Лабораторная работа № 2 Изучение видов сортового проката

2.1 Вводная часть.

2.1.1.1 Процессы обработки давлением - это процессы, основанные на пластич-ности металлов и сплавов. Металлическое тело /металл или сплав/, подвергаемые обработке давлением, называют деформируемым телом, представляющим собой поликристалл. Детали, устройства, приспособления непосредственно соприкасающиеся с деформируемым телом, через которые передается внешняя сила или создается препятствие движению тела, называют инструментами. Деформируемым телом может быть слиток, заготовка, полученные методами обработки давлением или порошковой металлургии

2.1.1.2. Все процессы обработки давлением по термомеханическому режиму делят на холодные и горячие. Холодной деформацией называют процесс, при котором происходит только упрочнение, горячей деформацией - при котором происходят упрочнение и разупрочнение. Основным процессом разупрочнения является динамическая рекристаллизация, т.е. рекристаллизация, происходящая во время деформации. При холодной деформации пластичность уменьшается, а сопротивление деформации увеличивается.

М ерой пластичности считают деформацию, при которой появляется первая трещина.

Мерой сопротивления деформации, т.е. свойства металла или сплава препятствовать пластической деформации, служит напряжение текучести S (истинное напряжение), равное отношению силы Р к площади сечения образца в один и тот же момент испытания. Значение S, как правило, определяют из испытания на растяжение или сжатие. Зависимость значения S от значения относительной деформации с, или логарифмической (истинной деформацией) - называют кривой упрочнения. Для технологических расчетов более удобно применять относительную деформацию, изменяющуюся от 0 до I (от 0 до 100%). Кривые упрочнения некоторых металлов и сплавов приведены на рис. 1.

2.1.1.3 Прокатка - процесс пластической деформации слитка или заготовки между вращающимися валками с целью получения заданных форм, размеров и физико-механических свойств. Инструментом для прокатки могут так же служить плиты с возвратно-поступательным движением и сочетания плит с валками. Прокатка - наиболее массовый и производительный процесс обработки давлением. Прокатке подвергают более 80% всей выплавляемой стали и большая часть производимых цветных металлов и сплавов. Применяют прокатку продольную и специальные виды прокатки (поперечно-шиповую, поперечную и поперечно-клиновую).

2.1.1.4 Продукцию, получаемую прокаткой, называют прокатом. Перечень выпускаемого проката с указанием профиля, размеров и допусков на них - сортамент. Сортамент проката принято делить на четыре группы: сортовой прокат, плоский (листовой) прокат, трубы и специальные виды проката

2.1.1.5. Сортовой прокат имеет постоянное по длине сечение простой или сложной формы и его, как правило, получают горячей прокаткой. Соответственно выпускают профили простой геометрической формы и фасонные профили. К профилям простой геометрической формы относятся блюм, квадрат (сторона квадрата от 6 до 250 мм и более), круг (диаметр от 4 до 300 мм) прямоугольник (толщина 1…60мм, ширина 10...600 мм), правильный многоугольник (в т.ч. шестигранник), треугольник, овал, полукруг, сегмент, ромб. Простой сортовой прокат может служить исходным материалом для прокатки фасонных профилей, волочения прутков и проволоки, заготовок для горячей и холодной объемной штамповки и для изготовления деталей обработкой резанием. Прокат прямолинейный называют прутком, в виде проволоки, свернутой в бухту, катанкой. Катанку выпускают диаметром от 4 до 35 мм. Используют для по получения деталей обработкой резанием, производства проволоки волочением, для объемной штамповки. Катанку диаметром до З5 мм применяют для горячей и холодной объемной штамповки на автоматах, что позволяет, по сравнению с прутками, увеличить производительность, сократить технологические отходы, улучшить условия работы автомата. Катанку и прутки, подвергнутые одной или нескольким протяжкам для повышения точности размеров сечения и качества поверхности, называют калиброванным прокатом. Калиброванный прокат необходим для холодной объемной штамповки. Фасонные профили: уголок равнобокий и неравнобокий, швеллер (корытное железо), двутавр, тавр, рельс, зетовый профиль, колонный профиль, широко применяемые в строительстве и для различных конструкций в машиностроении, а также профили для тракторов (лемехи) и других сельскохозяйственных машин, широкополые балки и другие профили по заданию промышленности при крупносерийном и массовом производстве.

