5. - Неравномерность деформации в результате влияния трения и неоднородности свойств деформируемого металла имеется при прокатке, как и при прочих процессах обработки давлением.

Неравномерность деформации при обработке металлов давлением нежелательна, так - как приводит к неравномерности распределения механических свойств по сечению готового изделия, появлению дополнительных напряжений. Дополнительные напряжения могут привести к искажению формы готового изделия, а иногда и к появлению трещин, что в значительной мере ухудшает качество металла. Неравномерное обжатие может привести к неоднородности структуры, особенно в последних проходах при горячей обработке металлов давлением. В отдельных частях полосы степень деформации может быть критической, а в других - выше критической. Вследствие этого получаются крупные и мелкие зерна.

Неравномерность деформации по толщине полосы приводит к появлению в металле дополнительных напряжений. В слоях полосы, получивших большие обжатия, возникают сжимающие напряжения, а в слоях, получивших обжатие меньше среднего, появляются растягивающие напряжения.

Схемы увеличить,оставить без текста

Неравномерность деформации металла обусловлена формой поперечного сечения заготовки и валков, а также неодинаковым нагревом по сечению прокатываемой полосы.

Неравномерность деформации полосы под влиянием этих факторов объясняется влиянием их на сопротивление деформации. Изменение сопротивления деформации по длине прокатываемой полосы вызывает изменение давления металла на валки, что приводит к изменению упругих деформаций рабочих клетей прокатного стана и, следовательно, зазора между валками.

Основные причины неравномерности деформации следующие: 1) несоответствие формы инструмента форме деформируемого тела; 2) внешнее трение; 3) неоднородность физических свойств деформируемого тела.

В случае несимметричной неравномерности деформаций обычно наблюдается искривление полосы. В этом случае обжатия от одной кромки к другой постепенно возрастают. Соответственно увеличиваются и вытяжки. Разность вытяжек, образующаяся в очаге деформации, воздействует как на передний, так и на задний конец прокатываемой полосы. 

Дополнительные напряжения при неравномерности деформации, обусловленной микроскопической неоднородностью свойств ( разной податливостью зерен), уравновешиваются в пределах группы зерен; эти напряжения называют дополнительными напряжениями второго рода.

Существенное влияние на неравномерность деформации слоев оказывает расположение слоев в прокатываемой биметаллической заготовке. В большинстве случаев неравномерность деформации по длине нежелательна, так как снижается точность размеров прокатываемой полосы. Для повышения точности прокатки необходимо обеспечить равномерный нагрев заготовки как по длине, так и по ширине; валки должны быть изготовлены без эксцентриситета. Для уменьшения упругих деформаций клети стараются применять рабочие клети повышенной жесткости или специальные предварительно напряженные клети. 

Схема только

Расслоение алюминиевого слитка при горячей пр к. тке.

Во всех рассмотренных случаях неравномерность деформации проявлялась в пределах больших участков ( зон) деформируемого тела; дополнительные напряжения уравновешивались в пределах всего тела, такие дополнительные напряжения называют зональными или дополнительными напряжениями первого рода. 

Неравномерность зерна приводит к неравномерности деформации, что может вызвать образование трещин. Волокнистая структура металла нежелательна, так как такой металл имеет ярко выраженную анизотропию механических свойств и неодинаковую способность к деформации вдоль и поперек направления проката.

Рассмотрим влияние зональной неоднородности свойств на неравномерность деформации. Допустим, что слиток ( заготовка) неравномерно нагрет так, что наружные слои имеют более высокую температуру. Нагретые слои как более мягкие деформируются в большей степени, чем внутренние холодные. Это приводит к появлению дополнительных напряжений сжатия в наружных слоях и растяжения во внутренних. 

1.6 - Факторы, влияющие на усилие в процессах производства.

Величину усилия прокатки находят как произведение среднего контактного нормального напряжения (контактного давления) р_ср на площадь соприкосновения металла с валком F.

P=p_cpF

Среднее контактное нормальное напряжение определяют по уравнению:

p_cp

Величина F зависит при горячей прокатке от геометрических размеров очага деформации (от размеров валков и полосы до и после прокатки), а при холодной еще и от контактного давления и материала валков. Контактное давление зависит от двух групп факторов: определяющих механические свойства обрабатываемого металла (сопротивления деформации) и определяющих характер напряженного состояния (контактных сил трения, внешних зон, напряжения и др).

