§ 42. Кинематика процесса прокатки колес

Кинематические условия процесса прокатки колес оказыва­ют значительное влияние как на их качество, так и на произво­дительность колесопрокатного стана.

Рассматривая вращение колесной заготовки в период устано­вившегося движения, следует различить вращение заготовки как

Рис. 133. Кинематическая схема привода направляющих роликов:

1 – прокатываемое колесо; 2- коренной валок; – направляющие ролики; 4 – двуплечий рычаг; 5 – тяга; 6 – траверса; Т - усилие, развиваемое цилиндром прямого хода; Т - усилие в цилиндре обратного хода

твердого тела и поверхностные процессы пластической деформа­ции. Рассмотрим последовательно все явления, связанные с вра­щением заготовки при прокатке.

В процессе прокатки заготовка вращается силами трения, возникающими на поверхностях соприкосновения с приводными валками. Эти силы трения имеют различное направление вдоль контура приводных валков. В свою очередь колесная заготовка вращает группу холостых роликов, обрабатывающих поверхность катания.

Различное направление сил трения по контуру валков колесо­прокатного стана предопределяет наличие сечения, в котором на выходе скорость вращающейся заготовки совпадает со скоростью валков. Это сечение именуется критическим.

Нашей задачей является определение кинематической связи между валками и колесной заготовкой, а также скольжения и числа оборотов вращающейся заготовки как следствия этой кине­матической связи.

Функции, выполняемые коренным и наклонными валками в процессе раскатки колесной заготовки, различны, В силу этого валки значительно отличаются по конфигурации один от другого.

Поэтому рассмотрим раздельно влияние скоростей вращения ко­ренного и наклонных валков стана на величину и направление деформации и на скорость вращения заготовки.

1. Вращение системы «коренной валок — колесная заготовка—холостые ролики»

Рассмотрим сечение коренного валка в сопряжении с колес­ной заготовкой (рис. 134). Скорость катающей поверхности вал­ка в каждой ее точке определяется соответствующим радиусом валка, изменяющимся от до . Если представить себе, что

Рис. 134. Схема сопряжения коренного валка с колесной заготовкой

заготовка состоит из горизонтальных слоев весьма малой толщи­ны, не связанных между собой, то вследствие наличия сил тре­ния эти слои должны были бы вращаться со скоростью, соответ­ствующей скорости соприкасающихся с ними точек поверхности валка. В действительности этого не происходит, так как между частицами металла существует материальная связь, и заготовка поэтому вращается как твердое тело, с какой-то промежуточной скоростью. В свою очередь, вследствие того, что нажимные и на­правляющие ролики прижимаются гидравлическими цилиндрами к заготовке, последняя вращает холостые ролики.

Следует отметить, что в силу своеобразного профиля корен­ного валка и нажимных роликов характер изменения окружных скоростей вдоль их контуров противоположен характеру измене­ния окружных скоростей элементов образующей колесной заго­товки.

Металл заготовки в наиболее удаленных от центра точках, т е. по гребню, сопрягается с коренным валком вместе его наилучших радиусов и, наоборот, точки поверхности катания, наи­более близко расположенные к центру заготовки, сопрягаются с наиболее удаленными, т. е. имеющими наибольшую скорость точками коренного валка. Таким образом, контур поверхности катания колесной заготовки предопределяет скольжение металла по валку.

Допустим, что в каком-либо сечении а — а коренного валка окружные скорости валка и заготовки на выходе совпадают. Обозначим радиус валка в этом сечении через . Тогда окруж­ная скорость валка в сечении а — а равна

, (4.1)

где — угловая скорость коренного валка.

Эта скорость определит и скорость вращения заготовки, чис­ло оборотов которой может быть найдено при приравнивании выражения (4. 1) выражению

, (4.2)

где — угловая скорость колесной заготовки;

—окружная скорость заготовки в сечении а — а;

— радиус колесной заготовки в сечении а — а.

