CC BY
10В.Ю.Рубцов
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
О.И.Шевченко
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
В.В.Курочкин
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КРИВЫХ ВТОРОГО ПОРЯДКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ШАРОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Аннотация. Проведен опыт по корректировке модели шаропрокатного валка с дискретно-изменяющимся шагом, с использованием кривой второго порядка, изготовленного на токарном станке, и отсканированного на 3-D сканере в модель валка с непрерывно-меняющимся шагом. Результаты прокатки с использованием исходного и корректированного комплекта показали преимущество кривых второго порядка для определения параметров шага с целью общего уменьшения и исключения скачков нагрузки.
Ключевые слова: шаропрокатный валок, дискретный шаг, непрерывно-меняющийся шаг, кривая 2-ого порядка, 3-D сканер.
Шаропрокатные валки изготавливаются как с дискретно-изменяющимся шагом [1-3], так и с непрерывно-изменяющимся [4-6].
В работах авторов [7-8] было описано преимущество использования валков с непрерывно-изменяющимся шагом против валков с дискретно-изменяющимся шагом, а также выведены функции определения шага при условии сохранения постоянства объема по ходу продвижения металла в калибрах. Данные функции в свою очередь аппроксимируются кривыми 2-ого порядка, что доказывает возможность нахождения 5-и произвольных точек кривой, при условии, что никакие 4 из них не лежат на одной прямой [9], для построения истинной кривой, удовлетворяющей требованиям функции.
В условиях АО «ЕВРАЗ НТМК» была проведена опытно-промышленная работа по преимуществу изготовления валков, на 5-координатном обрабатывающем центре.
Для чистоты эксперимента в качестве базовой модели был взят комплект штатных ша-ропрокатных валков для производства шаров условным диаметром 60 мм, изготовленный классическим способом на токарно-винторезных станках ДИП-500. На валках был использован дискретно-изменяющийся шаг винтовой линии, полученный при замене пар сменных шестерен в станке. Кроме того, выходная реборда валка была удалена огневой резкой, что характерно показано на рис. 1. Данный валок был отсканирован на 3-D сканере. На рис. 2 показана модель валка снятая с 3 -D сканера.
На следующем этапе в систему были выгружены все геометрические параметры валка и проведен детальный анализ данных параметров. К таким параметрам были отнесены: координаты вершин реборд (Xj, Yj, Zj ), вынесенных из матрицы сетки 3 -х мерной системы
координат. В данном случае величина Xj соответствует шагу винтовой линии. Кроме этого были выведены параметры развалки калибра Sj, высоты реборды Hj и ширины реборды Bj. Численное изменение всех параметров по длине валка, в зависимости от угла положения координаты на винтовой линии р, представлено на рис. 3.
Как видно по рис. 3, координаты Xj, Yj имеют достаточно устойчивый синусоидальный характер по причине характерного спирали изменения координаты в зависимости от угла поворота р. Основной шаг, представленный координатой Xj, имеет плавно-изменяющуюся кривую. Характер изменения ширины реборды Bj представлен отдельно на рис. 4.
Рис. 1. Шаропрокатный валок для производства шаров 60 мм, с дискретно-изменяющимся шагом
Рис. 2. Модель шаропрокатного валка с 3-Б сканера
300
-400
-Х(1) -5(1) -Н(1) -В(1) --1{\)
Рис. 3. Параметры отсканированного шаропрокатного валка Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2020. Выпуск 16- 16
9
° оР £> о? гЬ л.0 Л Л А Л Л Л Л Л Л Л А А А А <А А оО А /Л 511 °> ч> я> ъ> <$> & £> & ¿Г <с? V V" Ль «б5 Ч5 О)" с?> ^ ^ ^ ^у
Рис. 4. Параметры ширины реборды В^, мм
Согласно рис. 4, ширина реборды на калибрующем участке, при угле р = 180-630° имеет среднее значение 7,5 мм, затем начинает уменьшаться и при заходе достигает минимальных значений 2 мм. При такой калибровке максимальный износ валок будет испытывать в зоне захвата заготовки, для чего характерно использование динамического режима прокатки, описанного в работе [10]. Дробления по ширине реборды, которые начинаются с угла р = 900°, характеризуются результатом нестабильной работы резца и его частичном отгибании при подрезке реборды Н\ и при развалке калибра Б. При изготовлении валка ширина реборды не считается основополагающим параметром, а является результатом наложения остальных параметров, таких как основной шаг, подрезка реборды и развалка калибра, кроме того, дробление в диапазоне одного миллиметра (2-3 мм, при углах р = 900-1170°) не является существенным. Поэтому наиболее интересными характеристиками, выходящими из общей картины, являются подрезка реборды Н1 (представлена на рис. 5) и развалка калибра £г- (представлена на рис. 6).
30
" 7
20
15
10 5 0
оооооооооооооооооооооооооооооооооо оотч^г^от^^г^^оотч^г^от^^г^^оотчч-г^ого^^г^ьлоотч^г^
тЧ тЧ тЧ тЧ тЧ тЧ
Исходные значения Корректированные значения
Рис. 5. Параметры подрезки реборды Н1, мм
Рис. 6. Параметры развалки калибра Sl■.
