Способ прокатки металлов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 g 4 В 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTGPGHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1(L R

R+0

1 где 1

С„

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 38!0126/22-02 (22) 06,11,84 (46) 15.07.86. Бюл. 1Ф 26 (71) Научно-исследовательский институт металлургии (72) В. B. Храмцов (53) 621.77!.237.04(088.8) (56) Цветные металлы, 1982, !! 10, с. 71-73.

Авторское свидетельство СССР .Р 793670, кл. В 21 В 1/00, 1976, (54) (57) СПОСОБ ПРОКАТКИ МЕТАЛЛОВ, включающий обжатие металла в валках и ввод неподвижного инструмента между металлом и по меньшей мере одним валком со стороны входа металла в зону очага деформации, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью сни жения усилия прокатки, неподвижный инструмент вводят на всей ширине очага деформации и только на части его длины, определяемой зависимостью часть длины очага деформации, на которую вводят неподвижный инструмент; полная длина очага деформации; радиус валка; толщина переднего конца неподвижного инструмента

1243848

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к прокQTKе металлов в валках.

Цель изобретения — снижение усилия прокатки.

На фиг. 1 показано изменение строения очага деформации и соответственно эпюры удельных давлений Р„ при изменении критического угла со стороны верхнего валка радиусом через промежуточное значение (к нулю, а со стороны нижнего

1 валка радиусом Р через промежуточное значение к углу путем уве2 личения рассогласования окружных скоростей вращения валков, где 17 > JV Л и i T.QS нТ =ЙЛ— Â1 1 2 б - 0 1 1 1 контактные силы трения между металлом и валками и внешние силы, приложенные к концам полосы. Здесь 6 и 6 — переднее и заднее напряжение

0 в концах полосы; Я1 и Б, - площадь поперечного сечения концов полосы соответственно; на фиг. 2 — строение симметричного очага деформации и соответственно эпюры удельных давлений Р„„ для обычной прокатки с критическим углом и Р„ для совместной пропрокатки между неподвижными инструмен30 том (условно заштрихован) и вращающимися со скоростью V валками, радиусом R „, образующими общую дугу деформации М . Здесь Ч вЂ” угол, разделяющий зону действия неподвижного и вращающегося инструмента (далее именуемый угол раздела) при изменении исходног о критического угла от через промежуточное значение до нуля, l . I . и 1 — контактные силы трения, соответствующие своим значениям крити40 ческих углов; Т вЂ” внешняя сила, приложенная к неподвижному инструменту; на фиг. 3 — строение очага деформации, образованного неподвижным инструментом и вращающимися со скоростью

V „ V валками радиусами Б, и В, с углами раздела, равными 1 и Ч, 2 и соответственно эпюры удельных давлений Р> для двух уровней контакт2 л л ных сил трения 1 —, На эпюре

Р показано распределение удельных

1 давлений соответственно для обычной прокатки при условии 1= Ч 1;

>Т, и Т вЂ” внешние силы, приложенные к. йеподвижному инструменту со стороны верхнего и нижнего валков; на фиг. 4— строение очага деформации и соответственно эпюра распределения удельных давлений Р„ при условии, что V„ > 1 — — О; на фиг. 5 — строение

1 очага деформации, образованного с одной стороны, вращающимся со скоростью 7 валков радиус В1 неподвижным инструментом и вращающимися со скоростью 7р Валком радиус Вд с другой стороны деформируемого металла, и соответственно эпюра распределения удельных давлений Р,, причем контактные силы трения ло зонам деформации критический угол g и угол раздела У равны, т.е. i = const, =Ч, на фиг. б — поступление смазки в очаг деформации, образованный не подвижным инструментом (условно затемнен) и вращающимися валками.

Здесь, и (— толщина: слоя у1 т2 смазки между неподвижным инструментом и деформируемым металлом, между неподвижным инструментом и вращающимися валками соответственно,. — аналогично между металлом и валком, на фиг. 7 — очаг деформации длиной 1 и эпюра удельных давлений

Р после введения в него со стороны валков неподвижного инструмента с переменной толщи.: ой поперечного сечения от С в плоскости входа до С1 на переднем конце неподвижного инструмента. Здесь С вЂ” текушая толщина ,неподвюкного инструмента h, Й и

1 — текущие значения высоты и длины необжимаемого участка и. расстояние до него от плоскости выхода d д,»