Из равенства выражений (4. 1) и (4. 2) следует:

. (4.3)

Все остальные точки заготовки, лежащие на образующей ни­же сечения а — а, будут вращаться со скоростью, превышаю­щей скорость сопряженных с ними точек коренного валка, при­чем разность в скоростях будет тем больше, чем больше расстоя­ние рассматриваемой точки от сечения а — а. Все же точки, рас­положенные выше сечения а — а, имеют скорость меньшую, чем сопряженные с ними точки валка. Таким образом, сечение а—а разбивает поле деформации на две различные в кинематическом отношении зоны: верхнюю, в которой валок опережает заготовку и последняя смещается относительно валка в сторону, противо­положную вращению, и нижнюю, в которой, наоборот, заготовка опережает валок, смещаясь как бы в сторону вращения.

На рис. 135 дано графическое изображение окружных скоро­стей вдоль образующей валка при заданной угловой скорости (кривая 2) и окружных скоростей вдоль образующей колес­ной заготовки (кривая 1). Эти кривые пересекаются в точке А, в которой окружные скорости валка и заготовки на выходе сов­падают.

Все сказанное относительно коренного валка относится и к нажимным и направляющим роликам, только ролики — холостые и приводятся во вращение заготовкой. Следует также отметить, что на характер кривых скоростей влияют размеры роликов и прокатываемой заготовки.

При рассмотрении выражений (4. 1) и (4. 2) подчеркивалось равенство окружных скоростей коренного валка и заготовки в сечении а — а в момент выхо­да заготовки из зоны обжатия. Во всех других точках дуги соприкосновения заготовки с валком в рассматриваемом сечении направление и величи­на скоростей будут различны­ми, что, в свою очередь, вызы­вает скольжение. Наоборот, в близлежащих сечениях ок­ружные скорости коренного валка (роликов) и заготовки на выходе могут отличаться, но в какой-либо точке зоны обжатия составляющие ско­ростей могут совпадать по ве­личине и направлению.

Это свидетельствует о том, что критического сечения при прокатке колес не существует, а имеется ряд точек в различ­ных горизонтальных сечениях коренного валка (роликов), в которых скорости заготовки и валка (роликов) совпа­дают.

Рис. 135. Графическое изображение скоростей коренного валка и колесной заготовки при прокатке

Рассмотрим какое-либо сечение коренного валка и колесной заготовки горизонталь­ной плоскостью (рис. 136) Окружная скорость валка равна . Допустим, что в этом сече­нии в точке В окружная скорость колесной заготовки равна и направлена под углом к направлению скорости . Могут иметь место три случая:

I. cos > ;

II. cos < ;

III. cos = .

В последнем случае скольжения не будет. Рассмотрим первый случай, когда удовлетворяется неравенство 1. В этом случае окружная скорость коренного ролика превышает скорость колес­ном заготовки.

Разложим скорость на две составляющие: — по направ­лению скорости и — по направлению к центру колесной заготовки. Тогда

- = , (4.4)

Рис. 136. Схема скоростей коренного валка и колесной заготовки в поперечном сечении по поверхности катания

где — радиус коренного валка в рассматриваемом сечении;

— переменный радиус колесной заготовки в том же сече­нии.

Но

cos =cos ,

где — переменные угловые расстояния от линии центров до точки В.

Подставляя это значение в формулу (4. 4), а также учитывая значение угловой скорости колесной заготовки из (4. 3), получим

- = (4.5)

Из треугольников ВА и ВА следует:

или

Ввиду малости углов и отношение синусов может быть заменено отношением самих углов. Поэтому

Радиус может быть выражен через радиус заготовки и переменную величину обжатий :

Подставляя полученные значения в формулу (4. 5), получим

(4.6)

Величина чрезвычайно мала по сравнению с , поэтому в знаменателе дроби, стоящей в круглых скобках, величиной можно пренебречь. Тогда уравнение (4. 6) перепишется так:

(4.7)

Из треугольника СВD может быть определена величина :

где и — углы захвата.

И в этом случае, ввиду малости углов и , можно напи­сать:

Подставим значение в уравнение (4. 7). Тогда

(4.8)

Величина смещения металла в тангенциальном направлении вследствие разности скоростей и может быть определена из следующего выражения

,

где t — время пребывания колесной заготовки в зоне деформации.

