§ 23. Прокатка колес

Процесс прокатки колес характеризуется наличием двух отли­чающихся одна от другой зон деформации. В первой зоне деформирование осуществляется двумя наклонными валками, распо­ложенными в одной вертикальной плоскости. Валки образуют некоторый угол с горизонтальной плоскостью прокатки, что поз­воляет, благодаря своеобразной конфигурации валков, обжимать внутреннюю и боковые поверхности обода заготовки.

Во втором зоне производится обжатие поверхности катания колеса и выкатка гребня. Эта деформация осуществляется коренным валком и цилиндрическими нажимными роликами, распо­ложенными в одной горизонтальной плоскости.

Расположение валков и роликов относительно колесной заго­товки см. на рис. 88.

Наличие двух зон деформации значительно усложняет про­цесс. Поэтому для процесса прокатки колес особенно важно изу­чить характер течения металла в деформируемом объеме.

Принимая за исходное положение шпилек и отверстий их по­ложение в колесной заготовке, определим течение металла путем сопоставления расположения шпилек (отверстий) до и после про­катки (рис. 65 и 66).

Прежде всего следует обратить внимание на то, что в резуль­тате раскатки внутренней стороны обода наклонными валками внутренний диаметр значительно увеличился и при этом значи­тельно удлинился также стержень (отверстие), расположенный в диске. При этом центральная часть стержня по-прежнему нахо­дится в пределах участка сопряжения диска с ободом (рис. 66). Кроме того, широкая мало деформированная при формовке часть стержня (отверстия) сжимается по высоте и вытягивается. Это свидетельствует о том, что в области, ограниченной концевыми и средними конусами наклонных валков, продолжают действовать напряжения, аналогичные возникающим в диске при формовке колесной заготовки на втором прессе. Действующие в вертикаль­ном направлении сжимающие напряжения вызывают деформа­цию растяжения во внутренних слоях и, следовательно, осевое сжатие и радиальное удлинение стержня (отверстия).

Рис. 65. Расположение шпилек в различных частях колеса

после прокатки и выгибки

Рис. 66. Расположение отверстий в различных частях колеса

после прокатки

Характерным для первой зоны деформации является также и изменение положения на боковых поверхностях шпилек, наиболее близко расположенных к внутренней поверхности обода. Конец шпильки, располагавшийся в колесной заготовке на куполе верх­ней части обода, переместился на внутреннюю его поверхность, а внутренний конец шпильки изменил свое положение относительно наружного конца и направлен в сторону наружной поверхности. Ось шпильки расположилась при этом по некоторой параболиче­ской кривой. Аналогично деформацию претерпела и шпилька, расположенная вблизи внутренней поверхности в нижней части обода. Изменения положения и формы этих шпилек особенно хо­рошо видны на рис, 67 и 68, где представлено расположение шпилек в сечении обода колесной заготовки.

Такое расположение шпилек и отверстий в первой зоне дефор­мации свидетельствует о следующем.

В процессе деформирования в наклонных валках происходит непрерывное увеличение поверхности диска в связи с раскаткой колеса, осуществляемое перемещением наклонных валков в сто­рону, противоположную неподвижному коренному валку. Это уве­личение поверхности диска может происходить лишь путем пере­мещения металла с внутренней поверхности обода, на которую, в свою очередь, перемещается металл с боковых его поверхностей.

Каков же механизм этого перемещения? Оказывая давление на внутреннюю поверхность обода, наклонные валки обжимают его, перемещая металл вдоль дуги захвата. Если бы ось наклон­ных валков была параллельна вертикальной оси колеса, то это перемещение происходило по радиусу вращающегося колеса, т. е. точка а переместилась бы по горизонтали в точку а" (рис. 69). Но ввиду того, что ось наклонного валка наклонена к горизонту под некоторым углом , каждая точка наклонного валка, благодаря наличию сил трения на контактной поверхности, будет стремиться переместить соприкасающуюся с ней точку металла по направле­нию перемещении радиуса вращающегося наклонного валка. А это заставит металл смещаться вдоль контактной поверхности на­клонного валка по направлению к диску.