К

p(,и Ч вЂ” соответствующие углы дефор,мации; на фиг, 8 — строение очага деформации, образованного вращающимся валками и неподвижным инструментом с обеих сторон деформируемого металла причем f„ ) ((1), 2 (1 Где и f — зазор MOKj3+ валком H HB подвижйым инструментом и

9 гт толщина. слоя смазки между валком и неподвижным инструментом," на фиг. 9— строение очага деформации, образованного вращающимся валком с одной стороны, где 1 = О, и неподвижным инструментом с другой стороны деформируемого металла, где 1, = О, Ч Ф О, причем f ) f ° Здесь f и $ — зазор и толщина слоя смазки между валком и неподвюкным инструментом; на фиг, 10принудительная подача смазки в очаг деформации под давлением со стороны неподвюкного инструмента через расположенные в нем каналы, При этом угол раздела незначительно меньше угла захвата М ; на фиг, 11 — прину!

2 :3849 дительная подача смазки в очаг деформации между неподвижным инструментом и валком. В подложке расположены каналы для подвода смазки под давлением; на фиг. 12 — пример выполнения способа прокатки при деформации металла в многовалковом калибре; на фиг. 13 сечение А-А на фиг. 12 (строение очага деформации); на фиг. 14 — сечение

Б-Б на фиг.,13; на фиг. 15 — пример 10 выполнения способа прокатки при деформации металла по схеме ромб — квад,рат, на фиг. 16 — сечение В-В на фиг. 15 (строение очага деформации). (Со стороны верхнего валка 1 = О, ф О, со стороны нижнего валка ф О).

Прокатка металла в валках, вращающихся с равными окружными скоростями и радиусами валков, характеризуется 20

;наличием двух эон в очаге деформации: зоны отставания, где контактные силы ,трения, действующие на металл, направлены по ходу прокатки, и зоны

„опережения, где контактные силы тре- 2S ния направлены против хода прокатки.

Таким образом, контактные силы трения в зонах отставания и опережения направлены навстречу одна другой, что оказывает подпирающее действие на деформируемый объем металла и проявляется в куполообразном виде эпюры удельных давлений с максимумОм в области нейтрального сечения. При этом в зоне оставания происходит увеличение, а в зоне опережения — уменьшение вели35 чины удельных давлений. Кривую а сЬ ограничивающую эпюру удельных давле ний при обычной прокатке, можно описать известными выражениями, полу40 ченными исходя из равновесия сил, действующих на элементарный объем металла в очаге деформации для двухмерной деформации.

Для зоны отставания

У, (E 3 1)(о) +1 (1)

50 для зоны опережения

Є= — (E 5 1)() 1 (2)

F1-А7

6, о о 2к где Р„,.

6„и удельное давление металла на валки; фактическое сопротивление формоизменению, угол захвата и критический угол соответственно, толпр;на металла во входном и выходном сечениях очага деформации; текущее значение толщины металла в очаге деформации; удельные натяжения заднего и переднего концов полосы, коэффициент трения.

h к

Ь нов о

Р =2h

X К

h где h — толщина металла в точке А

4 очага деформации.

Эпюра на участке между критическими углами и g таким образом

1 1 срезается по линии мЬ . Рассогласование окружных скоростей вращения валков, когда (, О, а приводит к срезу эпюры удельных давлений по линии a,b

При дальнейшем рассогласовании или при прокатке с одним неподвижным валком, когда окружная скорость приводного валка. больше или равна скорости выхода металла из очага деформации, т.е, f„= О; ) = oC, пик эпюры удельных давлений полностью срезается, а эпюра принимает. форму близкую к трапеции.

При прокатке в валках, вращающихся с разными окружными скоростями

V> ) V (фиг. 1), валок, обладают 6 щий большей окружной скоростью, приобретает дополнительную активность, а другой валок превращается в тормоз.

При этом равенство критических углов — нарушается и процесс протекает при следующем неравенстве кри- тических углов: „ (g (, В этом случае кривая, ограничивающая эпюру удельных давлений на участке с противонаправленным действием контактных сил трения 1„ и 1„, описывается л л следующим известным выражением: б

5; = для ул

М.

1243848

8 Р

1@ для h I ) h

2О

$

Таким.обра.зом, прокатка металла при однозонном строении очага деформации с противонаправленными силами контактного трения позволяет значительно уменьшить площадь эпюры удельных давлений, а следовательно, и об- . щее усилие прокатки, однако является предельным случаем известных способов прокатки. Дальнейшее снижение усилия прокатки возможно только за 10 счет формирования эпюры, у которой кривая, ограничивающая распределение удельных давлений, лежит ниже линии, соединяющей точки а и Ъ„ .