Влияние второй группы факторов можно выразить в виде произведения двух коэффициентов, из которых первый γ учитывает влияние среднего нормального напряжения σ_ф, а второй η_σ – влияние остальных напряжений на контактное давление:

Р_ср=γσ_фη_σ

При двумерной деформации, когда уширением можно пренебречь, γ=1,15, а при прокатке полос со свободным уширением γ=1.

1.7 - Роль трения в процессах ОМД

Внешним трением называют такое явление, когда при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление. Для преодоления этого сопротивления необходима определенная сила, называемая силой трения. Различают два вида трения: качения и скольжения.

Коэф-т трения f=Ftp/N

Технологическая смазка-то, что специально наносится на поверхность для снижения негативного влияния трения.

Основные особенности при ОМД и трения в подшипниках след.

При ОМД на поверхности трения действуют высокие давления, достигающие 2500Мн/м^2 и более. В подшипниках скольжения общего назначения, в направляющих ползунов и в других узлах машин возникают давления не выше 10Мн/м^2 и только в тяжело нагруженных подшипниках прокатных станов давления достигают 20-50Мн/м^2.

При ОМД происходит значительное обновление поверхности контакта инструмента с деформируемым металлом в связи с общим увеличением поверхности последнего. В подшипниках наблюдается незначительное обновление поверхности контакта, происходящее только в результате износа.

Смещение частиц металла по контактной поверхности трущихся деталей в машинах одинаково во всех точках контакта, а при ОМД величина и скорость смещения различны для разных точек контакта. Так, при осадке цилиндрического образца в центре контактной поверхности смещение деформируемого металла относительно инструмента отсутствует. В некоторых случаях скольжение отсутствует по всей поверхности контакта,т.е. происходит ’’прилипание.’’ Деформация в этом случае осуществляется смещением частиц внутри объема тела.

1.8 - Характеристика процессов горячей деформации

Горячая деформация (с полным разупрочнением) – деформация, при которой деформационное упрочнение полностью снимается за счет явлений разупрочнения → полностью успевает пройти рекристаллизация;

Горячая обработка давлением является основным видом обработки. Основное преимущество по сравнению с холодной - значительное уменьшение сопротивления деформации и увеличение пластичности при повышении температуры. Это позволяет вести обработку с большими степенями деформации при меньших усилиях и расходе энергии.

Процесс горячей обработки сложнее, чем холодной. Исходным материалом для горячей обработки является слиток, обладающий большой неоднородностью зёрен по величине и форме, химической неоднородностью в результате зональной и дендритной ликвации, имеющий пустоты, пузыри. При горячей обработке в результате диффузии происходит некоторое выравнивание химического состава (гомогенизация), первичные кристаллы разрушаются, пустоты завариваются.

При горячей обработке давлением одновременно с процессом деформации происходит процесс возврата, полигонизация и рекристаллизация. Наряду с упрочнением происходит разупрочнение. В многофазных сплавах может происходить перекристаллизация с фазовыми превращениями при соответствующей температуре деформации.

Для чистых металлов граница горячей деформации лежит вблизи 0,5-0,6 Tпл, для сплавов эта граница смещается в область более высоких температур.

При горячей прокатке упрочнение ограничивается начальной стадией. При достижении некоторой степени деформации (~50 %) упрочнение прекращается. Начиная с этого момента зависит только от и скорости деформации . Часто наблюдается прямая зависимость между и lgZ=lg +Δh/k . Параметр Z=expΔH/ k - параметр Зонера-Холлонона учитывает одновременное действие температуры и скорости деформации на .

1.9 - Характеристика процессов холодной деформации

В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Она характеризуется большим искажением формы зерен под действием внешних сил, упрочнением металла (наклепа) и появлением в нем внутренних напряжений. Основное изменение формы кристаллитов состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). С повышением степени холодной деформации зерна все более вытягиваются и структура становится волокнистой. При большой степени деформации появляется текстура и, как следствие, анизотропия свойств.

Абсолютная температура начала рекристаллизации, для чистых металлов равна 0,4 от абсолютной температуры плавления.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Холодная деформация увеличивает твердость металлов и их прочность при значительном уменьшении пластичности (удлинения и ударной вязкости) теплопроводности и сопротивления коррозии. Также снижается электропроводность. Однако если наклепанный металл нагреть до температуры рекристаллизации, после охлаждения его прочностные свойства будут такими же, как и до холодной деформации.