Рис. 67. Расположение шпилек в ободе колеса

Рис. 68. Расположение шпилек в ободе колеса

Таким образом, выде­ленный в зоне деформации элемент колеса будет претерпевать параллелепипедное сжатие, перемещаясь относительно на­клонного валка по направлению к диску. В то же время парал­лельные вначале вертикальные линии , и изгибаются выпук­лостью в сторону наружной поверхности обода.

Рис. 69. Схема смещения металла при прокатке колес

наклонными валками

Происходит уширение элемента — максимальное в цен­тре и минимальное на поверхности соприкосновения с наклонны­ми валками. Неравномерное уширение сжатого элемента является следствием влияния контактных сил трения. Перемещая металл вдоль контактной поверхности наклонных валков по направлению к диску, силы трения не оказывают влияния на глубинные слои металла, где деформация происходит исключительно путем сжа­тия.

Правильность предложенной схемы деформации металла в об­ласти средних и концевых конусов наклонных валков подтверж­дается экспериментальной частью исследования. Удлинение цен­трального стержня свидетельствует о растяжении центральных слоев под действием сжимающих усилий. Увеличение поверхности диска под влиянием смещения металла с внутренней поверхности обода и образование новой внутренней поверхности обода за счет его боковой поверхности подтверждается перемещением шпильки с боковой поверхности обода на внутреннюю. Наконец, взаимное положение наружного и внутреннего концов этих шпилек и на­правление осей шпилек, совпадающих с направлением изогнутой линии выделенного элемента, также свидетельствуют о пра­вильности сделанных предположений.

Характер изменения положения стержней и шпилек при про­катке опытных заготовок позволяет установить, что схема дефор­мации в области, ограниченной концевыми и средними конусами наклонных валков, разноименна: в вертикальном направлении имеет место деформация сжатия, а в радиальном и тангенциаль­ном — растяжения (рис. 70). Чем больше относительная деформа­ция сжатия, испытываемая той или иной полоской, выделенной на внутренней части обода, тем большее растяжение испытывают ее внутренние слои.

Рис. 70. Схема деформированного Рис. 71. Схема напряженного состояния

состояния при прокатке колеса при прокатке колеса

(1-ая зона деформации)

Очевидно, что относительная деформация неодинакова для различных точек контактной поверхности на рассматриваемом участке. На границе с диском относительная деформация равна нулю. По мере перемещения вдоль дуги переходной части от кон­цевого конуса к среднему относительная деформация возрастает. Это объясняется тем, что высота любого рассматриваемого эле­мента вблизи от диска увеличивается незначительно, в то время как обжатие увеличивается в большей степени. Затем высота элементарных полосок начинает интенсивно возрастать, но растет и обжатие; относительная деформация при этом все еще растет. После достижения максимума относительная деформация начи­нает уменьшаться. Это происходит в том случае, если интенсив­ность роста высоты выделенного элемента превышает интенсив­ность увеличения обжатия. На участке среднего конуса при все возрастающих высотах рассматриваемых элементов обжатие ос­тается постоянным и, следовательно, относительная деформация уменьшается, достигая минимального значения в пережиме, т. е. в точке сопряжения начального и среднего конусов.

Схему напряженного состояния в этом случае следует опре­делить, как схему всестороннего сжатия, весьма близкого к рав­номерному. Действительно, исследованием истечения металла по­казано, что в вертикальном направлении на выделенный элемент действуют сжимающие силы. В радиальном сечении обода также будут действовать сжимающие напряжения, так как при уширении любого рассматриваемого элемента последний преодолевает сопротивление всей толщи обода с одной стороны и диска с дру­гой, что вызывает в радиальном направлении реактивные сжима­ющие напряжения. Наконец, стремление расшириться в тангенци­альном направлении также вызывает реактивные сжимающие на­пряжения под действием всей массы обода, не подвергающейся деформации. Таким образом, в зоне действия наклонных валков, обрабатывающих внутреннюю поверхность обода колесной заго­товки, напряженное состояние может быть выражено схемой, изо­браженной на рис. 71.

