CC BY
88В.Ю.Рубцов
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
О.И. Шевченко
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
ОБЗОР ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛЬНЫХ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ И ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Аннотация. Проведен обзор исследований на сегодняшний день в области поперечно-винтовой прокатки, как при производстве шаров, так и при производстве периодических профилей осесимметричной формы. Приведено историческое развитие процессов поперечно-винтовой прокатки периодических профилей от их появления до наших дней. Особое внимание уделено современным зарубежным разработкам китайских и польских ученых, которые, используя программы моделирования процессов как поперечно-винтовой, так и поперечно-клиновой и плоско-клиновой прокатки, провели детальное исследование этих процессов и предложили свои варианты решений. Представлен краткий обзор статей и анализ достигнутых результатов.
Ключевые слова: поперечно-винтовая прокатка, поперечно-клиновая прокатка, плоскоклиновая прокатка, поперечная прокатка, клиновинтовая прокатка, шар, периодический профиль, осесимметричный профиль, метод конечных элементов.
Введение. История появления станов прокатки шаров
Поперечно-винтовая прокатка является разновидностью процесса обработки металлов давлением, где формирование металла происходит между вращающимися в одном направлении валками, при этом круглая заготовка вращается в направлении, противоположном вращению валков и одновременно перемещается вдоль своей оси, в комплексе представляя собой винтовое движение (рис. 1.а) [1].
Впервые концептуальная модель валков была разработана и запатентована в Германии в 1888 [2], где поверхность валков представляла выполнение винтовых калибров на гиперболоиде, при этом, из-за сложности изготовления валков и малого искажения калибров, такой способ не получил применения. Следующая попытка разработки машины для производства шаров поперечно-винтовой прокаткой датируется 24 февраля 1925 г. [3], когда американский изобретатель Ходж подал заявку на патент «Машина для прокатки шаров». Принципиальное конструктивное отличие заключалось в том, что валки имели уже цилиндрическую форму с незначительной конусностью (углом подъема реборды). Уже в данном патенте подробно была описана принципиальная конструкция прокатной клети с механизмами проводок, угловым и осевым смещением валков. Другой американский изобретатель Пол Кламп 2 июня 1934 г. предложил использовать данную конструкцию стана для изготовления коротких тел вращения, представив патент «Стан для прокатки изделий круглого сечения и неправильного профиля» [4]. В дальнейшем, для получения изделий, где длины заготовки значительно превышают диаметр, методом поперечно-винтовой прокатки, изобретателями из Японии были разработаны и получены патенты на конструкцию валков, обеспечивающих получение данных изделий [5]. При этом практическое применение вышеупомянутых технологий, а также их научное обоснование было проведено в СССР командой ученых ВНИИМЕТМАШ под руководством академика А.И.Целикова [6, 7] в 1940-1950 гг. В 1951 году был запущен первый промышленный стан производства заготовок подшипниковых шаров 25-50 мм, разработки ВНИИМЕТМАШ, в 1-ом ГПЗ в городе Москва, а в 1954 г., первый стан для производства мелющих шаров 25-50 на Калининском заводе им. 1-ого мая, в городе Тверь. Уже в 1960-е гг.
были разработаны и запущены станы для производства заготовок для машиностроения, по форме и размерам очень близкие к готовому изделию [8].
В последующем, с изменением рынка и отсутствием массовой потребности в однотипных заготовках, шаропрокатные станы ограничились только производством мелющих шаров, а также шаров и колец для подшипников качения.
Теоретические основы, предложенные А.И.Целиковым, использовались для разработки калибровок, используемых на станах поперечно-винтовой прокатки. В последующие годы методики расчета калибровок валков претерпели незначительные изменения. С появлением металлорежущего оборудования, имеющего возможность производить нарезку винтовой линии переменного параметра (токарные копировальные полуавтоматы, 4-х и 5-и координатные обрабатывающие центры), стали разрабатываться и применяться калибровки шаропро-катных валков с непрерывно-изменяющимся шагом [9] вместо используемых до этого калибровок с дискретно-изменяющимся шагом.
С развитием вычислительной техники и появлением программных сред моделирования процессов ОМД, исследования стали развиваться значительно интенсивнее и с началом XXI века появляется множество теоретических исследований процессов поперечно-винтовой прокатки, основанных на МКЭ. Существуют некоторые исследования, проводимые в России [10], но большинство исследований, основанных на компьютерном моделировании процессов поперечно-винтовой прокатки (рис. 1.а), а также пришедшего ему на смену более прогрессивного метода плоско-клиновой прокатки (рис. 1.в), при производстве стальных мелющих шаров и прочих тел проводилось учеными в КНР и Польше.
Рис. 1. Процессы прокатки для получения периодических профилей: а - поперечно-винтовая прокатка, б - поперечно-клиновая прокатка, в - плоско-клиновая прокатка
Для определения перспективности метода проектирования, используя программные модули, основанные на МКЭ, ниже будут рассмотрены основные достижения зарубежных ученых в области прокатки шаров и прочих тел за последние два десятилетия.