Холодную обработку металлов давлением проводят в случае, если:

1. Сечения обрабатываемого металла малы, и сложно нагреть заготовку большой площади

2. При волочении, когда нагрев приведет к разупрочнению и отрыву выходящего конца

3. Для повышения прочности наклепом

4. Для придания специальных физ, магнитных св-в

5. Изд повышенной точности 

1.10 - Очаг деформации и его параметры при продольной деформации

Холодная прокатка металла осуществляется так называемой продольной прокаткой. При продольной прокатке металл деформируется между двумя вращающимися в противоположные стороны валками. Металл втягивается в зазор между ними благодаря силам трения, которые появляются при соприкосновении металла с валками. В процессе прокатки одновременно деформируется не весь объем металла, а только его небольшая часть, находящаяся в зазоре между валками. Эту часть металла называют очагом деформации. Продольное сечение очага деформации представляет собой форму объема металла, заключенного между поверхностями соприкосновения прокатываемого металла и валков (рис. 15). Эти поверхности называются контактными. Объем металла, заключенный между контактными поверхностями и определяемый сечением АВАВ, называется контактной зоной деформирования или геометрическим очагом деформации.

П ластическая деформация распространяется и на области, прилегающие к объему АВВА, т. е. металл начинает деформироваться до входа в сечение АВАВ и продолжает деформироваться после выхода из этого сечения. Эти области расположены вне контакта металла с валками и называются внеконтактными зонами деформации.

При прокатке прямоугольной полосы на гладких цилиндрических валках форма геометрического очага деформации характеризуется следующими параметрами: Н — высота полосы, перед входом в валки (до прохода); h — высота полосы после выхода из валков (после прохода); R—радиус валков; В — ширина полосы до прохода; b — ширина полосы после прохода; 1₃ — длина геометрического очага деформации; а — угол захвата. Величины H, h, В, b, R обычно бывают заданы, а параметры l₃ и а определяются расчетом, исходя из геометрических зависимостей. Длина очага деформации (l₃ = = АС) представляет собой горизонтальную проекцию дуги АВ, по которой валок соприкасается с металлом. Дуга АВ называется дугой захвата.

1.11 - Условия захвата металла валками:

Процесс прокатки металла обеспечивается трением, возникающим по контактным поверхностям валков с прокатываемой полосой. В момент захвата со стороны каждого валка на металл действуют две силы (рис. 21.3): нормальная (радиальная) сила N и касательная (тангенциальная) сила Т. Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металла валками или соотношением T’ > N’, где T’ – втягивающая сила (проекция силы трения T на горизонтальную ось); N’ – выталкивающая сила (проекция нормальной реакции валков N на горизонтальную ось). При этом условии результирующая сила будет направлена в сторону движения металла. Условие захвата металла можно выразить:

T * cosα > N * sinα

Выразив силу трения T через нормальную силу N и коэффициент трения f: T = F * N, и, подставив это выражение в условие захвата, получим:

f * cosα > sinα или  f > tgα

Таким образом, для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.

В предельном случае f = tgα_мах

Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках. Максимально допустимый угол захвата при прокатке зависит от материала валков и прокатываемой полосы, состояния их поверхности, температуры и скорости прокатки. Обычно при прокатке блюмов и крупных заготовок максимальный угол захвата составляет 24.. .32°, при горячей прокатке листов и полос— 15. ..20°, при холодной прокатке листов и лент со смазкой—2. ..10°.

1.12 - Стадии процесса продольной прокатки.

Наиболее общая схема технологического процесса прокатки включает операции подготовки исходного металла к прокатке, нагрева перед обработкой давлением, собственно прокатки для получения заданного профиля, отделку проката и контроль его качества.

При подготовке исходного металла к прокатке с него удаляют различные поверхностные дефекты, что увеличивает выход готового проката.При прокатке контролируют начальную и конечную температуру, заданный режим обжатия.

1.13 - Скоростные условия процессов продольной прокатки

Рассматривая скоростные условия прокатки, следует отметить, что кроме скорости прокатки в теории прокатки широко используют понятие скорости деформации. Она зависит от скорости прокатки, но в отличие от нее учитывает еще параметры очага деформации и относительное обжатие.

А.И. Целиков предложил следующую формулу для ее определения:

, сек^-1.