Предложенная выше схема деформации совместно со схемой напряженного состояния полностью определяет механическую схему деформации и может служить для определения удельного давления течения.

Анализируя экспериментальные данные исследования, можно сделать следующие выводы о деформации металла с внутренней стороны обода колесной заготовки в процессе прокатки:

1. Под действием сил, приложенных со стороны наклонных валков к внутренней поверхности обода колеса, металл обода сме­щается в радиальном направлении, увеличивая внутренний диа­метр раскатываемой заготовки.

2. Смещение металла происходит вследствие истечения его от внутренней поверхности обода к его свободной наружной поверх­ности; при этом происходит увеличение поверхности диска за счет внутренней поверхности обода, которая компенсирует потерю за счет его боковой поверхности.

3. Механическая схема деформации характеризуется схемой всестороннего неравномерного сжатия и разноименной схемой де­формации.

Деформация металла во второй зоне при прокатке колесной заготовки в профилированных цилиндрических роликах неодина­кова в различных участках поверхности катания прокатываемого колеса. Общим для деформации различных участков является то, что деформация происходит по поверхности, изменяя расположе­ние шпилек (отверстий) только вблизи поверхности катания и почти не затрагивая концов шпилек внутри обода.

Угол наклона образующих колесной заготовки коренного вал­ка и нажимных роликов различен, причем угол наклона образую­щей заготовки больше. Это приводит к тому, что в первый момент соприкосновения нажимных роликов и колесной заготовки нажим­ные ролики внедряются в металл переходной частью от зева к на­ружной поверхности. Металл при этом стремится течь в сторону наименьшего сопротивления, т.е. кверху, заполняя пространство между образующими роликов и колесной заготовки. Характер­ный поворот наружных концов шпилек кверху подтверждает это предположение. При последующем вращении колесной заготовки зазор между ней и роликами становится все меньше, и металл от­жимается на боковую поверхность. Очевидно, что перемещение металла на боковую

Рис. 72. Расположение шпилек при истечении

металла в зев цилиндрических роликов

Рис. 73. Расположение шпилек при истечении

металла в зев цилиндрических роликов

Рис. 74. Направление сил трения на поверхности гребня

прокатываемого колеса

поверхность носит также сугубо местный ха­рактер. Смещенный объем металла располагается у наружной кромки обода колеса, причем приращение высоты обода умень­шается в направлении от наружной кромки обода к внутренней его поверхности. В процессе деформирования этот металл раска­тывается между начальными конусами наклонных валков.

Течение металла в зев валков начинается лишь после того, как зазор между образующими нажимных роликов и колесной заго­товки исчезнет. Сопротивление деформации в верхней части обода колеса возрастает, и металл заполняет зев роликов, образуя гре­бень колеса. Характерный поворот шпилек (отверстий) в гребне (рис. 72 и 73) свидетельствует о влиянии сил трения на поверх­ности гребня: силы трения противодействуют истечению металла в зев роликов. Центральные слои текут быстрее поверхностных, задерживаемых силами трения, образуя параболическую поверх­ность, которая соприкасается с поверхностью роликов в гребне все новыми и новыми участками. Так как силы трения в верхней части гребня имеют противоположное направление, на его поверхности возникают растягивающие напряжения, которые тем больше, чем ближе гребень, к завершению его оформления (рис. 74). Иногда эти напряжения превышают предел прочности металла, и на тор­цевой поверхности гребня образуются трещины - круговые или занимающие значительную часть окружности гребня. Форма греб­ня оказывает влияние на величину сил давления и сил трения, а следовательно, и на величину растягивающих напряжений.

С другой стороны, наличие сил трения на поверхностях, обра­зующих гребень, ведет также к образованию закатов при непра­вильном конструировании инструмента или при неправильной на­стройке стана.

Сложность конфигурации роликов также приводит к неравно­мерному смещению поверхностных слоев по поверхности катания колеса. Это происходит вследствие воздействия сил трения, на­правленных по высоте обода различно. Подробно характер тече­ния металла на поверхности катания будет описан ниже, при рас­смотрении кинематики процесса прокатки.