мм
Исходя их рис.5 (исходные значения), подрезка реборды производилась с угла ф = 795°, с величины высоты реборды, равной 26,5 мм до угла ф = 1170°, где высота реборды минимальна и составляет 5 мм. Характер подрезки реборды имеет линейную зависимость, поэтому те скачки, которые появляются на данном графике, а также зарез, который начинается с угла ф = 600°, можно характеризовать как дефект изготовления и дробление резца во время обточки.
Для корректировки достаточно выровнять дробление и задаться линейной функцией подрезки реборды, что представлено на рис. 5 (скорректированные значения).
Согласно рис. 6 (исходные значения), видно, что за счет применения ступенчатого шага, на линии присутствуют значительные переломы при угле ф = 765° и далее через каждые 90°, но при этом также присутствует существенное дробление от резца. Для сглаживания данной кривой были применены параметры, обусловленные кривой 2-ого порядка и представлены в виде скорректированных значений (рис. 6). В качестве исходных данных были заложены: величина максимальной развалки, составляющая 19 мм, соответствующая исходной, точка начала подрезки 0,2 мм на угле ф = 675°, а также три теоретических точки изменяющегося шага. Построенная кривая со скорректированными значениями пересекается с исходной кривой в пяти точках, что показывает достаточность значений для данной кривой.
В результате анализа для исходной кривой и скорректированной кривой развалки калибра были показаны экспоненциальные кривые, на которых получена высокая степень сходимости данных теоретических кривых с максимальным абсолютным отклонением, не превышающим 2 мм на любом угле ф.
Используя скорректированные значения, была отредактирована исходная модель ша-ропрокатного валка и получена рабочая 3-0 модель, предназначенная для 5-координатного обрабатывающего центра (рис.7).
Рис. 7. Рабочая 3-D модель шаропрокатного валка
По результатам данной работы был изготовлен комплект валков и, в условиях шаропрокатного стана 40-80 крупносортного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК», прокатаны две опытных партии шаров диаметром 60 мм: одна с исходного комплекта валков (с которого проводилось 3-D сканирование), вторая с комплекта валков, изготовленного на 5-координатном обрабатывающем центре. При работе на валках, изготовленных на 5-координатном обрабатывающем центре, нагрузки, снятые с прокатного двигателя, были на 10-15% ниже, чем на исходных валках, уменьшилось количество скачков по нагрузкам. Также значительно уменьшился износ реборд, особенно в точках изменения шага.
Выводы
1. Был проведен опыт корректировки валка с дискретным шагом, изготовленного классическим способом на токарных станках, в модель валка с непрерывно-меняющимся шагом, для его изготовления на 5-координатном обрабатывающем центре при помощи 3-D сканера и математического анализа полученных данных.
2. Результаты опыта, включая уменьшение нагрузки на валки, показали преимущество применения кривых второго порядка для определения параметров шага (в частности для развалки калибра), при прочих равных условиях.
Библиографический список
1. Целиков А.И. Специальные прокатные станы / А.И.Целиков, М.В.Барбарич, М.В.Васильчиков и др. М.: Металлургия, 1971. 336 с.
2. Шор Э.Р. Новые процессы прокатки. М.: Металлургиздат, 1960. 387 с.
3. Pater Z. Thermomechanical Analysis of a Helical-Wedge Rolling Process for Producing Balls / Z.Pater, J.Tomczak, J.Bartnicki, Tomasz // Metals, October 2018. PP. 1-14.
4. Грановский С.П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в винтовых калибрах. М.: Металлургия. 1980. 116 с.
5. Котенок В.И., Подобедов С.И. Создание эффективных калибровок шаропрокатных валков и расширение сортамента шаров на действующих и новых станах // Труды 3 Конгресса прокатчиков, Липецк. 19-22 октября 1999 М.: ОАО «Черметинформация». 2000. С. 438-441.
6. А.С. 837643 (СССР). МПК B23G 3/10. Устройство к токарно-винторезному станку для нарезания винтовых поверхностей с переменным шагом / Н.А.Целиков, Б.Ф.Выгоднер, В.И.Котенок и др. // Опубл. 15.06.81. Б.И. 1981. №22. С. 2.
7. Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Изготовление шаропрокатных валков с переменной глубиной впадины // Калибровочное бюро. 2019. №14. С. 16-24.
8. Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Калибровка шаропрокатных валков с непрерывно меняющимся шагом // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2018. №8 (1424). С. 58-63.
9. Корн Г., Корн Т. Характеристическая квадратичная форма и характеристическое уравнение / Справочник по математике. 4-е изд. М: Наука, 1978. 64 с.
10. Rubtsov V.Yu, Shevchenko O.I., Mironova M.V. Improvement of Rolling Dynamics to Increase Roller Life in Ball Rolling // Steel in Translation. 2018. T. 48. №12. PP. 757-761.
•- 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)
V.V.Kurochkin EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
INCREASING RIGIDITY OF ROLLING MILLS BY USING WEDGE FIXATION DEVICE
Abstract. Ball-rolling roll with continuously variable pitch modelwas corrected, with helped 3-d scanner fromball-rollingroll with stepped pitch model, which was made on lathe is provides.The results of rolling process with used original and correctional dual rolls,with used second order curves in pitch are provides improvefor reduction loads and loaddisturbs.
Keywords: ball-rolling roll, stepped pitch, continuously variable pitch, second order curves, 3-D scanner.
