II. Производство холоднодеформированных труб на станах периодического действия

Глава 3. Теоретические основы процессов холодной периодической прокатки на станах хпт и хптр

3.1. Особенности пластического формоизменения и напряженно-деформированное состояние металла при холодной прокатке труб

Прокатка на станах ХПТ (рис. 3.1) имеет периодический характер и близка к горячей пилигримовой, но отличается тем, что деформация участка металла происходит на неподвижной конической оправке при неподвижной заготовке и возвратно-поступательном движении рабочей клети; кроме того, при холодной прокатке трубная заготовка используется полностью, а при горячей пилигримовой прокатке значительная часть металла (пилигримовая головка) идет в отходы.

В разработку теории этого процесса большой вклад внесен отечественными учеными: П.Т. Емельяненко, А.И. Целиковым, П.К. Тетериным, Я.Е. Осадой, О.А. Семеновым, Ю.Ф. Шевакиным, П.И. Орро, В.И. Соколовским, Ф.С. Сейдалиевым, М.И. Гриншпуном, В.В. Носалем, В.А. Вердеревским, З.А. Коффом и др.

Характерной особенностью и достоинством станов холодной прокатки труб является возможность уменьшения площади поперечного сечения трубы за один цикл прокатки на 70…80% и вытяжка 14…18% и более.

Формоизменение заготовки при холодной прокате труб происходит следующим образом. В исходном положении рабочей клети (рис. 3.2, а), подается заготовка, и рабочий конус 1 перемещается в направлении прокатки на расстоянии m (подачи заготовки), при этом внутренняя поверхность конуса отходит от поверхности оправки 3, образуя зазор . Для свободной подачи и поворота трубы в крайнем заднем и переднем положениях клети калибровкой предусмотрены холостые участки с большой глубиной ручья – так называемые зевы 2. При движении клети вперед происходит редуцирование рабочего конуса по диаметру до соприкосновения с оправкой, после чего обжатие по диаметру сопровождается обжатием по стенке. По мере движения клети вперед и перекатывания калибров, имеющих рабочий ручей переменного постепенно уменьшающегося сечения, деформируется металл, и участок рабочего конуса, расположенный впереди калибров, движется вперед. При этом непрерывно увеличивается зазор  между внутренней поверхностью рабочего конуса и оправкой на участках, расположенных впереди калибров.

В процессе прокатки задний конец заготовки неподвижно зажат в осевом направлении. В крайнем переднем положении рабочей клети происходит поворот прокатываемой заготовки вместе с оправкой на 1,05…1,57 рад, и клеть начинает двигаться обратно.

В исходном положении рабочей клети заканчивается прокатка участка трубы, получаемого за цикл работы стана.

За время одного полного цикла прокатки – суммарное время подачи, прямого и обратного ходов клети и поворота трубы – за пределы очага деформации выходит участок готовой трубы длиной линейным смещением L_т = m_L, где m – величина подачи; _ – суммарный коэффициент вытяжки за один цикл, равный отношению площади поперечного сечения заготовки к площади поперечного сечения готовой трубы.

Металл при холодной прокатке деформируется рабочей частью ручья L_раб, которая делится на участки (рис. 3.3):

• зону редуцирования l_р, где диаметр трубы уменьшается до соприкосновения с оправкой; (участок I);

• обжимную зону l_о, где одновременно с уменьшением диаметра уменьшается толщина стенки; (участок II);

• предотделочный участок l_пред, предназначенный для калибровки стенки трубы; (участок III);

• калибрующий участок l_к – для калибровки трубы по наружному диаметру; (участок IV).

Формирование готовых размеров трубы происходит в мгновенном очаге деформации рабочего конуса на границе обжимного (I) и калибрующего (III) участков (рис. 3.3), протяженность которых зависит от величины развала калибра, величины подачи, конусности оправки и определяется калибровкой рабочего инструмента.

При подаче заготовки перед прямым (рис. 3.4, а) ходом клети (валков) и повороте заготовки перед обратным (рис. 3.4, б) ходом зона редуцирования мгновенного очага деформации и соответствующий ей угол θ_р образуются за счет появления зазора между внутренней поверхностью рабочего конуса и оправкой, величина которого тем больше, чем больше подача и конусность оправки. При обратном ходе клети (валков) в результате поворота заготовки образуется зазор между оправкой и ее внутренней поверхностью, этот зазор и определяет величину зоны редуцирования.

Основной параметр мгновенного очага деформации – частное обжатие деформируемой заготовки, которое впервые было определено П.Т. Емельяненко: «Обжатие в периодической части пилигримовой головки равно разности между высотой рассматриваемого сечения и высотой сечения, отстоящего от первого на таком расстоянии, при котором объем, заключенный между этими сечениями, равен объему подачи металла».