2.1.1.6. К плоскому прокату относят листы, ленты и фольгу (листы или ленты толщиной менее 0,1 мм). Листы выпускают горячекатанные и холоднокатанные, лента и фольга, как правило, холоднокатанные. Наибольшее применение для листовой штамповки кузовных и других деталей в автостроении имеют ленты и листы (в рулонах) холоднокатанные толщиной от 0,05 мм до 4 мм и шириной от 200 до 2300 мм Применение лент и рулонного проката обеспечивает повышение производительности штамповочного оборудовании, повышение качества изделий и улучшение условий работы инструмента за счет использования при прокатке современных средств повышения качества и точности прокат, уменьшение технологических отходов.

2.1.1.7. Трубы выпускают бесшовные горячекатанные н холоднокатанные с наружным диаметром от 5 до 650 мм при толщине стенок от 0,5 мм (холоднокатанные) до 40 мм и трубы сварные, свернутые из листа или ленты, с наружным диаметром до 2000 мм и более при толщине стенки до 15 мм.

2.1.1.8. Специальные виды проката: прокат переменного по длине сечения, в том числе периодический прокат, прокат специального назначении и гнутые профили. Периодический прокат - прокат, поперечное сечение которого периодически изменяется. Прокат с переменным по длине сечением используют в виде фасонной заготовки при горячей штамповке, что позволяет применить более простые штампы, увеличить про-изводительность при штамповке, снизить отходы н улучшить качество продукции. Периодический прокат применяют также в виде заготовок для обработки резанием, что позволяет значительно повысить производительность, сократить расход металла и объем доделочных операций. Периодической прокаткой получают заготовки полуосей автомобиля, шатунов автомобильного двигателя, осей вагонов и тепловозов, лопаток, турбин и др. Прокат специального назначения - заготовки деталей определенного типоразмера. Применение гнутых из плоского проката профилей позволяет экономить до 35% металла, по сравнению с профилями, полученными сортовой прокаткой. Гнутые профили применяют в автомобильной (ветровые рамки, радиаторные трубки и др.) и авиационной промышленности, строительстве (профили для оконных и фонарных переплетов, поручни лестниц и др.). Гнутые профили значительно дешевле прессованных, но уступают им по прочности, сложности сечения и точности размеров могут быть изготовлены только из пластичных материалов (алюминий, низкоуглеродистая сталь и т.п.).

2.1.1.9 Инструмент для прокатки – это, как правило, валки. Прокатный валок состоит из рабочей части (бочки), на которой осуществляют прокатку, шеек, опирающихся на подшипник, и соединительной части, через которую передается крутящий момент. (рис.2.а.). Валки изготавливают из чугуна, литой и кованной углеродистой и легированной стали и твердых сплавов.

2.1.10. Оборудование для прокатки - прокатный стан. Прокатным станом называют комплекс машин и механизмов для деформации металла прокаткой (главная линия) и для выполнения вспомогательных операций,

Р ис. 2. Прокатные валки: а) гладкие ручьевые с открытым калибром; б) – с закрытым калибром; (1. – рабочая часть – бочка; 2. – опорная часть – шейка; 3 – соединительная часть; 4. – ручей верхнего валка; 5. – ручей нижнего валка; 6. – калибр)

Сопровождающих процесс прокатки (транспортеры, манипуляторы, кантователи, ножницы, фрезерные агрегаты, моталки, сварочные машины, намоточные барабаны и др.). Схема главной линии прокатного стана приведена на рис.3.

Рис. 3. Схема главной линии прокатного стана.

1. – рабочая клетью 2. – Соединительные шпинделя. 3. – Шестерённая клеть.

4. – Муфта. 5. – Редуктор. 6. – Маховики. 7. – Муфта. 8. – Электродвигатель.

