книги из ГПНТБ / Шор Э.Р. Новые процессы прокатки

Часть первая

ПРОДОЛЬНАЯ ПРОКАТКА ЛИСТОВ И ПРОФИЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Глава I

ПРОКАТКА ЛИСТОВ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Во многих областях техники при изготовлении силовых элементов и деталей различных машин и конструкций целесо­

образно применять равнопрочные профили, площадь сечения:

которых изменяется по длине изделия в зависимости от измене­ ния расчетной нагрузки, испытываемой данной деталью.

Применение равнопрочных балок, клиновидных листов, по­ лос и других полуфабрикатов переменного сечения позволит сни­ зить вес машин и уменьшить расход металла на их изготовле­ ние при сохранении требуемой прочности.

Таким образом, одним из весьма важных направлений в- снижении удельного расхода металла является наибольшее при­

ближение формы прокатываемого профиля к готовому изделию' при целесообразном распределении и использовании металла в-

самом профиле.

Равнопрочные профили, полосы и листы переменного сече­ ния могут найти широкое применение в транспортном машино­ строении и в особенности в тех отраслях техники, где макси­ мальное снижение веса детали (при сохранении прочности кон­ струкции) является важнейшим фактором при оценке машины. В других областях народного хозяйства равнопрочные профили переменного сечения также должны получить широкое распро­ странение. Так, например, при использовании экономичных про­

филей проката можно будет получить снижение веса мостовых и крановых конструкций, строительных ферм и балок, оборудо­ вания для бурения нефтяных скважин сельскохозяйственных машин и орудий, ж.-д. вагонов, грузовых автомашин и т. п., что. обеспечит экономию значительного количества металла, умень­

шит стоимость изготовления и эксплуатации этих машин и кон­ струкций.

Профили переменного сечения производили штамповкой на мощных прессах, обработкой на специальных фрезерных и стро­ гальных станках или последовательным соединением—сваркой и склепыванием нескольких полос постоянного сечения, но раз­

10 Продольная прокатка листов и профилей переменного сечения

личной толщины. В некоторых случаях для этой цели применя­ ли специальное травление металлических полос в концентриро­ ванных растворах щелочей п кислот.

Эти способы изготовления равнопрочных профилей облада­ ют рядом существенных недостатков.

1. В связи с большой длиной обрабатываемых профилей

(3—5 м и более) приходится применять дорогостоящие, слож­ ные и относительно малопроизводительные прессы и металлоре­ жущие станки, требующие большого количества весьма квали­ фицированного обслуживающего персонала.

2. Ухудшаются механические свойства металла при обработ­

ке его снятием стружки или путем травления, так как снимается

поверхностный слой проката, обладающий более высокой проч­ ностью, чем средние слои металла, в большей степени загряз­ ненные примесями. Кроме того, при такой обработке происходит

.листов из легких сплавов, имеющих наиболее широкое примене­ ние в ряде отраслей машиностроения, указанными способами не­

возможно.

3.При механической обработке получаются большие отхо­ ды в стружку, составляющие 40—50% от веса исходного мате­ риала, что значительно повышает себестоимость готовой продук­ ции. Это обстоятельство усугубляется тем, что для равнопроч­ ных профилей применяются сравнительно дорогие специальные сплавы и стали.

4.Конструкция и размеры прессового и станочного обору­ дования ограничивают сортамент необходимых для промышлен­ ности профилей переменного сечения. Так, например, этим спо­

собом нельзя получить широкие (более 1,5 At) листы с изменяю­ щейся по их длице толщиной, длинные клиновидные листы и по­

лосы с толщиной тонкого конца 1 мм и менее и т. д.

5. Полосы переменного сечения, изготовляемые из несколь­ ких полос постоянного сечения (различной толщины) путем

■сварки или клепки, получаются ступенчатыми, т. е. не полно­ стью равнопрочными. Кроме того, наличие заклепочных соеди­ нений, стыков и переходов вызывает концентрацию напряже­ ний в этих участках профилей и понижает прочность изделий.

Во ВНИИМЕТМ.АШ под руководством чл.-корр. АН СССР

А. И. Целикова был разработан ряд новых прогрессивных спосо­ бов производства равнопрочных профилей, полос и листов пу­ тем обработки давлением, в частности специальными методами прокатки и волочения2.

1 Листы, покрытые слоем чистого алюминия для защиты от коррозии.

2 В разработке и освоении процессов прокатки листов и тавровых профи-

.лей переменного сечения, кроме автора настоящей книги и изобретателей

переменного сечения заключается в непрерывном изменении, в течение процесса прокатки, расстояния между осями рабочих валков прокатного стана.

Для осуществления этого простого по идее процесса потре­ бовалось применение механизмов специальной конструкции, обе­ спечивающих гибкую и надежную связь между вращением ра­ бочих валков и изменением расстояния между ними.