Скорость деформации изменяется в широких пределах – от 0,1 сек^-1 на обжимных станах до 1000 сек^-1 на современных проволочно-мелкосортных станах. 

1.14 - Уширение при прокатке

При прокатке полоса обжимается по высоте и увеличивается по длине и ширине. Увеличение размеров полос по ширине называется уширением. Обычно уширение определяется как абсолютное изменение размеров полосы по ширине.

Величина уширения при прокатке имеет важное значение. От правильного выбора уширения зависит точность получаемого профиля.

Различают уширение свободное, ограниченное, или стесненное, и вынужденное.

Свободное уширение наблюдается при прокатке в гладких валках, где поперечное течение металла сдерживается только силами трения. Для прокатки листов и лент характерно свободное уширение. Уширение и вытяжка образуются за счет объема металла, смещаемого по высоте полосы. При увеличении обжатия должны увеличиваться и уширение, и вытяжка. Соотношение между удлинением и уширением определяется законом наименьшего сопротивления. Основную роль при этом играет соотношение между длиной и шириной контактной поверхности, так как от этого зависит сопротивление перемещению металла в продольном и поперечном направлениях, возникающее вследствие сил трения на контактной поверхности.

Рассмотрим влияние основных факторов на уширение при прокатке.

С увеличением абсолютного обжатия увеличивается величина смещенного по высоте объема металла и, следовательно, увеличивается вытяжка и уширение.

С увеличением диаметра валков уширение увеличивается. Объясняется это тем, что при постоянном значении абсолютного обжатия с увеличением диаметра валков увеличивается длина дуги контакта.

Увеличение числа проходов при одном и том же абсолютном обжатии приводит к уменьшению уширения.

На уширение полосы оказывает влияние ее ширина, пока она невелика. С увеличением ширины полосы сопротивление перемещению металла в поперечном направлении возрастает, что приводит к уменьшению уширения. При достижении достаточно большой ширины сопротивление поперечному течению становится настолько большим, что уширение металла прекращается.

Увеличение коэффициента трения на контактной поверхности приводит к увеличению сил трения, действующих как в продольном, так и в поперечном направлениях. При прокатке узких полос с увеличением коэффициента трения уширение возрастает. Наоборот, при прокатке более широких полос ширина очага деформации больше, чем длина дуги захвата, увеличение коэффициента трения приводит к большему возрастанию сопротивления перемещению металла в поперечном направлении, чем в продольном. В этом случае увеличение коэффициента трения приводит к уменьшению уширения.

2.1 - Классификация процессов ОМД:

Прокатка

-продольная

-винтовая

-поперечно-винтовая

Волочение

Ковка

Штамповка

Прессование

2.2 - Классификация станов холодной прокатки

По сортаменту продукции станы разделяют на:

• заготовочные, в том числе станы для прокатки слябов и блюмов,

• листовые и полосовые,

• сортовые, в том числе балочные и проволочные,

• трубопрокатные

• деталепрокатные (бандажи, колёса, оси и т.д.).

По технологическому процессу делят на следующие группы:

• литейно-прокатные (агрегаты),

• обжимные (для обжатия слитков), в том числе слябинги и блюминги,

• реверсивные одноклетевые,

• тандемы,

• многоклетевые,

• непрерывные,

• холодной прокатки.

2.3 - Общее устройство рабочей клети

Рабочая клеть — основной элемент главной линии прокатного стана. В ней устанавливают прокатные валки, обеспечивающие деформирование металла.

Размеры прокатных валков — диаметр бочки Dбоч, длина бочки Lбоч— являются определяющей характеристикой рабочей клети.

Кроме рабочего инструмента (валков) рабочая клеть как исполнительный механизм технологической машины (стана) оснащена следующим оборудованием и системами для получения качественного проката:

1)устройство для изменения раствора валков в целях получения заданного обжатия полосы;

2)устройство для осевой установки и фиксации калиброванных валков в целях совмещения ручьев калибров или для осевой сдвижки и фиксации профилированных валков с гладкой бочкой в целях снижения поперечной разнотолщинности прокатываемых полос;

3)устройство для уравновешивания и охлаждения валков;

4)устройство для направления полосы на входе и выходе из рабочей клети (в том числе для предотвращения окова валков);

5)система автоматического управления скоростным режимом валков для снижения динамических нагрузок при захвате и выбросе полосы и уменьшения продольной разнотолщинности прокатываемых полос, а также для снижения энергетических затрат при прокатке за счет уменьшения натяжения полосы между клетями или создания скоростной асимметрии внутри клети;

6)система автоматического регулирования толщины полосы с помощью гидравлических устройств, предназначенных для предварительного нагружения клети и принудительного изгиба валков;

7)устройство и система для ограничения динамических нагрузок и предохранения от статических перегрузок.