В рабочей клети осуществляют пластическую деформацию металла прокаткой. Она состоит из двух станин в виде рам, в окнах которых расположены массивные, т.н. полушки с подшипниками, на которые опираются шейки валков. Усилие прокатки Р, действующие: со стороны металла на рабочие валки (рис.2.), через шейки, подшипники и подушки передается на станины рабочей клети. Рабочая клеть оснащена механизмами для установки и регулировании в процессе прокатки положения валков, управляемыми ЭВМ по заданной программе. Шестеренная клеть предназначена для разделения крутящего момента двигателя между приводными валками. Конструктивно оформляют шестеренную клеть в виде шестерен с шевронными зубьями, расположенными в закрытом корпусе, залитом смазкой. Число и диаметр шестерен соответствует числу и диаметру приводных валков рабочей клети. Редуктор, обычно двухступенчатый, предназначен для уменьшения частоты вращения. Маховики накапливают механическую энергию во время холостого хода (пауза между пропусками) с увеличением частоты вращения и отдают, во время рабочего хода (пропуска) с уменьшением частоты вращении, уменьшая нагрузку на электродвигатель. Число валков, диаметр и длина рабочей части валка - главные (основные) параметры прокатного стана. Например, стан 2/1000/2500 - стан двухвалковый, диаметр рабочей части валка -1000 мм. Длина рабочей части - 2500 мм.

2.2. ПРОДОЛЬНАЯ ПРОКАТКА

2.1.2.1. При продольной прокатке (рис.4.а.) заготовка подается к двум вращающимся в разные стороны валкам. Оси валков параллельны, заготовка движется поступательно. В точках соприкосновения заготовки с валками (рис.4.б.) возникает нормальная сила N, направленная по радиусу, и сила трения Т, направленная по касательной к окружности. Сила Р - равнодействующая сил N и Т. Дугу АВ называют дугой захвата, центральный угол α - углом захвата, угол между силами N и Р- углом трения β, tgβ -коэффициентом трения μ при пластической деформации. Если Рx, проекция Р на направление прокатки X, направлена в сторону, противоположную направлению вращения, то валки оттолкнут заготовку, если Рx = 0, то произойдет проскальзывание заготовки в валках. Если Рх направлена в сторону вращения валков, то произойдет захват заготовки валками и осуществится процесс прокатки. Следовательно, чтобы произошел захват заготовки валками, необходимо, чтобы β > α.

Д ля практических расчётов более удобно использовать неравенство μ > tgα. Осевое усиление для облегчения захвата металла валками при продольной прокатке, как правило, не прикладывают. Значение коэффициента трения зависит от физической природы и состояния контактных поверхностей обрабатываемого металла и валков, термомеханического режима обработки (совокупности значений деформации, температуры и скорости) и других факторов. Значения коэффициентов трения и соответствующие им максимально допустимых углов захвата αvax для ряда металлов и сплавов в производственных условиях приведены в таб.1

Рис. 4. Продольная прокатка.

а) установившийся процесс;

б) силы, действующие на заготовку в момент захвата.

Таблица 1.

Коэффициенты трения при пластической деформации и соответствующие им максимально допустимые углы захвата αмах

Условия прокатки. Металл или сплав.	μ	αмах
Горячая прокатка
Сталь	0,40	22
Никель	0,40	22
Медь	0,51	27
Алюминий	0,40	22
Холодная прокатка стали и других металлов и сплавов
Без смазки на грубо шлифованных валках	0,09…0,14	5…8
Со смазкой на шлифованных валках	0,09…0,10	3…5
Со смазкой на полированных валках	0,017…0,05	1…3

Продольная прокатка - основной способ производства сортового и плоского проката, а также бесшовных труб. Заготовки для продольной прокатки бесшовных труб из стали получают горячей поперечно-винтовой; из алюминия, меди, никеля, титана и сплавов на их основе - прессованием; из вольфрама, молибдена и других тугоплавких металлов и сплавов - методами порошковой металлургии. Продольной прокаткой изготавливают ограниченное количество по массе и сортаменту профилей переменного по длине сечения.

