книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

Кривая, построенная по этим данным, приведена на рис. 9.28. При выравнивании опытной кривой [см. рис. 9. 28, а, б и форму­

лу (9.2.5)] была получена пропорциональная зависимость между экспериментальными данными [см. формулу (9.2.6) и рис. 9.29].

Коэффициент а численно равен числу заточек, выдерживаемых дисками, т. е. он характеризует изменение долговечности диска (число заточек) при заданных радиусах закругления у основания зубьев.

Коэффициент а зависит также от наклона прямой (см. рис. 9.29), определяемого параметром Ь. Следовательно, долговечность дисков,

диентами напряжений, соответствующими очень малому сроку службы дисков, где всего лишь 50% дисков, используемых для пил, выдерживают практически не более одной заточки. Коэффициент с можно повышать тем же способом, что и коэффициенты а и Ъ.

рис. 9.25) — влево. В результате долговечность дисков будет увели­ чиваться. Такие смещения будут возможны благодаря выбору более стойкого материала для дисков, правильной технологии обработки зубьев и т. п.

Коэффициент г0 характеризует некоторую границу области со

420

Долговечность определяли для дисков с радиусами закругления у основания зубьев /*^5 мм. Следует отметить, что радиус

не является оптимальным.

Необходимо изучить возможность применения дисков с радиуса­ ми г > 5 мм и при использовании более стойких материалов.

Выбор оптимальной величины радиуса г позволяет существенно увеличить долговечность дисков, так как в этом случае уменьшает­ ся возможность появления трещин усталости во впадинах между зубьями. Образованию и развитию таких трещин способствуют кон­ центрация напряжений, переменный характер нагрузок и ряд дру­ гих факторов.

Проведенное исследование позволило увеличить радиус закруг­ ления у основания зубьев дисков пил с 2,5 до 4 мм, как это пока­ зано на рис. 9.27. Характерно, что долговечность дисков увеличи­ вается до некоторого оптимального значения, определяемого по выражению (9.2.4). Дальнейшее увеличение радиуса г и долговеч­ ности дисков при неизменных углах заострения зубьев и их шаге может привести к чрезмерному уменьшению объема впадины, ко­ торый, как было указано выше, должен примерно на 20% превы­ шать объем размещаемой здесь стружки; кроме того, при этом усложнится заточка зубьев.

Для диска с предложенной формой зуба радиус закругления у основания зубьев пилы и угол их заострения увеличены по сравне­ нию с прежней формой, а высота зуба уменьшена. Это повышает стойкость и срок службы дисков в результате уменьшения концент­ рации напряжений и плеча приложения нагрузки, а также улучше­ ния условий теплоотдачи от вершины зуба.

Изменение в распределении напряжений при действии концент­ ратора, что отмечается во впадинах между зубьями, оценивается коэффициентами. В этом случае необходимо учитывать, что наи­ большее местное напряжение может значительно превышать номи­

трещин усталости. Такие трещины могут распространяться к центру диска.

Появлению трещин усталости может способствовать ряд фак­

421

Неоднородность структуры металла может возникнуть в ре­ зультате применения неправильных режимов обработки диска (правки, нарезки зубьев, упрочнения и проч.), а также от особен­

бенностями процесса металлургического производства. Марганцовистая сталь после вытяжки склонна к образованию

продольной волокнистой структуры, в результате чего ухудшаются ее механические свойства в поперечном направлении (особенно ударная вязкость).

Различие в свойствах марганцовистых сталей в поперечном и продольном направлениях'связано с сильной ликвацией марганца в процессе металлургического производства; марганец связывает кислород и серу, присутствующие в металле. В результате этого возникает большое количество включений закиси марганца и сер­ нистого марганца, которые в процессе прокатки подвергаются пла­ стической деформации. По мере увеличения количества включений растут волокнистость материала и ударная вязкость в продольном направлении, тогда как в поперечном направлении ударная вяз­ кость уменьшается. При весьма больших ударных нагрузках, ко­ торым подвергаются детали (зубья пил и пр.), создаются условия, аналогичные тем, какие наблюдаются при испытаниях ударных образцов. В деталях, которые нагружены только в продольном направлении (вдоль волокон), можно достигнуть повышения со­ противления разрушению при увеличении содержания оксидных и сульфидных включений. Для деталей, подвергаемых поперечным нагрузкам (у основания зубьев диска пилы нагрузки действуют вдоль и поперек волокон), наблюдается обратное явление.

