Формоизменение тонкого диска в процессе круговой прокатки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002р. Вип.№ 12

УДК 621.771.223

Капланов В.И.1, Правдивец К.Н.2 ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ ТОНКОГО ДИСКА В ПРОЦЕССЕ КРУГОВОЙ ПРОКАТКИ

Рассмотрены теоретические вопросы формоизменения тонкого диска в процессе вертикально-круговой пластической деформации. Предложены математические зависимости для расчётов высоты профиля дисковой заготовки. Исследована деформация заготовки при различных режимах круговой прокатки. Приведены примеры расчётов высоты профиля тонкого диска по установленным математическим зависимостям.

Метод круговой прокатки дисков, разработанный на кафедре обработки металлов давлением ПГТУ, представляет собой процесс пластической деформации заготовки между конусными валками, расположенными под углом друг относительно друга и прокатываемого металла.

Экспериментальным путём установлено, что в процессе круговой прокатки диска пластическая деформация распространяется преимущественно в вертикальном и продольном направлениях, с увеличением ее интенсивности от периферии к центру диска. Поперечной деформацией при этом можно пренебречь. Под влиянием этой закономерности из заготовок, вырезанных из листового материала, не удаётся прокатать диски со строго параллельными торцами и разнотолщинностью не более 0,01 мм, которая требуется по условию магнитной памяти ЭВМ согласно международному стандарту ISO 9001.

В настоящее время теоретические вопросы формоизменения тонкого диска в процессе круговой прокатки нуждаются в дальнейшем изучении. Для круговой прокатки диска с параллельными торцами необходимо разработать методику расчёта высоты профиля заготовки.

Конусные валки дископрокатных станов обычно расположены друг относительно друга под углом, который не регулируется [1,2]. На практике доказано, что равномерное обжатие по ширине заготовки не обеспечивает прокатку плоского диска. При пластической деформации происходит коробление металла, которое не исправляется даже терморихтовкой.

Известна конструкция дископрокатного стана, в которой предусмотрена регулировка угла между валками [3]. Однако, получение плоской формы при изменении угла между валками приводит к образованию клиновидности профиля диска, прокатанного из заготовки с параллельными сторонами. Использование заготовки с обратным клиновидным профилем обеспечивает прокатку плоского диска постоянной толщины.

Из теории пластичности известно, что при отсутствии поперечной деформации создаются условия плоского или двухмерного деформированного состояния [4]. Поперечные сжимающие напряжения при отсутствии уширения определяют по формуле

где сьс2,с3 - главные напряжения в очаге деформации.

Под влиянием трёх главных напряжений в тонком диске формируются две главные деформации - главная продольная и главная вертикальная деформации.

В статье поставлены цели:

- исследование высотной и продольной деформаций тонкого диска в условиях плоского деформированного состояния;

- расчет высоты профилей заготовки и прокатанного диска;

- исследование влияния режимов двухмерной пластической деформации на изменение профилей заготовки и прокатанного диска.

1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ПГТУ, аспирант

ч=Ш

Пластическая деформация тонкого диска. Опытным путём установлено, что при круговой прокатке малый диаметр с1м и большой диска получают одинаковые приращения Ас1, в результате чего его ширина не изменяется, как показано на рис.1.

Для описания процесса двухмерной вертикально-круговой деформации диска воспользуемся законом постоянства объёмов в упрощённом виде без учёта уширения

ь с1 = Ьуби (2)

где И - высота профиля заготовки;

- высота профиля прокатанного диска; А - диаметр заготовки;

- диаметр прокатанного диска. Приращение диаметра Ас! во всех круговых

сечениях диска выразим через относительное обжатие 8

Ас! = 8-(11 (3)

При анализе формулы (3) и графиков 1,2,3 на рис.2 можно отметить, что относительное обжатие 8 находится в обратно пропорциональной зависимости от диаметра.

При постоянной величине приращения диаметра Ас! относительное обжатие диска 8 увеличивается в направлении от большого к малому диаметру, где принимает максимальное значение. Следовательно, высота профиля переменна и торцы прокатанного диска не параллельны друг другу, как показано на рис.2.

Профиль заготовки и профиль прокатанного диска. Продольную деформацию диска можно выразить через коэффициент вытяжки

с!х

Учитывая одинаковые приращения диаметров Ас! во всех круговых сечениях, преобразуем формулу (4) к удобному для расчётов виду. Коэффициент вытяжки прокатанного диска при известном диаметре заготовки с!

