоприятный в отношении захвата. Когда угол , определяющий наклон
сил N и Т, уменьшится до величины угла трения, возникает истинный захват
полосы валками. Кроме того, в результате действия заталкивающей силы вы-
20
бирается часть пружины рабочей клети стана, т. е. валки несколько раздвигаются, что также способствует осуществлению захвата.
Заметим, что по условию статического равновесия сил заталкивающая
сила вообще может существовать (иметь положительное значение) только в
том случае, когда угол захвата больше угла трения: αз > βз. Это видно из формулы (3.10), левая часть которой обращается в нуль при tgз = fз и становится
отрицательной при tgз < fз. Последнее означает, что в случае tgз < fз валки
даже способны преодолеть некоторое тормозящее усилие, приложенное к полосе.
Основной вопрос теории принудительного захвата можно сформулировать так: какую величину должна иметь заталкивающая сила, чтобы произошел захват при заданной разности углов αз и βз? Вывод формулы представлен
в трудах А.П. Чекмарева и др. и результат представляет собой следующее.
αç=β +
Qmax cos β
( pñðb ⋅ R ) ,
(3.12)
произведение b ⋅ R – площадь контактной площадки смятия;
pcр – среднее контактное давление на площадке смятия.
Формулу 3.12 называют условием принудительного захвата. Из этой
формулы следует, что в случае принудительного захвата предельная величина
угла αз зависит не только от коэффициента (угла) трения, но и от величины
заталкивающей силы, контактного давления (а следовательно, и от механических свойств металла), ширины полосы и радиуса валков. Все эти факторы
оказывают влияние на степень смятия кромок полосы под действием заталкивающей силы.
где
3.3 Условие захвата металла валками
при установившемся периоде прокатки
При установившейся стадии считаем, что нормальное контактное
напряжение по длине области деформирования распределено равномерно, тогда результирующая сила действия валков на металл будет проходить через
середину дуги захвата (рис. 3.4). В этом случае, если повторить рассуждения
для случая неустановившегося периода прокатки, условием захвата будет:
β > α/2.
(3.13)
Обычно, чем больше α, тем производительнее процесс прокатки. Улучшают захват металла валками следующие факторы:
- повышение коэффициента трения (насечки на валках, металле, песок и
т.д.);
21
- уменьшение скорости вращения валков;
- увеличение температуры (до определенных пределов);
- использование заходного клина;
- применение вталкивающей силы.
Ухудшает захват – использование смазки.
Рис. 3.4. Схема установившегося периода прокатки
Таким образом, сравнивая выражения 3.7 и 3.13, можно заключить, что
угол захвата в установившемся периоде прокатки, по сравнению с неустановившимся периодом, возрастает в два раза. Это будет справедливым только,
если постоянен коэффициент трения. Однако, как показывают исследования,
в установившемся периоде прокатки коэффициент трения уменьшается и
поэтому в действительности углы захвата для двух периодов различаются не
в два раза, а меньше. Но при этом соблюдается соотношение
αуст > αнеуст,
(3.14)
где αуст и αнеуст, соответственно, углы захвата для установившегося и
неустановившегося периодов прокатки сохраняется.
22
Вопросы для контроля
1. Назовите периоды прокатки.
2. Нарисуйте схему действия сил при неустановившемся периоде прокатки.
3. Выведите условие захвата металла валками при неустановившемся
периоде прокатки.
4. Как изменится условие захвата металла валками при переходе от неустановившегося периода прокатки к установившемуся?
5. Что такое угол трения?
6. В каких пределах изменяются углы захвата при прокатке на станах
разных типов?
7. Какие факторы способствуют улучшению захвата металла валками
при прокатке?
8. Что такое принудительный захват?
9. Сформулируйте условие принудительного захвата при прокатке.
10. Какие факторы ухудшают захват металла валками при прокатке?
11. Сформулируйте постоянства секундных объемов для прокатки.
Раздел 2
Закономерности деформации и контактные напряжения
при прокатке
Лекция 4
Опережение и уширение при прокатке
План лекции
1. Опережение при прокатке
2. Уширение при прокатке
4.1 Опережение при прокатке
Ранее было установлено, что при переходе от неустановившейся стадии
прокатки к установившейся захват металла валками облегчается приблизительно в два раза. Это приводит к появлению резерва сил трения. Появление
избытка сил трения влечет за собой опережение – явление, при котором скорость выхода полосы металла из валков превышает скорость самих валков в
направлении прокатки. Графически это показано на рис. 4.1.
23
Рис. 4.1. Распределение скорости движения металла и линейной скорости
вращения валко в очаге деформации при прокатке
Это согласуется с законом механики, по которому проекция на любую
ось всех сил, приложенных к данному телу (если оно находится в условиях
равномерного и прямолинейного движения, что соответствует установившемуся процессу прокатки) равняется нулю. То есть избыток сил трения требует
уравновешивания. Это обеспечивается возникающим проскальзыванием полосы на некотором участке около выхода. В зоне опережения силы трения со
стороны валков направлены против направления прокатки (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема действия проекций сил трения при опережении
24
Опережение обычно выражают в %:
S=
υ1− υ
⋅ 100% ;
υ
(4.1)
υ1 – скорость металла на выходе из валков;
υ – окружная скорость валков;
S – опережение.
Эту величину можно определять экспериментально, например, методом
керновых отпечатков (рис. 4.3), сущность которого заключается в следующем. С помощью керна или другого инструмента на поверхность валка наносят отметку (лунку). После прокатки замеряют длину l1 между отметками,
оставленными лункой на полосе и сравнивают ее с длиной окружности валка
l0, определяя опережение S по формуле:
где
S=
l1 − l0
⋅ 100% .
l0
(4.2)
Рис. 4.3. Схема определения опережения методом керновых отпечатков
Теоретически опережение с достаточной степенью точности можно
определить по формуле:
S=
где
R 2
⋅γ ,
h1
R – радиус валка;
h1 – высота заготовки после прокатки;
γ – критический угол (в радианах),
25
(4.3)
γ =
α 
α 
⋅ 1−
,
2 
2β 
(4.4)
α – угол захвата;
β – угол трения.
Различают также коэффициент опережения:
где
ξ = 1+
R 2
⋅γ ;
h1
(4.5)
Входная скорость металла в валки может быть определена по формуле:
υ0 =
где
ξ
⋅ ω ⋅ R,
λ
(4.6)
λ – коэффициент вытяжки;
ξ – коэффициент опережения;
ω – угловая скорость вращения валков, рад/с, определяемая как:
ω =
υ
R
или
ω =
π ⋅n
,
30
где n – скорость вращения валков об/мин.
Выходная скорость металла из валков определяется:
υ 1 = ω Rξ
(4.7)
Так как на входе υ1 > υв, а на выходе наоборот, то есть сечение, где скорость металла равна υв – это критическое сечение, а центральный угол, отвечающий этому сечению критический угол γ:
γ =
S ⋅ h1 / R
(4.8)
При прокатке узких полос можно обнаружить участок, где перемещение металла практически отсутствует – это зона прилипания (рис.4.4).
26
Рис. 4.4. Очаг деформации при прокатке узких полос
Следующие факторы увеличивают опережение при прокатке.
1. Увеличение коэффициента трения. Через этот показатель влияют на
опережение и многие другие факторы: шероховатость поверхности валков,
скорость прокатки, температура металла, вид технологической смазки и т.д.
2. Увеличение диаметра валков, так как снижается угол захвата и увеличивается избыток сил трения.
3. Снижение толщины полосы при постоянном обжатие, так как в единицу времени через плоскость выхода из-за увеличения вытяжки будет проходить большее количество металла, что возможно только за счет увеличения
скорости металла на выходе.
4. Снижение доли поперечной деформации (уширения).
5. Использование переднего натяжения и заднего подпора.
Учет опережения и отставания необходим при определении частоты
вращения валков в связи с режимом обжатия в непрерывно расположенных
клетях, для предотвращения петлеобразования.
4.2 Уширение при прокатке
В процессе прокатки происходит в основном увеличение продольных
размеров полосы. Но происходит еще и поперечная деформация – уширение.
Характеризуют уширение относительное уширение:
εb =
∆b
b0
и коэффициент
b
1
уширения: β = b .
0
Если поперечному течению металла в очаге деформации препятствуют
только силы трения на контактной поверхности, то уширение называется свободным. Такое уширение наблюдается при прокатке в цилиндрических гладких валках. При прокатке в калибрах – уширение называют ограниченным.
Существует также вынужденное уширение, при котором обжатие происходит
неравномерно по ширине полосы из-за неравномерной толщины заготовки в
поперечном направлении.
Рассмотрим влияние на уширение основных факторов.
1. Обжатие. По упрощенной формуле Жеза (4.9), чем больше обжатие,
тем больше уширение. Причина в том, что увеличивается смещаемый объем,
как в продольном, так и в поперечном направлении, а также растет длина очага деформации. Второй фактор способствует росту продольных подпирающих сил трения, затрудняющих вытяжку.
∆b = α ⋅ ∆h
27
(4.9)
В действительности зависимость сложнее, но тенденция такова, что с
ростом обжатия уширение увеличивается.
2. С ростом дробности деформации (числа проходов) уширение уменьшается. Это связано с тем, что длина очага деформации уменьшается при
сохранение его поперечных размеров, поэтому уменьшаются продольные
напряжения по отношению к поперечным, что снижает уширение.
3. Диаметр валков. Чем он больше, тем протяженнее зона деформации,
больше силы трения, следовательно, больше сопротивление деформации в
продольном направление и больше уширение.
4. Чем шире полоса, тем больше влияние трения в поперечном направлении и тем меньше уширение.
5. С увеличением коэффициента трения появляется избыток сил трения
в продольном направлении, уменьшается продольная деформация и увеличивается уширение.
6. Переднее, а особенно заднее и стяжение уменьшают уширение.
Существуют более 40 формул для определения уширения. Вполне
удовлетворительно описывает уширение при прокатке прямоугольных полос
в цилиндрических валках формула Бахтинова, согласно которой:
∆ b = 1,15
∆h 

2h0 
R∆ h −
∆h

2µ 
,
(4.10)
где μ – коэффициент трения между металлом и валкам.
По формуле Зибеля:
∆b= C
∆h
h0
R∆ h ,
(4.11)
где С – коэффициент, зависящий от температуры, трения и качества
прокатываемого металла.
Считают, что при листовой прокатке уширение вредно, так как снижает
вытяжку. В технологических расчетах листовой прокатки, особенно при прокатке тонких полос, уширение не учитывают.
Уширение необходимо учитывать при сортовой прокатке для обеспечения оптимального заполнения калибра.
Вопросы для контроля
1. В чем причина возникновения опережения при прокатке?
2. Нарисуйте схему процесса опережения.
3. По какой формуле можно подсчитать опережение?
4. Опишите метод керновых отпечатков.
5. В каких единицах принято измерять опережение?
28
6. Перечислите основные факторы, оказывающие влияние на опережение.
7. Приведите пример необходимости расчета опережения при прокатке.
8. По каким формулам подсчитывают уширение?
9. Какие факторы влияют на уширение?
10. Каким образом на уширение влияет диаметр валков?
11. По какой формуле подсчитывают уширение при прокатке прямоугольных полос в цилиндрических валках?
12. Приведите и проанализируйте формулу Зибеля.
13. В каких случаях прокатки уширением можно пренебречь?
14. Приведите пример прокатки, когда уширение необходимо учитывать?
Лекция 5
Напряженно-деформированное состояние при прокатке полосы
План лекции
1. Напряженное состояние при прокатке
2. Деформированное состояние при прокатке
2. Распределение деформаций по высоте полосы
5.1 Напряженное состояние при прокатке
В прокатке, как и в других видах ОМД, вопрос о распределении напряжений и деформаций в объеме металла является одним из центральных. Проанализируем напряженное состояние прокатываемой полосы. Для этого выделим в очаге деформации бесконечно малый прямоугольный параллелепипед и
дадим характеристику напряжений, которые действуют на три его взаимно
перпендикулярные грани. Расположим данный элементарный объем так, чтобы его оси совпадали с основными направлениями прокатки: продольным,
поперечным и вертикальным. Примем, что по этим площадкам не действуют
касательные напряжения, что позволит их считать главными площадками.
Анализируя напряженное состояние, учитываем направление действия
внешних сил. В продольном направлении основные горизонтальные составляющие образуются силами трения, причем в зоне отставания они направлены по ходу прокатки, а в зоне опережения – наоборот. Тогда очевидно, что
при любом продольном перемещении частиц металла в очаге деформации
они испытывают подпирающее действие сил трения. Следовательно, в продольном направлении на гранях выделенного объема действуют сжимающие
напряжения σ3 (рис. 5.1). При поперечном перемещении частиц металла частицы также встретят сопротивление сил трения, поэтому и в данном направлении будут действовать сжимающие напряжения σ2. И, наконец, очевидно,
что и по вертикали силы давления валков создадут сжимающие напряжения
29
σ1. Из сказанного следует вывод о том, что напряженное положение полосы
при прокатке характеризуется объемной схемой всестороннего сжатия. Такая
схема будет не во всех точках очага деформации, но в нем она будет преобладать.
Очевидно, что наибольшим по абсолютной величине будет напряжение,
создаваемое валками σ1, и создающее основную пластическую деформацию
металла. Наименьшим будет то, в котором металл испытывает минимальное
сопротивление течению – продольное σ3. Средним же является поперечное
напряжение σ2.
Рис. 5.1. Схема напряженного состояния в очаге деформации при прокатке полосы
На отдельных участках полосы картина напряженного состояния может
отличаться от основной. Так, частицам металла вблизи боковых кромок легче
перемещаться в поперечном направлении, чем в продольном, так как величина поперечных силы трения по краям полосы значительно меньше, чем в ее
центральных слоях. Но полоса – это единое целое, деформируется одинаково
по всему объему, следовательно, по ее краям возникают дополнительные растягивающие напряжения, схема становится разноименной: два сжимающих
напряжения σ1 и σ2 и одно растягивающее - σ3.
5.2 Деформированное состояние при прокатке
Для анализа деформированного состояния полосы, также как и для
напряженного состояния, выделим в очаге деформации прокатываемой полосы элементарный параллелепипед и рассмотрим картину изменения длины
его ребер при прокатке (рис. 5.2).
30
Рис. 5.2. Схема деформированного состояния в очаге деформации при прокатке полосы
Учитывая наличие обжатия, вытяжки и уширения полосы, легко сделать вывод, что в вертикальном направлении происходит укорочение (сжатие) элементарного объема, а по двум другим осям объем увеличивается. Таким образом, схема деформированного состояния является объемной и характеризуется одной деформацией укорочения и двумя деформациями удлинения.
Существуют условия прокатки, при которых уширение полосы практически не наблюдается, как, например, при прокатке широких листов. В таких
случаях деформированное состояние можно назвать плоским, т.е. σ2 = 0. Из
теории пластичности известно, что поперечная деформация отсутствует, если
соблюдается условие:
σ2 =(σ1 + σ3)/2
(5.1)
При прокатке в четырехвалковых калибрах, образованных горизонтальными и вертикальными валками, полоса обжимается сразу в двух направлениях – в вертикальном и поперечном. Следовательно, в этом случае схема деформированного состояния характеризуется двумя деформациями укорочения (ε1 и ε2) и одной деформацией удлинения ε3.
5.3 Распределение деформаций по высоте полосы
Рассмотрение данного вопроса необходимо связывать с законом постоянства объема. Из условия, что вытяжка всех слоев полосы одинакова, следует, что распределение высотной деформации должно соответствовать распределению поперечной деформации. Таким образом, о распределении обжатия
по высоте полосы можно судить по форме ее боковых граней. Если после
прокатки боковые грани имеют выпуклую форму, следовательно, обжатие в
средних слоях превышает обжатие приконтактных слоев. Из нескольких при-
31
чин такой картины распределения деформации, одной из главных является
действие сил трения, затрудняющих перемещение деформируемого металла
относительно поверхности валков, как в продольном, так и в поперечном
направлении. Влияние сил трения уменьшается при удалении от контактной
поверхности. Из-за подпирающего действия сил трения в очаге деформации
образуются зоны затрудненной деформации, в которых величина обжатия
меньше, чем в других точках объема полосы (рис. 5.3). Особенно глубоко эти
зоны распространяются в область нейтрального сечения, в которой подпирающее действие сил трения выражено в наибольшей мере.
Рис. 5.3. Зоны затрудненной деформации (штриховка) при прокатке полосы
Распределение деформаций по высоте полосы сильно зависит от геометрических факторов – от коэффициента формы lд/hср и отношения ширины
полосы к ее толщине b0/h0 Чем толще прокатываемая полоса (по отношению к
длине дуги контакта), тем сильнее выражена неравномерность деформации.
При очень малых значениях фактора формы lд/hср (менее 0,1–0,2) пластическая деформация в слои металла практически не проникает.
Влияние параметра b0/h0 на распределение деформации объясняется его
влиянием на интенсивность поперечного течения металла. Чем уже полоса
(меньше величина b0/h0), тем легче перемещается металл в поперечном
направлении (уширяется). Отсюда при прокатке узких полос неравномерность деформации больше, чем при прокатке широких.
А.П.Чекмаревым, И.Я.Тарнавским и др. предложена классификация
процессов прокатки в зависимости от величины фактора формы lд/hср.
1. Прокатка тонких полос – lд/hср > 3-4. В этом случае длина дуги контакта в несколько раз превышает среднюю толщину полосы в очаге деформации. Подпирающее действие сил трения распространяется на всю толщину
32
полосы, а распределение деформации по высоте – равномерно. Поэтому боковые кромки прокатанной полосы имеют очень малую выпуклость (рис 5.4,
а).