Все сказанное справедливо для случаев разрушения (излома) при сильном ударе. При обычных нагрузках решающее значение имеет предел усталости применяемой стали. Вытянутые в длину и

ционной прочности диска пилы. Наиболее неблагоприятное влия­ ние на усталостную прочность оказывают крупные включения, вытянутые в длину и расположенные вблизи поверхности впадин между зубьями диска пилы.

На устойчивость диска и его вибрационную прочность также влияют материал диска, его толщина, диаметр и др. Имеется мне­ ние о возможности изготовления дисков пил (работающих при ок-

422

чего их направляли на переточку. При толщине 7 мм поступающие

шем от их применения отказались. Как видно из табл. 9.3, стойкость дисков толщиной 7 мм оказалась на 12% выше стойкости дисков толщиной 6 мм, поскольку у вторых усталостное разрушение мате­ риала по впадинам зубьев наступало быстрее, чем у первых. Диски толщиной 6,5 мм были устойчивыми и не давали вибраций.

далось и при использовании дисков из стали марки 50, только та­ кие диски выдерживали большее число заточек.

Чистота поверхности и точность изготовления зубьев зависят

423

от способа их получения (фрезерование, штамповка и др.); в этом смысле наиболее рационально фрезерование, так как при штампов­ ке зубьев диска на поверхности их оснований образуются микро­ трещины, в результате чего ускоряется процесс усталостного раз­ рушения материала диска пилы.

Для достижения необходимой чистоты поверхности зубьев при заточке абразивный диск следует выбирать в соответствии с каче­ ством материала диска пилы. Опыты показали, что хорошее качест­ во поверхности зубьев диска из стали марки 50 обеспечивает ис­ пользование абразива зернистостью не менее 46, твердостью СМ; материал абразивного диска — электрокорунд [251]. Число циклов нагружении определяется количеством разрезанного металла и числом зубьев диска пилы. Величина прилагаемых усилий (удель­ ных давлений) зависит от многих факторов: свойств металла раз­ резаемой полосы, скорости резания, температуры металла, профи­ ля зуба и др. [241, 251].

Диски с зубьями в виде равнобедренного треугольника обла­ дают большей стойкостью, чем диски с «волчьими» и «треуголь­

Трещины усталости могут возникнуть при действии повышен­ ных нагрузок на один или несколько зубьев, если их размеры больше, чем остальных. Образованию трещин способствуют так­ же подрезы зубьев.

Изменение температурных режимов работы дисков пил следу­ ет рассматривать с двух точек зрения. Снижение температуры

.разрезаемого металла приводит к увеличению нагрузок яа зубья диска. Кроме того, в процессе реза зубья поочередно включаются в работу, а затем выходят из зоны реза и охлаждаются; между порезами полосы диск также охлаждается. Как уже указывалось, такие явления попеременного нагрева и охлаждения могут при­ вести к термической усталости [252 и др.] с появлением на поверх­ ности зубьев сетки разгара. Подача охлаждающей воды на диск пилы создает условия для развития процессов коррозионной ус­ талости [253, 254].

Таким образом, в процессе работы зубьев дисков пил их уста­ лостная прочность определяется совместным действием механиче­ ской, термической и коррозионной усталости.

Понятно, что развитие термической усталости в первую оче­ редь определяется динамикой температурных изменений поверх­ ности и сечения зубьев и впадины. Данные о температурных из­

424

Исследования проводили на диске маятниковой пилы сортового стана изготовленном из стали марки 65Г. Диаметр диска 1200 мм, толщина 6 мм. Зубья рабочей поверхности диска изготовляли фре­ зеровкой. В торце зубьев сверлили отверстия диаметром 3,0 мм и глубиной 220 мм с таким расчетом, чтобы выход отверстий на плос­ кость диска осуществлялся в зону, свободную от соприкосновения

Узел А

Рис. 9.30. Схема подготовки диска пилы для исследования тем­ пературных параметров:

/' — диск пилы; 2' —отверстие в диске; 3' — пробка с зачеканенными термопарами; 4' — запрессованные образцы-свидетели; /, 2, 3, 4, 5 — го­ рячие спаи термопар

с разрезаемым металлом. Под углом к этим отверстиям сверлили другие из центра впадины (рис. 9.30). В отверстиях нарезали резь­ бу, затем ввинчивали пробки такого же диаметра с вмонтирован­ ными термопарами. Монтаж и зачеканку термопар выполняли с расчетом вывода термопар на поверхность зуба и впадины и на расстояние соответственно 2,0 и 3,0 мм от рабочей поверхности зу­ ба и впадины.