, А й

+ — (5)

Рис. 1 - Двухмерная деформация диска при круговой прокатке

ох

СлГ (I)

К

ё *

ю о

си о Я

ьО

Н К о О

я н О

8

О

/

М

(4)

160

360

200 240 280 320 Диаметр, мм Рис. 2 - Изменение относительного обжа тия по ширине диска при круговой прокатке с приращениями диаметров диска Ас1=2 мм (1); Ас1=5 мм (2); Ас1=10 мм (3)

й

Коэффициент утяжки заготовки при известном диаметре прокатанного диска

М = —— (6)

1_М

После преобразования формулы (2) с учётом формул (4), (5) и (6) находим высоту профилей заготовки и прокатанного диска.

Высота заготовки

Высота прокатанного диска

к =

Л, =

А,

а а а,

а а

(7)

(8)

Очевидно, что высота профиля, рассчитанная по формулам (7) и (8) является величиной, зависящей от трёх переменных параметров - диаметра, его приращения и толщины диска.

Максимальная разнотолщи н ность заготовки

АЬтах = 11м - Ьб (9)

Максимальная разнотолщинность прокатанного диска

/\11шаХ1 ]-|Г)| - Нм | г (10)

где Им и - толщина заготовки по мал ому и большому диаметрам ;

Ьм1 и 1^1 - толщина прокатанного диска по малому и большому диаметрам.

Диаметр заготовки

ё=ё1-Дё (11)

Диаметр прокатанного диска

с1г=с1 + Дс1 (12)

Влияние пластической деформации на форму профиля. Рассмотрим примеры расчётов геометрических размеров прокатанного диска по размерам заготовки и обратную задачу.

Пример 1. Даны размеры заготовки: толщина И =2,2 мм, малый диаметр с1м =160 мм и большой диаметр с1;-, =360 мм. Режимы обжатий по большому диаметру: 8б=0,6 %; 1,4 %; 2,8 %. Нужно рассчитать размеры диска после круговой прокатки.

Решение. По формуле (3) и заданным режимам обжатий еб определим приращение диаметров: Д(1=8бг <11=0,006-360=2 мм; Дё=8б2- й =0,014-360 =5 мм; Дё=8б3- (11=0,028-360=10 мм.

Высоту профиля прокатанного диска вычислим по формуле (8). Результаты расчётов представлены на рис.3 графиками 2, 3, 4. При анализе графиков 2, 3, 4 можно отметить, что высота профиля уменьшается, а уклон в направлении оси увеличивается с приращением диаметра Д(1. Увеличение уклона можно объяснить ростом неравномерности высотных и продольных деформаций при интенсификации режимов обжатий.

Максимальную разнотолщинность прокатанного диска находим по формуле (10), предварительно вычислив высоту профиля по большому и малому диаметрам по формуле (8): Ьщ =2,18; 2,17; 2,14 мм; Ь„1=2,17; 2,13; 2,07 мм; ДЬяж1=0,01; 0,04; 0,07 мм.

Малый и большой диаметры диска определяем по формуле (12)

с1М1 =162; 165; 170 мм; с1б1=362; 365; 370 мм. Пример 2. По размерам прокатанного диска: толщине 111 =2,2 мм, малому диаметру ёМ1 =160 мм, большому диаметру с1б1 =360 мм, требуется определить размеры дисковой заготовки. Режимы обжатий по большому диаметру берём из примера 1.

Решение. Высоту профиля заготовки вычислим по формуле (7) и построим графики 5, 6, 7 на рис. 3. Как видно из этих графиков, высота и уклон профиля заготовки увеличиваются с ростом Дс1 При постоянном Дс1 высота профиля увеличивается в направлении от периферии к оси заготовки.

Определяем высоту профиля по малому и большому диаметрам для всех приращений Лс1.

Высота по малому диаметру 11м = 2,23; 2; 27; 2,35 мм.

Высота по большому диаметру 11б =2,21; 2,23; 2,26 мм.

Максимальная разнотолщинность по формуле (9): 11,ш,ч =0,02; 0,04; 0,08 мм. Малый и большой диаметры заготовки по формуле (11): с1м =158; 155; 150 мм; ёб=358;355;350 мм.