Исследования и достижения в области поперечно-винтовой прокатки и однородных процессов в КНР
В Китайской Народной Республике, в отличие от России и прочих стран, с учетом масштаба внутреннего и внешнего рынка, возникает потребность в продуктах массового производства, поэтому за последние два десятилетия, заимствуя знания о процессах поперечно-винтовой прокатки, было освоено и получено множество продуктов различных форм, представленных на рис. 2. Кроме шаров различных диаметров были получены ролики, короткие ступенчатые валы, шпильки и множество других продуктов [11]. Первые математические модели, основанные на проектировании с использованием метода конечных элементов, представлены в работе [12].
|||||| н
4 Г» **
•иооООО
Рис. 2. Сортамент, получаемый поперечно-винтовой прокаткой
В перечисленных исследованиях модель была сформирована в программной среде ANSIS/LS-DYNA. В статье [11] был смоделирован процесс прокатки ступенчатой оси диаметрами 15 и 25 мм из круглой заготовки диаметром 30 мм и длиной 50 мм. Данный процесс прокатки претерпевает также радиальные обжатия, которые происходят с уменьшением межвалкового зазора в процессе перемещения заготовки.
В этом исследовании было показано, что при прокатке осей данным методом:
1. Достигнута прямая зависимость между распределением обжатий и переменной кривой заданного профиля. Нормальные точечные напряжения в центре заготовки находятся в состоянии растяжения.
2. Существует значительная разница в напряжениях между центральной областью поперечного сечения заготовки и периферией в процессе прокатки. В центральной области, создается напряжение на растяжение, а на поверхности - напряжение сжатия.
3. Пластическая деформация достигает пикового значения в областях на контактной поверхности и достаточно высокого значения в центре заготовки.
В другом исследовании [13] было проведено моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки шаров в системе ANSYS. В качестве материала был выбран алюминий. Согласно данному исследованию было выявлено, что при формировании и врезке реборды металл течет в обоих направлениях, соответственно объем, поступающий в шар, эквивалентен объему, переходящему в заготовку, что доказывает наличие растягивающих напряжений, которые значительно превышают напряжения сжатия. По данному исследованию были сделаны следующие выводы:
1. изменение поля деформаций и напряжений в процессе прокатки алюминиевого шара вызывает его асимметрию, что возможно получить с помощью программного моделирования и трудно получить с помощью аналитических методов расчета, также поясняется разреженность в центре алюминиевого шара;
2. посредством анализа полей напряжений шара из чистого алюминия выясняется, почему алюминиевый шарик имеет круглый косой поясок;
3. рассматривается множество факторов, влияющих на процесс образования шара из алюминия, построенная модель объективно отражает реальные промышленные условия, а по результатам моделирования возможно создание теоретической базы для проектирования валков при винтовой прокатке алюминиевого шара.
Другими словами, в данной статье впервые было подтверждено на полученной модели, что при калибровке шаропрокатных валков следует учитывать правило постоянства объема, т.к. данный процесс показал течение металла в двух направлениях (в калибр и обратно в заготовку), а также асимметричность распределения обжатий. Это исследование доказывает необходимость развалки калибра в начальных заходах для его дальнейшего полного заполнения.
Необходимость развалки калибров была установлена еще А.И.Целиковым и сформулирована как условие постоянного прилегания металла к реборде валка [7], но не имела прямых доказательств. В вышеприведенной статье [13] было показано распределение течения металла в процессе поперечно-винтовой прокатки и возникновение растягивающих напряжений.
В связи с вышесказанным, растягивающие напряжения создаются в центральной части заготовки вдоль ее оси. При превышении данных напряжений межкристаллической связи, происходит образование пустот. Данные пустоты могут достигать значительных размеров и образуют сплошное отверстие в металле, так называемый «Эффект Маннесмана» [14]. Данный феномен был назван в честь братьев Маннесманов, разработавших в 1891 году пилигри-мовый стан для прокатки бесшовных труб, что является зарождением поперечно-винтовой прокатки [15]. В отличие от прокатки труб, где образование пустот и, как следствие, сплошных отверстий в заготовке - основное условие процесса, при прокатке шаров их образование является нежелательным эффектом и иногда приводит к недопустимым дефектам.
