CC BY
105
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.771
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЗОНЫ РЕДУЦИРОВАНИЯ КАЛИБРА СТАНОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Курмачев Ю.Ф.
Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
Аннотация. В работе рассматривается вопрос о проектировании и расчете зоны редуцирования трубной заготовки из алюминиевого сплава при холодной прокатке труб. Расчитываются минимальная и максимальная длины зоны редуцирования, позволяющие выбрать ее оптимальну длину.
Ключевые слова: труба, холодная прокатка труб, зона редуцирования, вытяжка.
Введение
Холодная прокатка трубы производится на круглом конусном дорне (оправке), который служит внутренней жёсткой опорой. Рабочая длина ручья калибра состоит из следующих участков: участок редуцирования, обжимной, предотделочный (калибровка стенки трубы) и калибрующий диаметр трубы. Одним из основных параметров рабочей зоны калибра является зона редуцирования трубной заготовки. В зоне редуцирования происходит основное уменьшение диаметра заготовки на всей рабочей зоне, и упрочнение трубы при этом составляет до 70% от конечной твердости. Поэтому при заданной конусности редуцирования очень важно по возможности наиболее точно оценить размеры зоны редуцирования.
Методы исследования
Рассмотрим свободное редуцирование без натяжения при осаживании заготовки трубы на оправку. При этом сделано допущение, что неравномерность деформации существенно не влияет на изменение толщины стенки, также не учитываются сила внешнего трения. В отличие от холодной прокатки труб из сталей при холодной прокатке труб из алюминиевых сплавов на участке редуцирования всегда наблюдается увеличение толщины стенки. При увеличении стенки на участке редуцирования происходит значительное радиальное напряжение внутренней поверхности трубы, могущее привести к трещинам и иным дефектам перед непосредственной прокаткой на обжимной зоне. Твердость трубы в конце участка редуцирования составляет до 70% от увеличения твердости за весь цикл прокатки. Повышение твердости сопровождается значительным падением остаточного относительного
удлинения и пластичности металла. Вследствие этого на обжимном участке процесс прокатки происходит уже при малопластичном металле. Поэтому крайне важно правильно расчитать зону редуцирования, включая ее длину, конусность редуцирования, утолщение стенки, упрочнение заготовки. Многочисленные исследования определения длины зоны редуцирования привели к различным эмпирическим формулам, зачастую противоречащим друг другу. В данной работе при упомянутых допущениях производится точный расчет минимального промежутка, определяющего длину зоны редуцирования.
При проектировании зоны редуцирования используются следующие обозначения:
lp - длина зоны редуцирования,
D0 - диаметр заготовки, t0 - толщина стенки заготовки, к - конусность редуцирования по диаметру положительная,
к0 - конусность оправки по диаметру положительная,
Dv - внутренний диаметр заготовки, da - начальный диаметр оправки (в точке А), dfr - диаметр оправки в точке Б,
Db - диаметр трубы в точке Б,
tb - толщина стенки трубы в точке Б,
F0 - площадь сечения заготовки,
Fb - площадь сечения трубы в точке Б, fl - вытяжка трубы на участке редуцирования.
52
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Проектирование и расчет зоны редуцирования калибра станов холодной прокатки труб...
Курмачев Ю.Ф.
Рассмотрим два предельных случая изменения стенки трубы на участке редуцирования. Первый - толщина стенки увеличивается, причем вытяжка в этом случае равна единице, то есть сохраняется величина площади сечения заготовки и площади сечения трубы в конце зоны редуцирования, и второй случай - толщина стенки на участке редуцирования остается неизменной. При этом считаем конусность редуцирования k заданной. При прокатке труб из алюминиевых сплавов конусность редуцирования выбирается от 0,10 до 0,12. При большей конусности редуцирования и короткой зоне редуцирования наблюдается появление дефектов на внутренней поверхности трубы.
Найдем минимальную и максимальную длины зоны редуцирования. Здесь максимальность понимается как минимальная из возможных максимальных длин. Минимальность понимается как максимальная из возможных минимальных длин. Ввиду этого предельные границы размеров длин зоны редуцирования оптимально сближены, после определения которых окончательно выбирается длина зоны редуцирования.
В первом случае (см. рисунок) вытяжка на участке редуцирования jl = 1, тогда
(Do t0 У о _ (Db tfo )tb .
Зона редуцирования заготовки
Левая часть равенства известна, пусть c = (D0 — t0 )t0, получаем квадратное уравнение относительно толщины стенки трубы в точке
Б: t2 - Dbtb + c = 0, где Db = Do - klp, то есть
tb - (Do - klp )tb + c = 0 (1)
Ho Db — db = 2tb, с другой стороны:
2tb= (Do — klp ) — (da — kolp ), отсюда
минимальная длина зоны редуцирования
l _ Do da 2tb
lp(min) - k - ko
(2)
Подставим найденную lp в полученное
квадратное уравнение (1). После преобразований получим квадратное уравнение относительно tb с известными коэффициентами
(k + ko Уь + (kda - koDo )tb --(Do - to )(k - ko )to = °.