Рис. 5.4. Форма поперечного сечения полосы после прокатки при различной величине параметра lд/hср:
а – lд/hср > 3-4; б – 3-4 > lд/hср > 0,6-0,8;
в – 0,6-0,8 > lд/hср > 0,1-0,2; г – lд/hср < 0,1-0,2.
2. Прокатка полос средней толщины – 3-4 > lд/hср > 0,6-0,8. В связи с относительным увеличением размера hср действие сил трения на средние слои
металла ослабевает; эти слои деформируются наиболее интенсивно, а в приконтактных слоях образуются зоны затрудненной деформации. Боковые
кромки полосы становятся выпуклыми (рис 5.4, б).
3. Прокатка толстых полос – 0,6-0,8 > lд/hср > 0,1-0,2. При большой толщине полосы деформация сжатия слабо проходит в срединные слои металла и
после прокатки поперечное сечение полосы приобретает форму «двойной
бочки» (рис. 5.4, в). В центральных слоях полосы возникают продольные растягивающие напряжения, способные вызвать поперечные надрывы внутри полосы. Кроме того, из-за действия растягивающих напряжений может наблюдаться уменьшение ширины полосы в средней части – поперечная утяжка.
4. Прокатка особо толстых полос – lд/hср < 0,1-0,2. Такие малые значения фактора форма встречаются, например, при прокатке на ребро плоских
слитков или широких полос. Характерный признак этого типа прокатки является отсутствие вытяжки полосы. Весь обжимаемый металл смещается в
поперечном направлении, образуя боковые наплывы в приконтактной обла-
33
сти (рис. 5.4, г). На среднюю (по высоте) часть полосы деформация не распространяется.
Следует отметить, что данная классификация условная, т.к. формоизменение полосы зависит и от других факторов.
Вопросы для контроля
1. Какая схема напряженного состояния возникает в центральных слоях
очага деформации при прокатке полосы?
2. Какое напряжение будет максимальным по абсолютной величине при
прокатке полосы?
3. Опишите роль сил трения при прокатке полосы.
4. Какая схема напряженного состояния возникает вблизи боковых кромок прокатываемой полосы?
5. Какая схема деформированного состояния возникает в очаге деформации при прокатке полосы?
6. Какая схема деформированного состояния возникает в очаге деформации при прокатке полосы в четырехвалковом калибре?
7. В чем причина образования зон затрудненной деформации при прокатке полосы?
8. От каких факторов зависит распределение деформации по высоте полосы при ее прокатке?
9. Почему при прокатке узких полос неравномерность деформации
больше, чем при прокатке широких?
10. Объясните на примерах классификацию процессов прокатки в зависимости от величины фактора формы lд/hср.
Раздел 3
Энергосиловые параметры процесса прокатки
Лекция 6
Силовые условия при прокатке
План лекции
1. Полное усилие при прокатке
2. Определение контактной площади прокатываемого металла с валками
3. Направление сил при простом процессе прокатки
4. Скорость деформации при прокатке
34
5. Сопротивление деформации при прокатке
6.1 Полное усилие при прокатке
Полное или суммарное усилие при прокатке Р – важнейший параметр
этого процесса. В условиях прокатки полосы прямоугольного сечения в цилиндрических валках равного диаметра Р определяется по формуле:
Ð = pñð ⋅ F
,
(6.1)
где
рср - среднее контактное нормальное напряжение;
F – площадь контакта.
Характер распределения давления в очаге деформации зависит в основном от таких факторов как lд/hср, коэффициента трения и угла захвата. Один
из видов эпюр распределения давления по очагу деформации представлен на
рис. 6.1.
При определении величины усилие обычно учитывается только вертикальная составляющая. Среднее контактное нормальное напряжение рср определяется по формуле:
1 l
ðñð = ⋅ ∫ p x ⋅dx
l 0
Рис 6.1. Эпюра распределения давления по очагу деформации
35
(6.2)
Если определение площади контакта осуществляется достаточно просто, то контактное давление зависит от двух групп факторов:
1. факторы, определяющие механические средства обрабатываемого металла (сопротивление деформации);
2. факторы, определяющие характер напряженного состояния в очаге
деформации (контактных сил трения, натяжения и т.д.)
Из эпюры распределения удельного усилия по контактной поверхности
касания в продольном направлении видно, что по мере удаления от плоскости
входа (на входе значение удельного усилия ≈ σТ материала до прокатки, на
выходе σТ после прокатки).
Факторы, входящие в первую группу и влияющие на сопротивление деформации, это температура деформации Tд, скорость ξ и степень деформации
ε. Влияние этих факторов неоднозначно и требует конкретного изучения для
каждого материала, но приблизительно можно сказать, что с понижением Tд и
повышением ξ и ε сопротивление деформации, а следовательно и усилие прокатки увеличивается.
Влияние второй группы факторов можно определять по такой формуле
ðñð = γ ⋅ nδ ⋅ δ ϕ
(6.3)
где γ – коэффициент, учитывающий влияние среднего нормального
напряжения;
nσ – коэффициент, учитывающий влияние внешнего трения,
внешних зон и натяжения (равная произведению их коэффициентов).
6.2 Определение контактной площади
прокатываемого металла с валками
Так как в большинстве случаев прокатки равнодействующая контактных напряжений (или усилие прокатки) направлена вертикально или отклоняется от вертикали незначительно, то при практических расчетах величину
площади принимают равной горизонтальной проекции контактной площади
металла с валками.
При прокатке профилей прямоугольного сечения контактную площадь
(одного валка) можно подсчитать по формуле
F = lд ∙ bср,
где lд – длина очага деформации.
В большинстве случае можно принять, что
36
(6.4)
bcр = (b0 + b1)/2,
где bср, b0, b1 – соответственно средняя, на входе и на выходе ширина
очагов деформации.
Если кромку прокатываемого металла в полюсе деформации аппроксимировать не прямой, а дугой параболы, что будет более точно, то
bср = b0 + (b1 – b0)/2
(6.5)
При прокатке металла в калибрах, например при прокатке круга, овала,
квадрата на ребро и др. контактную площадь определяют графически, аналитически или графоаналитически.
При графическом способе вычерчивают в трех проекциях калибр вместе с находящейся в нем прокатываемой полосой и, нанеся линии пересечения валка с поступающей полосой, определяют площадь соприкосновения.
Для более точного подсчета площади следует пользоваться увеличенным масштабом.
Аналитически площадь может быть определена методами приведенной
или соответственной полосы. Согласно этому методу Δh принимают равным
среднему линейному обжатию по ширине профиля:
Δh = F0/b0 – F1/b1,
(6.6)
где F 0 и F 1 – площади сечения профиля до и после прокатки.
Катающий радиус принимают равным
R = 0,5 ⋅ (D – S1/b1).
(6.7)
Пользуясь этим методом, Δh может быть определено по формулам.
Например, для ромба, прокатываемого из ромба (рис.6.2):
Δh = (0,55–0,6) ⋅ (h0 – h1).
37
(6.8)
Рис. 6.2. К аналитическому способу расчета контактной площади
прокатываемого валка с металлом
Аналитические формулы для определения контактных площадей при
прокатке сортовых профилей предложил В.Г.Дрозд. И, например, для ромба
или квадрата, прокатываемого из ромба:
F = 0,67 ⋅ b1 ⋅ R1 ⋅ ( h0 − h1 )
.
(6.9)
Результаты расчета по приведенным формулам на 2-9% превышают результаты определения F графическим методом.
При графоаналитическом методе на чертеже в большом масштабе вычерчивают профиль калибра и сечение прокатываемой полосы. Потом вертикальными линиями профиль калибра и полосы делят на ряд элементов. Затем
для каждого сечения графически определяют величину обжатия Δhi; величину
радиуса в каждом сечении определяют расчетом, исходя из действительного
радиуса валка Ri c учетом масштабного коэффициента. Тогда для каждого сечения длина дуги захвата
l i = Ri ⋅ ∆ hi
(6.10)
По вычисленным значениям l1, l2, …, li на горизонтальной проекции
строят контур контактной поверхности и определяют ее площадь.
6.3 Направление сил при простом процессе прокатки
Процесс прокатки называется простым если:
- на металл действуют только силы от валков;
- движение металла на входе и выходе равномерно;
38
- оба валка приводные, имеют одинаковые окружные скорости и диаметры;
- металл по механическим свойствам однороден.
Из законов распределения по дуге захвата контактных касательных и
нормальных напряжений следует, что силы, приложенные к прокатываемому
металлу, как от нижнего, так и от верхнего валков можно представить в виде
трех сил: нормальной N и сил трения Т1 и Т2, направленных касательно одна
из зоны отставания, другая из зоны опережения (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Схема действия сил, приложенных к металлу при прокатке
Исходя из симметрии процесса, векторная сумма шести сил, приложенных от валков к металлу = 0. Это возможно, когда равнодействующая Р1 трех
сил, приложенных от одного валка равна равнодействующей Р2 от другого
валка и противоположна ей. Точки приложения общих равнодействующих
находятся на одинаковом расстоянии от плоскости, проходящей через оси
валков, т.е. AC = BD. Отсюда направление равнодействующих – вертикально
(рис.6.4).
39
Рис. 6.4.Схема для нахождения равнодействующей сил,
действующих при простой прокатке
6.4 Скорость деформации при прокатке
Скоростью деформации ξ называют производную относительной деформации по времени, т.е.
ξ =
40
dε
dt
,
(6.11)
т.к. dε =
d hx
, где hх – мгновенная высота деформируемого тела. Тогда
hx
d
1
ξ = hx ⋅
dt hx
где
(6.12)
d hx
– линейная скорость обжатия, т.е. скорость продвижения
dt
инструмента в направлении деформации υ H =
dhx
. Тогда
dt
ξ = υH
h
(6.13)
При прокатке скорость деформации по дуге захвата распределяется неравномерно. Средняя скорость по высоте сечения в любой плоскости очага
деформации, находящейся на расстоянии х от линии, соединяющей центры
валков, согласно уравнению 6.13 имеет вид
ξx = 2 ⋅ υy /hx
(6.14)
Скорость перемещения металла в вертикальном направлении из условия постоянства секундного объема без влияния уширения
ξy = υх ⋅ tg β = (υ1 ⋅ h1/hx) ⋅ tg β,
(6.15)
где
β – угол трения;
υ1 и h1 – скорость и высота металла на выходе из валков.
Подставляя значения υy в уравнение 6.13, получим формулу для подсчета скорости деформации в любом поперечном сечении прокатываемого металла
υx = 2 ⋅ υ1 ⋅ h1 ⋅ tgβ/h2x
(6.16)
Для определения средней скорости деформации по всей зоне деформации
1l
ξ ñð = ∫ η x ⋅ dx .
l0
При подстановке 6.15 получим
41
(6.17)
2 υ 1 ⋅ h1 l tgβ
ξ ñð=
⋅ ∫ 2 dx ,
l 0 hx
т.к. tg β =
(6.18)
dhx
, то
2 dh
h0 dh υ ⋅ h  1 1  υ ⋅ ∆ h
υ
1 ⋅ h1
ξ ñð =
⋅ ∫ 2 = 1 1  −  = 1
l h1 h x
l  h1 h0  l ⋅ h0
где
(6.19)
Δh/h0 – удельный смещенный объем металла;
l/υ1 – время смещения этого объема.
6.5 Сопротивление деформации при прокатке
В общем виде сопротивление деформации выражается уравнением
dσ =
∂σ
∂σ
∂σ
∂σ
dT +
dε +
dt +
∂T
∂ε
∂t
∂ξ
.
(6.20)
Закономерности упрочения по этому уравнению еще недостаточно изучены, поэтому пользуются результатами экспериментов.
При этом за основную характеристику механических свойств металла
берут предел текучести, определяемый при растяжении или сжатии и тогда
фактическое сопротивление деформации
σφ = nT ⋅ nh ⋅ nξ ⋅ σT,
(6.21)
где nT , nh , nξ – коэффициенты учитывают влияние на сопротивление
деформации температуры, наклепа, скорости деформации.
Если деформация двумерная (прокатка широких листов), то сопротивление деформации определяют не на основе фактического сопротивления
простому сжатию или растяжению, а на основе сопротивления чистому сдвигу τS, тогда
τS =
σφ
= 0,57 ⋅ nT ⋅ nh ⋅ nξ ⋅ σ T
3
42
(6.22)
Однако при практическом определении коэффициентов, входящих в
уравнение нужно учитывать влияние на них и др. факторов.
По результатам исследования Ито зависимость механических свойств
металла (σВ, НВ и т.д.) от температуры в интервале между фазовыми превращениями можно выразить в экспоненциальной форме
Р = Мe – mT
(6.23)
где
Р – механические свойства;
Т – абсолютная температура;
m, M – константы, зависящие от природы материала.
Это уравнение хорошо описывает влияние Т на сопротивления деформации. Для практических расчетов пользуются таблицами, графиками, номограммами.
При холодной прокатке, когда температура прокатки ниже температуры
рекристаллизации сопротивление деформации увеличивается из-за наклепа.
Влияние деформационного упрочнения на сопротивление деформации можно
выразить уравнением
σ = σТ + D ⋅ ε,
(6.24)
где
D – коэффициент или модуль упрочнения;
ε – степень деформации.
Для приближенных расчетов сопротивление деформации при холодной
прокатке
σφ = nhσT = σTo +σT1/2,
где
(6.25)
σTo и σT1 – пределы текучести металла до и после холодной прокат-
ки.
При горячей прокатке, когда температура прокатки выше температуры
рекристаллизации следует пользоваться диаграммами σφ = f(T, ε, ξ), полученными в результате испытаний на пластометре. Если же таких диаграмм нет,
то графиками σ = f(ξ), σ = f(T), σ = f(ε) с внесением необходимых поправок.
Деформация при прокатке считается двумерной, если пренебречь изменением касательных контактных напряжений εх по ширине полосы.
Вопросы для контроля
1. Как определяют полное или суммарное усилие при прокатке?
2. От каких групп факторов зависит контактное давление при прокатке?
3. Опишите вид эпюры распределения удельного усилия по контактной
поверхности при прокатке.
43
4. Перечислите способы определения контактной площади при прокатке.
5. При каких условиях процесс прокатки называют простым?
Что такое скорость деформации при прокатке?
6. Напишите уравнение для определения сопротивления деформации в
общем виде.
7. Как определяют фактическое сопротивление деформации при прокатке?
8. Какой формулой пользуются для приближенных расчетов сопротивление деформации при холодной прокатке
9. Какую установку используют для определения σφ для расчета горячей
прокатки?
Лекция 7
Момент на валу главного двигателя
План лекции
1. Общий вид уравнения и КПД прокатного стана
2. Определение момента прокатки
3. Определение момента добавочных сил трения
44
4. Определение момента холостого хода и динамического момента при
прокатке
5. Определение мощности двигателя
6. Нагрузочная диаграмма для реверсивного прокатного стана
7.1 Общий вид уравнения и КПД прокатного стана
Момент на валу двигателя, необходимый для привода валков прокатного стана является суммой четырех величин:
M äâ =
M ïð
i
(7.1)
+ M òð + M õîë + M äèí
где Мпр – момент прокатки, т.е. момент, который требуется для
преодоления сопротивления деформации прокатываемого металла и возникающих при этом сил трения по поверхности валков;
i – передаточное число передачи между валками и двигателем;
Мтр – момент добавочных сил трения, приведенный к валу двигателя, возникающих при проходе металла между валками в передаточном механизме и в других частях стана, но без учета момента, требующегося на вращение стана на холостом ходу;
Мхол – момент, требующийся для привода стана во время его холостого хода;
Мдин – динамический момент на валу двигателя, необходимый для
преодоления инерционных усилий, возникающих при неравномерном вращении валков. Сумма первых трех слагаемых уравнения 7.1 называется статическим моментом:
Ì
ïð
i
+ Ì
òð +
Ì
õîë
= ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò
.
(7.2)
Коэффициент полезного действия прокатного стана (КПД) η, можно
определить по формуле:
η =
Ì
Ì
ïð
i+ Ì
45
ïð
i
òð + Ì
(7.3)
õîë
В зависимости от режима прокатки и устройства стана (главным образом от конструкции подшипников прокатных валков) η меняется от 0,5 до
0,95.
7.2 Определение момента прокатки
Если считать деформацию двухмерной или плоской, т.е. когда деформация тела осуществляется в плоскости при сохранении неизменности размеров
в направлении перпендикулярном данной плоскости (прокатка широких тонких листов) и пренебрегают изменением контактных касательных напряжений τх по ширине полосы, момент прокатки можно определить по формуле
Ì
l
ïð
= P ⋅ a = ∫ P x ⋅ xdx + P ⋅ R ⋅ sinΘ ⋅ cos
0
α
2
(7.4)
где
Р – равнодействующая давления металла на валки;
β – определяется точкой приложения равнодействующей давления металла на валки Р;
β/α = φ – коэффициент плеча усилия прокатки (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема для определения момента прокатки
При простом процессе прокатки
M ïð = 2 ⋅ P ⋅ ϕ ⋅ l = 2 ⋅ P ⋅ ϕ
где
l – длина очага деформации.
46
R∆ h
(7.5)
Если
ϕ =
a
l
, тогда l = х и ϕ может меняться от 0,67 до 0,33 в зависимо-
сти от распределения напряжений по дуге захвата, положения максимума
напряжений. Если максимум ближе к входу, то ϕ больше. На ϕ влияют трение, обжатие, температура и т.д.
7.3 Определение момента добавочных сил трения
Основной величиной, составляющей момент добавочных сил трения,
является момент сил трения в подшипниках валков
Мтр1 = Р ⋅ d ⋅ μ1,
где
(7.6)
Р – нагрузка на подшипники;
d – диаметр цапф;
μ1 – коэффициент трения в подшипниках валков.