Это становится осуществимым при де- 15 формации металла неподвижным инструментом и вращающимся, валком, образующими общую дугу деформации по крайней мере с одной из сторон полосы.

Если при прокатке обычным спосо:GoM эпюра удельных давлений P огХ1 раничена кривой асЬ (фиг. 2) с вершиной в районе нейтрального сечения с углом }}, то введение в очаг неподвижного инструмента с углом раз1 дела, равным V, изменяет его строе-. ние. Появляется третья зона, формируемая неподвижным инструментом с ,контактными силами трения 1 между ним и прокатываемым металлом, нанаправленным против хода прокатки.

Дальнейшее осуществление процесса прокатки требует увеличения зоны ,едействия активных сил трения, направленных по ходу прокатки, sa счет

35 уменьшения критического угла с }(до g

Таким образом, в очаге деформации формируются два угла . угол раздела и критический угол, где контактные си;лы трения меняют направление своего

4О действия. При этом в месте выхода угла раздела Ч . на поверхность контакта с металлом силы трения направлены в разные стороны, аналогично для,критического угла g силы трения направле45 ны навстречу одна другой.

Если в первом случае формируются растягивающие напряжения, приводящие к уменьшению удельных давлений, то 5О во втором в очаге деформации форми-, руются напряжения сжатия, приводящие ,к подпирающему действию на деформируемый объем металла.

Распределение удельных давлений

I на участке от до 1 и от О до 1 можно описать выражением (2), где

Распределение удельных давлений на участке от Ч до описывается выражением. (1), где л-л. g

tg

Кривая, ограничивающая эпюру удельных давлений при данном строении оча- га деформации, происходит через точки 11 . В том месте, где напряже- ния растяжения и сжатия равны, она пересекает линию дЬ.. Когда g = =0, кривая, ограничивающая эпюру удельных давлений, лежит ниже линии db no всей длине очага деформации и проходит через точки а,k,b. Данный вариант прокатки является наилучшим с точки зрения гарантированного снижения усилия прокатки и осуществляется при

7,, V1, где Ъ „ и — скорость выходя металла из валков и их окружные скорости вращения соответственно, однако в общем случае усилие прокатки определяется площадью эпюры удельных давлений и зависит от величины зон действия неподвижного инструмента и валков внутри очага деформации, а также сил трения, действующих в них на контакте с металлом.

Соотношение скоростей вращения валков и скорости выхода металла из очага деформации в процессе прокатки может быть установлено по соответствующим контрольным приборам. Предварительно величину зон взаимодействия неподвижного инструмента и валков, определяющих соблюдение указанных скоростных соотношений, можно найти по следующей зависимости, вытекающей из закона сохранения энергии:

1 }11 = „- хГ}1}-л ° tg j — )

2 R - (} +1)

CP " 1

1243848

/ (4) 1

1 + h где

<ср 1, сг ь

hp — величина зоны в з аимодействия неподвижного инструмента и рабочего валка, . коэффициент, характери- 10 зующий распределение удельных сил трения вдоль очага деформации (средняя величина сил трения между металлом и 15 неподвижным инструментом); средняя величина сил трения между металлом и рабочим валком; 20 — коэффициент, учитывающий деформацию сдвига, среднее сопротивление металла деформации; — переднее и заднее напря- 25 жения в концах полосы

+ - от растягинаюших усилий, — — от усилия сжатия (подпора); — абсолютное обжатие ме- З0 талла в очаге деформации; коэффициент пропорциональности, характеризующий отношение уширения к обжатию, здесь 1 и,— о ширина полосы в плоскости выхода и входа в очаг деформации; — высота полосы в течении, соответствующем углу раз- 40 дела.

Таким образом, предлагаемый способ прокатки металла по отношению к известным способам позволяет уменьшить величину удельных давлений в 45 очаге деформации, а следовательно, и полное усилие прокатки, С целью увеличения возможностей предлагаемого способа прокатки он может осуществляться при разных зна- 50 чениях монтажных сил трения — С

1 со стороны неподвижного инструмента и вращающихся валков, что достигается разной их шероховатостью, режима ми подачи смазки или скоростями вра- 55 щения валков. Если при обычной прокатке увеличение контактных сил трения приводит к увеличению удельных давлений, как это показано на эпюре

Р (фиг. 3), то согласно предлагаемо1 му способу это приводит к их снижению. При определенной величине растягивающих напряжений в очаге деформации значение удельных давлений может стать равным нулю в точке (кривая ас ) или на участке (кривая атно эпюры Р„ ).