Исследования проводили дважды: I раз — с использованием платинородий-платиновых термопар диаметром 0,2 мм, I I раз — с использованием хромель-алюмелевых термопар диаметром 0,4 мм. Провода термопар через отверстия с помощью специального при­ жима отводили к валу диска пилы (рис. 9.31). В центре вала кре­ пили втулку, к которой с помощью гибкого валика присоединяли токосъемник. В обоих случаях соединение осуществляли на резьбе. Неподвижную часть токосъемника жестко крепили к раме пилы. В опытах использовали ртутный токосъемник звеньевого типа, удов­ летворительно работающий при столь высоком числе оборотов. Попытки использовать камерно-шайбовые ртутные токосъемники с промежуточной разделительной камерой и без нее не увенчались успехом — контакт становился ненадежным из-за завихрения ртути.

1 Аналогичное исследование проводили и на диске пилы рельсового стана диаметром 2000 мм и толщиной 10 мм. Результаты исследования отличаются от проводимых ниже лишь количественно, поэтому здесь не рассматриваются [255].

425

От токосъемника термо-э. д. с. термопары передавалась на ос­ циллограф Н-700. Тарировку термопар с осциллографом проводили в интервале температур 0—900°С. Для исключения влияния нагре­ ва компенсационные провода заключали в специальную трубу," в которую непрерывно подавали холодный воздух. Двойная тариров­

Рис. 9.32. Изменение температуры по сечению зубьев диска пилы в пе­ риод порезки автообода ЗИЛ-loU:

/ _ начальный период порезки металла; II, III- периоды установившегося про-

426

9.32. В процессе порезки отмечается резкое повышение температу­ ры поверхностного слоя зубьев и впадин. Повышение температуры носит циклический характер: температура то возрастает (в момент реза), то снижается (под воздействием охлаждающей воды в пе­ риод паузы). При резе каждый зуб и впадина многократно сопри­ касаются с разрезаемой заготовкой. Так, при вращении диска со скоростью 1500 об/мин и длительности реза 1 сек соприкосновение каждого зуба и впадины с разрезаемой полосой отмечается 25 раз. Нагрев и охлаждение происходят при каждом из 25 оборотов дис­ ка. На осциллограмме это отображается в виде незначительно пульсирующей восходящей кривой. В интервале между резами (пауза) температура поверхности зуба и впадины под влиянием охлаждающей воды и массы диска резко снижается. Увеличение интервала между резами (увеличение паузы) существенно умень­ шает температуру поверхности зуба и впадины. При последующих резах изменения температуры поверхности качественно повторяют­ ся. Следует иметь в виду, что с увеличением темпа прокатки (а сле­ довательно, и порезки) температура поверхности зубьев и впадин

разрезаемого металла, увлекаемые зубьями в период порезки про­ филя. Температура разогрева зависит и от субъективных факторов: квалификации резчика, своевременной остановки подающего роль­ ганга, а следовательно, силы прижима разрезаемого профиля к диску пилы и др. Иначе изменяется температура на глубине 2,0 и 3,0 дм. Изменение температуры здесь по преимуществу носит плав­ ный характер. Температура на глубине 3 мм во всех случаях не превышает 100—150° С.

Приведенные данные справедливы при порезке мягкой стали. Увеличение содержания углерода в разрезаемой полосе меняет ко­ личественную картину процесса. Качественно динамика распреде­ ления температур в зубьях не изменяется. По-прежнему отмечается цикличность в изменении температуры, зависящая от соотношения периодов порезки и перемещения полосы. То же самое следует сказать о профиле разрезаемой полосы. Переход на порезку угло­ вой стали облегчает температурные условия службы дисков пил — температура разогрева зубьев снижается; перестройка на прокатку более массивных полос ужесточает температурные условия дисков;

ра разогрева различных участков определялась металлографичес-

427

ким методом путем анализа микроструктуры и твердости образцов, запрессованных в диск и сравнения полученных показаний с эта­ лонными. Сводные результаты металлографического анализа серии образцов приведены в табл. 9.4.

Из таблицы следует, что результаты металлографического ана­ лиза удовлетворительно согласуются с данными, полученными пу­ тем записи динамики температурных изменений при работе реаль­ ного диска.