В течение последних десяти лет разработаны конструкции специальных прокатных станов для производства равнопрочных профилей и листов переменного сечения, освоена технология производства на этих станах полуфабрикатов переменного сече­ ния, и такого рода полуфабрикаты внедрены в различные отрас­ ли машиностроения.

В настоящее время в промышленности работают несколько прокатных станов, выпускающих листы и фасонные профили пе­ ременного сечения из легких сплавов и сталей специальных ма­ рок, используемых для изготовления равнопрочных конструк­ ций. Еще более мощные прокатные станы могут быть спроекти­ рованы на основе опыта эксплуатации существующих станов и их всестороннего исследования.

Следует отметить, что производство равнопрочных профилей переменного сечения имеет последовательное научное и экспе­

риментальное обоснование.

Опытные работы вначале 'были поставлены на небольших лабораторных прокатных станах (стан дуо 150 Московского института цветных металлов и золота им. Калинина — 1939 год и стан дуо 250 ВНИИМЕТМАШ—1947 год), на которых был про­ верен и обоснован принцип прокатки равнопрочных профилей переменного сечения путем изменения расстояния между осями рабочих валков. Результаты исследований, проведенных на этих станах, в особенности на стане дуо 250 ВНИИМЕТМАШ, были

А. А. Сарычев, А. М. Когос, Б. Н. Козлов, В. Л. Добкин, | Г. М. Зак, |канд

техн, наук Н. Н. Дружинин и В. Ф. Калугин, инженер М. И. Рейфисов.

В освоении новых процессов прокатки листов и профилей переменного сечения и во внедрении их в машиностроительную промышленность принима­ ли участие также инженеры А. Ф. Белов, канд. техн, наук В, А. Ливанов, В. Н. Степанов, инженеры А. Г. Брунов, И. Л. Головин и многие другие ин­

женерно-технические работники машиностроительной и металлургической промышленности.

12 Продольная прокатка листов и профилей переменного сечения

На стане дуо 900, оснащенном совершенной измерительной аппаратурой, был исследован и освоен в производственных усло­

виях процесс прокатки и отделки листов переменного сечения из легких сплавов шириной до 800 мм. Использование этих ли­ стов в серийных транспортных машинах новых конструкций да­ ло значительный технико-экономический эффект. Кроме того, на этом стане был исследован и освоен'процесс прокатки клино­ видных листов с натяжением и процесс нагартовки закаленных листов переменного сечения с целью повышения их прочности. Проведено также изучение давления металла на валки, возни­ кающего при прокатке листов переменного сечения, а также

определено влияние жесткости стана на геометрию прокаты­

ваемых листов. Эти исследования могут быть положены в осно­ ву разработки новых станов для прокатки широких листов пере­ менного сечения.

Ниже приводится теоретическое обоснование процесса про­

катки клиновидных листов и полос переменного сечения и рас­

сматриваются результаты исследования прокатных станов, ра­

ботающих по принципу непрерывного изменения расстояния между осями рабочих валков в процессе прокатки.

Дано также описание исследования процесса прокатки — во­ лочения в неприводных валках, с помощью которого осуще­ ствлено промышленное производство равнопрочных тавровых профилей переменного сечения, и изложен опыт освоения про­

катки таких профилей на стане, установленном на Московском металлургическом заводе «Серп и молот» .

1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ ЛИСТОВ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Под листом или профилем переменного сечения понимается

металлический полуфабрикат, площадь сечения которого изменя­

ется по его длине. Изменение площади поперечного сечения по­ луфабриката может происходить равномерно по закону прямой

линии, по какому-либо заданному криволинейному закону или

-же периодически, т. е. ступенями.

Основная операция на новом прокатном стане — деформация металла между вращающимися валками — осуществляется при изготовлении листов переменного сечения путем непрерывного изменения расстояния между осями валков стана в процессе про­ хождения металла между ними (рис. 1).

В одной из первых конструкций стана для прокатки клино­

видных полос переменного сечения — на стане дуо 150 — синхро­ низация окружной скорости обоих валков и скорости вертикаль­

ного перемещения верхнего валка осуществлялась поступатель­ ным движением нажимных винтов, вращающихся от привода

рабочих валков через зубчатую передачу. Клиновидность прока­ тываемых листов регулировалась изменением передаточного чис­ ла зубчатой -передачи. На стане были прокатаны полосы пере­ менного сечения из стали и дюралюмина. Результаты измерения полос переменного сечения показали, что изменение толщины полосы по ее длине происходит по закону прямой линии.