Достижение растягивающими напряжениями величины предела прочности металла для данных условий определяет его разрыв в очаге деформации, которого, однако, можно избежать при асимметричном расположении неподвижного инструмента в очаге деформации, когда Ф 4 Ч, т.е. при разной величине зон перекрытия со стороны рабочих валков, что вызывает сглаживание эпюры удельных давлений Р» (фиг. 4).

Упрощенный вариант предлагаемого способа прокатки, заключающийся в совместной деформации металла неподвижным инструментом и валком с одной его стороны, позволяет формировать присущую известным способом асимметричной прокатки эпюру удельных давлений Р„ трапециевидной формы (фиг. 5). В данном случе напряжения сжатия, возникающие от подпирающего действия контактных сил трения со стороны верхнего валка компенсируются напряжениями растяжения со стороны нижнего неподвижного инструмента и валка при условии: с — const по дугам деформации, = .

При прокатке предлагаемым способом, в отличие от известных способов, подача смазки в очаг деформации осуществляется по двум каналам (фиг. 6): со стороны неподвижного инструмента и прокатываемого металла, и со стороны неподвижного инструмента и валка. Смазка захватывается движущимися поверхностями металла и вал-. ков, поступает в очаг деформации, образуя разделительные слои толщиной и, которые в секторе с углом 1 образуют слой смазки . При этом в связи с меньшими удельными давлениями в очаге деформации условия поступления смазки улучшаются.

Введение неподвижного инструмента в очаг деформации изменяет не только

его строение, но и геометрические размеры. Ввиду того, что неподвижный инструмент имеет определенную

1243848

Х) R

R+C (12) 9 толщину (фиг. 7) в очаге деформации возникает не деформируемый по высоте участок металла, протяженность которого можно определить по следующей зависимости 5

С1

1 (5)

Помимо э рого изменяется и общая дли на дуги деформации. При С„-ъ 0

1О

+ Со) (6) где 1 = R(ю(— g ) — длина очага деформации до введения в него неподвижного инструмента. В данном 15 случае увеличение дуги деформации эквивалентно увеличению радиуса валков, величину которого можно найти из следующего выражения

Со 20

R =--R (1+ — ) (7)

ah

В общем случае, когда С„ 0 иэ- менение длины общей дуги деформации можно определить исходя из зависимости

-25

1о р о (8)

1 1

Растягивающие напряжения в дефор- мируемом объеме металла формируются 30 при условии (фиг. 7) (9) :Яз выражения (12) следует, что растягивающие напряжения обусловлены введением неподвижного инструмента в очаг деформации таким образом, что расстояние от переднего конца неподвижного инструмента до.плоскости выхода металла из валков должно быть не менее величины определяемой, например, в соответствии со следующей зависимостью, где $ — расстояние от переднего конУ ца полосы до плоскости выхода металла иэ валков.

Неподвижный инструмент может иметь разное конструктивное исполнение, в том числе быть жестким, т.е, не иметь непосредственного контакта при прокатке с рабочим валком. В этом случае смазка свободно поступает в очаг деформации в районе разделительного yrлаЧ через зазор (f„) (; Г >() (фиг. 8 и 9).

При уменьв|ении величины зазора, когда f = (фиг. 8), неподвижный инструмент начинает выполнять роль нагнетателя смазки, что также увеличивает ее поступление в очаг деформагде h = h + R (Ч вЂ” d .) (10) 35

Подставляя (10) в (9) после преобразований, получают -а )о, С 1 где д = — - (— — Ф)q

R или

С„

Б+C„

Длина эоны взаимодействия неподвиж- 0 ного инструмента и валка (расстояние, на которое вводится неподвижный инструмент в очаг деформации) равна Б

= Я (e — Ч ) откуда Ч = ес- - - с учеS

К том (ll)

S С вЂ” — или

R R+C„ ции.

Величину слоя смазки Е,, разделяющую металл и вращающийся валок, можно увеличить путем принудительной подачи смазки в очаг деформации (фиг. 10) по расположенным в неподвижном инструменте 1 каналам 2. В данном случае неподвижный инструмент выполняет роль принудительного нагие тания, формируя угол раздела 1 незначитепьно отличающийся Io вели чине,от угла захвата о{

С целью увеличения работоспособ.ности устройства для обеспечения предлагаемого способа прокатки оно может быть выполнено состоящим из непосредственно неподвижного инстру:мента 1,, опирающегося на неподвижную подложку (нагнетатель) 2 с каналами для подвода технологической смазки 3 под давлением (фиг. 11). При этом нагнетатель непосредственно в деформации металла может не участвовать.

