Изготовление шаропрокатных валков с переменной глубиной впадины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В.Ю.Рубцов

АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»

О.И. Шевченко

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАРОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ С ПЕРЕМЕННОЙ ГЛУБИНОЙ ВПАДИНЫ

Аннотация. Представлены существующие на сегодняшний день способы изготовления шаропрокатных валков с учетом возможностей металлорежущего оборудования. Определены перспективы развития методик калибровки шаропрокатных валков с возможностью получения деталей любой формы сложности по спроектированным 3^ моделям на 4-х и 5-и координатных обрабатывающих центрах. Разработана модель расчета шаропрокатных валков с переменной глубиной впадины. Представлены перспективные возможные способы изготовления шаропрокатных валков с калибровками, разработанным по данной методике и с переменной глубиной впадины, которые позволят получить высокую степень точности получаемого шара, включая точность геометрических размеров, равномерность обжатия по экватору и полюсам.

Ключевые слова: шаропрокатный валок, переменная глубина впадины, 5-координатные обрабатывающие центры, продольная подача, окружная подача.

Введение

В процессе прокатки шаров на двухвалковых станах поперечно-винтовой прокатки, формовка шара осуществляется ребордами валков, высота которых постоянно возрастает. Высота реборды калибра может изменяться по известным законам (рис. 1):

- по закону прямой линии [1], данный метод используется в большинстве случаев для упрощения расчета калибровки и изготовления профиля валка, так получение такого профиля возможно по всем известным методам изготовления шаропрокатных валков;

- по закону параболической линии [2] - возможно только на некоторых станках с ЧПУ, где осуществляется независимое регулируемое перемещение поперечной подачи по параболическим законам, а также на копировальных станках;

- по гиперболическому закону на практике не применялся.

а

Ь

О

Рис. 1. Изменение высоты реборды валка: а - по линейному закону; Ь - по параболическому закону; с - по гиперболическому закону

Кроме этого, необходимо сохранение постоянства объема в калибре, поэтому на валках шаропрокатных станов винтовая канавка, ограниченная ребордами, имеет переменный шаг. В связи с этим существует несколько основных типов калибровок шаропрокатных валков и способов их изготовления.

Типы калибровок шаропрокатных валков

Самая первая схема прокатки была предложена в 1888 году по патенту [3] (рис. 2). В данной схеме, для компенсации искажения калибров из-за их разворота на угол подачи, было предусмотрено выполнение винтовых калибров на гиперболоиде, однако из-за сложности изготовления и малого искажения калибров такой способ не был реализован. Впервые опыт прокатки с практическим применением был произведен в 1950-х годах под руководством А.И.Целикова.

Рис. 2. Схема прокатки шаров (Германия 1888г.)

Кроме оригинальной методики, разработанной А.И.Целиковым [4], существует методика, представленная в работах отечественных авторов [1, 5, 6], а также зарубежных авторов [7-10], но обе методики применимы к валкам с дискретным шагом. Вышеперечисленные методики калибровок сводятся к подбору оптимального набора шагов и характерных им пар сменных шестерен, для обеспечения наиболее равномерного обжатия. Изготовленные таким методом валки требуют обкатки на стане. В калибровках, используемых для токарно-винторезных станков после предварительного расчета шага, производится его подбор согласно ближайшим значениям передаточного отношения, обеспеченного подбором сменными шестернями, затем производится проверочный расчет на заполнение калибров.

Впервые возможность применения непрерывно-изменяющегося шага описана в кни-ге°[4], где было предположено применение специальных копировальных устройств для его обеспечения. Одним из первых исследовал и использовал непрерывно-меняющийся шаг В.И.Котенок [11-13]. Его способ калибровки заключается в применении непрерывно-изменяющегося шага по заданной функции с использованием копировальных полуавтоматов. Согласно методу, предложенного В.И.Котенок, изменение шага калибра обеспечивает копировальный механизм к токарно-винторезному станку, а установку валков - специальная планшайба (рис. 3).

Авторы из Люблинского Технического университета используют в своих работах метод конечных элементов с построением 3-0 модели. Этими учеными была предложена модель конусообразных валков (рис. 4).

Также существует промышленный опыт применения калибровки валков с непрерывно-изменяющимся шагом с использованием 3-0 модели, построенной по правилу кривых 2-го порядка, образованных 5-ю точками, который описан в статье [14].

Рис. 3. Технологический процесс изготовления валков ШПС с винтовым калибром переменного шага по методу В.И.Котенок

Рис. 4. Вариант калибровки с применением конусообразных валков [10]

Функция изменения шага, для валков с непрерывно-меняющимся шагом и постоянной шириной реборды, по которой определяют 5 точек винтовой кривой:

_г пЬа(Я2 - х2) + х2(Я - х/3)

а осн I п Я2

dx

(1)

где Ьа - ширина реборды (длина перемычки); Я - радиус сферы условного калибра (глубина впадины валка); Тосн - основной шаг калибровки (задается во время проектирования с учетом ширины реборды).