Мтр2 – результат трения в передаточном механизме стана, т.е. в шестеренной кисти, в редукторе и т.п.
1
Ì
Ì òð2 =  − 1
η

где
i.
ïð
+ Ì
i
òð2
,
(7.7)
η – КПД передачи от двигателя к валкам, с передаточным числом
Общий момент рассчитывается по формуле
Мтр = Мтр1 + Мтр2
7.4 Определение момента холостого хода и динамического момента
при прокатке
47
Момент холостого хода Мхол – это момент, который необходим для привода главной линии прокатного стана во время паузы и равной сумме моментов Мn, необходимых для вращения каждой детали
Мхол = ΣМn
(7.8)
При подсчете Мхол у тонколистовых холоднопрокатных и некоторых
других станов необходимо учитывать возможное предварительное прижатие
валков. Если в стане предусмотрен маховик, то к полученному значению Мхол
необходимо прибавить момент, затрагиваемый на преодоление сил трения маховика о воздух.
Динамический момент Мдин возникает в станах, работающих с неравномерном вращением валков; в станах с маховиком, в столах с регулируемой
скоростью прокатки в течение прохода, в том числе и в реверсивных.
Ì
äèí
=
mD 2 dω
dω
⋅
= I
4
dt
dt
(7.9)
где I – момент инерции вращающихся частей стана, приведенный к
валу двигателя;
dω
dt
– угловое ускорение;
mD2 – маховой момент.
Составляющие момента двигателя для обжимного стана:
- момент прокатки 50-60%
- динамический момент валков 0,8-1,0%
- момент трения в подшипниках 4,7-5,0%
- динамический момент шпинделей 0,6-0,8%
- динамический момент шестеренных валков 1-2%
- потери на трение в шестеренной кисти 3-5%
- динамический момент моторной и коренной муфт 0,8-1,4%
- потери в коренной и моторной муфтах 1,2-2%
- динамический момент якоря двигателя 20-30%
7.5 Определение мощности двигателя
Существует несколько способов выбора главного двигателя прокатного
стана.
48
1. Выбор по моменту на валу двигателя.
Мдв = Мст ± Мдин
(7.10)
В выражении 7.10 знак (+) у Мдин отвечает фазе разгона валков; знак (–)
замедлению всех вращающихся частей главной линии стана и прокатываемого металла за рассматриваемый проход.
Для каждого прохода рассчитывают момент. После расчетов моментов
по проходам строят нагрузочную диаграмму, которая отвечает моментам на
валу двигателя при прокатке данного изделия во времени (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Диаграмма статической нагрузки для одноклетьевого стана при прокатке одной
полосы в пять проходов.
Эта диаграмма моментов позволяет определить номинальный момент
двигателя из условий предотвращения его перегрева при больших моментах
прокатки и допустимой кратковременной перегрузке двигателя. Так как ток в
обмотке двигателя пропорционален моменту, то проверку по току можно заменить проверкой по моменту. При этом выбор двигателя определяется с учетом его допустимого нагрева по эквивалентному или среднеквадратичному
моменту диаграммы моментов по формуле
M ýêâ =
Σ M t2 ti
=
Σ ti
M 12t1 + M 22 t 2 + ... + M n2t n
≤ MH ,
( t1 + t 2 + ... + t n )
(7.11)
где
Мi – момент на данном участке диаграммы;
ti – время действия этого момента.
При проверке двигателя на допустимую кратковременную перегрузку
номинальный момент двигателя должен быть
Мдв max/k ≤ MН,
49
(7.12)
где
Мдв max – максимальный момент двигателя по диаграмме моментов;
k – коэффициент кратковременной перегрузки (для реверсивных
кистей k = 2,5-2,75, для нереверсивных k = 2).
2. Выбор по удельному расходу энергии.
В этом случае используется выражение:
Nпр = 3600 ⋅ (ln+1 – ln) ⋅ G/tмаш,
(7.13)
где Nпр – мощность, затрачиваемая на деформирование металла при
прокатке с учетом добавочных потерь на трение в подшипниках Nтр;
ln – удельный расход энергии за предыдущую прокатку;
ln+1 – то же, с учетом прохода, мощность которого определяется;
G – масса прокатываемой полосы;
tмаш – машинное время прокатки.
Этот способ требует наличия графиков удельного расхода энергии, построенных на производственных опытных данных (рис. 7.3)
Рис. 7.3. График удельного расхода энергии для блюминга (1),
слябинга (2) и сортового стана (3)
e = Nпр/A,
где
(7.14)
е – удельный расход энергии;
А – часовая производительность.
По удельному расходу энергии при производстве различных видов проката накоплен большой экспериментальный материал. Эти данные можно использовать для выбора типа и мощности двигателя, но с определенными коррективами на условия работы проектируемого и базового станов. Кроме того,
к полученным данным следует добавлять мощность холостого хода стана, величина которой обычно 6-10% от общей мощности двигателя при прокатке.
50
7.6 Нагрузочная диаграмма для реверсивного прокатного стана
Рассмотрим нагрузочную диаграмму для реверсивного прокатного стана (рис. 7.4). При реверсивном режиме работы захват металла валками происходит при пониженной скорости, затем скорость валков повышается, а перед
концом прохода понижается. Таким образом, время прохода металла через
валки слагается из трех периодов: разгона, установившейся скорости и торможения. Моменты привода при этом:
- при разгоне
M ð = M ñò +
GD 2
εð
375
(7.15)
- при установившейся скорости
Му = Мст
(7.16)
- при торможении
M ò = M ñò −
GD 2
εò
375
(7.17)
где εр, εт – ускорение двигателя, выраженное в об/мин умноженных на
секунду, соответственно, при разгоне и торможении;
GD2 – маховой момент вращающихся частей стана и якоря электродвигателя, приведенный к валу электродвигателя.
Для шунтовых электродвигателей, применяемых обычно для привода
реверсивных прокатных станов, величины εр и ε т принимают постоянными.
Нагрузки за период паузы:
- при разгоне
M ï.ð = M õ +
GD 2
εð
375
(7.18)
M ï.Ò = M õ −
GD 2
εò
375
(7.19)
- при торможении
51
- при разгоне и торможении с металлом в валках
M ï.ð = M õ ±
GD 2
εð,
4
(7.20)
где GD2 – приведенный маховой момент с учетом массы слитка mс ,
который находится на окружности валка диаметром D.
Рис. 7.4. Нагрузочная диаграмма для реверсивного прокатного стана
Время прохода
t = tр + tу + tт,
(7.21)
где tр, tу, tт – соответственно, время разгона, установившейся скорости
и торможения.
tp = (nу – nз)/εр
(7.22)
tт = (nу – nв)/εт,
(7.23)
где nз, nу, nв – число оборотов валков, соответственно, при захвате,
установившейся стадии, выходе.
52
Продолжительность периода установившейся скорости зависит от длины прокатываемой полосы l. Площадь заштрихованной части диаграммы
(рис.7.4) соответствует длине прокатываемой полосы. Поэтому
l=
π D  n3 + ny
ny + nâ 

t p + ny t y +
tò ,
60  2
2

(7.24)
где D – диаметр валков.
Тогда продолжительность периода установившейся скорости
ty =
60L 1  n3 + ny
ny + nâ 
− 
t p + ny t y +
tò
π D nó ny  2
2

.
(7.25)
Время разгона и торможения при холостом ходе (во время паузы)
t ð.ï =
n3
εp
(7.26)
t ò.ï =
n3
εò
(7.27)
Вопросы для контроля
1. Назовите составляющие момента на валу двигателя, необходимого
для привода валков прокатного стана.
2. Что такое статический момент прокатного стана?
3. По какой формуле определяется КПД прокатного стана?
4. Как определяют момент прокатки?
5. Что такое момент холостого хода прокатного стана и как его определяют?
6. Как определяют динамический момент при прокатке?
7. Приведите пример определения мощности двигателя для одного из
прокатных станов.
8. Из каких периодов складывается время прохождения металла через
валки реверсивного прокатного стана?
9. Опишите методику выбора мощности прокатного стана по удельному
расходу энергии.
53
Лекция 8
Производительность прокатного стана
План лекции
1. Основные факторы, влияющие на производительность прокатных
станов
2. Примеры определения производительности
3. Точность продольной прокатки
4. Продольная и поперечная разнотолщинность
8.1 Основные факторы, влияющие на производительность
прокатных станов
Производительность прокатного стана в первую очередь определяется
пропускной способностью основного оборудования, т.е. рабочих клетей.
А = 3600 ⋅ G /T,
(8.1)
где
А – теоретическая часовая производительность;
G – масса слитка или заготовки;
T – такт прокатки, т.е. время между одноименными этапами прокатки двух следующих друг за другом полос.
Производительность тем больше, чем больше масса заготовки и меньше
времени для выполнения необходимых операций обработки до начала прокатки следующей полосы. Ритм или такт прокатки определяется характеристикой основного и вспомогательного оборудования, количеством и последовательностью размещения рабочих клетей и принятым режимом работы на
них. Такт прокатки складывается из машинного и вспомогательного времени.
Машинное время определяется размерами заготовки и получаемого изделия,
количеством проходов, вытяжки, скоростью прокатки и т.п. Вспомогательное
время зависит от степени механизации и автоматизации при выполнении операций между проходами, квалификацией обслуживающего персонала, а также
принятого режима прокатки (количество кантовок. устойчивость захвата металла валками и т.д.).
Например, для одноклетьевого стана реверсивного или с постоянным
направлением вращения валков такт прокатки определяется по формуле:
Т = ΣТм + ΣТп + То
где
Тм – машинное время одного периода;
54
(8.2)
Тп – время пауз между проходами;
То – начальная пауза или время между окончанием прокатки предыдущей полосы и началом прокатки следующей.
Машинное время каждого прохода в клети реверсивного стана:
Т м = t у + t n + t з,
(8.3)
где
tу – время ускорения при наличии металла валках;
tn – время прокатки при постоянной скорости;
tз – время замедления при наличии металла в валках.
Иными словами Тм определяется скоростью валков а, следовательно, и
скоростью движения металла на разных стадиях.
8.2 Примеры определения производительности
Практически показано, что наибольший эффект с точки зрения снижения Т дает уменьшение числа проходов. Это эффективнее, чем рост интенсивности скоростных условий. Поэтому важно определение сначала рационального режима обжатий, а для него выбор оптимального скоростного режима
прокатки. Для определения такта прокатки используют график Адамецкого.
Таким образом, зная G и Т можно определить А (теоретическую часовую
производительность). Однако этой величиной пользуются только для обжимных станов, когда есть связь с цехами, изготовляющими металл, производительность которых определяется массой переданных цехам слитков. Для цехов выпускающих готовый прокат производительность определяют по выходу годных изделий.
А = (3600/T) ⋅ G ⋅ k1 ⋅ k2,
(8.4)
где k1 – выход годных изделий, зависит от характеристики металла,
вида изделий, требований к качеству, способа производства, на блюмингах k1
= 0,92-0,77; на сортовых станах k1 = 0,96-0,91;
k2 – коэффициент использования стана, отношение чистого времени прокатки к фактическому времени работы стана, учитывает скрытые мелкие простои, потерю темпа и т.д. (задержки процесса прокатки не фиксируемые как простои), k2 = 0,95-0,85.
Существуют и другие способы определения производительности. Годовая производительность стана определяется по формуле
Агод = Аср ⋅ Тф,
(8.5)
где Аср – средняя часовая производительность, учитывающая изменения сортамента изделий, трудоемкость получения изделий и т.д.
55
Тф – фактическое время работы стана в течение года.
Расчеты производительности позволяют определить «узкие» места прокатного производства и наметить мероприятия по их устранению. Рассмотрены вопросы производительности только основного оборудования, т.е. прокатных станов. На производительность влияют также пропускная способность
нагревательных устройств, транспортных средств и т.д. Принципы расчета
производительности основного оборудования можно использовать для определения пропускной способности вспомогательных устройств.
8.3 Точность продольной прокатки
При продольной прокатке различают отклонение размеров прокатываемых профилей по толщине, ширине и форме. Отклонение толщины по длине
– продольная разнотолщинность, по ширине – поперечная, по диаметру труб
в поперечном сечении – тангенциальная разностенность.
Разнотолщинность проката приводит к повышенному расходу металла, увеличению массы машин, разбросу механических свойств. Разнотолщинность полос ухудшает качество магнитопроводов, автомобильных и обшивочных листов, снижает штампуемость при глубокой вытяжке.
На точность геометрических размеров проката влияют:
1. жесткость упруго-пластической системы рабочая клеть – прокатываемый металл;
2. режимы прокатки, обусловливающие нагрузки на клеть;
3. качество изготовления, состояния и обслуживания прокатных станов;
4. качество подката (колебания размеров, температуры, твердости и
т.д.).
По этой причине в упругопластической системе клеть – прокатываемый
металл появляются деформации, зазоры, неточности настройки станов, износ
элементов стана и т.д.
Основными факторами, влияющими на толщину полосы, являются нагрузка на клеть Р и вызываемые ею перемещение элементов клети ω. Если
рассматривать перемещения всей клети ωк, приведенные к активной образующей рабочего валка, то усилие прокатки связано с этими перемещениями пропорциональной зависимостью с коэффициентом жесткости клети Мк.
Р = Мк ωк
8.4 Продольная и поперечная разнотолщинность
(8.6)
Продольная разнотолщинность появляется при неправильной установке
первоначального зазора между валками, при колебаниях усилия прокатки,
температуры, натяжения и др. Можно сказать, любое изменение условий
прокатки и характеристик металла влияет на толщину полосы.
56
На станах горячей прокатки основное влияние на толщину по длине полосы оказывает изменение температуры, влияющее на усилие прокатки. При
этом на непрерывных и полунепрерывных станах задний конец полосы из-за
остывания толще, чем передний. Причиной разной толщины служат непрогретые места, различие в химическом составе и т.д.
Продольная разнотолщинность горячекатаной полосы полностью не
устраняется при холодной прокатке. На станах холодной прокатки основное
влияние на толщину полосы оказывают разнотолщинность подката, биение
опорных валков.
Разность толщины полосы, в каких-либо точках по ее ширине определяет поперечную разнотолщинность. Чаще всего ее определяют как разность
толщины по середине hс и по кромке полосы hк:
h1Ï = hc − hê ,
(1.80)
Основное уравнение поперечной разнотолщинности
h1Ï = ∆ S 0 +
P
Mâ
,
(1.81)
где ∆S0 – разница исходного зазора между валками посередине и по
кромке полосы с учетом износа, температурного расширения и т.д.
Второе слагаемое определяет изменение профиля активной образующей рабочего валка под действием нагрузки.
Для продольной разнотолщинности
h1 = ∆ S 0 +
где
P
Mê
(1.82)
h1 – требуемая толщина проката;
∆S0 – исходный зазор между валками с учетом износа, температурного расширения и т.д;
Мв, Мк – соответственно, модули жесткости валка и клети; Мв и
Мк определяют экспериментальным или расчетным путем.
Для устранения разнотолщинности используют в основном:
1. Правильный выбор исходного профиля валков.
2. Повышение жесткости клети и валковой системы.
Повышение точности прокатки за счет увеличения жесткости рабочих
клетей достигают как увеличением габаритов элементов клетей, так и предварительным напряжением элементов рабочих клетей. С увеличением габаритов валков уменьшается их прогиб. При увеличении габаритов станин происходит уменьшение деформации стоек, но одновременно увеличивается де-
57
формация поперечин. Этот путь незначительно увеличивает жесткость клети
при увеличении массы и металлоемкости оборудования.
Цель предварительного и регулируемого напряжения – снижение металлоемкости клетей и повышение их жесткости. Методы напряжения клетей
делят на две группы: методы напряжений узла станин и подушек.
1. Распор усилиями между станинами и подушками валков; распор
между подушками валков и т.д. Усилие распора создается, например, гидравлическим и др. методами.
2. Методы напряжения узла валков вдоль их оси; противодавление на
бочку валка и др.
Вопросы для контроля
1. Каким фактором определяется главным образом производительность
прокатного стана?
2. Проанализируйте факторы, определяющие пропускную способность
рабочих клетей.
3. Что такое такт прокатки и из чего он складывается?
4. Для каких целей в расчетах производительности используют график
Адамецкого?
5. От каких факторов зависят машинное и вспомогательное время прокатки?
6. По какой формуле определяют производительность для цехов выпускающих готовый прокат?
7. Какие виды разнотолщинности встречаются при продольной прокатке?
8. Приведите примеры отрицательного влияния разнотолщинности полос.
9. Какие факторы влияют на точность геометрических размеров проката?
10. Какие приемы используют для устранения разнотолщинности?
11. Какова цель напряжении клетей прокатных станов?
12. Какие методы напряжения клетей прокатных станов Вы знаете?
МОДУЛЬ 2
ТЕОРИЯ ПРЕССОВАНИЯ
Раздел 1
Закономерности течения металла при прессовании
58
Лекция 9
Сущность и основные характеристики процесса прессования
План лекции
1. Сущность процесса прессования и история его возникновения
2. Преимущества и недостатки процесса прессования
3. Основные характеристики процесса прессования
9.1. Сущность процесса прессования и история его возникновения
Прессованием называют придание обрабатываемому металлу заданной
формы путем выдавливания его из замкнутого объема через канал, образуемый прессовым инструментом.
Это один из наиболее прогрессивных процессов обработки металлов,
позволяющий получить деформированные изделия-профили, отличающиеся
экономичностью и высокой эффективностью при использовании в конструкциях.