2.1.2.2. Для плоской прокатки применяют валки гладкие (рис.2.а.), для сортовой - ручьевые. Рабочая часть гладких валков имеет форму цилиндра, иногда с весьма незначительной выпуклостью (при холодной прокатке) или вогнутостью (при горячей прокатке). На рабочей части ручьевых валков вытачивают) вырезы (рис.2.б.) или выступы (рис.2.в), которые называют ручьями. Каждый валок на рабочей части имеет один или несколько ручьев, а также имеет две шейки и соединительную часть. В рабочем положении ручьи двух валков и зазор между ними образуют калибр. Границу калибра - переход калибра с одного валка на другой - называют разделом калибра. Если раздел калибра проходит по линии параллельной осям валков (по калибру), то калибр называют открытым (рис.2.б.). Калибр у которого раздел находится вне калибра, называют закрытым (рис.2.в.). Разработку системы калибров (либо выбор известной системы) с построением соответствующих калибров, обеспечивающей получение заданных форм и размеров профилей, называют калибровкой. Калибры делит на обжимные (вытяжные), уменьшающие сечение заготовки, черновые (подготовительные), приближающие сечение к заданному профилю и чистовые (отделочные), обеспечивающие получение заданной формы и размеров сечения.

2.1.2.3. При горячей и горячей и холодной прокатке широкого листового проката одним из важнейших показателей качества являются равномерность толщины по ширине. Для равномерности толщины валки профилируют (рис.5). Для горячей прокатки валки изготавливают вогнутые. В еличина вогнутости ("лощинки") учитывает расширение средней части бочки под тепловым воздействием совмещенное с режимом охлаждения. Конкретное значение вогнутости подбирают экспериментально в зависимости от условий работы. Для того чтобы повысить стабильность качества горячего подката, идущего на дальнейшую холодную прокатку, применяют четырехвалковые станы (рис.6.а.). При холодной прокатке широкого листового проката на двухвалковом стане происходит изгиб валка. Дли повышения равномерности толщины валки изготавливают выпуклыми (с горбинкой), что позволяет получить нормальную степень точности и отклонение от номинальной толщины, в зависимости от толщины, ширины и свойств материала, составляет 15-30%. Увеличение диаметра валка не только не уменьшает, а даже увеличивает поле допуска. Это связано с тем, что с увеличением диаметра валка, при прочих равных условиях, увеличивается дуга захвата и соответственно площадь соприкосновения металла с валком. Соответственно, увеличивается значение Р и разнотолщиность. Указанное поле допуска не соответствует в ряде случаев современным требованиям машиностроения.

Рис. 6. Схемы расположения валков в многовалковых станах.

а) четырёхвалковый стан; б) шестивалковый стан; в) двенадцативалковый стан; г) двадцативалковый стан

Идея многовалкового стана состоит в том, что рабочие валки, которые непосредственно соприкасаются с металлом, изготавливают относительно малого диаметра, локализируя деформацию. Изгибу рабочих валков препятствуют опорные валки, диаметр которых в несколько раз больше. Наиболее широко применяют четырех, двенадцати и двадцати-валковые станы (рис.6.). В двенадцати и двадцативалковых станах каждый из двух рабочих валков малого диаметра опирается на два опорных, создающих ему опору в вертикальном и горизонтальном направлении. Поле допуска на четырех валковых станах (повышенная степень точности) составляет 10-20%, на 12 и 20-валковых поле допуска 2-10% (высокая степень точности). Во избежание потери точности размеров за счет смятия по дуге захвата валки изготавливают из твердых сплавов. По сравнению с двух и четырех валковым станами 12 и 20-валковые дают не только повышение точности поперек и вдоль проката, но и практически отсутствие ограничения по ширине (до 3000 мм), меньшее число проходов и промежуточных отжигов (повышение производительности, сокращение расхода электроэнергии), плоскостность проката, отсутствие растрескивания по кромкам, возможность легкой и быстрой смены рабочих валков (10...30с) и др. Для получения проката особо высокой точности с полем допуска 0,3—4% и менее созданы станы специальных конструкций, базирующиеся обычно на идее многовалковых станов.