Также была выведена функция изменения шага для валков с непрерывно-меняющимся шагом и увеличивающейся шириной реборды по мере заполнения калибра по закону подъема реборды:

ЛХ„=Т„

-I

я

пЪат(1 - х) + х2(Я - х/3) п Я 2

ёх.

(2)

Изготовление валков по данной 3-0 модели с постоянной шириной реборды производилось на 5-координатном обрабатывающем центре (рис. 5). В итоге были получены положительные результаты прокатки, а значит применения метода обработки валков с переменными параметрами на металлорежущем оборудовании с ЧПУ. С учетом перспективы использования современного оборудования для изготовления шаропрокатных валков, можно задаться таким переменным параметром, как глубина впадины.

Рис. 5. Изготовление шаропрокатных валков на 5-координатном обрабатывающем центре

Модель расчета калибровки валков с переменной глубиной впадины

В предлагаемой калибровке основной переменной будет изменение глубины впадины витков калибра. С учетом условия прочности была задана постоянная ширина реборды. Применяя известные параметры, находим изменение радиуса образующей шара (рис. 6).

Рис. 6. Сечение заготовки во время прокатки с углублением впадины Для данной калибровки справедливо уравнение:

V + V - V - V = О

пап шап пап+1 шап+\

(3)

где Vna - объем усеченной перемычки условного калибра, Vшa - объем усеченного шара условного калибра, Vа х - объем усеченной перемычки в следующем витке условного калибра, Vшa - объем усеченного шара в следующем витке условного калибра.

При подстановке значений объемов простых фигур, составляющих данную систему, получаем:

л

пг„„ Ъ +

ПГап +1Ъа

3 ПЯ3 - Г 2( Я - )

^ пЯап 'ап(Яап ^ )

3 3 2 2 Гап

пЯап +1 — Гап+1(Яап+1 П^ ) — Гап (Яап )

= 0, (4)

где гот - радиус перемычки условного калибра.

Так как условно реборды сводятся до соприкосновения, получим:

2 3 з 3 з

ПГап Ьа +~ пЯап пЯап+1 = 0 . Таким образом, изменение глубины канавки

(5)

ЛЯ = я - Я = 3/— г2 ъ + я3 - я„.

3

' ап^а '

^ап ■

(6)

Исходя из того, что увеличение радиуса канавки происходит равномерно во всех направлениях, получим, что ЛЯ = ЛТ.

Задав Я = Яа , где Я - радиус заготовки, получим функцию изменения шага:

я

г

Л = \

—

Л

31—х%+ Я3 - Я

3 у

>3

ёх.

(7)

Способы изготовления шаропрокатных валков по предлагаемым калибровкам

Имея функции (1, 2), можно легко определить изменение шага для калибровок с переменным шагом, получаемых способом развалки калибров. Большинство современных токарных станков с ЧПУ имеют независимую подачу и, написав программу с задачей необходимой функции изменения шага, можно получить требуемый профиль. Выбор постоянного или переменного шага реборды, будет зависеть от диаметра получаемого шара, марки стали, ее пластических свойств и ряда других параметров.

Получение калибровки с переменной глубиной впадины может быть обеспечено только на 5-координатных обрабатывающих центрах, причем в данном случае появляется ряд условий. С учетом того, что радиус одновременно увеличивается во всех направлениях, недостаточно иметь продольную и поперечную подачу, включая переменный шаг, необходимо иметь разлет обрабатываемого инструмента. Кроме этого, продольная подача будет увеличиваться одновременно с разлетом, что приведет к ряду проблем при использовании обрабатывающего центра на основе токарного станка, т.к. вращение самого валка будет незначительно по сравнению со скоростью резания.

Учитывая ряд действующих причин, определяем основные схемы возможной обработки, представленные на рис. 7.

На рис. 7А и 7В, обработка идет при помощи летучего резца с выдвигающимися режущими пластинами, где процессы резания происходят за счет скорости резания ОГ, а поворот валка на заданные углы за счет окружной подачи Оа . Увеличение радиуса обрабатываемой канавки происходит за счет выдвижения режущих пластин . Закон выдвижения определяется формулой (7).

п

0

Рис. 7. Предполагаемые технологии обработки профиля

По этому же закону будет происходить изменение шага продольной подачи = Тосн + А1а . Разница между процессами Л и B заключается только в направлении продольной подачи, и определяется возможностями станка, но в обоих случаях обработка возможна для валков, используемых для прокатки шаров большого диаметра (более 100 мм). Данное ограничение определяется величиной вылета резца.

Обработку валков, используемых для прокатки шаров диаметром менее 100 мм, предлагается использовать фрезерную головку (рис.7С и 7Б). В данном случае, может быть использована кукурузная фасонная фреза из быстрорежущей стали и при такой обработке кроме высокой производительности также возможно получить высокое качество поверхности. В схеме обработки на рис. 7С основной проблемой будет являться написание программы для продольной подачи фрезы , т.к. движение фрезы при обработке будет повторять возврат-но-качательное движение по дуге, при этом с каждым следующим шагом радиус дуги будет увеличиваться на величину п , определяемую формулой (7). В таком процессе поворот валка на угол X будет производиться дискретно для обеспечения совершения полного возвратно-качательного движения фрезы по заданной программе. Для данного метода необходимо рассчитывать координаты инструмента, для каждого поворота на угол ( , применяя функцию дуги и функцию изменения дуги. При уменьшении степени дискретности окружной подачи валка на поверхности канавок будет возникать характерный ступенчатый рисунок, шаг которого будет увеличиваться, а при увеличении степени дискретности может привести к пере-

грузке. Данный рисунок выглаживается после первых обкаток на стане и не сказывается на качестве прокатываемых шаров.