Сущность процесса прессования заключается в следующем (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Схема процесса прессования
Заготовка 1, нагретая до температуры прессования, помещается в
контейнер 2. С выходной стороны контейнера в матрицедержателе 3 размещена матрица 5, формирующая контур изделия 4. Через пресс-штемпель 7 и
пресс-шайбу 6 на заготовку передается давление от главного цилиндра прес-
59
са. Под действием высокого давления металл истекает в рабочий канал матрицы, формирующий заданное изделие.
Описанная схема относится к процессу прямого прессования.
Началом истории развития прессования считают 1663 год, когда Паскаль впервые предложил использовать принцип сообщающихся сосудов, в
дальнейшем положенный в основу гидравлических прессов.
Считают, что необходимостью появления процесса прессования является, возникшая в 17–18 в.в. потребность в трубах для подачи жидкостей. Принцип традиционной схемы прямого прессования известен с 1797г. из патента
английского изобретателя Брамака. В 1820г. Барр сконструировал первый
вертикальный пресс с гидравлическим приводом для прямого прессования
труб из контейнера с жидким свинцом.
Прообразом современного горизонтального прутково-профильного
пресса для прямого прессования является пресс для получения прутков из
медных сплавов, созданный в Германии в 1894г.
В России промышленное холодное прессование свинцовых прутков
осуществили в конце XIX в. на вертикальном механическом прессе.
С тех пор техника прессования достигла высокого уровня. В настоящее
время прессованием получают несколько десятков тысяч наименований
пресс-изделий из различных металлов и сплавов на прессах с номинальным
усилием до 200 МН.
Широкое развитие прессования объясняется благоприятной схемой
напряженного состояния деформируемого металла – всесторонним неравномерным сжатием. В настоящее время прессование металлов осуществляют в
широком интервале температур. Выбор температурных условий прессования
определяется, главным образом, величиной сопротивления деформации.
Горячее прессование используется чаще, чем холодное. Однако область
применения холодного прессования расширяется для металлов и сплавов,
имеющих невысокое сопротивление деформации, с увеличением производства высокопрочных инструментальных сталей в результате создания высокопроизводительного специализированного оборудования.
Процесс прессования организован как периодически повторяющийся
процесс, однако в настоящее время нашли промышленное применение способы прессования в полунепрерывном и непрерывном режимах.
Процесс прессования имеет много разновидностей, отличающихся рядом признаков: наличием или отсутствием перемещения заготовки в контейнере при прессовании; характером действия и направлением сил трения на
поверхности заготовки и инструмента; температурными условиями; скоростью и методами приложения внешних сил; формой заготовки и т.п.
9.2 Преимущества и недостатки процесса прессования
60
Поведем сравнение прессования с сортовой и трубной прокаткой, которыми можно получить продукцию аналогичную прессованной и с начала
перечислим достоинства прессования.
1. Если при прокатке на многих участках пластической зоны возникают
большие растягивающие напряжения, понижающие пластичность обрабатываемого металла, то при прессовании имеет место схема всестороннего неравномерного сжатия, позволяющая получать различные пресс-изделия вообще
не получаемые прокаткой или получаемые за большое число проходов. Это
расширяет область применения процессов прессования, особенно когда относительные степени деформации за один переход значительны и, как правило,
превышают 75%, а иногда достигают и 99%, а коэффициенты вытяжки могут
иметь значения более 100.
2. Прессованием, возможно, получать изделия практически любых
форм, тогда как прокаткой получают профили и трубы лишь сравнительно
простых форм поперечного сечения.
3. При прессовании быстрее перевод процесса получения одного типа
размера пресс-изделия на другой – достаточна только замена матрицы.
4. Повышенная точность пресс-изделий обусловлена замкнутостью калибра матрицы и зависит от точности ее изготовления и состояния ее термической обработки.
5. При прессовании меньше затраты на переналадку, чем при прокатке.
Это позволяет рекомендовать прессование для многосерийного производства.
6. Высокие степени деформации при прессовании обеспечивают высокий уровень свойств изделий.
Основные технологические недостатки прессования следующие:
1. Для ряда металлов и сплавов, чтобы получать бездефектную продукцию требуются низкие скорости прессования.
2. Низкий выход годного из-за больших технологических отходов, достигающих более 15% за счет необходимости оставления больших прессостатков и удаления слабодеформированного выходного конца пресс-изделия.
3. Ограничение длины заготовки, обусловленное прочностью прессштемпелей, силовыми возможностями пресса и устойчивостью заготовки при
распрессовке.
4. Повышенная неравномерность деформации, влияющая на неравномерность распределения свойств в продольном и поперечном направлениях.
5. Сравнительно низкая стойкость инструмента и его высокая удельная
стоимость из-за тяжелых условий нагружения, а также необходимости использования для его изготовления дорогих легированных сталей.
Исходя из перечисленных преимуществ и недостатков, можно определить наиболее целесообразную область применения прессования:
61
- производство толстостенных и тонкостенных профилей и труб сложной формы, прессуемых из металлов и сплавов с высокими скоростями
истечения;
- обработка труднодеформируемых и малопластичных металлов и сплавов.
- получение полуфабрикатов сложной геометрии, повышенной точности и с тонкой полкой.
- получение тонкой проволоки из металлов и сплавов, не подвергающих
волочению;
- среднее и мелкосерийное производство.
9.3 Основные характеристики процесса прессования
Для описания деформации при прессовании используют следующие характеристики.
1. Коэффициент вытяжки λср определяют как отношение площади поперечного сечения контейнера Fк к площади поперечного сечения всех каналов матрицы Σfм.
λ cð =
Fê
∑ fì
(9.1.)
Помимо этого, коэффициент вытяжки можно определить как отношение длины отпрессованного изделия L'èçä к длине заготовки L'ç .
λ cð =
L'èçä
L'ç
(9.2.)
или отношение квадрата периметра контейнера Пк к квадрату периметра матрицы Пм.
λ cð =
Ï
Ï
2
ê
2
ì
При прессовании труб:
62
(9.3)
λ cð =
Fê − Fèã
Fì − Fèã
(9.4)
где Fм, Fк, Fиг – соответственно, площади сечения матрицы, контейнера и иглы-оправки.
2. Заготовка в контейнер подается с зазором, поэтому при расчете размеров исходной заготовки необходимо учитывать коэффициент распрессовки
K=
Fê
,
Fç
(9.5.)
где Fз – площадь поперечного сечения заготовки.
3. Степень деформации.
ε=
Fê − ∑ f ì
∑ fì = 1 − 1
= 1−
Fê
Fê
λ
(9.6.)
Связь между степенью деформации и коэффициентом вытяжки
λ cð =
Fê
∑ fì
(9.7.)
υ ïp =
∆h
,
t
(9.8.)
4. Скорость прессования.
∆h – длина отпрессованной части заготовки;
t – время прессования.
5. Скорость истечения.
где
υ èñò = λ ⋅ υ ïð
(9.9.)
Вопросы для контроля
1. Дайте определение прессованию.
2. По схеме прессования объясните сущность этого процесса.
3. Что послужило толчком к появлению процесса прессования?
4. Какая схема напряженного состояния реализуется при прессовании в
очаге деформации?
5. Перечислите и прокомментируйте преимущества процесса прессования по сравнению с сортовой и трубной прокаткой.
63
6. Какие недостатки у прессования по сравнению с сортовой и трубной
прокаткой?
7. Перечислите наиболее целесообразные области применения прессования.
8. По каким формулам можно подсчитать коэффициент вытяжки при
прессовании?
9. Как связаны между собой относительная степень деформации и коэффициент вытяжки?
10. Каким образом, зная скорость прессования, можно определить скорость истечения?
Лекция 10
Основные способы прессования
План лекции
1. Прямое прессование
2. Обратное прессование
3. Совмещенное прессование
4. Прессование с боковым истечением
5. Способы прессования труб
6. Полунепрерывное прессование
10.1 Прямое прессование
При прямом прессовании направления выдавливания изделий совпадает
с направлением движения пресс-штемпеля (рис 9.1). Этот способ прессования
наиболее распространен и позволяет получать сплошные и полые изделия
широкого диапазона поперечных сечений, близких к размеру поперечного сечения контейнера. Особенность способа – обязательное перемещение металла
относительно неподвижного контейнера.
Прямое прессование позволяет получать изделия с высоким качеством
поверхности, поскольку при прессовании этим способом у матрицы образуется большая по высоте упругая зона металла, практически исключающая попадание дефектов из зоны контакта заготовки с контейнером на поверхность изделия.
В результате сил трения на поверхности заготовки появляются высокие
сдвиговые деформации, способствующие обновлению слоев металла, формирующих периферийные зоны профиля.
Прямое прессование характеризуется следующими недостатками.
1. Высокие затраты энергии на преодоление трения металла о поверхность инструмента. В отдельных случаях доля усилия, затрачиваемая на это,
может достигнуть 40-60% от полного усилия прессования.
64
2. Большая неравномерность деформации на протяжении всего процесса, приводящая к неравномерности структуры и механических свойств в продольном и поперечном направлениях пресс-изделий.
3. Низкий выход годного из-за большого пресс-остатка, зависящего от
механизма и момента образования пресс-утяжины первого рода, а также из-за
большой обрези слабодеформированной части выходного конца пресс-изделия.
10.2 Обратное прессование
При обратном прессовании истечение металла в матрицу происходит в
направлении, противоположном движению пресс-штемпеля.
По первой схеме (рис. 10.1, а) металл 1 выдавливается из неподвижного
контейнера 2, закрытого заглушкой – пресс-шайбой 3, через матрицу 4 при
передаче усилия и движения от приводного гидроцилиндра на полый матрицедержатель 5.
Рис. 10.1. Схемы обратного прессования с заглушкой (а)
и с матрицей, установленной на неподвижном матрицедержателе (б)
Во второй схеме прессования истечение металла 1 через матрицу 4,
установленную на неподвижном матрицедержателе 5, обеспечивается при
передаче усилия и движения от приводного гидроцилиндра на заглушку 3 и
контейнер 2 (рис. 10.1, б)
В обоих случаях трение на неподвижном контакте «контейнер – заготовка» практически отсутствует, за исключением угловой полости вблизи
матрицы, где оно носит активный характер.
При обратном прессовании слиток не перемещается относительно
контейнера и общее усилие прессования снижается из-за отсутствия затрат
65
энергии на преодоление сил трения между контейнером и прессуемым металлом.
Преимущества обратного прессования по сравнению с прямым.
1) Повышение скорости истечения металла из-за большей равномерности его течения по сечению очага деформации.
2) Снижение усилия прессования, что позволяет увеличивать коэффициент вытяжки и снижать температуру прессования.
3) Монотонный характер истечения металла, обеспечивающий формирование равномерной структуры и механических свойств по длине прессизделий.
4) Рост выхода годного за счет уменьшения толщины пресс-остатка и
снижения глубины распространения пресс-утяжины в изделии.
5) Повышение производительности прессовой установки за счет увеличения скоростей истечения труднодеформируемых сплавов.
6) Увеличение срока службы контейнера из-за неподвижного его контакта с заготовкой.
Недостатками обратного прессования являются:
1) Уменьшение возможного поперечного размера пресс-изделия и числа
одновременно прессуемых изделий по сравнению с прямым прессованием из
контейнера того же размера в связи с сокращением размера проходного отверстия в матричном блоке.
2) Для получения профилей с хорошим качеством поверхности необходимо применять заготовки с хорошим состоянием поверхности, что достигается дополнительными операциями, такими как, предварительная обточка,
скальпирование заготовок или отливка слитков в электромагнитный кристаллизатор.
3) Ограничение номенклатуры пресс-изделий из-за недостаточной прочности удлиненного матричного узла.
4) Увеличение стоимости гидропрессов и вспомогательного времени
циклов.
10.3. Совмещенное прессование
В качестве примера приведем схему прессования с прямым и обратным
истечением сплошных изделий (рис 10.2, а).
66
Рис. 10.2. Схемы совмещенного прессования (а) и прессования с боковым истечением (б)
По этой схеме металл заготовки 1 под действием пресс-штемпеля 2 одновременно или разновременно (в зависимости от конструктивного выполнения) течет в матрицу 3 и 4.
При прессовании таким методом можно получить на тихоходных прессах изделия с повышенными скоростями истечения, т.к. скорости прессования здесь суммируются.
10.4 Прессование с боковым истечением
Схема процесса с боковым истечением приведена на рис. 10.2, б. Этот
процесс отличается от процесса с прямым истечением только изменением
направления истечения прессуемого металла примерно на 900. Такое изменение направления выхода пресс-изделия обеспечивает в ряде случаев удобство
совмещения его приема и блокировки с последующим технологическим процессом при создании непрерывных поточных линий, а также возможность получения максимальной длины изделия на вертикальных прессах.
67
10.5 Способы прессования труб
Наибольшее распространение в производстве получили прямое и обратное прессование труб (рис. 10.3), которые существенно не отличаются от
схем прессования сплошных изделий. Однако наличие иглы-оправки для формирования внутреннего канала трубы изменяет характер течения металла,
требует применения специального ее привода, обеспечивающего различные
кинематические условия в зависимости от соотношения скорости перемещения иглы-оправки, пресс-штемпеля и контейнера.
Рис. 10.3. Схемы прессования с прямым (а) и обратным (б) истечением:
1 – контейнер; 2 – игла; 3 – труба; 4 – матрица; 5 – пресс – штемпель;
6 – заглушка
Основные достоинства прямого способа прессования труб по сравнению с обратным.
1. Относительная простота способа, позволяющая осуществлять процесс на любом прессе, в том числе, и на прессе без прошивной системы.
2. Высокое качество поверхности получаемых труб.
3. Возможность получения труб практически любой конфигурации.
При этом следует отметить и ряд недостатков.
1. Высокие энергетические затраты из-за необходимости преодоления
сил трения.
2. Неравномерность распределения механических свойств и структуры
по длине и сечению труб.
3. Наличие на наружной поверхности труб крупнокристаллического
ободка.
4. Значительные отходы металла из-за пресс-остатка (10% и более).
При обратном прессовании труб истечение металла происходит через
канал матрицы, установленной на полом удлиненном матрицедержателе. Тру-
68
ба вытекает в зазор между матрицей и иглой. Игла может быть либо закрепленной в пробке, либо закрепленной в иглодержателе и пропущенной через
пробку.
Обратный способ прессования труб позволяет по сравнению с обратным способом следующее:
- значительно снизить усилие прессования, а, следовательно, осуществлять процесс при пониженных температурах слитков с повышенными скоростями истечения.
- повысить равномерность структуры и свойств в продольном и поперечном направлениях и практически устранить крупнокристаллический ободок.
- увеличить выход годного за счет уменьшения величины пресс-остатка.
Недостатки этого способа:
- ухудшение качества поверхности, обусловленное характером течения
металла, когда поверхностные слои заготовки попадают на поверхность
пресс-изделия;
- необходимость использования заготовок с хорошей поверхностью.
- использование полого матрицедержателя ограничивает по сложности
поперечного сечения номенклатуру изделий.
10.6 Полунепрерывное прессование
Этот метод заключается в прессовании без отделения пресс-остатка, который используют для дальнейшего прессования (рис. 10.4).
Процесс ведут с пресс-шайбой, закрепленной на пресс-штемпеле, желательно с упругим элементом для облегчения ее вывода из втулки контейнера.
После прессования одной заготовки пресс-остаток остается в контейнере, и
туда подают новый слиток. При прессовании нового слитка из хорошо свариваемых сплавов пресс-остаток сваривается со следующим слитком. В результате обе заготовки по торцевым поверхностям свариваются. В пресс-изделии эта поверхность будет изогнутой, что при хорошей сварке увеличивает
прочность стыка. В этом процессе для лучшей свариваемости недопустима
смазка и необходим подогрев контейнера до температуры, близкой к температуре прессования. Этим же способом можно прессовать с применением смазочных материалов изделия из неудовлетворительно сваривающихся металлов и сплавов. Однако для получения плоской линии сочленения пресс-изделий и последовательно прессуемых заготовок с легким их последующим разделением необходимо применять конусные матрицы с углом наклона образующей к оси менее 600 и вогнутые пресс-шайбы.
69
Рис. 10.4. Схема полунепрерывного прессования:
1 – пресс-остаток; 2 – слиток; 3 – пресс-шайба; 4 – пресс-штемпель; 5 - матрица
К трудностям процесса полунепрерывного прессования с прямым истечением следует отнести сложность получения контакта сопряжения смежных изделий, близкого к по форме плоскому, а также применение смазочных
материалов, снижающих качество поверхности и коррозионную стойкость
пресс-изделия и необходимость применения инструмента сложной конфигурации, что приводит к более тяжелым условиям его работы.
Вопросы для контроля
1. Перечислите основные способы прессования.
2. Назовите особенности прямого прессования.
3. В чем преимущества обратного прессования по сравнению с
прямым?
4. Что такое совмещенное прессование?
5. В чем особенности прессования с боковым истечением?
6. Для чего служит игла-оправка при прессовании труб?
7. Проведите сравнение прессования труб по прямому и обратному
способам.
8. Какая особенность конструкции у пресс-шайбы при полунепрерывном прессовании?
9. Объясните сущность полунепрерывного прессования.
10. Назовите ограничения, накладываемые на реализацию способа полунепрерывного прессования.
70
Лекция 11
Течение металла при прессовании
План лекции
1. Характеристика способов прессования и их стадий
2. Типы течения металла в контейнере
3. Прямое прессование круглого сплошного профиля через одноканальную матрицу
4. Течение металла при прессовании
11.1 Характеристика способов прессования и их стадий
В основу современных представлений о характере напряженно-деформированного состояния положила схема горячего прессования через одноканальную матрицу, прутка без смазки. На рис. 11.1. приведена схема внешних
сил и вызываемых ими внешних напряжений, действующих на прессуемый
металл при прямом способе прессования.