Следовательно,

(4.9)

Интегрируя выражение (4.9) в пределах угла захвата, по­лучим смещение металла в тангенциальном направлении за один оборот колесной заготовки (только на коренном валке):

Подставляя пределы, получим

Для малого угла можно принять с достаточной для практики точностью равным . Тогда

(4.10)

Формула получена из условия, что коренной валок опережа­ет колесную заготовку, и применима для верхней зоны. Для ниж­ней зоны, в которой заготовка опережает валок, металл будет смещаться в направлении, обратном вращению заготовки. По абсолютной величине смещение может быть также определено по формуле (4.10), однако в этом случае перемена знаков ука­жет на противоположное направление смещения.

Формула (4.10) может быть также применена для опреде­ления тангенциального смещения на нажимных и направляющих роликах. При этом должны быть подставлены соответствующие значения ; ; ; ; .

Анализ формулы (4.10) свидетельствует о том, что смещение возрастает с увеличением , или, что то же, с увеличением об­жатия. Таким образом, максимальное смещение будет иметь место на нажимных роликах.

Скольжение способствует образованию плен и закатов при малейшем нарушении сплошности обрабатываемой заготовки.

Причиной появления дефектов на поверхности катания, греб­не и внутренней поверхности обода готовых колес могут быть: вскрывающиеся в процессе деформации подкорковые пузыри и свищи; наличие продольных трещин на слитках; не пологая вы­рубка дефектов слитка; наконец, подрез гребня вследствие не­достаточно точной настройки колесопрокатного стана.

Для проверки наличия скольжения различного направления, а также возможности образования плен при нарушении сплош­ности металла, нами был проведен следующий опыт. На торце­вых и боковых поверхностях литой заготовки для колес, про­сверливались отверстия, расположенные в одном радиальном сечении. В отверстия вворачивались шпильки диаметром 14 мм.

Опытные заготовки подвергались нагреву и всем последующим этапам деформирования. В процессе прокатки шпильки, ранее располагавшиеся в одном радиальном сечении, изменили свое расположение. Шпильки, расположенные на ободе, сместились относительно шпилек в диске, не подвергавшихся деформирова­нию (рис. 137—140). Это смещение неодинаково для шпилек, расположенных на поверхности катания и гребне. Шпильки, рас­положенные ближе к наружной стороне обода, сместились в на­правлении вращения, а шпильки, расположенные ближе к греб­ню, сместились в направлении, 'противоположном вращению, причем величина смещения этих шпилек больше, чем шпилек у наружной стороны обода.

Направление смещения свидетельствует о том, что критиче­ское сечение находится на поверхности катания вблизи гребня, а величина смещения — о длительности воздействия деформи­рующего инструмента на колесную заготовку.

Действительно, коренной валок и нажимные и направляю­щие ролики в начале прокатки входят в соприкосновение с ко­лесной заготовкой на небольшом участке у гребня — вследствие большого наклона образующей заготовки. В этот момент обжа­тие максимально и смещение металла наиболее интенсивно. Ког­да поверхность катания сформировалась, начинается скольже­ние и на части поверхности катания у наружной поверхности обода. Но вследствие увеличения поверхности соприкосновения заготовки с роликами, обжатие уменьшается, а следовательно, уменьшаются угол захвата и скольжение. Вследствие этого сме­щение металла у наружной поверхности обода меньше смещения у гребня, что и иллюстрируется рис. 137—140.

Таким образом, специфичность процесса прокатки — разли­чие окружных скоростей роликов и заготовки предопределяет скольжение и образование дефектов при нарушении сплошности металла. На рис. 137 и 138 видны плены, образовавшиеся при прокатке опытных заготовок. Характерно, что направление их раскатки как бы противоположно направлению смещения по­верхностных слоев металла в местах их образования. Это объяс­няется следующим. Образование плен произошло в первый момент обжатия соответствующих шпилек. В дальнейшем при смещении шпилек происходила раскатка плен между роликом и колесной заготовкой так, что плены вытягивались в направлении смеще­ния шпилек. Свободный конец плен при этом оставался на ме­сте1. Образование плен заметно на всех шпильках, т. е. везде, где имеют место нарушения сплошности. Характер смещения метал­ла на опытных заготовках такой же, как и при образовании плен (рис. 141 и 142) при раскатке подкорковых пузырей.