В большинстве своем устранение данных дефектов происходит при помощи изменения калибровки валков, режимов прокатки (включая скорость и температуру прокатываемого металла). В Китае, где одним из наиболее важных параметров является высокая производительность, ученые пошли другим путем. В статье [16] описано, что число отходов металла достигает 23% в большей степени по причине образования шаров с внутренними пустотами. Для уменьшения процента отходов авторы не ограничивают процесс прокатки и допускают получение шаров с пустотами, но в дальнейшем данные шары подвергают прессованию, что позволяет практически полностью исключить пустоты, при этом полученная геометрия шаров не превышает допустимых отклонений и укладывается в стандарт. Согласно выводам данной стати:
1. При помощи установленной механической модели, методом плоского прессования были устранены пустоты в стальных прокатываемых шарах и получены теоретические зависимости между факторами закрытия пустот. Затем, на основе модели конечных элементов, было изучено поведение металла, распределение напряжений и влияние параметров процесса на микроструктуру и напряженное состояние вокруг пустоты в образцах. Металл в стальном шаре в большей мере стремится к пустоте, и это представляет тенденцию к увеличению де-
формации и действующего напряжения от поверхности к центру шара. Кроме того, полное закрытие пустоты происходит, когда шар находится в следующих условиях: температура шара не менее 1000°С и создаваемое давление 150 МПа. Следовательно, только в определенном диапазоне температуры и давления ожидается реализация полного закрытия пустоты и измельчения зерна для получения лучших механических свойств, поэтому его необходимо строго соблюдать.
2. Поскольку действующее напряжение и температура в центре шара являются ключевыми факторами, для лучшего срастания иглоподобных пустот, трансформированных из макропустот, важно правильно подобрать параметры процесса для проката стальных шаров с различными диаметрами. Метод проектирования используется для получения отношения между параметрами процесса и действующими в центре шаров напряжениями, необходимыми для закрытия пустот. Впоследствии было выведено уравнение определения требуемой температуры и давления с помощью линейного подбора данных в программном обеспечении MATLAB, которое предоставляет теоретические данные по выбору параметров процесса.
3. Эксперимент плоского прессования был выполнен на оборудовании HIP (горячего изо-статического прессования), в котором давление и температура воздуха могут достигать 200 МПа и 2000°С соответственно. Результаты эксперимента доказали, что пустоты исчезают и изменение геометрических размеров шаров составляет не более 5% при температуре 1200°С и создаваемом давлении 200 МПа в течение 2 часов, что полностью согласуется с результатами моделирования.
Также стоит отметить, что в Китае за последние два десятилетия произошло развитие поперечно-клиновой прокатки (рис. 1.б). Данный процесс максимально сходен с поперечно-винтовой прокаткой, потому что в нем происходят те же деформационные процессы. Их отличие заключается в том, что при поперечно-клиновой прокатке формирование профиля происходит за один оборот валка и валки в большинстве случаев находятся параллельно друг другу.
В ряде исследований были рассмотрены принципы поперечно-клиновой прокатки. Наиболее интересный способ прокатки ступенчатых валов был описан в статье [17], где были получены следующие результаты:
1. разработана модель многоклиновой прокатки с клиньями переменного шага, а также составлен принцип для определения основных технологических параметров клиньев на многоклиновых валках, что обеспечивает стабильность прокатки и проектирования валков с клиньями переменного шага;
2. по результатам анализа методом конечных элементов есть возможность смоделировать процесс прокатки полых ступенчатых валов валками с переменным шагом клина и найти эффективную технологию для получения точной и почти гладкой формы, формуемой полой оси или вала.
Согласно данному исследованию, используя принцип переменного шага, существует возможность проектировать валки для прокатки не только сплошных, но и полых деталей, что показывает нахождение оптимального распределения напряжений, позволяющих при прокатке сохранять исходную форму поверхностей, не находящихся в контакте с валком.
Наиболее подробное теоретическое обоснование процессу прокатки длинных валов и определение параметров клиньев с переменным шагом, а также теоретических углов развалки, описано в статье [18]. У каждого клина выделено три зоны: зона врезки, зона растяжения и калибрующая зона (рис. 3). Определены допустимые углы подъема клина и углы развалки, определена допустимая овализация профиля и выведены коэффициенты овализации при прокатке.
Согласно рис.4. были определены углы формирования а в диапазоне 35-50°, угол развалки в в диапазоне 2,5-4,5° и площадь контакта у от 25 до 70%. В данных диапазонах определены тангенциальные усилия и овальность при сжатии заготовки в радиальном направлении, а также площади контакта. Доказано, что уменьшение угла растяжения и увеличение угла формирования может увеличить овализацию. Найдена зависимость, как уменьшение
площади влияет на овальность заготовки от комбинации осевого удлинения и пластического изгиба деформации. Угол растяжения больше влияет на овальность, чем угол формирования; изменение площади дает незначительный эффект для улучшения параметров процесса. Были определены коэффициенты для прогнозирования овальности, что облегчает выбор необходимых параметров. Основываясь на влиянии этих параметров на заготовке, был усовершенствован процесс поперечно-клиновой прокатки, позволивший получать полые оси высокого качества.
р/ \ а Г
Зона Ьрозки
Калибрующая зона Зона растяжения
Рис. 3. Ключевые параметры заготовки и клина валка
В целом, проведенные китайскими учеными исследования в области поперечно -винтовой и поперечно-клиновой прокатки, в той или иной мере, были реализованы и внедрены на производственных площадках КНР, что показывает их высокий потенциал рациональности при производстве массовых партий изделий.
