|
После того, как первые попытки
изготовления тонкостенных труб на станах косой прокатки окончились
безуспешно, в 1885 г. был предложен и разработан метод пильгерной (пи-
лигримовой) прокатки. Как известно, лильгерная прокатка, по мнению некоторых
исследователей, включает в себя элементы ковки. Она рассматривается как
процесс непрерывной прокатки через большое количество последовательных
калибров.
При построении профиля валка раньше исходили из
возможности больших обжатий в начале процесса, когда металл имеет более
высокую температуру и весьма пластичен, и меньших обжатий в конце прокатки
(за один оборот валка), когда металл уже остыл и, следовательно, уменьшил
свою пластичность. В соответствии с этими положениями кривая профиля калибра
в начале участка прокатки шла круто вверх, а Ь конце участка плавно
переходила по окружности с постоянным радиусом к полирующему участку.
Распространить рабочий участок валка на всю его окружность оказалось
невозможным, так как после каждого оборота валка требуется возвратить
прокатываемую гильзу и скантовать ее на 90 град. Поэтому потребовалось
предусмотреть на валке холостую часть, имеющую длину, зависящую от скорости,
с которой совершаются указанные выше операции.
Калибр валков в поперечном сечении представлял собой
окружность с тангенциальными выпусками в направлении зазора между валками,
чтобы избежать повреждения металла» С целью избежать уменьшения внутреннего
диаметра гильзы внутрь ее вводили длинную оправку — дорн.
Валки при таком способе прокатки должны были состоять по
крайней мере из двух участков: рабочего и холостого. В валках этого (раннего)
типа не предусматривались переходные участки и не было возможности
прокатывать гладкие трубы с равномерной толщиной стенки. Кроме того, подача металла
в валки осуществлялась вручную, что не всегда позволяло раскатывать гильзу
равномерно. Поэтому после рабочего участка валка предусмотрели концентричный
относительно оси валка полирующий участок с постоянным радиусом калибра.
Наличие полирующего участка позволило получить на трубе гладкую поверхность
без каких-либо выпуклостей.
Свободное отставание прокатываемого материала от валков
при переходе от полирующего участка к холостому было обеспечено за счет
применения еще одного дополнительного (выходного) участка, постепенно и
плавно переходящего к холостому. Такой валок, имеющий четыре участка,
удовлетворял поставленным требованиям и оказался пригодным для прокатки гильз
в трубы. Он запатентован Максом Маннесманом 24 февраля 1891 г. (патент № 58762). Особенно характерно здесь то, что вращение валков принято против
направления подачи в них металла.
Дальнейшее развитие процесса пильгерной прокатки пошло в
двух направлениях: первое — механизация тяжелых вспомогательных работ в
процессе прокатки; второе—улучшение калибровки пильгерных (пилигримовых)
валков. Первое направление не является предметом настоящей книги и оно
поэтому не рассматривается.
Прежде всего необходимо обратить внимание на развитие
метода калибровки рабочего участка. Для получения удовлетворительных
результатов в процессе деформации недостаточно соблюдать лишь указанные выше
основные положения о том, что кривая рабочего участка должна быть вначале
более крутой, а затем более пологой при переходе к полирующему участку. Для
осуществления удовлетворительной деформации должны быть найдены и другие
закономерности. С этой целью необходимо подобрать целесообразную форму кривой
гребня пильгерного валка. Де Граль, бывший в свое время заведующим
производством фирмы Маннесман-Рёренверке, впервые разработал методику
построения такой кривой, позволившей получать более тонкостенные трубы. При
этом автор исходил из закона постоянства относительного уменьшения
поперечного сечения гильзы. Он установил, что для сохранения сплошности
металла гильза должна сдвигаться относительно дорна с постоянной скоростью.