2.1.2.5. Специальные вилы прокатки: поперечно-винтовая, поперечная, поперечно-клиновая и профилирование плоского проката.

2.1.2.6. Процесс поперечно-винтовой прокатки осуществляют на двух или трех косо-расположенных валках, вращающихся в одну сторону. Оси валков пересекающиеся (рис.7.) или скрещивающиеся прямые (рис.8.). На рис.7.а. и 8.а. показаны зоны деформации вдоль направления прокатки, на рис.7.6. и рис.8.6. - в поперечном сечении.

Рис. 7. Схема поперечно-винтовой прокатки профиля переменного по длине сечения. Оси валков пересекаются. 1. - валок, 2. - заготовка, 3. - изделие.

Рис. 8. Схема поперечно-винтовой прокатки заготовки трубы (гильзы). Оси валков - скрещивающихся - прямые. а) сечении вдоль направления прокатки; б) сечения поперёк направления прокатки; в) сечении поперёк направления прокатки с показом радиальных напряжений, вызывающих разрыхление центральной части заготовки в зоне деформации 1. - валок; 2. - оправка; 3.- направляющий холостой валок; 4.-заготовка; 5.- стержень.

Направления вращения валков Wв, вращательного W3 поступательного Vз движения заготовки показаны на рис.7. и рис.8. стрелками. Если сил трения для обеспечения захвата металла валками при поперечно-винтовой прокатке недостаточно, то к заготовке прикладывают осевое усилие Рос либо на начальном этапе, либо на протяжении всего процесса прокатки. При прокатке в двух валках для устойчивости положения заготовки устанавливают направляющие, холостые валки (рис.7.а.) или направляющие линейки.

Заготовки имеют постоянное по длине сечение. Получают непрерывным литьем (слитки) и прокаткой (прокат). Слитки имеют форму цилиндра или правильной многогранной призмы, подкат - форму цилиндра сплошного или полого. Прокатку проводят, как правило, в горячем состоянии.

Поперечно-винтовую прокатку применяют при производстве:

1. гильз;

2. сортового проката;

3. сплошных и полых круглых переменного по длине сечения, в

том числе периодического проката (рис.7.);

4. специального проката в виде сплошных и полых тел вращения.

Гильза - толстостенная относительно небольшой длины труба. Служит заготовкой для раскатки труб заданных размеров продольной и поперечно-винтовой прокаткой. Параметры прокатки (соотношение диаметров валков и заготовки, угол между осями валков и заготовки и наклона конической части валка) подобраны так, чтобы из-за неравномерности деформации в центральной части заготовки создались растягивающие радиальные напряжения, как показано на рис.8.в. Под действием этих напряжений металл в центральной зоне заготовки разрыхляется и образует полость. Чтобы предупредить образование трещин на поверхности полости и получить заготовку трубы заданных размеров, у стана вливают оправку.

Путем подбора параметров можно решить обратную задачу: получить сортовой прокат равномерного по сечению высокого качества с большей производительностью, чем сортовые станы продольной прокатки.

Поперечно-винтовой прокаткой получают также специальный прокат в виде сплошных и полых тел вращения: заготовки шаров диаметром от 18 до 125 мм для подшипников качения, шаровых мельниц и др. назначения (рис.9.), колец (колец и роликов подшипников качения, втулок заднего колеса велосипеда, ватерных колец для текстильной промышленности и др. (рис. 1.10.), червячных колес, винтов и сверл, теплообменников грузовых автомобилей и других профилированные труб, а также бандажи колес и колеса локомотивов и др. При прокатке профилированных труб, кольцевых заготовок и других полых изделии заготовкой служит труба (обычно бесшовная). В полость трубы вводится оправка из инструментальной стали.

Поперечно-винтовая прокатка - единственный способ получения шаров с волокном вдоль конфигурации детали, что обеспечивает. Наряду со способами повышения плотности металла (вакуумирование, непрерывное литье и др.) надежность и длительный срок службы шаров и подшипника в целом.