Ю.Ф. Шевакин рекомендует определять обжатие в мгновенном очаге деформации ΔS_т при прямом и обратном ходе клети по формуле

ΔS_т = h_x (tgγ_x – tgα), (3.1)

где h_x – расстояние по оси прокатки от рассматриваемого сечения (x) рабочего конуса до сечения, отстоящего от него на величину подачи; tgγ_x – тангенс угла наклона ручья по гребню; tg – тангенс угла наклона образующей оправки (см. рис. 3.4).

Распределение обжатий между прямым и обратным ходом клети Ю.Ф. Шевакин предлагает учитывать коэффициентом k_s = 0,3÷0,4, полагая, что на обратном ходе клети происходит 30–40% общей деформации заготовки за двойной ход валков:

ΔS_пр = (1 ─ k_s) ΔS_x (3.2)

ΔS_обр = k_s ΔS_x (3.2, а)

Обжатие металла в мгновенном очаге деформации можно определить также по формуле П.К. Тетерина:

(3.3)

где – площадь поперечного сечения рабочего конуса в рассматриваемом сечении x; – средняя конусность ручья в сечении x; – конусность оправки, _Dц – диаметр цилиндрической части оправки, _Lраб – длина рабочей части ручья без калибрующего участка.

Суммарное обжатие в очаге деформации:

(3.4)

Обжатие при прямом ходе клети

, (3.5)

а при обратном ходе клети

. (3.5, а)

Обратный ход клети при холодной прокатке труб (в отличие от горячей пилигримовой) в значительной мере разгружает прямой ход клети и дает возможность увеличить подачу металла.

Напряженно-деформированное состояние металла. Характерная особенность и достоинство процесса холодной прокатки труб – за один рабочий цикл прокатки возможно уменьшение площади поперечного сечения трубы до 70…85% (иногда и до 95%), т. е. процесс осуществляется с 14…18-кратной вытяжкой. Это обусловлено дробностью деформации и схемой напряженного состояния металла в очаге деформации.

По мнению З.А. Коффа, в очаге деформации при холодной прокатке труб действуют только сжимающие напряжения, не считая выпусков вблизи линии разъема калибров.

На основе анализа результатов большого количества проведенных экспериментальных исследований Ю.Ф. Шевакиным предложена уточненная схема напряженного состояния металла в очаге деформации при прямом и обратом ходе клети (рис. 3.5).

На рис. 3.5, а в сечениях рабочего участка, соответствующих гребню ручья, действует активное растягивающее напряжение в продольном направлении, которое вызвано внеконтактной деформацией. Эта схема может быть при прокатке труб в ручье с небольшим развалом. На рис. 3.5, б показана наиболее вероятная схема напряженного состояния металла при прокатке труб в ручье с большим развалом: в сечениях рабочего участка, за исключением выпусков, схема напряженного состояния приближается к неравномерному всестороннему сжатию. Во внеконтактных областях, соответствующих выпускам калибра, деформация металла протекает при напряженном состоянии, близком к линейной схеме с растягивающим напряжением в продольном направлении + ₁.

Наиболее вероятная схема напряженного состояния металла, по мнению Ю.Ф. Шевакина, по поперечному сечению трубы при обратном ходе клети, показана на рис. 3.4, б. При этом не исключается возможность распределения напряжений и в другом их сочетании.

Рассмотренные схемы напряженного состояния металла при холодной прокатке труб хотя и способствуют повышению пластичности металла, однако только таким распределением напряжений нельзя объяснить высокие степени деформации, которые достигаются в станах ХПТ. Большое значение, по мнению Ю.Ф. Шевакина имеет дробность деформации n_д или число рабочих циклов, за которое исходное сечение передельной трубы деформируется в сечение готовой трубы. Допустимая деформация из условий пластичности при холодной прокатке труб определяется коэффициентом дробности деформации.

, (3.6)

где l_обж – протяженность обжимной зоны ручья; m – величина подачи; _ – суммарная вытяжка.

Предельный коэффициент дробности деформации зависит от обрабатываемого материала, условий и степени деформации.

Увеличение дробности деформации уменьшает величину деформации в каждом сечении трубы за один цикл и, следовательно, уменьшает остаточные напряжения в рабочем участке, которые возникают во время деформации трубной заготовки. При очередном цикле деформации алгебраически суммируются остаточные напряжения за предыдущий цикл с дополнительными напряжениями, появляющимися в данном цикле. При этом продольное растягивающее напряжение, ограничивающее пластичность металла, уменьшается. Таким образом, чем больше дробность деформации при холодной прокатке труб, тем выше пластичность металла.

Предел степени деформации заготовки при холодной прокатке без восстановления пластических свойств металла (его рекристаллизации) путем промежуточного отжига, обусловлено в большинстве случаев не нарушением сплошности металла, а возрастающей нагрузкой на валки, инструмент и основные детали рабочей клети и привод стана вследствие упрочнения металла.