Таким образом, с приращением диаметра Дс1 от 2 мм до 10 мм максимальная разнотолщинность прокатанного диска увеличивается с 0,01мм до 0,07 мм, и при расчетном увеличении

Диаметр, мм

Рис. 3 - Профиль прокатанного диска (2,3,4) и профиль заготовки (5,6,7), рассчитанный на круговую прокатку дисков с параллельными торцами (1) по режимам деформаций Дс1=2мм (2,5);Дс1=5 мм (3,6); Дс1=10 мм (4,7)

диаметра заготовки от 2 мм до 10 мм максимальная разнотолщинность также увеличивается, но с 0,02 до 0,08 мм.

На графиках 2,3,4, рис.3 можно отметить монотонное увеличение выпуклости профиля прокатанного диска, а на графиках 5,6,7 - монотонное увеличение вогнутости профиля заготовки с ростом Ad. Кривизна профиля непрерывно изменяется в процессе круговой прокатки.

Поэтому, для круговой прокатки дисков с параллельными торцами рабочие валки вначале должны быть выполнены с наибольшей выпуклостью, как показано на графике 7, рис.3. В процессе прокатки выпуклость валков должна закономерно уменьшаться. Круговая прокатка заканчивается в валках с прямолинейными образующими конусов.

Технически круговую прокатку диска с суммарной деформацией не менее 3 % можно реализовать на сменных комплектах рабочих валков с различной выпуклостью. Но его можно осуществить на одном комплекте наклоняемых валков с прямолинейными образующими, разделив процесс прокатки на ряд этапов с промежуточным отжигом дисков для снятия внутренних напряжений.

Перспективным вариантом непрерывного технологического процесса является круговая прокатка заготовок, профиль которых восстанавливают через каждый оборот диска. Так как за один оборот заготовки дробная деформация очень мала и составляет не более 0,01-0,02 мм, то профиле получается очень малая выпуклость и разнотолщинность, - всего лишь 1,5 2 мкм. Неравномерность напряжений мала и диск не коробится. Это позволяет на рабочих валках с прямолинейными образующими конуса прокатать заготовку без наклона валков с любой суммарной деформацией, ограниченной лишь необходимостью отжига при наклепе материала.

Выводы

1. Найдено научное обоснование неравномерности высоты профиля заготовки, рассчитанной на последующую круговую прокатку дисков с параллельными торцами.

2. Получены математические зависимости для расчёта высоты профилей и диаметров заготовки и прокатанного диска при различных режимах деформации.

3. Установлено, что для прокатки диска с параллельными торцами, высота профиля заготовки должна увеличиваться в направлении от периферии к оси вращения. При прокатке заготовки, вырезанной из листового материала, высота профиля диска будет уменьшаться к оси.

4. Разнотолщинность и кривизна профилей заготовки и прокатанного диска увеличиваются с ростом круговой деформации.

5. Рекомендуется использовать результаты выполненных исследований в расчётах заготовок, предназначенных для круговой прокатки тонких дисков запоминающих устройств электронных вычислительных машин.

Перечень ссылок

1. Старченко Д.И. Кинематика продольной прокатки: Учеб.пособие.- К.:УМК ВО,1992.-276с.

2. A.C. 770574 СССР, МКИ В21В 9/00, В21Н 1/02. Многовалковый прокатный стан.

3. A.C. 1002074 СССР, МКИ В21Н 1/02. Многовалковый прокатный стан для прокатки дисковых изделий.

4. Грубее А.П. Теория прокатки: Учебник для вузов,- М.: Металлургия, 1988,- 240с.

Капланов Василий Ильич. Д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе, зав.кафедрой обработки металлов давлением, окончил Мариупольский металлургический институт в 1957 году. Основные научные направления - теоретическое и экспериментальное исследование высокоскоростной прокатки, разработка и исследование технологических смазок при прокатке и волочении металлов, разработка комплексной технологии холодной прокатки тонких полос с зеркальной поверхностью, разработка научных основ конструкций станов и технологии круговой прокатки тонких дисков.

Правдивец Константин Николаевич. Аспирант кафедры обработки металлов давлением, окончил Мариупольский металлургический институт в 1979 году. Основные научные направления - исследование и разработка теории и технологии круговой прокатки тонких дисков.

Статья поступила 11.12.2001