Еще в 1894 г. Макс Маннесман разработал калибровку,
позволившую достичь хорошего скольжения металла относительно дорна. При этой
калибровке полирующий участок валка имел форму не окружности с выпуском, а
овальную. Труба, прокатанная в валках такой калибровки, состояла из отдельных
овальных участков, причем ось овала каждого последующего участка была
перпендикулярна оси овала преды
дущего участка. Получающийся зазор между трубой и дорном
препятствовал защемлению дорна при охлаждении трубы.
Метод построения кривой гребня пильгерного валка,
разработанный Де Гралем, заключается в следующем. Если тело А движется со
скоростью С ( 19), то движение его может быть передано штифту В в
определенном соотношении; при этом штифт В будет двигаться со скоростью v9
которая зависит от направляющей кривой G — G. Зависимость между скоростями С
и v для данной кривой можно установить в соответствующей системе координат.
Предположим, что штифт В за бесконечно малый отрезок времени проходит путь
dy. Тогда v = — и отношение соответствует отношению —. dt dx
Если кривая G — G является параболой, выраженной
уравнением х = 2ру9 то — — — ; следовательно, закон изменения отношения
скоростей выражен прямой линией.
Таким же образом было получено решение для пильгерного
валка. Если предположить, что валок находится на месте тела А, а
прокатываемый материал— на месте штифта 5, то форма профиля гребня валка
должна быть параболой, как это и вытекает из приведенных выше рассуждений
При построении профиля валка вначале откладывают по
оси абсцисс развертку окружности бочки валка ( 20, а). По
оси ординат откладывают половину высоты гребня пили- гримового валка
(половину разности между диаметром гильзы и диаметром трубы). Затем строят
параболу, задаваясь длиной гребня 100 град, в угловых величинах. Эта исходная
кривая (А) должна быть перенесена теперь на валок ( 20, б). С этой целью
окружность валка разбивают на то же количество участков, что и на ее
развертке ( 20, а). Из центра окружности по радиусным линиям откладывают
отрезки, равные расстоянию от оси валка до пересечения вертикалей с
параболой. Таким образом получают кривую гребня валка (В). Однако фактическая
кривая, получившаяся после прокатки в валках, профиль которых построен
описанным способом (кривая С, 20, в), не совпадает с исходной кривой Л и
заметно отличается от параболы. Тем не менее описанный метод применялся в
Германии долгие годы, и только в последнее время предприняты попытки улучшить
калибровки, причем параболическая форма кривой оставлена как основная.
С целью получения тонкостенных труб пилигримо- вой
прокаткой JI. Клейн разработал так называемую многозонную калибровку. В этой
калибровке относительное уменьшение поперечного сечения в начальных участках
больше, чем в последующих. Было обнаружено, что металл, скопившийся в
выпусках калибра после кантовки на 90 град., при следующей прокатке
раскатывается, находясь в вершине калибра. Вследствие этого в вершине калибра
происходит наибольшая деформация и соответственно возникает 34
наибольшее давление. В то же время эта часть калибра
является самым слабым местом валка.
Ф. Кокс предложил другую, овальную калибровку, в которой
формой овала создавалось целесообразное распределение давлений. При этом угол
выпуска по участкам был принят: в рабочем 22 град., а в полирующем — 10 град.
В 1930 г. была предложена многозонная калибровка другого
типа, где на различных участках поперечного сечения калибра рабочие и
холостые участки чередовались по периметру калибра с целью выравнивания
растяжения. Холостые участки представляли собой как бы пазы или канавки,
нанесенные по окружности. Максимальное давление, которое при обычных
калибровках возникало в вершине калибра, распределялось в этом случае более
равномерно в отдельных зонах деформации по ширине калибра.
Обычно применяли четырехзонные калибровки, однако были
также случаи применения шести- и восьмизонных калибровок. Угол кантовки при
таких калибровках составлял уже не 90 град., а выбирался таким образом, чтобы
металл, находившийся в холостых участках при первой прокатке, попадал при
второй прокатке точно в середину рабочих участков.