Рис. 11.1. Схема действия сил и напряжений при прямом прессовании
Для прямого прессования первичными активными являются силы и
напряжения, действующие на прессуемый металл от пресс-шайбы, вторичными являются нормальные и касательные (от трения) силы и напряжения, действующие на металл от контейнера и матрицы, а также силы и напряжения
трения, возникающие на контактной поверхности пресс-шайбы.
Реактивные силы действуют от металла на инструмент, и направлены в
противоположное направление.
По характеру силовых и деформационных условий процесс прессования
можно разделить на четыре последовательные стадии.
71
Первая стадия – распрессовка слитка в контейнере и заполнение металлом всего объема контейнера.
Вторая стадия – начало истечения, соответствующее выходу металла
через канал матрицы с одновременным зонообразованием и потерей устойчивости металла.
Третья стадия – условно установившееся течение, при котором происходит истечение основной массы металла.
Четвертая стадия – завершающее истечение, соответствующее началу
прессования зон затрудненной деформации.
Каждой стадии любого процесса прессования соответствует свой характер течения металла, который имеет решающее значение для прогнозирования закономерностей формирования структуры и свойств пресс-изделий.
К основным факторам, влияющим на течение металла, относятся: природа материала, способ деформирования, величина и направленность внешнего контактного трения на поверхности заготовки и инструмента, степень и
скорость деформации и т.п.
11.2 Типы течения металла в контейнере
Различают пять характерных картин течения металла в контейнере при
прессовании (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Типы течения металла в контейнере при прессовании
Течение типа «а», являющееся идеализированным случаем, при отсутствии контактного трения обеспечивает равномерное истечение металла, позволяющее получать распределение свойств в изделиях, близкое к однородному. Равномерность истечения металла от типа «б» к типу «г» уменьшается,
что вызывает анизотропию, получаемых свойств, как по сечению, так и по
длине пресс-изделий. В связи с этим на практике используют технические решения, позволяющие путем изменения реологического состояния деформируемой заготовки создать условия течения, близкие к типам «а» и «б», например, гидростатическое прессование в конические матрицы или прямое прессование со смазкой. При этом заготовка выдавливается в «плавающем» состоянии и благодаря уменьшению деформации поверхностного слоя и улучше-
72
нию условий его течения получают изделия с равномерными свойствами по
его сечению.
К факторам, наиболее значащим в улучшении кинематики течения, следует отнести роль внешнего контактного трения и температурный режим обработки.
Варьированием перечисленных факторов можно добиться повышения
скорости истечения периферийных слоев и выравнивания их по отношению к
скорости осевого потока. С изменением характера трения (с вредного на полезное) и направления возникающих сил коренным образом изменяется реологическое состояние периферийных слоев заготовки (рис.11.2, д).
Таким образом, чтобы повлиять на течение металла в контейнере, необходимо изменить традиционное положение инструментальной оснастки в
течение всего цикла прессования. Это обеспечивается, в частности, опережающим перемещением контейнера по отношению к пресс-штемпелю в направлении истечения металла. Это позволяет существенно изменить характер распределения скоростей перемещения матричных частиц. Причем при различных кинематических условиях существенно изменяется характер распределения компонент скоростей в продольном и поперечном направлениях. Варьируя кинематическими и температурными условиями, можно интенсифицировать периферийное течение материала и затормозить осевой поток, что отражается на характере распределения деформации.
11.3 Прямое прессование круглого сплошного профиля
через одноканальную матрицу
Для осуществления расчета основных параметров процесса принимают,
что поле скоростей является сферическим и микрообъемы прессуемого металла, проходя через пластическую зону, дважды меняют свое направление на
сферических поверхностях П1 и П2, называемых поверхностями разрыва скоростей (рис. 11.3). В прессуемой заготовке условно различают три зоны. В
зоне 1 где металл считают жесткопластичным, все объемы заготовки движутся равномерно и параллельно оси прессования до поверхности П1, в которой
происходит первое изменение направления движения. В зоне 2, в которой металл становится пластичным, все его микрообъемы перемещаются к вершине
конуса О и, достигнув поверхности разрыва скоростей П2, снова меняет свое
направление. После выхода из зоны 2 металл в зоне 3,перейдя в пресс-изделие, снова становится жестким, и его микрообъемы движутся равномерно и
параллельно оси прессования.
73
Рис. 11.3. Поле скоростей при прямом прессовании круглого сплошного профиля
через одноканальную матрицу
Скорость движения металла в зоне I постоянна и равна υn, в зоне III - υи,
а в зоне II скорость движения микрообъема υx переменна и зависит от угла α
и величины Rx, т.е.
υx = υ0 ⋅ cos α ⋅ (R02/ Rx2)
(11.1)
В связи с тем, что скорость движения металла по объему пластической
зоны не одинакова, прямые линии координат сетки, нанесенные на меридиональную плоскость заготовки, перпендикулярно к оси прессования, при переходе в пресс-изделие, значительно искривляются. Наличие α влечет за собой
увеличение искажения поперечных первоначально прямолинейных линий
сетки.
Схема напряженно-деформированного состояния металла при прессовании.
11.4 Течение металла при прессовании
При прессовании деформированное состояние металла в пластической
зоне определяется двумя укорочениями, и одним удлинением. Удлинение в
большей части пластической зоны, где имеет место всестороннее сжатие, пассивно, так как происходит без приложения растягивающих сил в направлении
удлинения.
Для изучения деформаций применяют различные экспериментальные
методы исследования: координатной сетки, визиопластичности, составных
образцов, вставок, структурный, поляризационно-оптический (фотопластичности), «муар», измерение твердости.
74
К аналитическим методам исследования относятся методы линий
скольжения и характеристик.
Наиболее наглядно закономерности деформированного состояния наблюдаются на образцах с нанесенными на диаметральной плоскости координатными сетками (рис. 11.4).
Рис. 11.4.Схема деформированного состояния прессуемого металла в начале (а) и в
конце основной стадии течения (б)
Основными положениями деформированного состояния являются:
1. Все прямые продольные линии начала координатной сетки, оставаясь, за исключением переднего конца, практически прямыми после прессования, претерпевают изгибы у входа в обжимающую часть пластической зоны
и у выхода из этой части. Схема деформированного состояния прессуемого
металла в начале (а) и в конце основной стадии течения (б).
2. Эти изгибы направлены во взаимопротивоположные стороны, что
свидетельствует о немонотонности деформации.
3. Немонотонность деформации уменьшается от периферии к центру.
4. Торцевые поверхности обжимающей части пластической зоны представляют собой плавные осесимметричные поверхности. Выпуклость, которых направлена против движения прессуемого металла.
5. На некотором расстоянии от обжимающей части пластической зоны
продольные линии сетки изгибаются по направлению к оси заготовки,
уточнения центральных и утолщение периферийных слоев, что объясняется
влиянием контактных сил трения.
6. Все поперечные прямые линии координатной сетки изгибаются
выпуклостью в направлении движения прессуемого металла, что объясняется
отставанием периферийных слоев металла от центральных.
7. Наблюдается рост стрел прогиба поперечных линий в исправлении от
переднего конца к заднему.
75
8. Формы изгибов линий показывают, что все кольцевые слои пресс-изделия подвергаются, кроме основных деформаций (осевой и поперечной), деформации простого сдвига, которая растет от внутренних слоев к периферии.
9. Передний конец пресс-изделия всегда деформирован значительно
меньше, чем его основная часть.
Процесс прессования с обратным истечением существенно отличается
от прямого, поскольку на характер течения металла оказывает влияние отсутствие сил контактного трения. В таком случае пластическая деформация заготовки начинается около самой матрицы, что приведет к искажению поперечных линий координатной сетки только вблизи матрицы. Такая локализация
пластической деформации около матрицы заметно уменьшает неравномерность деформации в изделии, как по длине, так и по сечению пресс-изделий,
так как каждый из поперечных слоев, кроме торцевых, испытывает практически одинаковые деформации.
При обратном процессе прессования на большей части пресс-изделия
вытяжки осевых слоев от переднего конца растут заметно менее интенсивно,
чем у изделия, полученного при прямом истечении.
Вопросы для контроля
1. Нарисуйте и проанализируйте схему сил и напряжений, действующих на прессуемый металл.
2. Какие силы, действующие на металл при прессовании, называют активными и пассивными?
3. Назовите стадии прессования.
4. Какие факторы влияют на характер течения металла при прессовании?
5. Опишите характерные картины течения металла при прессовании.
6. Как меняется течение металла при прессовании с изменением характера влияния трения с вредного на полезное?
7. Какие экспериментальные методы исследования применяют для изучения течения металла при прессовании?
8. Назовите основные положения деформированного состояния металла
при прессовании.
9. Как меняется характер течения металла при прессовании с переходом
от прямого прессования к обратному?
10. Какие методы исследования течения металла при прессовании относят к аналитическим?
Лекция 12
76
Механизм образования пресс-утяжины
План лекции
1. Напряженное состояние при прессовании
2. Образование пресс-утяжины
3. Пресс-остаток, его назначение и величина
12.1 Напряженное состояние при прессовании
Если рассмотреть прессуемую заготовку, предварительно, мысленно,
разделив ее на продольные (трубчатые) слои с бесконечно малыми толщинами стенок и исключить влияние внешнего трения металла с инструментом и
внутреннего между его слоями, то при прессовании каждый такой слой будет
находиться в условиях всестороннего неравномерного сжатия (рис. 11.1).
Учитывая, что при условиях прямого прессования внутренние слои движутся быстрее периферийных, то в результате этого будут появляться значительные напряжения. Причем в периферийных слоях возникнут растягивающие напряжения, а во внутренних – сжимающие. Причина в том, что каждый
внешний слой сдерживает движение соседнего внутреннего. Вследствие этого
возникает зона наружных слоев с дополнительным продольным напряжением
растяжения, уменьшающимся по направлению от периферии к оси, и зона
внутренних слоев с дополнительными продольными напряжениями сжатия,
увеличивающимися к оси.
Установлено, что в зоне внутренних слоев в результате сложения основных и дополнительных напряжений напряженное состояние будет оставаться
всесторонним неравномерным сжатием. В зоне наружных слоев 2 и 3 дополнительные напряжения растяжения, налагаясь на основные продольные
напряжения сжатия, уменьшают их, иногда даже изменяют вид напряженного
состояния металла и переводят всестороннее неравномерное сжатие в двустороннее сжатие и продольное растяжение. Зона с разноименными напряжениями 3 находится ближе к выходу из обжимающей части пластической зоны.
Однако для процессов прессования, где наблюдается пониженное сопротивление деформации периферийных слоев по сравнению с внутренними,
периферийные слои движутся быстрее внутренних. В результате появляются
дополнительные напряжения: во внутренних слоях – растягивающие, в периферийных – сжимающие. В этом случае в обжимающей части пластической
зоны образуется зона внутренних слоев с дополнительным продольным растягивающим напряжением, уменьшающимся к периферии, и зона с дополнительными продольными напряжениями сжатия, уменьшающимися к оси. Тогда образуется зона 1 с всесторонним неравномерным сжатием, зона 2 внутренних слоев с всесторонним неравномерным сжатием и зона 3 с поперечным сжатием и продольным растяжением.
77
Для прямого прессования эпюра нормальных напряжений на прессшайбе характеризуется минимумом на оси. Продольные растягивающие
напряжения растут от центра к периферии. Отсутствие сил трения при прессовании только уменьшает неравномерность деформации, но полностью ее не
устраняет.
Из анализа напряженного состояния для прямого пресса прессования
установлено, что на всех участках прессуемого объема, кроме обжимающей
части пластической зоны
|σz| > |σr|
(12.1)
В обжимающей части, исключая участок с растягивающими продольными напряжениями
|σz| < |σr|
(12.2)
Переход от одних условий к другим плавный. Основное условие пластичности в обжимающей части пластической зоны определяется уравнением
σr = σz + 2K= σz+ σS,
(12.3)
где
σS – сопротивление деформации;
K – напряжение пластического сдвига, т.е. максимального сдвигающего напряжения (К = τmax)
12.2 Образование пресс-утяжины
При прессовании по мере приближения пресс-шайбы к матрице увеличиваются скорости течения металла в поперечном направлении. При небольших расстояниях между пресс-шайбой и матрицей они достигают
большой величины, что вызывает большие нормальные силы на боковой поверхности контейнера (рис 12.1) dNкр, которые вместе с силами трения dTкр
нарушают равновесие металла у поверхности пресс-шайбы (силы dTпр). В результате этого часть металла, находящаяся в зоне периферийной части прессшайбы, потечет в поперечном направлении к оси заготовки так, как это схематически показывают стрелки 1 и изгиб продольных линий координатной
сетки около пресс-шайбы. Такое встречное движение частей периферийных
слоев прессуемого металла, примыкающих к пресс-шайбе, неминуемо приводит к образованию около ее центральной части зоны 2, к которой направлены
встречные потоки периферийного металла.
78
Рис. 12.1. Схема образования центральной пресс-утяжины при прессовании
При охлаждении металла от контакта с холодной пресс-шайбой или при
приварке к ней эта зона становится упругой, а по ее границам (поверхности,
характеризуемые кривыми а и б) течет пластически деформируемый металл.
При таком течении металла часть его, находящаяся на боковой поверхности
заготовки и примыкающая к пресс-шайбе, перейдет сначала на поверхность
пресс-шайбы, а затем на поверхность скольжения упругой зоны аб. Если эта
поверхность и металл хорошо сваривается, на воронкообразной поверхности
скольжения нарушений сплошности металла не будет. Если же эта поверхность покрыта окислами или следами смазки, то в прессуемом металле образуется воронкообразная полость, окружающая своей широкой частью упругую зону, становящуюся как бы пробкой, закрывающей эту полость (рис
12.1).
При отсутствии около пресс-шайбы приварки или охлаждения прессуемого металла зона 2 упругой не становится, а потоки периферийного металла,
направленные к выходу из матрицы, вызывают потерю устойчивости зоны 2 и
увлекают за собой металл зоны. При этом образуется центральная воронкообразная полость, самая узкая часть которой может быть заполнена загрязнениями с периферийного слоя. Рассмотрено образование центральной или осевой
пресс-утяжины. Есть еще средняя пресс-утяжина из-за попадания в пруток
металла с поверхности слитка через объемы металла, находящиеся в углах
контейнера, близлежащих к пресс-шайбе, а также боковая – затекание металла из мертвых объемов, и имеющая разнообразные формы.
79
Образование пресс-утяжины резко уменьшается при обратном прессовании, однако происходит снижение производительности процесса. Существуют мероприятия по снижению пресс-утяжины при сохранении производительности.
1. Снижение трения на боковых поверхностях контейнера и матрицы за
счет использования смазки.
2. Применение контейнеров и матриц с гладкой поверхностью.
3. Нагрев контейнера, снижающий охлаждение периферийных слоев
слитка.
4. Прессование с рубашкой.
12. 3 Пресс-остаток, его назначение и величина
Для предупреждения попадания в пресс-изделие пресс-утяжин прессование ведут не до технически возможного конца, определяемого максимальной силой пресса или предельным приближением пресс-шайбы к матрице, а
до момента возможного начала проникновения утяжин в пресс-изделие. При
этом в контейнере остается некоторый объем прессуемого металла – прессостаток.
Многолетним опытом установлено, что минимальная высота прессостатка (не считая объема металла, остающегося в канале матрицы) для практически применяемых деформаций колеблется в пределах от 10 до 30% диаметра заготовки
hn=(0,1-0,3) D3.
где
(12.4)
hn – высота пресс-остатка;
D3 - диаметр заготовки.
Установлены следующие закономерности, относящиеся к величине
пресс-остатка.
1. Пресс-остаток уменьшается с уменьшением отставания периферийных слоев от внутренних.
2. Пресс-остаток практически не зависит от начальной длины заготовки,
если она превышает некоторую величину, при которой начинается интенсивное отставание периферийных слоев от внутренних.
3. При неизменных прочих условиях рост диаметра заготовки вызывает
увеличение высоты пресс-остатка.
4. Пресс-остаток увеличивается от применения вогнутой пресс-шайбы,
а также конических матриц с каналами большой длины (малый угол α).
5. Пресс-остаток уменьшается при применении плоско-конических или
плоско-радиальных матриц по сравнению с коническими, сигмовидными и
радиальными.
80
6. Пресс-остаток увеличивается при смазывании пресс-шайбы и уменьшается при торможении скольжения металла по пресс-шайбе.
Вопросы для контроля
1. Опишите напряженное состояние при прессовании.
2. Какие напряжения возникают в разных слоях заготовки при прямом
прессовании?
3. Какой вид имеет эпюра нормальных напряжений на пресс-шайбе при
прямом прессовании?
4. Каким уравнением описывается основное условие пластичности в обжимающей части пластической зоны при прямом прессовании?
5. Опишите механизм образования пресс-утяжины при прессовании.
6. Назовите виды пресс-утяжин.
7. Какие существуют мероприятия по снижению пресс-утяжины при
прессовании?
8. Назовите технологическое назначение пресс-остатка.
9. Какова минимальная высота пресс-остатка для практически применяемых деформаций?
10. Перечислите основные закономерности, определяющие величину
пресс-остатка.