Исследования польских ученых в поперечно-винтовой и поперечно-клиновой прокатке
Основная часть их исследований заключается в моделировании процессов при помощи программного обеспечения методом конечных элементов. Так, ими был предложен способ прокатки шаров из головок рельсов [19]. Согласно данной статье существует возможность изготовления мелющих шаров из головок изношенных железнодорожных рельсов методом поперечно-винтовой прокатки, для чего:
1. головки изношенных рельсов предварительно перед прокаткой должны пройти боковую осадку, чтобы увеличить компактность формы поперечного сечения;
2. температура шаров, изготовленных с помощью данного метода, позволяет производить процесс закалки непосредственно с прокатного нагрева;
3. был разработан метод поперечно-винтовой прокатки при помощи конических валков, благодаря которым предварительное сечение заготовки обкатывается до попадания в зону формирования шаров и превращается в круглое, необходимое при прокатке шаров;
4. полученные максимальные значения силы и крутящего момента при моделировании данного метода значительно ниже, чем при прессовании в гидравлическом прессе;
5. были проведены опытные испытания поперечно-винтовой прокатки шаров из головок изношенных рельсов в лаборатории Люблинского технологического университета.
В дальнейшем авторы модифицировали способ получения мелющих шаров из головок изношенных рельсов более прогрессивным методом плоско-клиновой прокатки (рис. 1.в) [20].
Также данные ученые занимались моделированием процессов поперечно-винтовой прокатки деталей нетрадиционной формы, образованных осесимметричным профилем, пользующихся массовым спросом (аналогично проведенным ранее советским исследованиям [8, 9] и китайским исследованиям [11]), например, фрезерных головок, ступенчатых роликов дюбелей с шарообразной головкой и шипов, назвав данный процесс клиновинтовой прокаткой «Helical wedge rolling process». В статье [21] представлена компьютерная модель прокатки вышеперечисленных изделий. По результатам моделирования были приведены следующие выводы:
1. предложенный метод может быть использован для производства осесимметричных деталей сложной формы;
2. распределение эффективных нагрузок на элементах, произведенных методом клино-винтовой прокатки, аналогично распределениям нагрузок в процессах поперечно-винтовой прокатки, где возникают повышенные деформации из-за быстрого течения металла в окружном направлении;
3. при моделировании параметр разрушений показывает на то, что заготовка в процессе прокатки не должна разрушиться и на ней не образуются трещины;
4. несмотря на длительное время протекания клиновинтовой прокатки, температура заготовки не падает ниже предела температур горячей прокатки;
5. нагрузка на направляющие проводки в процессе прокатки во много раз ниже, чем на валки.
Согласно выводам, авторы предлагают осуществлять данный метод прокатки, используя его как перспективный при производстве осесимметричных деталей массового назначения и в последующих работах предоставляют результаты опытно-промышленных испытаний производства дюбелей с шарообразной головкой [22]. По результатам опытной прокатки в данной статье сделаны следующие выводы.
1. Основным преимуществом представленного процесса является высокая производительность, которая превышает используемые ранее технологии поперечно-клиновой прокатки и штамповки.
2. Процесс клиновинтовой прокатки обеспечивает получение высокоточных изделий. Кроме того, разработанная схема отделения готовых деталей от остальной заготовки является более эффективной, чем схема отделения деталей, прокатанных по технологии поперечно-клиновой прокатки.
3. Экспериментальными исследованиями было подтверждено предполагаемое критическое значение триггера, которое составляет 2,75, что инициирует удаление перемычек для отделения деталей.
4. Полученные напряжения, нагрузки и температура схожи с теми, которые наблюдаются при поперечно-клиновой прокатке.
Также как и с производством шаров из головок рельсов, авторы предлагают в качестве альтернативного способа производство данных дюбелей с шарообразной головкой методом плоско-клиновой прокатки [23] с проведением как моделирования, так и опытно-промышленных испытаний.
Также был предложен способ производства резьбовых винтов как трёхвалковой поперечно-винтовой, так и плоско-клиновой прокаткой, с приведением результатов опытно-промышленных испытаний при производстве винтов для крепления шпал 022 мм на промышленном стенде [24]. Основные заключения по данному исследованию: 1. Преимущество данной технологии заключается в возможности формирования резьбы в любой части вала.
2. В процессе прокатки заготовка смещается в осевом направлении в результате разнополярности осевых сил. Точное определение этого смещения и его дальнейшая нейтрализация - основная технологическая задача для правильного проведения процесса прокатки.
3. При помощи специального инструмента возможно одновременное производство 2-х винтов для крепления шпал.