Данная калибровка оказалась весьма успешной, и с этих пор
возможность получения тонкостенных труб зависела уже не от формы калибра, а
от свойств прокатываемого металла при высоких температурах. При последующем
развитии калибровки возникла мысль построить для каждого участка отдельную
кривую гребня, т. е. добиться того, чтобы длина кривой гребня находилась в
определенном соотношении с сопротивлением деформации прокатываемого материала.
Если предположить, что в каждой зоне многозонного валка
прокатывается равный объем металла, то на участках, лежащих ближе к выпуску,
длина кривой гребня будет больше и, следовательно, время деформации также
будет больше, чем на участках, лежащих ближе к вершине калибра. В вершине
калибра коэффициент напряженности будет выше, чем на всех остальных участках.
Напряжения металла на различных участках также будут различны.
Кривую гребня отдельных рабочих участков строят так, чтобы
большая деформация осуществлялась на участках большей протяженности. При этом
для различных прокатываемых материалов принимают определенное предельное
значение коэффициента напряженности.
Из оказанного можно сделать вывод, что наилучшей
многозонной калибровкой является та, при которой по всему периметру калибра
достигается постоянный коэффициент напряженности.
Во время прокатки между двумя пильгерными валками дорн и
прокатываемая гильза совершают возвратно-поступа- тельное движение, величина
которого находится в известном соотношении к повороту валка. Этот процесс
можно представить себе как передвижение листа под воздействием трех валков А,
В PI С, вращающихся с различной скоростью. Лист при этом будет двигаться
вперед со скоростью, меньшей, чем максимальная, и большей, чем минимальная
окружные скорости валка.
Если предположить, что передвижение листа осуществляется
только валками А и В9 а один из валков (например, В) вращается быстрее, чем
другой, то это вызовет более быстрое движение листа и ускорение вращения
валка Л, имеющего меньшую скорость. Вследствие этого на тихоходном валке А
возникнет вращающий момент, который будет стремиться воспрепятствовать
быстрому вращению. Одновременно с этим на быстроходном валке В при этом также
возникнет момент, имеющий противоположный знак.
Если же теперь рассмотреть вновь три или большее
количество валков, между которыми возникают моменты и проти- вомоменты, то,
очевидно, для осуществления равномерного движения листа необходимо, чтобы
сумма всех моментов, действующих на соответствующих валках, была равна нулю.
В этом случае лист будет двигаться с некоторой средней скоростью. Можно
сказать, что в данном случае процесс движения второго валка можно
рассматривать как источник движения листа, соответствующий средней скорости
движения.
Таким образом, если на тело, находящееся в движении,
воздействуют одновременно несколько различных скоростей, то оно будет
двигаться со средней скоростью, зависящей от величин и направления отдельных
скоростей.
Если возвратиться к рассмотрению движения дорна и гильзы
при пильгерной прокатке, то можно сделать вывод, что оно определяется
отдельными точками поверхности соприкосновения между стенками калибра и
прокатываемого металла. Однако вследствие различного расстояния от оси валка
эти точки имеют различную скорость. Поэтому дорн и гильза, как это следует из
сказанного, будут двигаться с некоторой средней скоростью.
Из^за различия скоростей точек поверхности соприкосновения
возникают в металле дополнительные напряжения, которые могут вызвать
появление поперечных трещин в тонкой, уже значительно охлажденной стенке
трубы. Чтобы избежать их образования и осуществить беспрепятственно прокатку,
необходимо выделить рабочие участки, имеющие скорость, одинаковую со
скоростью дорна.
Из формы калибра можно видеть, что определенные участки
поверхности, которые вследствие их симметричности имеют одинаковое расстояние
от середины валков, соответствуют данному условию. Расположение таких
участков на поверхности калибра, пропорциональных соответствующему радиусу,
может быть найдено как среднее значение суммы радиусов.