Раздел 2
Характер напряженно-деформированного состояния
и силовые условия при прессовании
Лекция 13
Технологические особенности разных видов прессования
План лекции
1. Прессование через многоканальную матрицу
2. Особенности прессования некруглых профилей
3. Прессование труб с прошивкой и через комбинированную матрицу
13.1 Прессование через многоканальную матрицу
Многоканальное прессование ведут через матрицу с числом каналов 220, а иногда и более. При этом основными отличиями от прессования через
одноканальную матрицу при одинаковых заготовках и скоростях истечения
являются:
- уменьшение средней длины пресс-изделий пропорционально числу
нитей;
81
- сокращение длительности процесса;
- уменьшение полного давления прессования из-за возрастания суммарного поперечного сечения всех нитей и, следовательно, уменьшения общей вытяжки;
- снижение теплового эффекта деформации из-за уменьшения общей
вытяжки;
- увеличение контактной поверхности в каналах матрицы.
Поэтому многоканальное прессование применяют, если при этом растет
производительность; номинальное давление пресса многократно превышает
необходимое для прессования через один канал; в условиях, когда желательно ограничение роста температуры металла в пластической зоне в процессе
прессования, а такие при необходимости получения профилей с очень маленькой площадью поперечного сечения.
Течение металла при многоканальном прессовании характеризуется
следующим.
1. Разделением прессуемого металла при приближении к матрице на
отдельные потоки соответственно числу каналов.
2. Уменьшением средней вытяжки из-за разделения металла на потоки,
каждый из которых питается уменьшенным объемом заготовки. Скорости истечения из каждого канала матрицы не одинаковы, поэтому прутки выпрессованные из более удаленных от оси каналов, короче выпрессованных из более
близких к оси каналов. Поэтому такое прессование характеризуют средней
вытяжкой λср.
λср = Fз/∑Fuз,
где
(13.1)
Fз – сечение заготовки после распрессовки;
Fиз – сечение пресс-изделия.
3. При использовании для одноканального и многоканального прессования одного контейнера – уменьшением абсолютной величины гидростатистического давления во всех элементарных объемах пластической зоны из-за
увеличения суммарной площади поперечного сечения каналов для выхода металла. При этом падение полного давления прессования с увеличением числа
нитей не пропорционально числу нитей.
4. Каждая нить прессуется со «своей» вытяжкой, отличающейся от другой.
5. Непрерывным изменением скоростей истечения через различные каналы по мере продвижения пресс-шайбы к матрице.
Для обеспечения истечения всех нитей со сравнительно одинаковыми
скоростями, что важно для получения пресс-изделий заданной длины, каналы
на матрице располагают определенным образом.
Скорости истечения будут близкими, если центры каналов расположены равномерно по всей окружности с центром на оси заготовки. Если каналы
82
располагаются на нескольких концентрических окружностях, то центр каждого канала должен совпадать с центром тяжести равновеликих ячеек сетки, нанесенной на торцевую поверхность матрицы. Ячейки должны быть расположены симметрично относительно оси. Площадь каждой ячейки Fя определяется по формуле:
Fя = π ⋅ D32/4n,
(13.2)
где n – число каналов матрицы.
Пример такого расположения каналов показан на рис. 13.1.
На скорость истечения отдельных нитей может заметно влиять скорость
прессования.
Рис. 13.1. Расположение каналов на 22-канальной плоской матрице
Для выравнивания скоростей истечения устраняют причины неравномерности скоростей: или изменяют силовой подпор у выхода металла из пластической зоны, изменяя эффективную длину калибрующего пояска каждого
канала за счет наклона образующей пояска к его оси, или несколько приближают периферийные каналы к центральному. Часто увеличивают эффективную длину поясков на внутренних каналах, в результате чего возрастает подпор, скорости истечения уменьшаются и заметно сравниваются со скоростями
истечения из периферийных каналов.
13.2 Особенности прессования некруглых профилей
Основная общая особенность прессования некруглых сплошных профилей из круглых заготовок – возникновение дополнительных по сравнению с
83
круглыми профилями деформаций и напряжений, из которых опасны
большие напряжения растяжения, приводящие к местным разрушениям, и
большие напряжения сжатия, вызывающие образование местных складок
(гофров).
Возникновения таких напряжений обусловлено следующими причинами.
1. Нарушение геометрического подобия начального и конечного поперечных сечений.
2. Увеличение неравномерности температур и сопротивления деформации по поперечным сечениям обжимающей части пластической зоны из-за
нарушения геометрического подобия поперечных сечений и изменения величины и формы пластической зоны.
3. Отсутствие симметрии или малая степень симметрии поперечного сечения.
Для уменьшения возникающих дополнительных напряжений и улучшения процесса истечения необходимо уменьшение осевой асимметрии деформаций и неравномерности скоростей истечения прессуемого металла. Первое
достигается максимально возможным приближением формы поперечного сечения заготовки к поперечному сечению прессуемого профиля. Например,
для профилей, вписывающихся в вытянутый прямоугольник, применяют заготовки прямоугольного (с овализацией краевых участков) поперечного сечения. Для выполнения второго условия необходимо, чтобы равновеликие по
своему поперечному сечению участки прессуемого профиля питались равными объемами прессуемой заготовки или, чтобы все «поучастковые» условные
вытяжки были равны между собой.
Для такого выравнивания используется.
1. Рациональное расположение канала (или каналов) на матрице. При
одном канале совмещения центра тяжести поперечного сечения с осью заготовки целесообразно только при профилях с осевой симметрией поперечного
сечения или близких к ним. При отсутствии симметрии и особенно при разнотолщинности участков профиля, центр тяжести профиля нужно смещать относительно оси заготовки так, чтобы участки профиля с меньшим удельным
периметром (т.е. периметром, приходящимся на единицу поперечного сечения этого же участка) располагались против уменьшенных питающих
объемов.
На рис.13.2 изображено правильное и неправильное расположение каналов для прессования треугольного профиля. При неправильном расположении центр тяжести профиля смещен с осью заготовки, а его равные части –
против равных объемов заготовки. В окрестностях правой части, имеющей
большой удельный периметр, гидростатическое давление повышено по сравнению с левой, поэтому из правой половины заготовки металл частично потечет в левую, объем истечения которой и скорость истечения увеличивается.
В результате через левую часть пройдет металла больше, чем через правую, а
84
т.к. их сечения равны происходит коробление профиля. Следовательно, канал
нужно смещать влево, что приведет к уменьшению питающего объема левой
части, выравниванию скоростей истечения и получению ровного профиля.
Рис. 13.2. Правильное и неправильное (пунктир) расположение канала на матрице
2. Участки профиля с большими удельными периметрами нужно располагать ближе к внутренним зонам заготовки, чтобы не происходило их захолаживание.
3. Для профилей сложных форм дополнительно к смещению центра тяжести профиля на различных его участках меняют эффективную величину
контактной поверхности калибрующего пояска. С ее увеличением повышается гидростатическое давление в соответствующем участке пластической
зоны, что уменьшает питающий объем и скорость истечения на этом участке.
Поэтому на участках профиля с большим удельным периметром контактная
поверхность пояска уменьшается.
4. Некоторому выравниванию вытяжек отдельных участков поперечного сечения профиля и скоростей истечения металла на этих участках помогает
приложение растягивающей нагрузки к вышедшему из матрицы переднему
концу профиля.
На рис. 13.3. представлена схема перехода торцевых поверхностей заготовки на внутреннюю и наружную поверхности выпрессованной трубы.
85
Рис.13.3. Схема перехода торцевых поверхностей заготовки (а) на внутреннюю
и наружную поверхности выпрессованной трубы (б):
1 – передняя торцевая поверхность до (а) и после (б) прессования;
2 – задняя торцевая поверхность до (а) и после (б) прессования.
13.3 Прессование труб с прошивкой и через комбинированную матрицу
В практике прессования труб, кроме способа прессования из полой заготовки, существует также прессование из сплошной заготовки с прошивкой
и прессование труб с использованием комбинированной матрицы. В способе
прессования с прошивкой требуется использование трубопрофильных прессов, имеющих прошивную систему. При этом осевая полость в заготовке выполняется подвижной иглой, а далее прессование ведется по способу, приведенному на рис. 10.3.
Прессование труб через комбинированную матрицу (рис. 13.4) имеет
две особенности.
Рис. 13.4.. Схема прессования через комбинированную матрицу:
1 – контейнер; 2 – пресс-шайба; 3 – заготовка; 4 – полый профиль; 5 – матрица
86
Во-первых, не требуется предварительного образования осевой полости
в заготовке, что исключает затраты на ее выполнение и позволяет вести прессование труб и полых профилей на прессах, не имеющих прошивных
устройств.
Во-вторых, необходимо рассечение заготовки в процессе прессования
на две или более части, входящие отдельными потоками в сварочную зону, а
затем каналы матрицы, где эти потоки обтекают оправки и свариваются, образуя продольные полости и швы по всей длине пресс-изделия. Следовательно, требуются условия, обеспечивающие требуемую прочность швов. Одним
из таких условий является недопустимость применения смазки, препятствующей прочному схватыванию металла в сварных швах.
В комбинированной матрице объединены матрица и оправка. Такую
матрицу еще называют язычковой. Конструкция комбинированной матрицы
позволяет получать трубы и профили не только с одной, но и с несколькими
полостями самых различных форм, как симметричных, так и асимметричных,
которые невозможно изготовить при прессовании в простые матрицы. Более
точная фиксация оправки относительно матричного канала, объясняемая монолитностью конструкции матрицы, а также весьма небольшая длина оправки
и, как следствие, ее повышенная жесткость дают возможность прессовать
трубы и полые профили со значительно меньшей, по сравнению с прессованием через простые матрицы, разнотолщинностью.
Прочные сварные швы могут быть получены при исключении попадания в сварочную зону окислов, смазки и других загрязнений, мешающих
схватыванию соединяемых потоков металла. Также необходимо применение
таких температурно-скоростных режимов, при которых температура металла
в пластической зоне становится достаточно высокой для схватывания в швах,
а длительность контакта свариваемых поверхностей обеспечивает протекание
диффузионных процессов, способствующих развитию и упрочнению металлических связей. Выполнение деформационных условий, гарантирующих высокое гидростатическое давление в сварочной зоне, также обеспечивает хорошее качество сварного шва.
Прессование труб через комбинированную матрицу (рис 13.4) имеет
две особенности.
1. Не требуется предварительного образования осевой полости в заготовке, что исключает затраты на ее выполнение и позволяет вести прессование труб и полых профилей на прессах, не имеющих прошивных устройств.
2. Необходимо рассечение заготовки в процессе прессования на две или
более части, входящие отдельными потоками в сварочную зону, а затем 87анналы матрицы, где эти потоки обтекают оправки и свариваются, образуя продольные полости и швы по всей длине пресс-изделия. Следовательно, требуются условия, обеспечивающие необходимую прочность швов. Одним из таких условий является недопустимость применения смазки, препятствующей
прочному схватыванию металла в сварных швах.
87
Вопросы для контроля
1. Перечислите особенности прессования через многоканальную матрицу.
2. В каких случаях целесообразна замена одноканального прессования
на многоканальное?
3. Приведите формулу для подсчета коэффициента вытяжки при многоканальном прессовании.
4. Какими приемами добиваются выравнивания скоростей истечения
при многоканальном прессовании?
5. Руководствуясь каким принципом, располагают каналы на матрице
при многоканальном прессовании.
6. В чем заключается основная общая особенность прессования некруглых сплошных профилей из круглых заготовок?
7. Какими причинами обусловлено возникновение дополнительных
напряжений при переходе от прессования круглых профилей к профилям с некруглой формой поперечного сечения?
8. Какими приемами выравнивают скорости истечения отдельных
участков сечения при прессовании некруглых профилей?
9. Опишите способ прессования труб с прошивкой.
10. В чем особенность конструкции комбинированной матрицы?
11. Какое требование предъявляют к материалу заготовки, предназначенному для прессования через комбинированную матрицу?
12. Назовите особенности прессования труб через комбинированную
матрицу.
Лекция 14
Силовые условия прессования
План лекции
1. Экспериментальные методы определения усилия прессования
2. Мощность и расход энергии при прессовании
3. Температурно-скоростные условия прессования
4. Скорости прессования и истечения
14.1 Экспериментальные методы определения усилия прессования
Определение силовых условий необходимо для выбора оборудования,
расчета инструмента, установления энергетических затрат и других показателей.
Экспериментально усилия прессования можно определять на моделях
или в производственных условиях путем натурных испытаний. Последний
способ наиболее точный, однако, трудоемок, дорог и часто для новых процес-
88
сов невозможен. Моделирование горячих процессов связанно с отступлением
от натуры в температурном режиме из-за различий удельных поверхностей
модели и натуры, отсюда неточности этого способа. Для определения полного усилия прессования наиболее распространенным и простым является
способ измерения давления жидкости в рабочем цилиндре пресса по показаниям манометра. Применяют такой метод упругих деформаций колонн пресса. Наиболее точные результаты при замере усилий дает метод тензометрии.
Типичная осциллограмма изменения давления по ходу пуансона и скорости его движения приведена на рис.14.1.
Рис.14.1. Осцилограммы давления – путь пресс-штемпеля при прессовании с прямым (а)
и обратным истечением (б):
1 – давление; 2 – ход пресс-штемпеля; 3 – нулевая линия
14.1.1 Аналитические методы определения усилия при прессовании
Опубликованные в настоящее время расчетные методы и формулы
можно разбить на следующие группы.
1. Формулы, основанные полностью или частично на решении уравнений равновесия в осредненных главных нормальных напряжениях или совместном использовании уравнения равновесия работ или мощностей. Эти
формулы делятся на две подгруппы по способу учета сил или трения:
- учет сил трения по закону Амонтона – Кулона, в котором часть полного усилия на преодоление сопротивления трению считается пропорционально действующему усилию;
- с учетом постоянного усилия трения.
2. Формулы, полученные на основе решения общих уравнений равновесия.
89
3. Формулы, основанные на принципе минимальной работы с применением метода вариационного исчисления.
4. Эмпирические формулы, в основе которых лежит закон линейной зависимости напряжения прессования от интегрального показателя деформации
с применением одного или нескольких экспериментальных коэффициентов.
Недостатком формулы является невозможность учесть в математическом выражении все условия и разновидности процесса и поэтому отсутствуют необходимые расчетные коэффициенты, точно отражающие действительные условия и факторы процесса.
14.1.2 Формулы для расчета усилия прессования
Усилие, необходимое для выдавливания металла из контейнера через
отверстие матрицы, называется усилием прессования.
Полное усилие Р пресса, необходимое для осуществления деформации
равно:
Р = Rм + Ткр+ Тм + Тn,
(14.1)
где
Rм – усилие для деформации металла без учета внешнего трения;
Ткр – усилие для преодоления сил трения, возникающих на боковой поверхности контейнера;
Тм – усилие для преодоления сил трения, возникающих на боковой поверхности калибрующего пояска матрицы;
Тn – усилие для преодоления сил трения, возникающих на поверхности калибрующего пояска матрицы.
Усилие пресса Рi, при котором идет прессование, отнесенное к единице
площади сечения контейнера F0, – удельное давление истечения σ
σ =
Pi
F0
(14.2)
Для подсчета составляющих усилия прессования чаще всего используют формулы И.Л. Перлина, имеющееся в справочниках для разных случаев
прессования.
Часто пользуются упрощенными формулами:
Р = Fз ⋅ Мn ⋅ lnλ,
где
(14.3)
Fз – площадь сечения заготовки;
Мn – модуль прессования, в котором учтены все условия прессования, кроме площади сечения заготовки и λ – вытяжки.
90
К основным факторам, влияющим на величину усилия прессования
можно отнести следующие:
- прочностные характеристики металла;
- степень деформации;
- профиль матрицы;
- размеры заготовки;
- условия трения;
- скорости прессования и истечения;
- температура контейнера.
14.2 Мощность и расход энергии при прессовании
Мощность Nn, передаваемая пресс-штемпелем, определяется выражением:
Nn = р ⋅ υn,
(14.4)
где
р – давление прессования;
υn – скорость прессования.
По записанным или аналитически определенным диаграммам давления
– путь пресс-штемпеля и скорость прессования – путь пресс-штемпеля строят
диаграмму мощность – путь пресс-штемпеля (рис. 14.2).
Рис.14.2. Схемы индикаторных диаграмм при прессовании с прямым истечением
В общем случае максимумы давления и мощности не совпадают, так
как в большинстве случаев при максимальных давления, возникающих в на-
91
чале процесса, скорости прессования заметно меньше развивающихся в середине процесса. Расход энергии на пресс–штемпеле An за один рабочий ход Lр.х.
определяется выражением:
An =
Lð.õ.
∫ PdL
(14.5)
0
Графически эта работа определяется по индикаторной диаграмме давление – путь пресс-штемпеля площадью, заключенной между кривой давления
и осью абсцисс.
14.3.Температурно-скоростные условия прессования
Температурные условия прессования влияют на величину сопротивления деформации и, как следствие, на характер истечения металла, силовые
условия прессования, структуру, механические свойства и точность размеров
поперечного сечения пресс-изделий. Температура прессуемого металла неразрывно связана со скоростными режимами процесса и производительностью
прессовой установки.
На рис.14.3. представлена схема, иллюстрирующая возникновение и
расходование тепла в процессе горячего прессования в условиях значительного контактного трения.
Рис. 14.3. Схема баланса тепла при прессовании
92
В общем случае на среднюю температуру металла в пластической зоне
влияет тепло, баланс которого складывается из следующих элементов: приход
тепла: с нагретой заготовкой Q0, вследствие перехода в тепло энергии, затрачиваемой на преобразование формы заготовки Qф вследствие преобразования
энергии, идущей на преодоление внешних сил трения Qтр.
Расход тепла: с выходящим из пластической зоны нагретым пресс–изделием Qизд; за счет рассеивания через прессовый инструмент Qрасс контейнер,
который как правило, имеет более низкую температуру, чем прессуемый металл, а также через матрицу, пресс–шайбу, иглу или оправку.