Авторами из Люблинского технологического университета было предложено производство множества изделий, образованных осесимметричными профилями неклассической формы, описанных выше, и даже выделен отдельный метод, названный клиновинтовой прокаткой, ранее известный как поперечно-винтовая прокатка. Но, несмотря на это, в отличие от Китая, Европейский рынок больше направлен на выполнение индивидуальных заказов и отсутствие массового рынка такого масштаба для производства однотипных периодических профилей, поэтому основной объем исследований был проведен по использованию метода поперечно-винтовой прокатки при производстве мелющих шаров.
Одно из первых исследований, проведенных учеными с получением опытной партии шаров, было проведено в 2013 году при производстве шаров 030 мм на валках поперечно-винтовой прокатки [25]. Шары при этом имели значительные дефекты, включая неотделяе-мые перемычки в виде «гирлянд». Положительным эффектом в ходе этого испытания было то, что результаты моделирования (рис. 4.а), включая наблюдаемые нагрузки, температуры и прочие параметры, а также дефекты, полученные на шарах со значительной степенью точности, сошлись с результатом, полученным опытной прокаткой (рис. 4.б).
Рис. 4. Сравнительный анализ результатов моделирования и опыта
Дальнейшие работы польских исследователей по прокатке шаров в большей мере проводились с использованием моделирования по методу конечных элементов.
Для процесса моделирования многозаходной поперечно-винтовой прокатки шаров (с 4-мя заходными валками), которые используются для повышения производительности шаро-прокатных станов, использовалось программное обеспечение Simufact.Formingv.12 simulation [26]. Согласно приведенным в статье выводам:
1. эффективность прокатки увеличивается пропорционально количеству примененных заходов;
2. во время прокатки нагрузки и крутящий момент изменяются циклически в пределах ± 6% от их среднего значения, что происходит благодаря работе валка одновременно в нескольких калибрах и приводит к стабилизации процесса.
В следующем исследовании для анализа характера износа валков авторами использовалась программа SimufactEngineering, как результат соединения двух программных модулей: MSC.SuperForm и MSC.SuperForge [27].
Согласно данному исследованию было доказано, что нагрузки и крутящий момент в процессе винтовой прокатки шаров имеют характерные периодические колебания, при этом износ инструмента деформации возникает из-за множества факторов. Металлообработка вы-
зывает износ инструмента. Самый распространенный тип износа инструмента в процессах прокатки металла - абразивный износ. Износ инструмента при прокатке вызывает увеличение размеров готового продукта.
Выделены основные факторы износа.
Один из наиболее важных факторов, влияющих на износ инструмента в процессах прокатки металла, является проскальзывание металла в валке. Скольжение на контактной поверхности металлорежущего инструмента происходит из-за разности скоростей по боковой стороне реборды, что влияет на процесс трения.
Также выявлено, что износ инструмента уменьшается с повышением температуры металла.
Первый и второй оборот на валке чаще всего подвержен износу. Износ на первом обороте винтовой канавки валка является самым высоким, потому что в нем происходит глубокий врез в заготовку, для обеспечения начала процесса прокатки. На третьем обороте валка наблюдается наименьший износ, так как в данной области происходит окончательное формирование шара и износ распространяется по всей площади контакта равномерно.
Когда процесс происходит при самой низкой возможной температуре, около 850°С, повышенный износ наблюдается по всей длине инструмента. При максимальной температуре -1150°С, наблюдаемый износ инструмента значительно меньше и не превышает 0,001 мм, при этом на первой врезной реборде также продолжает наблюдаться повышенный износ.
В следующей статье авторы изучают влияние параметров процесса (диаметра заготовки, температуры нагрева заготовки перед прокаткой) на качество получаемых шаров на примере получения шаров с условным диаметром 40 мм [28]. В основных выводах данного исследования сообщается:
1. Диаметр заготовки оказывает наибольшее влияние на качество выпускаемых шаров. Следовательно, правильная калибровка позволяет прокатывать шары требуемого качества из стальных прутков, изготовленных по обыкновенному классу точности. Однако процесс прокатки также сильно зависит от начальной температуры заготовки. При этом температуру предварительного нагрева заготовки следует выбирать так, чтобы шары могли подвергаться термической обработке сразу после прокатки.
2. Самая высокая геометрическая точность шаров достигалась, когда шары прокатывались из заготовки диаметром 40 мм (то есть диаметр заготовки был на 3,5% меньше диаметра шара).
3. Использование заготовки, диаметром на 6% меньше диаметра шара, приводит к недостаточному заполнению; тем не менее, достигнутая геометрическая точность прокатываемого изделия достаточна для использования его как мелющего тела.
4. Использование диаметра заготовки равного или большего диаметру получаемых шаров, вызывает переполнение и серьезные дефекты поверхности шаров.
5. Заготовка должна быть предварительно нагрета до минимально возможной температуры, чтобы можно было произвести термообработку шаров сразу после процесса прокатки.
6. Когда температура предварительного нагрева заготовки слишком высока, появляются проблемы с удалением перемычек от получаемых шаров, в связи с чем, они часто остаются на шарах.