Процесс поперечной прокатки осуществляют на двух или трех вращающихся в одну сторону валках. Заготовка в виде прутка или трубы круглого сечения в процессе прокатки вращается в другую сторону. Оси валков и заготовки параллельны, в процессе прокатки обычно сближаются (рис.11.). Горячей прокаткой получают заготовки цилиндрических шестерен с зубьями (модуль 7...15 мм), а также бочкообразные ролики подшипников и другие детали с заданным внешним и внутренним профилем.

2.1.2.7. Поперечно-клиновую прокатку осуществляют двумя валками с клиновыми ручьями (рис.12.). Оси валков и заготовки параллельны. Валки вращаются в одну сторону, заготовка - в другую. Заготовка, кроме вращательного, получает поступательное движение. Ручьи обычно вытачивают не на валке, а на сменных сегментах, укрепленных на валках. Получают специальный прокат: заготовки ступенчатых валков, крупных шаровых пяльцев и других деталей переменного по длине сечения. Поперечно-клиновая прокатка значительно более производительна, чем поперечно-винтовая, дает большую точность размеров за счет наличия калибрующей части ручья, в которой расстояние между поверхностями заготовки и валков не изменяется. В автотракторном машиностроении поперечно-клиновая прокатка, несмотря на се существенные преимущества, в ряде случаев не выдерживает конкуренции с поперечно-винтовой. При поперечно-винтовой прокатке инструмент универсальный, а при поперечно клиновой - только для данного типоразмера. Расходы на инструмент оправдывают себя только при крупносерийном и массовом производстве и ограниченной номенклатуре деталей. Заготовки длиной более 750...800мм требуют громоздких и очень дорогих станов.

За последние годы получила распространение холодная поперечно-клиновая прокатка относительно небольших деталей для получения поперечных канавок и других элементов, которые не могут быть получены холодной объемной штамповкой и накаткой по известным схемам.

2.1.2.8. Если поперечно-винтовая, поперечная и поперечно-клиновая прокатка, сочетают элементы прокатки и объемной штамповки, то профилирование ленты сочетает элементы прокатки и листовой штамповки. Сущность процесса состоит в том, что форма сечения ленты (рис.13.) последовательно изменится на профилегибонных станах при помощи нескольких пар вращающихся фасонных валков (роликов) 2 и 3. Процесс непрерывный, а при сварке концов рулонов ленты - бесконечный. Кроме роликов с горизонтальной осью устанавливают ролики наклонные и вертикальные.

2. 2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Как осуществляется продольная прокатка?

2. Какие условие захвата металла валками в начальный момент прокатки.

3. Что такое кривые упрочнения, когда они необходимы?

4. Инструмент для прокатки, его разновидность.

5. Что такое ручей и калибр? Какие бывают калибры?

6. Для чего служит рабочая клеть?

7. Каково назначение шестеренной клети?

8. Какую продукцию получают продольной прокаткой?

9. Что называют прокатным станом?

10. Что такое главная линия прокатного стана, из чего состоит?

11. Чем отличается кинематика движения валков и заготовки при различных видах прокатки?

12. Что такое периодический прокат, каково его назначение?

13. Как достигают образование полости при поперечно-винтовой прокатке?

14. Приведите примеры заготовок деталей, получаемых специальным видом прокатки?

15. В каких случаях экономически выгодно применять поперечно-винтовую прокатку?

16. В чем преимущество получения гнутых профилей полученных из ленты с помощью роликов?

17. Каковы преимущества многовалковых станов перед двухвалковыми при производстве широкого проката? Какие многовалковые станы наиболее эффективны?

18. Для чего необходимо регулировать скорость прокатки? В каких пределах ее регулировать?

19. В каких случаях не устанавливают маховик, редуктор и шестеренную клеть? Что это даст?

20. Почему нельзя достичь повышения точности проката увеличением диаметра валка?

21. Для чего профилируют валки для продольной прокатки плоского проката? Какие профили должны иметь валки для горячей и холодной прокатки?