3.5 Основы теории прокатки труб на роликовых станах хптр

Особенности деформации металла и кинематики процесса прокатки на станах ХПТР. В конце 1950-х годов во ВНИИМЕТМАШе отечественными учеными В.В. Носалем и В.А. Вердеревским были созданы первые станы холодной прокатки труб роликами (ХПТР) для прокатки особотонкостенных труб. В силу большой эффективности способа и оборудования станы ХПТР получили широкое распространение на заводах нашей страны и трубных заводах во всех промышленно развитых странах.

Схема деформации металла на роликовых станах ХПТР аналогична холодной прокатке труб на валковых станах. Прокатку труб ведут на цилиндрической оправке тремя или четырьмя рабочими роликами, по периметру которых нарезан круглый ручей постоянного радиуса, равного радиусу готовой трубы (рис. 3.14). В конце длины прямого хода клети в поперечном сечении ролики образуют замкнутый круглый калибр.

На рис. 3.15 показана кинематическая схема привода стана ХПТР. Особенностью роликовых станов является сложное возвратно-поступательное движение, в котором находятся ролики с сепаратором и опорные планки с рабочей кареткой (клетью). Это создается рычажной системой, связанной через рабочую каретку с кривошипно-шатунным механизмом.

При прокатке труб на роликовых станах в результате перемещения опорной планки рабочие ролики, зажатые между опорной поверхностью планки и рабочим конусом, получают вращательное движение. При этом исключается возможность проскальзывания роликов по опорной поверхности планок. В противном случае процесс нарушается в связи с заклиниванием роликов. Поступательная скорость ролика может быть определена из кинематической схемы (см. рис. 3.15):

(3.30)

Угловая скорость вращения ролика:

(3.31)

Окружная скорость любой точки ролика:

(3.32)

Здесь ОА, ОВ – длины плеч кулисы, связанных соответственно через рычаги с сепаратором и кареткой; v_кар – скорость движения каретки; R_ц – радиус цапфы или, в случае ее отсутствия, усредненный радиус качения ролика по опорной поверхности планки; R_у – радиус ролика по ширине ручья.

В стане ХПТР ролики находятся одновременно во вращательном и поступательном движении и от соотношения между этими видами движения зависят знак и направление осевых усилий, действующих на рабочий конус и стержень оправки.

В зависимости от соотношения между скоростью поступательного и вращательного движения ролика и скоростью истечения металла по контактной поверхности возможно разное сочетание зон относительного скольжения, т. е. возможна как одно-, так и двухзонная схема очага деформации. Теоретический анализ процесса роликовой прокатки труб показал идентичность скоростных условий этого процесса с валковой холодной прокаткой труб.

На рис. 3.16 показаны эпюры скоростей металла и ролика при прямом и обратном ходах клети стана ХПТР.

Силовые параметры процесса прокатки. Прокатка труб на станах ХПТР характеризуется значительной неравномерностью деформации металла. Из-за использования на стане ХПТР ручья постоянного радиуса на большей длине рабочего конуса калибр, образованный роликами, не замкнут. Чем ближе к началу рабочего конуса, тем больше зазор между ребордами соседних роликов. Последнее приводит к тому, что объемы металла, заключенные между роликами, подвергаются внеконтактной деформации. Это увеличивает давление в очаге деформации, приводит к возникновению значительных растягивающих напряжений во внеконтактных зонах деформации, а следовательно, к снижению пластичности деформируемого металла.

В.В. Носаль рекомендует рассчитывать давление металла на ролики станов ХПТР по методике А.И. Целикова для продольной прокатки полосы.

Горизонтальную проекцию контактной поверхности металла с роликом, учитывая упругое сплющивание инструмента, определяют по формуле:

, (3.33)

где – ширина очага деформации; n – число роликов; r_т – радиус прокатываемой трубы; p_ср – усредненное по поверхности контакта нормальное напряжение;  – коэффициент формы контактной поверхности, равный при 2-, 3-, 4-х роликах 1,20…1,25; 1,08…1,10; 1,0…1,04 соответственно.

Полное усилие металла при роликовой прокатке

(3.34)

Для инженерных расчетов усилие металла на ролик рекомендуется определять по формуле

, (3.35)

где – усредненный предел прочности материала трубы, определяемый по специальным диаграммам или по уравнению ; – пределы прочности заготовки и прокатанной трубы; – диаметры заготовки и трубы; m – суммарное за двойной ход линейное смещение трубы; R_к – катающий радиус ролика, определяемый по уравнению

(3.36)

l_обж.к – длина обжимной зоны конуса; k – коэффициент, учитывающий особенности пластической деформации металла при роликовой прокатке труб (влияние внеконтактных зон, неравномерности деформации, условия внешнего трения и т. п.). Коэффициент k может быть определен с использованием экспериментальных данных В.А. Вердеревского: k = 1,45…3,55.

Осевое усилие, действующее на заготовку. Как было отмечено, при холодной прокатке в очаге деформации наблюдается скольжение металла относительно валков, при этом соотношение между зонами опережения и отставания в очаге деформации изменяется по длине хода каретки. Соответственно изменяются величина и направление осевого усилия со стороны роликов на заготовку.

На рис. 3.17 показана схема сил, действующих на заготовку при прямом и обратном ходах сепаратора. Спроектировав силы, действующие со стороны одного ролика на заготовку (ось х), получаем при прямом ходе сепаратора (рис. 3.17, а):

, (3.37)

где Q_пр – осевое усилие, действующее со стороны одного рабочего ролика на заготовку; – результирующая контактных сил трения в зоне отставания металла; – то же в зоне опережения металла; f – коэффициент трения на контактной поверхности ролика;  – угол наклона равнодействующей сил нормального давления к вертикали; – суммарная площадь контактной поверхности металла с валком; – площадь контактной поверхности на участке отставания металла.

После ряда преобразований Ю.В. Шевакин и Ф.С. Сейдалиев получили формулы для определения суммарных осевых усилий, действующих на заготовку со стороны всех n роликов при прямом ходе сепаратора:

(3.38)

где усилие .

Отношение площадей зоны отставания и всей площади контактной поверхности:

при ω_{x дна} < θ_{x дна}

(3.39)

при ω_{x дна} = θ_{x дна}

(3.40)

при ω_{x дна} > θ_{x дна}

. (3.41)

Суммарное осевое усилие, действующее на заготовку со стороны всех n роликов при обратном ходе сепаратора (рис. 3.17, б):

(3.42)

где .

Если результат расчета получен со знаком плюс, значит осевое усилие действует в направлении прокатки, т. е. оно растягивающее; если результат со знаком «минус», то осевое усилие сжимающее.