Производство периодических профилей

Периодические профили в отличие от обычных имеют закономерно меняющееся сечение в направлении длины изделия, причем оно может периодически повторяться. Такие профили, получаемые периодической прокаткой, могут представлять собой готовые изделия (например, арматурная полоса, лемех, полуоси автомобилей и тракторов и др.). Или полуфабрикат для штамповки деталей автомобилей, тепловозов и др..

Получение заготовок периодической прокаткой чрезвычайно выгодное, так как при их последующей обработке значительно сокращаются операции штамповки(уменьшаются загрузки прессов и молотов, расход энергии, рабочей силы и др.). И, что немаловажно, наблюдается экономия металла до 20...30% в сравнению со штамповкой деталей из обычного проката. Производство периодических профилей в отдельных случаях может полностью исключить такие операции, как ковка, штамповка и обдирочные работы на металлорежущих станках. Характерно, что механические характеристики металла не ухудшаются, а в подавляющем большинстве случаев растут.

Периодические профили получают двумя основными способами прокатки:

- продольной

- поперечно-винтовой.

Продольную прокатку осуществляют в ручейковых валках, выполненных неодинаковым радиусом по длине окружности. На металлургических заводах периодический профиль получают в виде прутка, длина которого принимается кратной длине периода. На машиностроительных заводах его изготовят в кузнечно-штамповочных цехах зачастую искусственным способом-прокаткой в ковочных вальцах.

Форма калибров для получения периодического профиля и их расчет существенно, отличаются от формы калибров при прокатке обычных профилей. Это объясняется тем, что при получении окончательной формы периодического профиля вытяжка по длине одного периода непрерывно изменяется, достигая в отдельных случаях двух-и трехкратной. Между тем в чистовом проходе при обычной прокатке вытяжка редко превышает 1,2...1,25.

Высокие обжатия в отдельных сечениях по длине профиля вызваны тем, что в данном случае применяют только один периодический калибр. Применение двух-трех калибров исключается из-за отсутствия механизмов, которые обеспечили бы подачу полосы в строго определенный момент поворота валков, а учесть форму и размеры чистового калибра при подаче в него полосы переменного сечения пока не представляется возможным из-за чрезвычайной сложности.

Разница в обжатии по длине периода вызывает изменение просвета в калибре вследствие неплотностей и упругих деформаций валков и деталей стана, что следует учитывать при калибровке валков и вносить соответствующие исправления, иначе размеры профиля по высоте будут отличаться от заданных на 1,5...2 мм .

Однако более серьезные трудности возникают при расчете длины периода на валках. Дело в том, что допуски по длине периода привычно очень незначительны - всего 1%, а между тем длина выходящей из валков полосы зависит от изменений опережение Sh, значение которого теоретически определить очень трудно из-за изменчивости радиуса валков, обжатия, температурных условий трения между полосой и валками и т.д..

Подготовка валков для периодической прокатки представляет сложность, так как кроме обработки на обычных токарных станках необходимо делать долбежные и фрезерные работы. Кроме этого, в большинстве случаев для придания ручью окончательных размеров наиболее сложные участки его приходится обрабатывать вручную.

Для получения многих видов периодических профилей валки изготовляют сборными. Такой валок состоит из сердечника и набора колец, которые образуюткалибр. Низкие допуски по длине (не более 1%) ограничивают возможность использования валков после их переточки. Практически в сборных валках средние кольца перетачивают не более одного-двух раз.

Валковая арматура при периодической прокатке отличается от обычной. С передней стороны состояния устанавливают более массивную коробку, пробелы в которой регулируют болтами увеличенного диаметра. С задней стороны ставят нижнюю и верхнюю проводки. Учитывая то, что дно калибра имеет сложную конфигурацию, носок проводки не упирается в дно калибра, как это имеет место при обычной прокатке. Сама проводка выполняется шире калибра и опирается на бурты валка. Носок проводки входит в калибр, но не прикасается ко дну даже на участке, где калибр имеет наименьшую глубину. Во избежание продавливания или изгиба проводку производят более массивной, чем при обычной прокатке.