Поскольку калибр в своем радиальном сечении представляет
собой окружность, из уравнения окружности путем подстановки соответствующих
значений х можно получить значение у: у* = г* — х\
Проиллюстрируем сказанное примером. Пусть идеальный
диаметр валков D = 1000 мм, а диаметр калибра d = 240 мм.
Таким образом, рабочие участки должны быть в нашем случае
расположены в той точке калибра, которая находится на расстоянии 409,2 мм от оси валка.
Чтобы найти точное положение рабочих зон по всему гребню
пилигримового валка, необходимо найти соответствующие значения среднего
диаметра для других точек. В нашем примере величина _ почти соответствует
отношению 3 : 4. Оно несколько больше, чем 0,75. Это получилось в результате
пренебрежения наличием выпусков. Если же принять во внимание выпуски, то
отношение — получится равным точно 3:4.
Таким образом, используя значение найденного коэффициента,
можно найти положение рабочих участков в каждом отдельном калиоре по величине
— г, что позволит расположить рабочие и холостые зоны валков так, как это
показано на 25. При этом требуется кантовка гильзы на 45 или 120 град.
Для выбора кривой гребня пильгерного валка до настоящего
времени в качестве первоначальной формы использовали обычно параболу. Однако
при переносе этой кривой в процессе прокатки с пильгерного валка на гильзу не
получалось полного соответствия ее с расчетными данными. Отклонение кривой
было особенно велико на наиболее криволинейной части гребня, хотя на пологом
участке совпадение было довольно близким.
При более пологой исходной кривой расхождение кривой
гребня в наиболее крутой части калибра было также незначительным.
При таком профиле гребня пильгерного валка не достигается
высказанное ранее условие о необходимости большей деформации материала в
более пластическом состоянии.
Равномерное обжатие металла на равных центральных углах
приводит к тому, что возможная величина деформации не используется полностью
в начале пильгерной прокатки и затрудняется в конце ее вследствие
значительного охлаждения металла. Поэто:му таким способом нельзя получить
целесообразной формы кривой гребня пильгерного валка.
Попытки построить кривую гребня пилигримого валка исходя
из постоянства угла захвата также оказались неудачными. Процессы при
пильгерной прокатке определяются не углом трения, как это бывает при гладких
цилиндрических валках, а величиной деформации. Возникающие при этом усилия
меняются вследствие вращения валка, имеющего переменное сечение. В данном
случае результирующая сил давления расположена почти перпендикулярно
касательной в направлении вращения, поэтому лишь в начале процесса возможно
рассматривать условия захвата металла валками.
В процессе дальнейшей прокатки угол захвата может быть
больше, чем соответствующий угол трения, к практически проскальзывания
металла в валках не возникает.
При дальнейшем вращении валка рабочий участок его
вдавливается в металл вследствие непрерывно увеличивающегося диаметра и
осуществляет таким образом прокатку.
При калибровке валков пильгерных станов применявшаяся
ранее параболическая форма гребня была принята в качестве основного типа его
кривой, но она подвергалась дальнейшим исследованиям и улучшениям, чтобы
обеспечить постоянное относительное уменьшение поперечного сечения. Однако
осуществление такого условия приводило к известным противоречиям.
Исходя из указанного условия на прокатанной гшлигримо- вой
головке следует найти калибр, где в процессе деформации уменьшение
рассматриваемого поперечного сечения остается постоянным, а отношения
площадей сечений, отстоящих друг от друга на расстоянии As, также имеют
одинаковые значения.
Так как обжатие пропорционально радиусам, в соответствии
с 26 должно быть
Если принять, что уравнение кривой пилигримовой головки у
= f(x), то значение х = s будет соответствовать определенное значение у.
Можно принять, однако, что кривой пильгерной головки является парабола ( 27),
имеющая точки соприкосновения: Р — с горизонтальной осью х на расстоянии А и
Q — с вертикальной осью у на расстоянии В от начала координат.