Другим направлением, в котором происходит смещение ме­талла в процессе прокатки, является направление обжатия.

Рис. 137. Смещение шпилек в опытном колесе при прокатке

Рис. 138. Смещение шпилек в опытном колесе при прокатке

Обозначим скорость смещения металла в этом направлении че­рез . Эта скорость может быть определена из выражения (см. рис 136):

(4.11)

Направление скорости есть главное направление дефор­мирования. За один оборот колесной заготовки смещение металла в этом направлении для полотна ролика равно обжатию . Несколько иное положение в зеве ролика, образующем гребень. Здесь радиальное направление является направлением истече­ния металла в зев ролика, а обжатие происходит в вертикаль­ном направлении.

Проанализируем в этом случае уравнение (4.11).

Скорость определится в рассматриваемом случае как

,

где — переменный радиус ролика в рассматриваемом сече­нии (рис. 143);

— угловая скорость вращения ролика.

Рис. 139. Смещение шпилек в Рис. 140. Смещение шпилек

опытном колесе при прокатке опытном колесе при прокатке

Рис. 141. Расположение плен при Рис. 142. Расположение плен при

деформировании заготовок с трещинами деформировании заготовок с

подкорковыми пузырями

Рис. 143. Схема скоростей в поперечном сечении ролика и колесной заготовки по гребню

Подставим полученное значение в уравнение (4. 11). Тогда

(4.11а)

Ввиду малости угла синус угла может быть заме­нен значением угла в радианах:

Из треугольников ВА и ВА следует:

или

.

Ввиду малости углов и отношение их синусов может быть заменено отношением самих углов. Поэтому

(4.12)

Радиус может быть выражен через радиус ролика в рассматриваемом сечении и величину, пропорциональную обжатию:

(4.13)

Подставляя полученные значения из (4.12) и (4.13) в (4.11а), получим

(4.14)

Величина чрезвычайно мала по сравнению с , поэтому ею можно пренебречь. Тогда уравнение (4. 14) перепишется так:

(4.15)

Величина может быть определена из треугольника СВD:

, (4.16)

где — углы захвата, выраженные в радианах.

Подставив полученное выражение в формулу (4.15), полу­чим

(4.17)

Величина смещения металла в радиальном направлении мо­жет быть определена из выражения

ds= dt,

где dt — время пребывания колесной заготовки в зоне деформа­ции.

dt=

Следовательно,

(4.18)

Интегрируя выражение (4. 18) в пределах угла захвата , определим смещение металла в радиальном направлении только на одном ролике и за один оборот заготовки:

Подставляя пределы, получим:

или

(4.19)

Величина неизмеримо мала по сравнению с единицей. Даже при максимальных значениях обжатий она составляет не более 1,5—2%. Поэтому для практических расчетов вполне допустимо пользоваться упрощенной формулой

(4.20)

Таким образом, и в этом случае, чем больше обжатие, тем больше угол захвата и, следовательно, тем больше скольже­ние. С возрастанием давления возрастает и угол захвата. Мак­симальное давление имеет место на нажимных роликах, следо­вательно, на них следует ожидать максимального скольжения.

При подрезе гребня роликами или при образовании наплы­вов на гребне, что получается при неправильной настройке ста­на, радиальное скольжение будет способствовать образованию круговых закатов на гребне или в месте перехода от гребня к внутренней стороне обода. С целью уменьшения числа закатов, или вообще их устранения, необходимо строго следить за на­стройкой стана. При изготовлении чистокатаных колес соблюдение требуемой настройки играет особо важную роль.

Радиальное скольжение способствует образованию плен при нарушениях сплошности металла металлургического происхож­дения — трещинах, подкорковых пузырях и т. п. Следовательно, необходим тщательный осмотр заготовок перед посадом в печь. Наконец, при производстве колес необходимо устранить возмож­ность получения на формовочном прессе рисок, подрезов, вмя­тин и других дефектов на ободе колесной заготовки.