В общем виде содержание тепла в прессуемой заготовке представляется:
Q = Q0 + Qф + Qтр +Qизд + Qрасс
(4.6)
Рис.14.4 иллюстрирует структуру энергозатрат и соответственно теплового баланса при прямом прессовании без смазки. На рис.14.4 от I до VI – работа соответственно: осаживания заготовки в контейнере (I); формирования
пластической зоны (II); трения о стенки контейнера (III); трения на боковой
поверхности обжимающей части пластической зоны (IV); пластической деформации (V); трения в пояске матрицы (VI).
Рис.14.4. Структура энергозатрат и теплового баланса при прямом прессовании
Скорость прессования – один из основных факторов, изменяющих температуру деформируемого металла. С увеличением скорости прессования сокращается время теплопередачи между металлом и инструментом и темпера-
93
тура металла повышается. Рост температуры металла в пластической зоне при
увеличении скорости прессования является в ряде случаев основной причиной ограничения скорости сравнительно низкими значениями.
При определении температурного режима прессования нужно учитывать диаграммы пластичности сплавов, температурные условия процесса,
факторы, влияющие на их изменение и методы регулирования. При этом
необходимо стремиться к следующему:
- наибольшему снижению сопротивления деформации для уменьшения
необходимых усилий и нагрузок на инструмент;
- обеспечению равномерного распределения температуры (не выше
критической для данного сплава);
- соблюдению оптимальных температурных условий работы прессового
инструмента;
- соблюдению условий для проявления антифрикционного и защитного
действия применяемых смазок;
- обеспечению оптимальных значений механических свойств в пресс–
изделии и равномерной структуры.
Регулирование температуры металла при прессовании заключается в
создании таких условий, которые позволяют или удалить излишек деформационного тепла, или повысить температуру металла в определенные промежутки времени; или по возможности выровнять температурное поле в пресс–
изделии и поддерживать его постоянным.
14.4 Скорости прессования и истечения
Условиями, определяющими допустимые скорости прессования и истечения металла, служат: начало появления поверхностных трещин, образование рисок, наклепов и других поверхностных дефектов, устойчивость размеров поперечного сечения изделия, возникновения гофров и других дефектов.
Скорости прессования выбирают одновременно с температурой нагрева металла перед прессованием, при этом учитывают и другие деформационные
усилия, то есть вытяжку, форму профиля, смазку, свойства металла и прочие
факторы, влияющие на температурные условия прессования.
Кроме того, учитывают такие технические и экономические факторы
как прочностные характеристики прессового инструмента и силовые возможности привода.
В связи с изложенным диапазон скоростей прессования составляет примерно 0,2-300 мм/с, а скоростей истечения 0,1-1000 м/мин.
Теорией и практикой установлены закономерности для выбора скоростей.
1. Чем шире допустимый температурный интервал прессования, тем
больше интервал возможных скоростей.
94
2. При равных термодеформационных условиях чистые металлы можно
прессовать быстрее, чем их сплавы.
3. Металлы и сплавы, заметное охлаждение которых в процессе прессования недопустимо из-за значительного увеличения сопротивления деформации, а так же фазовых или аллотропических превращений, прессуются при
высоких и очень высоких скоростях.
4. При равных условиях быстрее прессуют профили круглых сечений,
медленнее – профили сложных форм, особенно тонкостенные и ассиметричные; полые профили прессуются через простые матрицы с оправкой быстрее
сплошных, а через комбинированные матрицы – медленнее.
5. Прямое прессование ведут медленнее, чем обратное.
6. Применение смазки и другие мероприятия, уменьшающие контактное трение, позволяют повышать скорости.
7. С уменьшением объема заготовки и, как следствие, с уменьшением ее
тепловой инерции скорости в общем случае возрастают. Поэтому чаще всего
скорости прессования на больших прессах меньше, чем на малых.
Вопросы для контроля
1. Для чего необходимо определение силовых условий прессования?
2. Какие существуют методы определения силовых условий прессования?
3. Опишите основные экспериментальные методы определения силовых
условий прессования, их достоинства и недостатки.
4. Назовите и опишите аналитические методы оценки усилия прессования.
5. Из каких составляющих складывается полное усилие пресса?
6. Назовите основные факторы, влияющие на величину усилия прессования.
7. Каким образом определяют расход энергии на пресс–штемпеле за
один рабочий ход математически и графически?
8. Напишите и прокомментируйте уравнение баланса тепла в нагретой
заготовке при прессовании.
9. Представьте графически и расскажите о структуре энергозатрат и соответственно теплового баланса при прямом прессовании без смазки.
10. Чем руководствуются при определении оптимального температурного режима прессования?
11. Перечислите основные принципы по которым выбирают скорости
прессования.
12. Какой диапазон скоростей прессования и истечения реализуется в
практике прессования?
95
МОДУЛЬ 3
ТЕОРИЯ ВОЛОЧЕНИЯ
Раздел 1
Закономерности течения металла и характер
напряженно-деформированного состояния при волочении
Лекция 15
Сущность и основные характеристики процесса волочения
План лекции
1. Определение волочения и виды полуфабрикатов, получаемых волочением
2. Основные характеристики процесса волочения
3. Характер течения металла при волочении
15.1 Определение волочения и виды полуфабрикатов,
получаемых волочением
Волочение – процесс обработки металлов давлением, заключающийся в
протягивании заготовки постоянного поперечного сечения через плавно сужающийся канал волоки (рис 15.1).
Рис. 15.1. Схема процесса волочения
Сила РВ, прикладываемая к переднему заостренному концу проволоки,
введенному в волоку называется силой волочения.
96
Так как размеры сечения канала, а в отдельных случаях и его форма измеряются по длине канала, заготовка, протягиваясь через волоку, деформируется и принимает форму и размеры наименьшего сечения канала. При этом
площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается. При волочении прутков, проволоки, профилей сплошного сечения и труб
без утонения стенки форма и размеры сечения изделия определяются только
конфигурацией и размерами выходного сечения канала волоки. При волочении труб с утонением стенки металл – 3 деформируется в кольцевом зазоре
между волокой – 1 и оправкой – 2 (рис. 15.2).
Рис. 15.2. Схема волочения трубы с оправкой
Волочением обрабатывают самые различные материалы: стали, алюминий, медь, никель, титан и сплавы на их основе, тугоплавкие металлы (Мо,
W, Nb, Zr) и их сплавы, благородные металлы (Au, Ag, Pt) и сплавы на их
основе.
Виды полуфабрикатов, получаемых волочением:
- круглая проволока диаметром 0,008-17 мм;
- проволока квадратного, прямоугольного, шестиугольного и других сечений;
- прутки круглые, квадратные, шестиугольные, трапециевидные и других форм;
- трубы круглые диаметром 0,3-500 мм со стенкой толщиной 0,05-25
мм, овальные, прямоугольные и других форм;
- фасонные профили с различной формой поперечного сечения и самых
разных размеров.
97
15.2 Основные характеристики процесса волочения
При волочении заготовка деформируется с изменением формы и размеров, однако объем ее при этом остается постоянным.
L0 ⋅ F0 = L1 ⋅ F1
(15.1)
При волочении применяют следующие показатели деформации.
1. Коэффициент вытяжки (или вытяжка) µ, показывающий во сколько
раз увеличилась длина или уменьшилась площадь поперечного сечения изделия за переход волочения:
L1 F0
=
L0 F1
µ =
(15.2)
2. Относительное обжатие – отношение уменьшения площади поперечного сечения изделия за переход волочения к ее начальному значению:
( F0 − F1 )
⋅ 100%
F0
ε=
(15.3)
3. Относительное удлинение – отношение увеличения длины изделия за
переход к ее начальному значению:
l=
( L1 − L0 )
⋅ 100%
L0
(15.4)
4. Интегральная (логарифмическая) деформация – натуральный логарифм отношения площади поперечного сечения изделия до и после перехода
волочения:
ε=
F 
i = ln  0 
 F1 
(15.5)
 L 
F 
i = ln 0  = ln 1  = lnµ
 F1 
 L0 
(15.6)
F0 − F1
F
1 ( µ − 1)
= 1− 1 = 1− =
F0
F0
µ
µ
98
(15.7)
l=
L1 − L0 L1
ε
=
− 1= µ − 1=
L0
L0
1− ε
F 
L
 1
i = lnµ = ln 0  = ln 1 = ln
L0
 1− ε
 F1 

 = ln ( l + 1)

(15.8)
(15.9)
15.3 Течение металла при волочении
Перемещение частиц металла в деформационной зоне при волочении
сплошных профилей симметричного сечения можно установить по изменению формы и линейных размеров ячеек квадратной сетки, нанесенной на
плоскости симметрии протягиваемой заготовки. Для проведения такого опыта
изготавливают разъемный образец с полированной плоскостью разъема. На
одну из плоскостей наносят координатную сетку. Затем обе части образца соединяют и протягивают его через волоку. После волочения образца его разъединяют на две части и изучают изменение линейных и угловых размеров
координатной сетки. Так как на плоскостях симметрии частицы металла взаимно не перемещаются, сдвигающие силы на этих плоскостях не возникают,
и можно считать, что характер течения металла разъемного образца совпадает
с характером течения металла цельной заготовки.
На рис. 15.3 схема изменения координатной сетки при волочении круглого прутка через волоку с коническим каналом.
Рис. 15.3. Схема изменения координатной сетки при волочении круглого прутка
через волоку с коническим каналом
Ячейки координатной сетки, имевшие до волочения форму квадрата,
после волочения принимают в центральном слое форму, близкую к прямоугольникам, удлиненным в направлении волочения и укороченным в по-
99
перечном направлении. При деформации ячеек прямые углы переходят в тупые и острые; при этом интенсивность искажения углов увеличивается от
центра к периферии, где она тем больше, чем выше угол наклона образующей
канала волоки α и коэффициент трения f. Вписанные в квадратные ячейки
круги, попадая в деформационную зону, сжимаются в направлении нормальных сил трения Т и превращаются в эллипсы, постепенно вытягивающиеся к
выходу из канала. При этом углы между большой осью эллипса и осью волочения уменьшаются от входа в канал к выходу из него. Поперечные линии
координатной сетки, прямые до волочения, становятся после волочения дугообразными, выпуклыми в направлении волочения. Кривизна их возрастает к
выходу из канала, что указывает на убывание скорости движения элементарных частиц от центра к периферии канала, причем тем заметнее, чем больше
угол α и сила трения.
Однако целостность металла в деформационной зоне и на выходе из нее
создает сопротивление сдвигу слоев и тем самым препятствует отставанию
периферийных частиц металла от частиц, находящихся в центре. Это приводит к тому, что в установившемся процессе при большой длине протягиваемого изделия прогибы поперечных линий координатной сетки получаются
сравнительно небольшими. Только при подходе к деформационной зоне заднего конца заготовки сопротивление сдвигу в продольном направлении
уменьшается, в результате чего отставание периферийных слоев от центральных возрастает, и на торце протянутого прутка образуется лунка типа утяжины, наблюдаемой при прессовании.
Продольные линии претерпевают два изгиба: при входе в канал и при
выходе из него.
Деформационную зону можно условно разделить на два участка:
- участок преимущественно упругих деформаций – упругая зона;
- участок преимущественно пластических деформаций – пластическая
зона.
Так как упругие деформации малы и в большинстве случаев не превышают десятых долей процентов, протяженность упругой зоны невелика. Однако из-за больших радиальных давлений на поверхность волочильного канала в упругой зоне на границе упругой и пластической зон создаются высокие
напряжения, для преодоления которых необходимы силы волочения, соизмеримые с силами, требующимися для пластической деформации. Особенно это
заметно при переходах с малыми деформациями, например в последних калибровочных проходах, в которых сила волочения для преодоления упругих
деформаций может составлять до 50-70% от общей силы волочения. Поэтому
учет напряжений, возникающий на границе двух зон необходим.
Вопросы для контроля
100
1. Дайте определение волочению.
2. Какие виды полуфабрикатов получают волочением?
3. Приведите схему волочения труб.
4. Какие характеристики описывают деформацию при волочении?
5. Как определить интегральную деформацию при волочении?
6. Каким методом изучают картину течения металла при волочении?
7. Сколько раз претерпевают изгиб продольные линии образца при волочении?
8. На какие участки можно разделить деформационную зону при волочении?
9. В чем причина возникновения высоких напряжений на границе упругой и пластической зон при волочении?
10. Из-за чего на торцевой поверхности заднего конца протянутого
прутка образуется лунка?
Лекция 16
Напряженное и деформированное состояние при волочении.
Сила и напряжение волочения
План лекции
1. Напряженное и деформированное состояние при волочении
2. Сила и напряжение волочения
3. Влияние различных факторов на силу и напряжение волочения
16.1 Напряженное и деформированное состояние при волочении
В деформационной зоне при волочении на каждый элементарный
объем, как показано на рис. 16.1, действуют три нормальных напряжения:
растягивающее в продольном направлении σl, сжимающее в радиальном
направлении σr и сжимающее в окружном направлении σΘ. Ввиду симметричности напряженного состояния при волочении круглого сплошного профиля
окружное и радиальное напряжения равны: σr= σΘ. Кроме того, на гранях элементарного объема действуют шесть касательных напряжений, которые попарно равны.
Если элементарный объем расположить так, чтобы осями симметрии
стали главные оси, то касательные напряжения станут равными нулю и
напряженное состояние будет характеризоваться только тремя главными
напряжениями: σl, σr, σΘ.
101
Рис. 16.1. Схемы напряженного и деформированного состояния в очаге деформации при
волочении
Схема главных деформаций характеризуется двумя деформациями укорочения – радиальной εr и окружной εΘ и одной деформацией удлинения продольной εl.
Так как из условия постоянства объема при пластической деформации
алгебраическая сумма деформаций равна нулю, то одна из деформаций равна
сумме двух других:
εl = εr + εΘ
(16.1)
При этом εl – является максимальной.
Для возможности использования формулы (16.1) необходимо, чтобы
показатели деформации позволяли производить их алгебраическое суммирование, т.е. обладали аддитивностью, а таким свойством обладает показатель
i=lnµ, тогда:
r 
lnµ l = lnµ r + lnµ θ = 2lnµ r = 2ln í  ,
 rê 
(16.2)
где rн и rк – радиусы поперечного сечения соответственно заготовки и
прутка.
При волочении напряжение растяжения и деформацию удлинения принято считать положительными (знак +), а напряжение сжатия и деформацию
укорочения – отрицательными (знак –).
Поскольку в этом случае положительное напряжение больше отрицательного, то σl – максимальное главное. Тогда условие пластичности записывается в виде:
σl – [–σr] = σS или σl + σr = σS
102
(16.3)
Формула 16.3 – условие пластичности для волочения круглого
сплошного профиля. Оно показывает, что ни одно напряжение при волочении
не может превышать сопротивления деформации.
16.2 Сила и напряжение волочения
Сила волочения PВ – продольная сила приложенная к протягиваемому
металлу у выхода его из волоки рассчитывается по формуле
PB = σ u ( F0 − F1 )(1 + f ⋅ ctgα ) ,
(16.4)
где
σu =
σ1+ σ2
.
2
(16.5)
Напряжение волочения КВ – это отношение силы волочения PВ к площади поперечного сечения изделия на выходе из волоки Fк. Или напряжение волочения – продольное напряжение σl в конце деформационной зоны.
Напряжение волочения должно быть меньше сопротивления деформации металла в его состоянии после волочения σS.к. В противном случае пластическая деформация может происходить и после выхода металла из волоки,
отчего будет искажаться форма поперечного сечения изделия после волочения и в конечном счете может произойти его обрыв. Поэтому при волочении
обязательно должно соблюдаться условие:
KB =
PB
< σ S.ê.
FK
(16.6)
где КВ – напряжение волочения.
Условие волочения без обрывов:
γ3 =
σ S.ê.
>1
KÂ
(16.7)
где γ3 – коэффициент запаса.
На практике γ3 = 1,35-2,0 иногда до 2,5. При этом, чем меньше изделие
и выше требование к качеству его поверхности и точности размеров, тем γ 3
больше. Поэтому максимальной величины γ3 достигает в последнем калибровочном переходе.
16.3 Влияние различных факторов на силу и напряжение волочения
103
Основные факторы, влияющие на силу и напряжение волочения: степень деформации за переход; прочностные свойства протягиваемого металла;
геометрия продольного профиля канала волоки; трение на контактных поверхностях деформируемого металла и инструмента; форма конечного и начального поперечных сечений; противонатяжение; вибрация инструмента.
Рассмотрим влияние каждого фактора.
1. Степень деформации.
Влияние степени деформации, выраженной показателем lnµ, графически
можно представить прямой линией.
Рис.16.2. Зависимость напряжения волочения КВ от степени деформации,
выраженной показателем lnµ, при волочении
Это позволяет определить напряжение на границе упругой и пластической зон в канале волоки σупр, необходимое для расчета напряжения по формулам. При отсутствии экспериментальных данных можно применять:
σупр = (0,1-0,12)σ0,2
(16.8)
2. Прочностные свойства металла.
Из условия пластичности (16.3) следует, что при увеличении сопротивления деформации должно увеличиваться и продольное напряжение в деформационной зоне σl Поскольку при холодной деформации сопротивление деформации можно принять равным временному сопротивлению материала разрыву протягиваемого изделия очевидно, что с повышением этой характеристики прочности напряжение волочение также должно увеличиваться. Исследования И.Л.Перлина показали, что большинства сплавов, используемых для
волочения, имеют значения отношения напряжения волочения, КВ к среднему
значению временного сопротивления разрыву σв.с в довольно узком интервале
0,46-0,53. Это позволяет утверждать, что изменение напряжения волочения
104
прямо пропорционально изменению среднего значения временного сопротивления разрыву.