Чтобы перенести кривую по полученному выражению на
пильгерный валок, данное уравнение должно быть преобразовано. В этом случае
угол полировочного участка составит 100 град., а угол выходного участка — 30
град. Тогда длина идеальной окружности в области гребня пилигримового валка А
= = 785 мм. При таких условиях уравнения параболы и гребня пильгерного валка
получат следующую форму: параболы
Эти формулы дают возможность легко проверить правильность
выбранной кривой профиля пильгерного валка. Необходимо только построить графически
( 29) параболу, длина абсциссы которой А = 785 мм соответствует углу гребня 90 град., а высота ординаты В, соответствующая подъему гребня
пильгерного валка, равна 75 мм .
Если провести лучевые линии, проходящие через кривую
калибровки на постоянном расстоянии da, то отрезки между окружностью валка и
кривой должны бытр пропорциональны соответствующему поперечному сечению,
получающемуся после прокатки, т. е.показывает расстояние между окружностью
соответствующей вершины калибра и кривой гребня пильгерного валка. Она будет
соответствовать требуемой пропорциональности поперечного сечения только в том
случае, если к нему будет добавлена половина расстояния от окружности по
бочке валка до окружности по вершине калибра.
Выведенная формула характерна для гиперболы высшего
порядка. Де Граль рассматривал указанную кривую как прямую. Действительно,
это соответствует случаю, когда da = О, что, однако, практически невозможно.
При рассмотрении зависимости обжатия по толщине стенки б (ею является расстояние
между кривой гребня и дорном) необходимо в
уравнение подставить вместо величину б. В этом случае
также получается гипербола, которая удовлетворяет
приведенному уравнению.
Из структуры предложенной формулы легко видеть, что форма
гиперболы будет другой, если изменится толщина стенки. Отсюда следует
практический вывод, что при расчете калибровки требуется не только учитывать
размеры гильзы, но и возможно точно определять толщину стенки готовой трубы.
Таким образом, относительное обжатие по толщине стенки гильзы зависит не
только от формы кривой, но также и от толщины стенки трубы.
Оптимальные условия прокатки могут быть достигнуты в том
случае, если допускаемое давление прокатки используется полностью.
Относительные обжатия не связаны, однако, непосредственно с давлением
прокатки. Отсюда следует, что форма кривой гребня пильгерного валка могла бы
быть построена исходя из постоянства давления прокатки.
Построение профиля гребня пильгерного валка по приведенной
выше формуле для f(a) затруднительно, поскольку в ней не определена
зависимость между da и у. Поэтому нужно высказать некоторые общие
соображения.
Чтобы более ясно представить себе влияние толщины стенки
на форму кривой гребня пильгерного валка при всех прочих равных условиях, для
предыдущего примера произведены расчеты при толщинах стенки 2, 3, 7 и 10 мм. Для каждого из этих значений определены значения констант Ь и других величин
Чтобы найти критическое значение кривой гребня пильгерного
валка, для того же самого примера произведены расчеты параметров кривой исходя
из толщин стенки 0,5; 0,1; 0,01 и 0,001 мм.
Полученные дополнительно четыре кривых нанесены снизу на
31. Характерное изменение кривой гребня происходит только в первой трети
развертки дуги по вершине калибра.
Последние две трети кривой асимптотически приближаются к
линии абсциос. Если учесть диаметр дорна, то из соответствующих кривых можно
определить изменение толщины стенки трубы.
Из анализа полученных кривых следует, что, поскольку с
уменьшением толщины стенки обжатие гильзы происходит главным образом в
передней части гребня, есть возможность уменьшить угол последнего,
соответственно увеличив угол полирующего участка валка.
Хорошие результаты получаются практически при уменьшении
гребня валка с 90 до 65 град, и при соответствующем увеличении длины полирующего
участка.
Прокатка в пильгерных валках такого типа позволяет
обеспечить узкие допуски по размерам трубы. Дальнейшая практическая работа
позволит значительно улучшить калибровку пильгерных валков и еще более сузить
величину допусков.
|