7. Переполнение в результате слишком большого диаметра заготовки или применения низкой температуры предварительного нагрева приводит к внезапному увеличению силовых параметров, что уменьшает срок службы инструмента.
8. Значительная аппроксимация между экспериментальными данными и результатами моделирования конечных элементов доказывает, что программное моделирование может быть использовано для анализа сложных процессов обработки металлов.
Наиболее необычным из предложенных данными авторами процессов прокатки шаров является способ их производства поперечной прокаткой [29]. Согласно заключению авторов статьи:
1. Предложенный метод поперечной прокатки может быть использован для формирования шести шаров одновременно диаметром 100 мм. При прокатке шести шаров диаметром 100 мм, минимальная длина валка должна быть равна 800 мм. Если валки имеют меньшую длину, количество одновременно произведенных шаров будет уменьшено.
2. Предлагаемый процесс поперечной прокатки для изготовления шаров может быть выполнен, либо двумя плоскими инструментами (плоско-клиновая прокатка), или с использованием двух валков (поперечная прокатка). Прокатные станы, оснащенные двумя валками, встречаются гораздо чаще. Когда процесс прокатки выполняется с использованием валков, прокатный стан должен также быть оснащен двумя направляющими проводками для удержания правильного положения заготовки в рабочем пространстве.
3. Точность производимых шаров достаточно низкая, но при этом форма и размеры производимых шаров по предлагаемому способу удовлетворяют требованиям, предъявляемым к мелющим шарам.
4. Шары, полученные при поперечной прокатке с двумя валками, имеют более высокую точность форм и размеров, так как заготовка точно позиционируется в рабочем пространстве прокатного стана. Некорректное позиционирование заготовки может привести к различным дефектам, таким как недостаточное заполнение одного из боковых шаров, переполнение вследствие перекоса положения заготовки и возникновения трещин по оси шара.
5. Предлагаемый способ прокатки для изготовления шаров диаметром 100 мм характеризуется высокой производительностью, составляющей 7,2 т/ч для двухвалкового варианта процесса. Применение прокатных станов, оснащенных двумя валками предотвращает работу инструмента на холостом ходу (в отличие от плоско-клиновой), что может привести к увеличению эффективности процесса прокатки. Производительность данного процесса прокатки также во многом зависит от эффективности нагрева заготовки.
6. Температура полученных шаров достаточно высока, чтобы проводить закалку без повторного нагрева. Если температура производимых шаров будет слишком высока, шары следует подвергать дополнительному охлаждению на конвейерах, транспортирующих их в закалочный бак.
7. С другой стороны, температура не должна быть слишком низкой, так как это помешает правильному проведению процесса закалки.
8. Предложенный процесс поперечной прокатки для производства шаров диаметром 100 мм может быть реализован с использованием промышленных прокатных станов, широкодоступных на рынке. В результате стоимость внедрения новой технологии изготовления будет достаточно низкой. Кроме того, прокатные станы этого типа могут быть использованы для проката других осесимметричных деталей, что будет способствовать повышению гибкости производства при выполнении производственных компаний.
Однако, в силу всего вышесказанного, процесс поперечной прокатки, даже при возможности одновременного формирования нескольких шаров за один оборот требует проведения дополнительных затратных мероприятий для установки заготовки в межвалковое пространство и имеет трудности с автоматизацией процесса. Поперечная прокатка в большей мере используется для изготовления деталей более сложной конфигурации и значительной длины, где другие способы прокатки неприемлемы. А для производства шаров поперечно-винтовая прокатка и плоско-клиновая более эффективны, т.к. подвергаются автоматизации и являются в большей мере производительными. Поперечно-винтовая эффективна по причине торцевой задачи заготовки, где возможна непрерывность процесса, а плоско-клиновая за счет отсутствия направляющих проводок и самодостаточности самого инструмента деформации, что приводит к уменьшению дополнительных операций на установку заготовки в межвалковый зазор.
В последней рассматриваемой публикации данных авторов [30] описываются различные конструкции шаропрокатных валков, преимущества и недостатки той или иной калибровки шаропрокатных валков.
Согласно заключению данного исследования:
1. Разработанная цифровая модель процесса поперечно-винтовой прокатки для изготовления шаров позволяет изучать изменение формы шара в процессе прокатки и грамотно моделировать операцию разделения шаров.
2. Рассчитанные силовые параметры (радиальная нагрузка и крутящий момент) показывают высокую степень согласия с экспериментальными данными.
3. Поперечно-винтовая прокатка может быть выполнена с использованием винтовых валков с разными формами и размерами реборд. Авторами представлены три варианта валков для прокатки шаров диаметром 125 мм без поверхностных дефектов и внутренних трещин. Принципиальные отличия данных валков заключаются в форме реборды заходной части валка.