В случае, показанном на рис. 7D, программа будет иметь более простой код, т.к. перемещение инструмента по продольной подаче Ds будет происходить, как и в случае, показанном на рис. 7A, по функции (7), с шагом Ds = Тосн + Ata, но при этом с возвратно-поступательными движениями, равными величине Ata, для обеспечения осевой развалки калибра. Радиальное увеличение глубины вреза будет происходить за счет качения валка по оси y, что позволит обеспечить использование сферического патрона со смещающейся осью. Равномерность развалки в этом случае будет обеспечена геометрией инструмента, а угол наклона будет зависеть от установочных размеров и изменяться также по функции (7). В этом случае возможно использовать более высокую степень дискретности Da, но при

этом использование такого метода ограничено возможностью используемого оборудования для обработки крупногабаритных деталей, аналогов которого, в настоящий момент, не существует.

Выводы

1. Показано преимущество использования станков с ЧПУ для производства валков ша-ропрокатных станов.

2. Предложена калибровка с переменной глубиной впадины и выведена функция изменения шага от радиуса условного калибра (глубины винтовой впадины валка) (7).

3. Показаны способы изготовления валков с переменной глубиной впадины, которые позволят получить высокую точность геометрических размеров шара и равномерность обжатия по экватору и полюсам.

Библиографический список

1. Перетятько В.Н., Климов А.С., Филиппова М.В. Калибровка валков шаропрокатного стана. Сообщение 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 4. С.27-30.

2. Разумов-Раздолов К.Л. Прогрессивные методы конструирования и технология изготовления калибров валков для поперечно-винтовой прокатки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук // Тула, 2000. 16 с.

3. Патент Германии №42849 от 04.04.1888 г.

4. Специальные прокатные станы / А.И.Целиков, М.В.Барбарич, М.В.Васильчиков и др. М.: Металлургия, 1971. 336 с.

5. Перетятько В.Н., Климов А.С., Филиппова М.В. Калибровка валков шаропрокатного стана. Сообщение 2 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 6. С.16-20.

6. Перетятько В.Н., Климов А.С., Филиппова М.В. Калибровка валков для прокатки шара // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2012. №30. С.44-50.

7. Experimental and numerical analysis of helical-wedge rolling process for producing steel balls / Z.Pater [and etc.] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2013. T.67. pp. 1-7.

8. Pater Z. FEM Analysis of the Multi-Wedge Helical Rolling Process for a Workholding Bolt. // MATEC Web of Conferences 80, 2016.

9. Numerical analisis of rolling process for producting steel balls using helical rolls / P.Chila, Z.Pater, J.Tomczak, P.Chila // Arch. Metall. Mater. Vol. 61. 2016. №2. pp. 485-492.

10. Pater Z. Analysis of helical rolling process of balls formed from a head of a scrapper rail // Advances in Science and Technology Research Journal. Vol. 10. 2016. №30. pp. 110-114.

11. Котенок В.И. Пасечник Н.В. Деталепрокатка - современная технология производства заготовок и изделий из стали и цветных металлов // Заготовительное производство в машиностроении. 2004. №3. С.39-45.

12. Котенок В.И., Подобедов С.И. Энергоэкономные калибровки валков шаропрокатных станов // Металлург. 2001. №9. С.45-47.

13. Котенок В.И. Развитие теории формообразования профилей винтовых калибрах и создание высокоэффективных процессов и оборудования для прокатки деталей машин. Дис. д-ра техн. наук. Москва, 2005. 342 с.

14. Рубцов В.Ю., Шевчелнко О.И. Калибровка шаропрокатных валков с непрерывно меняющимся шагом // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2018. №8°(1424). С.58-63.

•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•

V.Y.Rubtsov

EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant

O.I.Shevchenko

Federal University named after first President of Russia B.N.Yeltsin

Nizhny Tagil technological Institute (branch)

PRODUCTION OF BALL-ROLLING ROLLS WITH A VARIABLE DEPTH OF CHANNEL

Abstract. The currently existing methods of production ball-rolling rolls, taking into account the capabilities of metal-cutting equipment presented. The prospects development of methods for roll-pass design ball-rolling rolls with the possibility of obtaining any form parts of complexity on the projected 3-D models on 4 or 5-axis machining centers have been determined. Developed the model for calculating ball-rolling rolls with variable depth of channel. Presented are promising possible ways to production ball-rolling rolls with roll-pass designs developed by this method and with variable depth of channel, which will allow to obtain a high accuracy degree of the resulting ball, including geometry quality, uniformity of compression between equators and poles.

Keywords: ball-rolling roll, variable depth of channel, 5-axis machining centers, longitudinal feed, circular feed.