Рис. 1. Схема прокатки а и размеры листов пере­ менного сечения б

Однако конструкция этого стана (для прокатки полос пере­ менного сечения) имела весьма существенные недостатки, иск­ лючающие возможность применения его в качестве промышлен­ ного прокатного стана. Основной недостаток заключался в том, что синхронизация скорости вращения рабочих валков со скоро­ стью вертикального перемещения верхнего валка при помощи механической связи нажимных винтов через зубчатую передачу не могла быть конструктивно осуществлена на крупных промыш­

ленных станах. Для такого стана понадобились бы громоздкие зубчатые передачи, в которых весьма трудно осуществлять сме­ ну промежуточных шестерен для прокатки листов с различной клиновидностыо.

В дальнейшем проводили экспериментальные работы по хо­ лодной прокатке полос и уголков переменного сечения на новом специально сконструированном для этой цели двухвалковом ста­

не 250 в лаборатории прокатки ВНИИМЕТМАШ.

Механическая синхронизирующая связь между скоростью вращения нажимных винтов и числом оборотов рабочих валков

14 Продольная прокатка листов и профилей переменного сечения

стана была заменена на электрическую, осуществляемую нажим­ ным устройством, приводимым двигателем постоянного тока,,

питающимся от генератора, установленного на одном валу с дви­ гателем привода рабочих валков. Таким образом, изменение ско­

рости двигателя рабочих валков но время прокатки автоматиче­ ски сопровождается соответствующим изменением скорости дви-

Пн

гателя нажимных винтов, причем отношение — во время про­

катки сохраняется постоянным.

(Здесь /г,, •—число оборотов' нажимных винтов, пв — число обо­ ротов рабочих валков).

В результате проведенных на этом стане опытных работ вы­ явилась полная пригодность электрической синхронизирующей' связи.

Прокаткой были получены полосы переменного сечения из дюралюмина и стали шириной до 200 мм с клиновидностыо от 0,5 до 2 мм/м вполне удовлетворительного качества как по меха­

ническим свойствам, так и по геометрическим размерам и каче­ ству поверхности.

На основе успешного опыта эксплуатации этой установки в ЦКБММ ЦНИИТЛА.АШ была разработана конструкция опытно­ промышленного стана с длиной бочки валков 900 мм для прокат­ ки листов переменного сечения из легких сплавов шириной до

800 мм.

Для этой цели был использован реверсивный двухвалковый стан с размером валков 500X900 мм, ранее применявшийся для прокатки полос постоянного сечения шириной до 800 мм и тол­ щиной до 10 мм. На этом стане прокатка листов переменного се­ чения производится при непрерывном изменении расстояния между осями валков во время деформирования заготовки. Син­ хронизация между скоростью изменения расстояния между вал­ ками и скоростью прокатки осуществлена по электрической схе­

ме, несколько видоизмененной по сравнению со схемой двухвал­ кового стана 250.

Общий вид стана дуо 900 показан на рис. 2.

С целью получения еще более широких листов' переменного' сечения, прокатка которых сопряжена с большим давлением ме­ талла на валки, следует применять станы кварто, имеющие мощ­ ное нажимное устройство и синхронизирующую электрическую связь скорости прокатки со скоростью изменения расстояния ме­

жду рабочими валками. На таких станах можно получить листы переменного сечения более качественные в отношении отклоне­ ний от номинальных размеров, чем при прокатке на стане дуо. Прогиб валков, являющийся основной причиной, вызывающей изменение геометрических размеров прокатываемого листа, при прокатке ча четырехвалковых станах значительно меньше, чем

16 Продольная прокатка листов и профилей переменного сечения

при прокатке на двухвалковых. В процессе прокатки изменяется

■общее давление металла на валки; это вызывает изменение их

прогиба, что влияет на качество и точность прокатываемых ли­

стов. Поэтому уменьшение прогиба валков весьма важно при

.прокатке листов переменного сечения.

Принципиальный характер изменения прогиба рабочих вал­ ков' при прокатке листов переменного сечения и его влияние на качество выкатки листов можно пояснить рассмотрением схемы

процесса прокатки, представленной на рис. 3. На этой схеме по-

Рис. 3. Схема прогиба валков

казаны три различные стадии (I, II и III) процесса прокатки одного и того же листа переменного сечения, при которых изме­

няется общее давление металла на валки в связи с изменением степени обжатия металла. Такое неравномерное обжатие вызы­ вает образование более тонкой средней части листа по сравнению с его кромками на одной части прокатываемого листа, а в дру­ гой части листа (при увеличении обжатия до максимальной ве­ личины) образование более тонких кромок по сравнению с толстой серединой листа.

Однако, как показали последующие исследования процесса, оказалось возможным получать листы весьма высокого качест­ ва, укладывающиеся в допуск по толщине ±0,2 мм и имеющие отставание от плоской плиты в любой точке листа, не превышаю­ щее 20 мм, что соответствует весьма жестким требованиям, предъявляемым ответственными машиностроительными конст­ рукциями.

Следует также отметить, что в отдельных станах для прокат­ ки листов и полос переменного сечения в качестве привода на­