Большое значение при производстве периодического проката имеет создание механизма подачи полосы в валки в нужный момент. При случайной подаче металла в валки на концах каждой полосы появляются периоды неполной длины, что увеличивает потери металла на обрез. Чтобы приблизить потери до оптимального значения, необходимо осуществлять захват металла при положении валков, которое соответствует началу периода. Особенно чувствительны эти потери металла в тех случаях, когда период имеет большую длину.

Поперечно-винтовой и поперечной прокаткой производят периодическиекруглые профили, которые являются заготовками для последуйщей штамповки или обработки резанием, - оси, шары для шарикоподшипников и шаровых мельниц, различные шестерни и др..

Прокатка круглых периодических профилей существенно отличается от продольной прокатки. Так, круглый периодический профиль с переменным диаметром по длине получают на двух-и трехвалковых станах с дисковыми (рис. 4.27, а) или коническими (рис. 4.27, б) валками, которые располагаются в рабочей клети под углом 120° друг к другу. Кроме этого, их устанавливают с некоторым перекосом; (4...8°) относительно оси прокатки, что обеспечивает поступательное винтовое движение заготовки, которая прокатывается, через ячейку деформации.

Заготовками являются круглые полосы, которые после нагрева до 1100...1150° С подаются до упора зажима. Захват переднего конца полосы осуществляется автоматически, одновременно с опусканием ролика клапана, который следит, за копировальной линейкой.

Гидравлическое устройство перемещает зажимной патрон вместе с обрабатываемым металлом в направлении рабочего хода, создавая необходимое тяговое усилие. Копировальная линейка, перемещаясь одновременно с зажимным патроном, обеспечивает через гидравлический нажимной механизм изменения расстояния между рабочими валками, благодаря чему получается необходимый периодический профиль круглого сечения. Прокатка заканчивается освобождением заготовки, после чего процесс повторяется в той же последовательности.

Данный вид производства заготовок имеет следующие преимущества:

возможность полной автоматизации технологического процесса (загрузка металла в нагревательную печь и нагрев, подача до стана, прокатка, освобождение и транспортировка до сборочных карманов);

уменьшение загрузки металлорежущих станков;

высокая универсальность, позволяющая получать изделия различной конфигурации, причем изменение профиля осуществляется за очень короткое время;

сравнительно высокая точность размеров изделия (отклонение от номинала привычно составляют ± 1% по диаметру и 0,5% по длине).

На металлургических заводах прокатку круглых периодических профилей диаметром 50...220 мм и длиной 700...5100 мм выполняют на трехвалковых станах. Заготовки меньшего диаметра прокатывают непосредственно на машиностроительных заводах.

При производстве шаров диаметром 15...25 мм для подшипников качения и диаметром 25...125 мм для помола руды, угля, цемента и т.д. в шаровых мельницах получили распространение двухвалковые станы поперечно-винтовой прокатки .

Прокатку заготовок шаров подшипников качения выполняют из калиброванных круглых прутков, диаметр которых на 1,5...2 мм меньше диаметра шара. При этом шарикоподшипниковую сталь нагревают до 850...900° С в индукционной печи и, проходя термостат, подают в валки, которые вращаются в одну сторону. Поскольку на каждом валке есть ручьи, выполненные по винтовой линии, а оси валков установлены под некоторым углом, подобно валкам прошивных трубопрокатных станов, то заготовка, поступившая к валку, вращаясь, движется в направлении оси.

При этом она постепенно приобретает форму шара, который за каждый оборот валков выбрасывается с другой стороны. Для увеличения производительности шаропрокатного стана применяют винтовые калибры, которые за каждый оборот валков обеспечивают получение двух, трех и четырех шаров. Чтобы удержать заготовку от смещения с оси прокатки, устанавливают направляющие боковые линейки.

Заводской опыт показал, что диаметр валков следует выбирать, исходя из условий прочности осей валков и надежности захвата металла валками. Так, например, при прокатке шаров диаметром 24...30 мм диаметр валков берется 200...220 мм, при диаметре шаров 36...50 мм диаметр валков 280...300 мм.Существенное влияние на получение качественных шаров осуществляет длина калибра, которая измеряется в градусах развертки винтовой линии.