Решив его, подставим найденную величину tb в уравнение (2). Получаем минимальную длину зоны редуцирования.
Очевидно, что во втором случае (см. рисунок), когда толщина стенки трубы на участке редуцирования остается неизменной и вытяжка fl> 1, длина зоны редуцирования максимальная. Тогда db = da — l pko или
db = Dv — lpk , отсюда максимальная длина зоны редуцирования
l
a. - d„
p(max) - k -k
(4)
Заметим, что в числителе стоит зазор между заготовкой и оправкой Dv da по диаметру в точке А, который определяется технологически из внешней предельной кривизны заготовки на единицу длины.
Найдем вытяжку на участке редуцирования. Так как tb = (Db — db )/2, то площадь сечения
трубы в точке Б Fb = 7l( Db
Db tb )(Db tb )
2
D 2 - d 2
или Fb =я(—^——). Площадь сечения заготовки равна F0 =ж(D0 — t0 )t0. Вытяжка на участке редуцирования ^ = F0 / Fb или
4(D0 -t0 )t0
м
о о/о
D 2 - d 2
Db db
. Заметим, что так как стенка
трубы на участке редуцирования в рассматриваемом случае не меняется, то tb = to и вытяжку
www.vestnik.magtu.ru
53
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
на АБ можно выразить иначе:
В =
(Do -tp )to
(Db ~h )tb
ИЛИ
R =
Do-to
Db ~tp
. Полученная вытяжка ^ >
1,
так как Dp > Db . Полученная длина зоны редуцирования максимальна. Здесь максимальность понимается как минимальная из возможных максимальных длин. Минимальность понимается как максимальная из возможных минимальных длин.
Таким образом, получены формулы, позволяющие определить точные границы величины зоны редуцирования:
Do da 2tb
к - ko
Do ~da ~ 2tb к - ko
< Ip <
< Ip <
Dv da
к - k„
ИЛИ
Do -da - 2to
к - k„
(5)
Технолог выбирает длину зоны редуцирования, учитывая предложенное утолщение стенки
трубы в точке Б, равное разнице tb ~ to.
Рассмотрим пример прокатки трубы на стане ХПТ-90 из сплава Д16 по маршруту 38 х 3 ^ 24 х1 (здесь и далее размеры в миллиметрах). При этом Do = 38, to = 3,
ko = 0,005, k = 0,12, Dv - dc = 7 14
da = 24,86. Получаем в первом случае
l^(min) 51,13, в0 втором случае
lp(max) = 62,09, разница составляет менее 9
мм, выбираем длину зоны редуцирования lp = 56. Утолщение стенки трубы в точке Б
при этом составит 0,71. Вытяжка на участке редуцирования [л = 1,059, что соответствует некоторым эмпирическим формулам [1, 2].
Выводы
Предложенная методика проектирования и расчета зоны редуцирования проста, точна, легко программируется, реализована в пакете программ расчета калибра в среде Quick Basic и внедрена в производство холоднокатаных труб из алюминиевых сплавов на Красноярском металлургическом заводе.
Список литературы
1. Шевакин Ю.Ф. Калибровка и усилия при холодной прокатке труб. М.: Металлургиздат, 1968. 268 с.
2. Шевакин Ю.Ф., ГлейбергА.З. Производство труб. М.: Металлургия, 1968. 440 с.
3. Орлов Г.А. Пути совершенствования калибровок инструмента станов холодной прокатки труб // Сталь. 2004. № 12. С. 83-85.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DESIGN AND CALCULATION OF A REDUCING ZONE OF GROOVES FOR COLD ROLLING MILLS FOR TUBES FROM ALUMINUM ALLOYS
Kurmachev Yuri Fedorovich - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail: kurmach@mail.ru.
Abstract. The paper discusses the design and calculation of a reducing zone of tube stock from an aluminum alloy during cold tube rolling. Minimum and maximum lengths of the reducing zone were calculated to select its optimal length.
Keywords: Tube, cold tube rolling, reducing zone, reduction ratio.
References
1. Shevakin Yu.F. Kalibrovka i usiliya pri kholodnoj prokatke trub [Calibration and forces during cold rolling of tubes]. Moscow: Metallurgizdat, 1968, 268 p.
2. Shevakin Yu.F., Gleyberg A.Z. Proizvodstvo trub [Production of tubes]. Moscow: Metallurgy, 1968, 440 p.
3. Orlov G.A. Ways of improving the tool calibration for cold rolling mills of tubes. Stal' [Steel]. 2004, pp. 83-85.
Курмачев Ю.Ф. Проектирование и расчет зоны редуцирования калибра станов холодной прокатки труб из алюминиевых сплавов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №3. С. 52-54.
Kurmachev Yu.F. Design and calculation of a reducing zone of grooves for cold rolling mills for tubes from aluminum alloys. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 3, pp. 52-54.
54
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