4. Использование валков с клиновидными ребордами обеспечивает оптимальное заполнение, равномерную деформацию материала и стабильность силовых параметров в процессе прокатки. Использование валков с широкой ребордой на заходе позволяет получить устойчивый процесс захвата и минимальный износ на заходе, но при этом нагрузки, возникающие в процессе прокатки, значительно выше, чем в других разработанных моделях. Использование валков с узкой ребордой на захвате создает плавную врезку в металл и наименьшие нагрузки, но при этом создается их повышенный износ за счет малой площади контакта.
5. Также для каждого типа разработанных валков представлена аналитическая модель расчета их калибровок для последующего использования.
В целом, подводя итог обзора исследований, проведенных группой польских ученых из Люблинского технологического университета, следует отметить, что данными учеными были исследованы методы прокатки периодических профилей, выведенных в отдельную группу клиновинтовой прокатки. При этом практически все исследования заключались на принципе проектирования методом конечных элементов, что в своё время является ничем иным, как проверочным расчетом правильности калибровки валков с отсутствием теоретического обоснования оптимальности параметров калибровок. В отличие от советских и китайских, данные исследования и разработки не получили широкого промышленного применения и остановились на этапе опытных прокаток. При этом стоит отметить особый вклад авторов в детальное исследование процессов поперечно-винтовой прокатки шаров, в котором были изучены не только процессы калибровки валков и расчет энергосиловых параметров, а также износ валков, его причины, влияние формы реборд, клиньев, элементов валков, температуры и диаметра заготовки на качество получаемых шаров и прочие условия процессов прокатки.
Прочие исследования, проводимые в прокатке периодических профилей. Выводы
Кроме перечисленных выше исследований, охвативших процессы поперечно-винтовой прокатки периодических профилей, масштабные разработки в данной области отсутствуют. Так, к примеру, существует исследование немецких ученых аналогичного процесса поперечной прокатки при раскатке вала [31], где представлены результаты экспериментальных исследований, которые показывают влияние параметров процесса: температуры, геометрии инструмента и скорости на качество продукции. Экспериментальные результаты также проверены методом конечных элементов. Соответственно, данное исследование одним из первых представляет собой моделирование процессов поперечной прокатки методом конечных элементов, используя программное обеспечение.
Из исследований последних лет стоит отметить моделирование прокатки шаров учеными из Украины [32], где подробно рассмотрен процесс моделирования прокатки шаров на шаропрокатных станах.
В Европе и других развитых странах, где, в силу отсутствия массовой потребности однотипных периодических профилей, станы поперечно-винтовой прокатки не нашли широкого применения. В связи с тем, что за последние 30 лет произошло масштабное развитие металлорежущего оборудования, а именно появились 4-х и 5-и координатные обрабатывающие центры, способные изготавливать детали любой сложности, в развитии прокатки периодических профилей поперечно-винтовая прокатка уступила место более прогрессивному методу -
плоско-клиновой прокатке. Однако множество станов поперечно-винтовой прокатки периодических профилей, построенных начиная с 50-х годов 20 века в России, странах СНГ и в КНР продолжают функционировать и производить шары (в редком случае другие продукты) и еще долгое время будут оставаться востребованными. Кроме того за последние годы были введены в производство новые шаропрокатные станы на таких предприятиях как «Северсталь» (Череповец), KSP Steel (Павлодар), УГМК (Сухой Лог), ЕВРАЗ НТМК (Нижний Тагил), поэтому совершенствование процессов поперечно-винтовой прокатки при производстве мелющих шаров на сегодняшний день является актуальной темой для научных изысканий и развития.
Библиографический список
1. A. Tofil, Z. Pater Overview of the research on roll forging process // Advances in Science and Technology Research Journal Volume 11, Issue 2, June 2017, pp. 72-86.
2. Патент Германии №42849 от 04.04.1888 г.
3. Hodge G O. Machine for forming balls. US №1665361 (10.04.1928).
4. Klamp P. Mill for rolling articles of circular section and irregular profile US №2060087 (10.11.1936).
5. Патент Японии JP1372968 от 01.03.1968 г.
6. Грановский С.П., Громов А.А., Ефанов В.И. Прокатка шаров // Сталь. 1956. №4.
7. Специальные прокатные станы / А.И.Целиков, М.В.Барбарич, М.В.Васильчиков и др. М.: Металлургия, 1971. 336 с.
8. Шор Э.Р. Новые процессы прокатки. М.: Металлургиздат, 1960. 387 с.
9. Грановский С.П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в винтовых калибрах. М.: Металлургия. 1980. 116 с.
10. Восканьянц А.А., Иванов А.В. Моделирование процессов холодной поперечно-винтовой прокатки методом конечных элементов // Производство проката. 2004. №11. С. 10-17.
11. Haibo Yang, Lijie Zhang and Zhenghaun Hu The Analysis of the Stress and Strain in Skew Rolling // Advanced Materials Research. 2012. 1650-1653 pp.
12. Yang, S.-C.; Chen, C.-K. The surface geometry of rollers with skew rolling of steel balls. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 215. 2001. 523-532 pp.