Обычно эта величина находится в пределах 1170...1350°, причем 810° приходятся на длину отделочного участка. На аналогичных станах осуществляют прокатку заготовок сферических роликов для подшипников качения, а также другие цилиндрические и профилированные тела вращения короткой длины.Калибровку валков в данном случае выполняют относительно необходимого профиля. Наибольшие трудности при этом вызывает получения плоских торцов заготовки.

Долгое время зубчатые колеса, которые являются очень распространенными деталями машин, изготовляли из кованой или литой заготовки на станках механической обработки со снятием металла в стружку. Этот малопродуктивный и дорогой способ изготовления зубчатых колес заменила прокатка нагретой заготовки на профилированных зубчатых валках, имеющих модуль зацепления, равный модулю необходимых шестерен.

Прокатка вместе с высокой производительностью обеспечивает получение зубчатых колес с лучшими механическими характеристиками. Производительность труда по сравнению с операцией чернового зубофрезерования возрастает в 5...10 раз при экономии металла до 15...20% от массы заготовки колеса.

Зубчатые колеса пластической деформацией металла получают двумя способами:

1) плоский диск зажимают головками суппорта и располагают между двумя зубчатыми валками (рис. 4.29, а). Заготовку нагревают в индукционной печи на сравнительно небольшую глубину непосредственно в суппорте. Процесс формирования зубов выполняют при вращении и постепенном сближении валков. Как только диаметр шестерни достигает заданного значения, процесс обработки заканчивают. Данную схему прокатки используют преимущественно при изготовлении шестерен значительного диаметра, а также шестерен с косо расположенными или шевронными зубами;

2) прокатку шестерен между зубчатыми валками выполняют продавливанием между зубчатыми валками в направлении оси круглой длинной заготовки или сложенных стопой коротких заготовок, каждая из которых равна толщине шестерни (рис. 4.29, б). Заготовки нагревают в индукционной печи. В процессе прокатки расстояние между осями валков не меняется, что обеспечивает выполнение зубчатого зацепления с высокой степенью точности.

Прокатные валки для производства шестерен изготавливают из легированной и низкоуглеродистой стали. В последнем случае рабочую поверхность зубов валков цементируют на глубину 0,5...1 мм, что повышает устойчивость к 3000...5000 шестерен на комплект валков.

Изготовление шестерен прокаткой кроме высокой производительностиобеспечивает получение более качественного металла в зубчатом венце, который обладает повышенной прочностью и износостойкостью. Это объясняется тем, что изгиб волокна по профилю зуба при пластической деформации металла заготовки способствует получению более качественного металла в зубчатом венце - поверхность зубов становится более плотной на глубину 0,5...0,6 мм.

Специальные исследования на усталостное выкрашивание поверхностей зубьев шестерен из стали 45, прокатанных и дополнительно фрезерованных со снятием стружки толщиной всего 0,15 мм, показали, что предел усталости составляет 7 МПа, в то же время для шестерен из того же материала, полученных только фрезерованием, при тех же условиях испытания предел усталости составила лишь 5,3 МПа, т.е. примерно на 25% ниже. Кроме рассмотренных видов периодических профилей, получаемых прокаткой, можно изготавливать профили с винтовой поверхностью - с малой (с шагом до 3...5 мм) и большой резьбой. Такие станы имеют производительность в 10...20 раз выше производительности токарных и резьбофрезеровочных станков при экономии металла до 10...15%.

Удачно освоено производство периодического профиля в виде ребристых труб для теплообменных аппаратов. Производство этого вида периодических профилей обеспечивают трехвалковые станы горячей и холодной прокаткивысоко-и низкоребристых труб из черных и цветных металлов.

Известно, что наиболее распространенным режущим инструментом является сверла, винтовые каналы которые изготавливают на механических станках, где до 50% металла идет в стружку. Изготовление сверл продольно-винтовой прокаткой на четырехвалковом стане характеризуется высокой производительностью и экономичностью. Валки такого стана расположены под углом 90° друг к другу и повернуты к оси заготовки на угол, соответствующий углу подъема винтовых канавок сверла. Валки образуют закрытый калибр, который обеспечивает прокатку канавок сверла и профиля спинки и ленточки сверла за один проход заготовки. Прокатку выполняют в горячем состоянии. Производительность одного стана составляет 400 сверл в час, что в 10...15 раз выше по сравнению с фрезеровочными автоматами при экономии металла до 25...30%.