Например, узлами и механизмами рабочей клети дуо (рис.2.1) являются:

 

 

Рис.2.1. Клеть дуо: 1, 2— рабочие валки; 3, 6— подушки; 7, 8 — станины; 9, 10 — нажимные устройства; 11, 12 — плитовины; 13 — уравновешивающее устройство

 

•правая и левая станины, воспринимающие усилие прокатки и служащие для крепления остальных частей рабочей клети;

•верхняя средняя и нижняя кассеты (узлы валков), каждая из которых включает прокатный валок, правую и левую подушки с подшипниками;

•установочные (нажимные) механизмы для изменения расстояния между валками;

•устройства для уравновешивания верхнего валка;

•устройства осевой установки и фиксации валков;

•плитовины, изготовленные в виде линеек, на которых укрепляют станины рабочих клетей;

•проводки для направления прокатываемого металла на входе и выходе из валков.

Совершенствование клетей прокатных станов идет в направлении снижения конструктивной металлоемкости клети и повышения точности проката.

Существуют следующие способы повышения точности проката:

1)применение возможно более стабильного температурного режима прокатки;

2)повышение жесткости рабочих клетей с целью снижения разницы в упругой деформации клетей в результате неизбежного изменения сил, действующих на валки при прокатке;

3)применение систем автоматического регулирования межвалкового расстояния в зависимости от показаний измерителя профиля или сил на валки;

4)автоматическое регулирование натяжения металла в процессе прокатки или полное его устранение;

5)компенсация изменения межосевого расстояния валков вследствие увеличения толщины масляной пленки в подшипниках жидкостного трения (ПЖТ) с повышением скорости прокатки.

Повышение жесткости клети уменьшает дополнительные деформации деталей, вызванные нагружением валков при прокатке, и улучшает качество проката. Жесткость клети будет тем выше, чем короче силовые потоки, идущие от одного валка к другому, и чем меньшее количество деталей они захватывают.

Один из способов повышения жесткости рабочей клети — увеличение сечений силовых деталей. При увеличении диаметра валков уменьшаются их прогибы, но возрастают контактное сплющивание валков, ширина окна и прогибы поперечин станины. При увеличении диаметра валков в 1,2 раза жесткость клети возрастает на 11 %, а масса клети — на 22 %. При последующем увеличении диаметра валков в 1,2... 1,4 раза жесткость клети возрастет еще на 6 % , а масса клети — на 26 %.

Следовательно, повышать жесткость клети целесообразно при одновременном увеличении диаметра валков и сечений станины. Так, если увеличить диаметр валков и сечения станин в 1,2 раза, жесткость клети повысится на 15,2%, а ее масса — на 36%.

2.4 - Общее устройство станов горячей прокатки полос

Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев, термическая обработка, контроль и т.д.).

Все оборудование прокатного стана делится на основное и вспомогательное. Основное оборудование стана служит для деформации металла между вращающимися валками, все прочие операции выполняет вспомогательное оборудование.

Основное оборудование состоит из одной или нескольких главных линий, в каждой из которых располагается 3 вида устройств:

1. рабочие клети (одна или несколько) - к ним относятся прокатные валки с подшипниками, станины, установочные механизмы, плитовины, проводки;

2. электродвигатели для вращения валков;

3. передаточные устройства от электродвигателей к прокатным валкам, состоящие большей частью из шестерённой клети, шпинделей и муфт.

Между шестерённой клетью и электродвигателем часто устанавливают редуктор. Если каждый валок имеет свой электродвигатель, передаточные устройства состоят лишь из шпинделей. Наибольшее распространение получили станы с горизонтальными валками.

Для обжатия металла по боковым поверхностям используют клети с вертикальными валками, называемые эджерами. Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Они служат для прокатки широких полос и двутавровых балок с широкими полками.

В станах винтовой прокатки (прокатка труб, осей, шаров) валки располагаются косо - под углом подачи.

2.5 - Типы станов холодной прокатки