Применение предлагаемого способа прокатки металла не имеет ограниче1243848

Критический угол, Усилие

Пример

Отношение длины зоны действйя неподвижног инструмента к общей длине очага деформа 1/ ции 1 и

К одольное наяжение концов лосы, KIa прокат ки, кН

Верхний ва

JIOK j 111

Нижний лок, у

Вариант 1" Прокатка при введении неподвижного инструмента в очаг деформации со стороны обоих валков

0,048

0,028 .0,008

О, 048

0,028

0,008

0,73

0,18

0,60

0,50

0,34

0 46

0 4I

9,О 1,0

14 1,0™

О

0,70

0,38 ний и может осуществляться наряду с прокаткой полос, прокатанной в многовалковых калибрах (фиг. 12-14) и при прокатке фасонных профилеи (фиг. 15 и 16).

Таким образом, применение предлагаемого способа прокатки позволяет значительно снизить усилие прокатки путем уменьшения величины удельных давлений по дугам деформации. Физическая сущность этого. явления заключается в формировании растягивающих напряжений, возникающих в очаге деформации от введения в него неподвижного инструмента по крайней мере со стороны одного из рабочих валков.

Строение очага деформации и соответственно величина растягивающих напряжений в металле при прокатке предлагаемым способом определяется величиной зоны действия неподвижного инструмента внутри очага деформации и контактных сил трения со стороны неподвижного инструмента и рабочего валка.

Предлагаемый способ прокатки металла может быть использован для прокатки металлов как в холодном, так и в горячем состоянии.

Пример. Прокатка проводилась на лабораторном двухвалковом стане с диаметром валков 200 мм.

Прокатывались свинцовые образцы размерами 5х30х200 мм со степенью деформации 30% предлагаемым способом в двух вариантах: с введением неподвижного инструмента в очаг деформации с одной из двух сторон про" катываемой полосы и способом с одним остановленным валком. В качестве неподвижного инструмента в очаг деформации вводилась стальная полоса, толщиной 0,3 мм и шириной 40 мм.

Результаты исследований и режимы

10 деформации металла согласно предлагаемому способу прокатки представлены в таблице.

Приведенные результаты эксперимен- та позволяют сравнить между собой

15 обычный способ прокатки Х = О, примеры 1, 6)„ прокатку с одним остановленным валком (Ю= I пример 10), когда зона действия неподвижного инструмента распределяется на всю длину

20 дуги деформации со стороны верхнего валка, что эквивалентно „ = К, а со стороны нижнего валка = О, и предлагаемый способ прокатки в двух вариантах. Если при прокатке извест25 ным способом усилие прокатки составляет 0,48 кН (пример 12), то при прокатке по первому варианту оно составляет 0,41 кН при одинаковом натяжении концов полосы (9,1 МПа) и 0,46 кН при

30 прокатке по второму варианту без натяжения концов полосы. Таким образом, снижение усилия прокатки составляет

14,6 и 4,2% соответственно. Максимальная разница в усилиях прокатки (см. примеры 5 и 12) составляет 21%.

1243848

Процолжение таблицй

9 роцольное на прокатки, кН ряжение концов олосы ИЛа

Верхвий ва лок., f

Нижний ва лок, у.=.J, абаз !

Вариант 2< ++ Прокатка при введении неподвижного инструмента в очаг деформации со стороны верхнего валка

0,048

0,73

0,04

0,18

0,04

0,026

0,012

0 34

0,56

0,46

0,50

0,003

0,75

0,46

0,53

0,,48

1,0

9,0 1,0 Шероховатость неподвижного инструмента и валков по ба классу точности;

X = 0,122.

Напряжение подпорa. Шероховатость неподвижного инструмента 11 класс ков 6а класс; = 0,122,.

Опытные значения критических углов определялись чатков. точности, рабочих валметодом керновых отпеО/0,122

О/0,122

0,028

0,013

Отнощенне длины зоны действия неподвижного и струмента к общей длине очаге цеФорма V

BHH 1 (А

1243848

Тй

l243848 игУ

1243848

1243848

Составитель Б. Храмцов

Редактор С. Лисина Техред И.Попович Корректор М. Демчик

Заказ.3743/11

Тираж 518 Подпи ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, k аушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, . Ужгород, ул. Проектная, 4