3. Геометрия продольного профиля канала волоки.
Волочильный канал обычно состоит из пяти зон (рис. 16.3): 1 – входной, 2 – обжимающей, 3 – переходной, 4 – калибрующей и 5 – выходной. Из
этих пяти зон в контакте с деформируемым металлом в процессе волочения
находятся три: обжимающая, калибрующая и очень короткая переходная
между ними.
Поэтому на силу и напряжение волочения оказывает влияние продольный профиль только этих зон, который представляет собой ломаную линию
из двух участков. Наклонного к оси участка и параллельного ей, соединенных
радиусным переходом. Совокупность этих зон часто называют деформационной зоной.
Рис. 16.3. Профиль канала волоки
Особенно заметно на силу и напряжение волочения влияет угол наклона образующей обжимающей зоны к оси канала α (рис.16.4). Существует зона
оптимальных углов, при которых сила и напряжение волочения имеют минимальные значения.
105
Рис. 16.4. Зависимость напряжения волочения от угла волоки
Увеличение α приводит к уменьшению контактной поверхности металла с волокой, это снижает силу трения и силу волочения. Одновременно повышается давление металла на поверхность волочильного канала, выжимается смазка из деформационной зоны, растет коэффициент трения и усилие волочения. Кроме того, на преодоление дополнительных сдвигов из-за увеличения степени деформации требуется дополнительная сила. При малых углах
увеличивается контактная поверхность металла с волокой, но снижается степень деформации. Из-за наличия двух групп факторов, оказывающих противоположное влияние на силу волочения, причем при разных α по разному, существует зона оптимальных углов, соответствующая минимальным значениям силы волочения обычно это α = 5-180.
4. Трение на контактных поверхностях деформируемого металла и
инструмента
Величина сил контактного трения, а, следовательно, и величины силы и
напряжения волочения определяются свойствами металла волоки и деформируемого металла, качеством обработки поверхности волочильного канала и
протягиваемой заготовки, свойствами смазки и способам ее ввода в деформационную зону. Чем тверже материал волоки, тем лучше она полируется и тем
меньше налипание на поверхность канала волоки деформируемого металла, и
тем ниже коэффициент трения. Важен правильный подбор смазки. Действие
смазки ухудшается при увеличении угла α и повышении степени деформации
за переход из-за выдавливания смазки из волоки и разрушения смазочной
пленки на контактной поверхности. Эффективность действия смазки зависит
также от способа ее ввода в деформационную зону. При традиционном волочении смазка затягивается в деформационную зону протягиваемым металлом.
При этом давление в смазочном слое невелико и недостаточно для создания
смазочной пленки, надежно разделяющей поверхности волочильного канала
106
и изделия. Подачу смазки в волоку можно увеличить специальными трубками
(рис. 16.5).
Рис. 16.5. Схема волочения с гидродинамической подачей смазки.
1 – заготовка и изделие; 2 – волока; 3 – насадка; 4 – зазор; 5 – резервуар для смазки;
6 – смазка; 7 – эпюра изменения давления смазки по длине насадки; 8 – прокладка.
При прохождении протягиваемого изделия через насадку из-за небольшого зазора между внутренней поверхностью насадки и наружной поверхностью изделия смазка интенсивно затягивается в волоку, и в ее слое создается высокое давление. Величина этого давления в отдельных случаях может достигать предела текучести деформируемого материала. Такая подача
смазки – гидродинамическая. Смазка разделяет поверхности волоки и изделия, и создаются условия жидкостного трения, характеризующегося очень малым коэффициентом трения, т.к. основная сдвиговая деформация выводится в
смазочный слой. Условия жидкостного трения можно обеспечить только при
достаточно высоких скоростях волочения.
5. Форма конечного и начального поперечных сечений
Силы внешнего трения, а поэтому сила и напряжение волочения растут
с увеличением контактной поверхности канала волоки и деформируемого металла. При одинаковой площади поперечного сечения минимальный периметр у круга, поэтому минимальные сила и напряжение волочения соответствуют волочению круглых профилей. И. Л. Перлин предложил учитывать
влияние формы профиля на величину контактной поверхности коэффициентом А, равным отношению периметров поперечного сечения профиля и равновеликого круга. Эксперименты показали, чем выше А, тем больше напряжение волочения. Чем больше отличие форм начального и конечного поперечных сечений, тем больше напряжение волочения.
6. Противонатяжение
Небольшое противонатяжение, мало влияя на силу и напряжение волочения, снижают давление металла на стенки канала, уменьшают выдавливание смазки и уменьшают его износ. Сила и напряжение волочения начинают
107
заметно расти только по достижении силой противонатяжения определенного
критического значения Qкрит.
Qкрит создает критическое напряжение противонатяжения σq крит. Установлено, что σq крит равно напряжению на границе упругой и пластической зон
σq крит = σупр. Когда σq<σq крит, оно затрачивается на упругие деформации, которые при волочении без противонатяжения отсутствуют за счет σупр. При достижении напряжением противонатяжения величины σq крит упругие деформации полностью осуществлены, и начинается процесс пластической деформации. Если и дальше повышать силу противонатяжения, то потребуется увеличение силы волочения, т.к. она будет расходоваться не только на осуществление пластических деформаций, но и на преодоление избыточного противонатяжения.
Таким образом, применять противонатяжение Q < Qкрит во всех случаях
выгодно, т.к. сила волочения при этом не возрастает, а уменьшается износ канала волоки. При Q > Qкрит возрастают сила и напряжение волочения, что
приведет к необходимости уменьшения вытяжки за переход и увеличению
числа переходов.
7. Вибрация
При наложении на волочильный инструмент вибрационных колебаний
сила и напряжение волочения могут заметно снижаться. Используемые частоты колебаний делят на низкие – звуковые (25-500 Гц) и высокие – ультразвуковые (16000-80000 Гц). Для получения первых используют виброустройства
с механическими или гидравлическими приводами, для получения вторых
пьезоэлектрические или магнитострикционные излучатели.
Уменьшение силы и напряжения волочения при наложении вибрации
объясняется уменьшением сопротивления деформации протягиваемого металла и сил контактного трения. Существенное уменьшение сопротивления
деформации наблюдается только при наложении высокочастотных колебаний. Уменьшение напряжения волочения за счет уменьшения сопротивления
деформации можно достичь 60-70%.
Изложенные особенности волочения с наложением вибрационных колебаний показывают, что такой процесс может быть эффективен только при
сравнительно небольших скоростях волочения (не более 1-2 м/с).
Вопросы для контроля
1. Какие схемы напряженного и деформированного состояния создаются в очаге деформации при волочении?
2. Что такое сила волочения и как ее определяют?
3. Какие показатели процесса волочения обладают аддитивностью?
4. Что такое напряжение волочение?
5. Сформулируйте условие волочения без обрывов.
108
6. Назовите основные факторы, влияющие на силу и напряжение волочения.
7. Как графически представляется влияние степени деформации на
напряжение волочения?
8. Какой характер имеет зависимость напряжения волочения от среднего значения временного сопротивления разрыву?
9. Назовите зоны профиля канала волоки.
10. Какой зависимостью описывается напряжение волочения от угла волоки?
11. Что такое гидродинамическая подача смазки при волочении, какой
вид трения достигается при этом?
12. Как влияет форма конечного и начального поперечного сечения заготовки на напряжение волочения?
13. Что дает при волочении противонатяжение?
14. Какой эффект дает наложение колебаний на волочильный инструмент?
Раздел 2
Теоретические основы проектирования
технологических процессов волочения
Лекция 17
Основы проектирования переходов волочения. Заключение
План лекции
1. Понятие о переходе в волочении
2. Порядок расчета переходов для однократного волочения
3. Заключение
17.1 Понятие о переходе в волочении
Под переходом волочения называется ступень изменения размеров поперечного сечения металла при протягивании через одну волоку. Обычно
процесс волочения ведут в несколько переходов, при которых поперечное сечение заготовки, подвергающейся волочению постепенно уменьшается. Число переходов зависит от соотношения поперечного сечения заготовки и готового изделия, прочностных и пластических характеристик обрабатываемого
металла, сложности конфигурации поперечного сечения изделия, вида смазки, способа ее подвода к деформационной зоне, продольного профиля канала
волоки и ряда других факторов. Все эти факторы трудно учесть при расчетном определении силы волочения. Поэтому для стабильного протекания процесса необходимо, чтобы у протянутой части изделия был определенный
109
запас прочности, характеризуемый коэффициентом запаса γ3, рассчитываемым по формуле 16.7. При малом значении γ3 в протягиваемом изделии могут
наблюдаться местные утонения, внутренние разрывы, возможны даже обрывы изделия. Чем больше коэффициент запаса, тем больше число переходов,
следовательно ниже производительность, выше расход энергии и себестоимость продукции.
Таким образом, очевидно, что волочение следует вести при оптимальных условиях, т.е. с минимальным числом переходов, при которых обеспечиваются надежные значения γ3, с применением эффективных смазок, высококачественного инструмента и надежного отрегулированного оборудования.
Например, при хорошо выполненных захватках, без надрывов и местных утонений, плавном достижении рабочих скоростей на волочильных машинах и
при небольших растягивающих напряжениях, возникающих в сечении проволоки при образовании витков на тяговом устройстве процесс волочения идет
устойчиво, если при этом коэффициенты запаса соответствуют рекомендуемым ниже:
Прутки, толстостенные трубы и профили…………………..…………….1,35-1,4
Тонкостенные трубы и профили……………………………………….….1,6
Проволока диаметром, мм:
>1,0…………………………………………………………………………..1,4
1,0-0,4………………………………………………………………...…...…1,5
0,4-0,1…………………………………………………………...………...…1,6
0,1-0,05…………………………………………………………………........1,8
0,05-0,015……………………………………………………………..…......2,0
При отделочных (калибровочных) проходах коэффициент запаса
несколько повышается. Так, например, при калибровке тончайшей проволоки, особотонкостенных труб, тонкостенных профилей сложной конфигурации
коэффициент запаса может достигать 2,5.
Иногда количество переходов волочения обусловлено достижением
определенной деформации. Это имеет место либо при необходимости получения изделий с заданными прочностными характеристиками, либо при особовысоких требованиях к качеству поверхности, так как увеличение числа переходов способствует удалению мелких поверхностных дефектов и снижению
степени шероховатости поверхности.
При проектировании переходов большое значение имеет выбор формы
продольного профиля канала волоки. Ввиду того, что при малых углах наклона образующей зоны канала (α) обеспечивается наилучший захват смазки и
волочение происходит с минимальной неравномерностью деформации, угол
α следует принимать минимальным, соответствующим началу зоны оптимальных углов. Так как стойкость волочильного канала возрастает с уменьшением угла α, и увеличением длины калибрующей зоны, на калибрующих
переходах целесообразно некоторое уменьшение степени деформации за
110
переход, выбор угла меньше оптимального и увеличение длины калибрующей зоны. Это особенно важно при волочение изделий тонких и тончайших
размеров, имеющих узкие поля допусков.
17.2 Порядок расчета переходов для однократного волочения
Для всех видов однократного волочения порядок расчета переходов, в
общем, аналогичен и сводится к следующему.
1. По ГОСТам или техническим условиям определяют оптимальную величину поперечного сечения заданного изделия с учетом минусовых допусков; все дальнейшие расчеты ведут, исходя из этого сечения, что позволяет
учесть неизбежный износ канала волоки.
2. Согласно требованиям технических условий (прочностные характеристики, качество поверхности, точность геометрии), а также стандартным
размерам поперечного сечения прокатанных, литых или отпрессованных заготовок, определяют форму и размеры начального сечения с учетом плюсовых
допусков. Расчет с учетом площади поперечного сечения изделия по минусовым допускам, а площади поперечного сечения заготовки – по плюсовым позволяет определить максимальную величину общей вытяжки.
3. Определяют предварительное значение средней вытяжки за переход
(μср) и общее число переходов:
μоб = Fн/Fк = μ1μ2μ3 …μn = μncр;
(17.1)
lnμоб = lnμ1 + lnμ2 + lnμ3 +……….+ lnμn = n lnμср; (17.2)
откуда
n = lnμn/ lnμср
(17.3)
4. По диаграммам пластичности или экспериментально определяют
максимальную суммарную вытяжку между отжигами и устанавливают номера переходов, между которыми следует провести эту операцию.
5. Проводят предварительный расчет площади поперечных сечений
протягиваемого изделия после каждого перехода. При этом учитывают следующее: с нарастанием степени общей деформации в процессе волочения
вследствие упрочнения металла вытяжки за проход должны уменьшаться;
отделочные переходы с целью получения высокого качества поверхности следует вести с малыми вытяжками.
6. Рассчитывают для каждого перехода напряжение волочения и вычисляют получаемые коэффициенты запаса. При получении заниженных или завышенных коэффициентов запаса изменяют вытяжки по переходам, вторично
111
проверяют коэффициенты запаса и таким образом устанавливают нужные
переходы.
Заключение
Как правило, технология получения готовых изделий, в особенности
длинномерных, является многоцикловой и поэтому обычно включает множество промежуточных технологических операций. Эти факторы повышают себестоимость продукции и тем самым снижают ее конкурентоспособность на
рынке. В мировой практике металлообработки в последнее время наметилась
тенденция к разработке технологических процессов, направленных на совмещение нескольких способов металлопроизводства. Наибольшую популярность при этом получили технологические схемы получения изделий из цветных металлов и сплавов, которые представляют собой линию, включающую
получение расплава, последующую кристаллизацию и заключительное формоизменение.
Отечественная промышленность традиционно насыщенна предприятиями металлургического профиля, поэтому для них проблема создания таких
технологий чрезвычайно актуальна как с точки зрения снижения энергоемкости производства, так и точки зрения создания конкурентоспособной продукции. За рубежом при получении мелкосортных профилей из алюминиевых и
медных сплавов для мини-производств используются технологии нового поколения, названные технологиями непрерывного прессования (Конформ, Экстроллинг, Лайнекс) и непрерывного литья, прокатки, прессования (Кастекс,
Кастер). Модульное оборудование, предназначенное для их реализации, характеризуется высокой мобильностью, гибкостью перехода от одного типоразмера к другому, а также высокой производительностью.
В связи с изложенным можно сказать, что дальнейшее развитие технологий прокатки и прессования будет происходить в направлении совмещения,
комбинирования методами обработки металлов. Эти процессы будут следовать по пути создания мобильного модульного оборудования и мини-производств, способных производить высококачественную длинномерную продукцию в непрерывном режиме.
Необходимо также добавить, что в последние годы наметилась тенденция к созданию совмещено-комбинированных процессов, когда на каждом
последовательном этапе обработки можно применять комбинированный процесс. Примером реализации такого процесса может быть техническое решение, при котором на одной установке осуществляются одновременно операции литья-кристаллизации, прокатки-прессования, охлаждения и смотки готовых изделий в бухту с калибровкой готового изделия на заданное сечение.
Вопросы теории волочения и перспективы развития этого процесса не
имеют тесной связи с прокаткой и прессованием, поэтому рассмотрим их
отдельно от этих процессов. Так, считают, что современное состояние теории
112
волочения до сих пор не в полной мере удовлетворяет требованиям практики.
Многие закономерности установлены количественно и лишь приближенно.
Другая часть закономерностей установлена качественно. Это можно объяснить несовершенством теории больших пластических деформаций кристаллических тел, что опять же объясняется недостаточной разработкой теории и
практики моделирования, особенно высокоскоростных процессов.
В связи с тем, что базой для развития любого научного направления
служит не только развитие данного направления, но и смежных наук, то с
учетом этого можно выделить следующие основные направления совершенствования теории волочения:
- дальнейшее совершенствование профиля волочильного канала;
- разработка методов экспериментального и аналитического определения напряжений на границе упругой и пластической зон;
- совершенствование и развитие процесса волочения в волоках с подвижными контактными поверхностями;
- совершенствование теории трения, эффективности действия смазок,
разработка новых составов смазок, методов их подвода в деформационную зону, которые бы обеспечивали режимы трения близкие к жидкостному;
- развитие теории процессов волочения профилей сложной формы;
- исследование силовых, деформационных и скоростных параметров
процессов горячего и теплого волочения материалов, обработка которых в холодном состоянии затруднена или невозможна;
- разработка аналитических методов определения технически возможных максимальных скоростей волочения в зависимости от деформационных условий;
- разработка совершенных методов и аппаратуры для измерения силовых и тепловых условий при волочении в промышленных условиях;
- разработка новых совершенных методов контроля качества волочильных каналов и качества поверхности продуктов волочения.
Здесь указаны не все вопросы, требующие решения, круг их гораздо
шире, но даже перечисленные направления показывают, что теоретические
исследования в области волочения тесно связаны с практикой.
Вопросы для контроля
1. Что такое переход волочения?
2. От каких факторов зависит число переходов волочения?
3. Как зависит стойкость волочильного канала от угла α.
4. Какие значения коэффициентов запаса рекомендуют для устойчивого
протекания процесса волочения?
5. При каких значениях коэффициента запаса рекомендуют проводить
калибровочные проходы при волочении?
113
6. Каков порядок расчета переходов для однократного волочения?
7. Как определяют максимальную величину общей вытяжки при волочении?
8. Как назначают максимальную суммарную вытяжку между отжигами
при волочении?
9. Какая тенденция наблюдается в развитии процессов прокатки, прессования?
10. Что представляют собой технологии Конформ, Экстроллинг,
Лайнекс?
11. Какие операции включают технологии Кастекс, Кастер?
12. Перечислите основные направления развития теории волочения.
114