13. Shi Xiao-min, Wang Bao-yu, Numerical simulation of Al ball forming process in skew rolling // Materials Science Forum. 2012. 151-154 pp.
14. Кожевникова Г.В. Условия устойчивого протекания поперечной и поперечно-клиновой прокаток // Вестник Белорусско-Российского университета. 2009. №1(22). С. 44-53.
15. Hatzfeld, Lutz, "Mannesmann, Reinhard" in: Neue Deutsche Biographie 16 (1990), S. 62 f.
16. Chang Shu, Jitai Wang, Xuedao Shu, Duanyang Tian Influencing Factors of Void closure in Skew-Rolled Steel Balls Based on the Floating-Pressure Method // Materials. №12. 1391. april 2019. pp. 1-15.
17. Cuihua Liu, Zhiping Zhong, Zhi Shen Influence of reduction distribution on internal defects during crosswedge-rolling process // 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP. 2014. pp. 263-267.
18. Cuping Yang, Zhenghuan Hu. Research on the ovality of hollow shafts in cross wedgerolling with mandrel // Int J Adv Manuf Technol. 2016. pp. 67-77.
19. Zbigniew Pater Analisis of helical rolling process of balls formed a head of a scrapped rail // Advances in Science and TechnologyResearch JournalVolume 10. №30. June 2016. pp. 110-114.
20. Zbigniew Pater, Janusz Tomchzak, Tomask Bulzak A cross wedge rolling process for forming 70 mm diameter balls from heads of scrap railway rails // Procedia Manufacturing 11. 2017. pp. 466-473.
21. Zbigniew Pater, Janusz Tomczak FEM modeling of a helical wedge rolling process for ax-isymmetric parts // Advances in Science and TechnologyResearch Journal. Volume 12. Issue 1. March 2018. pp. 115-126.
22. Z. Pater, J. Tomczak, T. Bulzak, S. Martyniuk A helical wedge rolling process for producing a ball pin // Procedia Manufacturing 27, 2019. pp. 27-32.
23. Zbigniew Pater, Janusz Tomczak, Tomasz Bulzak Cavity formation in cross-wedge rolling processes // J. Iron Steel Res. Int, 2018. pp. 1-10.
24. Z. Pater, A. Gontarz, W. Weronski New method of thread rolling // Journal of Materials Processing Technology 153-154, 2004. pp. 722-728.
25. J. Tomczak, Z. Pater, J. Bartnicki skrew rolling of balls in multiple helical impression // Archives of metallurgy and materials Volume 58, - Issue 4. 2013. 1071-1076.
26. Z. Pater A thermomechanical analysis of the multi-wedge helical rolling (MWHR) process for producing balls // METABK 55(2), 2016. pp. 233-236.
27. P. Chyla, Z. Pater, J. Tomczak, P. Chyla Numerical analysis of a rolling process for producing steel balls using helical rolls // Arch. Metall. Mater., Vol. 61, №2, 2016. 485-492.
28. Janusz Tomczak, Zbigniew Pater, Tomasz Bulzak The Effect of Process Parameters in Helical Rolling of Balls on the Quality of Products and the Forming Process // Materials. October 2018. pp. 1-15.
29. Zbigniew Pater, Janusz Tomczak, Tomasz Bulzak An Innovative Method for Forming Balls by Cross Rolling // Materials September. 2018. 1-14.
30. Zbigniew Pater, Janusz Tomczak, Jaroslaw Bartnicki, Tomasz Thermomechanical Analysis of a Helical-Wedge Rolling Process for Producing Balls // Metals, October 2018. pp. 1-14.
31. M. Houska, M.-I.Rotarescu Experimental and finite-element analysis of axial feed bar rolling (AVQ) // Advanced Technology of Plasticity, Vol. II. 1999. pp. 1523-1528.
32. D. Sokhan, V. Makovei, P. Protsenko Modeling ball rolling in spiral rolls // Mechanics and Advanced Technologies, Vol 83, №2. 2018. pp. 24-30.
•- 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)
OVERVIEW OF FOREIGN RESEARCHES IN THE AREA OF CROSS-HELICAL ROLLING PROCESS FOR THE PRODUCTION OF STEEL GRINDING BALLS AND AXISYMMETRIC PARTS
Abstract. The review of studies in the field of helical rolling is carried out, both in balls production and in the axisymmetric shapes periodic profiles production. The historical development of the processes of cross-helical rolling of periodic profiles from their beginning to the present day is given. Significant attention is paid to modern foreign developments of Chinese and Polish scientists, who, using programs for modeling processes of both cross-helical rolling and cross-wedge rolling and flat-wedge rolling, conducted a detailed study of these processes and offered their own solutions. The brief review of the articles and the results analysis are presented.
Keywords: cross-helical rolling, cross-wedge rolling, flat-wedge rolling, helical-wedge rolling, wedge rolling, ball, periodic profile, axisymmetric profile, finite element method.