Полученные данные свидетельствуют, что в процессе работы диска пилы имеют место циклические изменения температуры. В от­ дельные моменты температура поверхности достигает 800° С, в пе­ риод перемещения полосы под воздействием окружающей среды и массы диска она снижается до 100—120° С. В результате в зубьях возникают значительные термические и фазовые напряжения. Сум­ мируясь с эксплуатационными от действующих нагрузок, напряже­ ния в диске превышают предел прочности отдельных микрообъе­ мов, в результате чего образуется разгарная сетка и радиальные трещины. Твердость и структура, сообщенные зубьям термической обработкой, также изменяются. Все это способствует интенсивному износу и вызывает необходимость выбраковки диска.

Как известно, стойкость и долговечность дисков даже в преде­ лах одного и того же завода изменяется в широких пределах: от нескольких резов до 1200—1400 при числе переточек от 0 до 5. Это определяется сочетанием рассмотренных факторов. Например, на одном из заводов диски рычажных пил меняют 2—3 раза в смену, а в некоторых случаях — до 6 раз. Стойкость дисков салазковых пил обычно выше (несколько суток). Для изготовления дисков пил применяют различные стали — У7А, 50Г2, Ст 5, 50Г, 27Г, 40Х, 50ХН, 50, 60С2 и др., но примерно на 70% заводов диски изготов­ ляют из стали марки 65Г. Листовую горячекатаную сталь для дис­ ков обычно подвергают термической обработке (отжигу, нормали-

428

зации). На тех предприятиях, где диски пил не упрочняют, срок их службы невелик.

Известно, что стойкость деталей можно повысить применением термической обработки. Однако диаметр дисков пил большой. Это затрудняет, а на металлургических заводах, где отсутствует спе­ циальное оборудование, делает невозможным их объемную терми­ ческую обработку. Поэтому зубья дисков пил подвергают поверх­ ностному упрочнению. На каждом заводе этот вопрос решается по-разному.

Ранее на Кузнецком металлургическом комбинате (КМК) каж­ дый зуб диска в отдельности закаливали. Нагрев зубьев вертикаль­ но расположенного диска осуществляли газокислородным пламе­ нем двумя горелками. Одна горелка служила для предварительного подогрева, а другая — д л я окончательного нагрева. После нагрева диск при помощи эксцентрика поворачивали на угол, соответствую­ щий одному зубу (ход эксцентрика равен шагу насечки зубьев ди­ ска). Закалку нагретого зуба осуществляли струей масла, разбрыз­ гиваемого из трубы. Для уменьшения напряжений в дисках масло предварительно нагревали до 100—150° С. Длительность обработки диска составляла 15—20 мин (в зависимости от его диаметра). Твердость после термической обработки была 58—60HRC.

Особенно эффективной описанная технология оказалась при термической обработке дисков диаметром 1500—1800 мм, толщи­ ной 7 мм, с шагом насечки зубьев 22 мм и высотой зуба 12 мм, из­ готовленных из стали марки 65Г. Стойкость таких дисков по срав­ нению с незакаленными повысилась в несколько раз и составила около трех смен.

Вследствие увеличения производительности прокатных цехов повысилась и удельная нагрузка на диски, поэтому возник вопрос об изыскании более совершенных методов упрочнения этих деталей. Одним из таких решений явилась электродно-контактная закалка зубьев. В настоящее время этот метод успешно применяют на за­ воде «Азовсталь», КМК и НТМК.

Диски пил на этих заводах изготовляют из стали марок 50 и 55, зубья закаливают при помощи контактного нагрева графитовыми электродами с последующим охлаждением на воздухе. На практи­ ке такую закалку осуществляют [244, 245, 248] на специальной ус­ тановке (рис. 9.33). Вторичная обмотка трансформатора / обеспе­ чивает силу тока не менее 1000 а при напряжении 6 в. Диск пилы крепят на специальной подставке 2. Выводы низковольтной обмот­ ки трансформатора присоединяют к закаливаемому диску 3 и дер­ жателю 4, в котором укреплен графитовый электрод 5. Концевой участок электрода 5а выполнен по конфигурации зуба За. Опу­ стив электрод на зуб, на обмотку трансформатора автоматически подают напряжение. В течение 4 сек (выдержка контролируется при помощи реле времени) головка зуба нагревается до заданной температуры. Затем диск поворачивают, и электрод опускается на следующий зуб; в это время нагретый зуб быстро охлаждается вследствие большой массы диска и действия окружающего возду-

429