Содержание к диссертации
Введение
1. Современный уровень развития массового производства коротких изделий диаметром до 120 мм 13
1.1 Современное состояние массового производства изделий и заготовок 13
1.2. Современное состояние технологий прокатки в винтовых калибрах 19
1.3. Современный уровень развития теории прокатки в винтовых калибрах 25
2. Теоретическое исследование формообразования профилей при прокатке в винтовых калибрах 42
2.1. Разработка объемной модели формообразования профилей внедряющейся ребордой 42
2.2. Расчет размеров калибра при формовке простой внедряющейся ребордой .51
2.3. Разработка схем и методов расчета переформовки профилей 62
2.3.1. Систематизация технологических схем переформовки профилей 62
2.3.2. Расчет закрытых осевых переформовок 66
2.3.3. Расчет закрытых радиальных переформовок при внедрении реборды 74
2.3.4. Расчет закрытых радиальных переформовок при закрытии канавки 76
2.3.5. Расчет размеров полуфабриката для открытой переформовки 80
2.4. Исследование взаимодействия винтового калибра и формуемого металла 86
2.4.1. Геометрия винтового калибра 89
2.4.2. Проскальзывание металла в винтовом калибре 96
2.4.3. Частные обжатия при формовке ребордой 101
2.4.4. Усилия и моменты, приложенные к формуемому металлу 110
2.5. Анализ основных операций формообразования заготовок колец 114
2.5.1. Условия осевой подачи металла гранью реборды 114
2.5.2. Несимметричность осевого течения металла под ребордой 116
2.5.3. Раскатка гильзы в обжимных валках с подпором трубы 120
2.5.4.Формовка трубы гребнем винтового калибра 133
2.5.5. Согласование взаимодействия обжимных валков и винтового гребня 141
2.5.6. Выкатка овала профиля в закрытом калибре и его компенсация 153
2.5.7. Совершенствование процесса разделения заготовок 157
3. Экспериментальные исследования формообразования профилей при прокатке в винтовых калибрах 165
3.1. Экспериментальные исследования переформовки профилей 165
3.1.1. Исследование осевой переформовки профиля, формуемого гребнем 166
3.1.2. Исследования переформовки ступенчатых профилей 169
3.1.3. Исследования переформовки гладких профилей 172
3.1.4. Исследования переформовки ступенчатых профилей с канавкой 176
3.2. Образование дефектов и разработка мероприятий по их предупреждению ..179
3.2.1. Исследование овализации металла при формовке ступенчатого профиля. 180
3.2.2. Утяжины на профиле 182
3.2.3. Утяжины в отверстии заготовок 186
3.2.4. Закаты на поверхности профиля 190
4. Методика проектирования рабочего инструмента для прокатки в винтовых калибрах заготовок колец 195
4.1. Последовательность разработки технологии прокатки и калибровок рабочего инструмента 195
4.2. Конструирование катаных заготовок колец 195
4.3. Общие положения расчета калибровок формовочных валков 205
4.3.1. Основные элементы винтового калибра 205
4.3.2. Структура калибровки формовочных валков 211
4.3.3 Расчет участка с максимальной высотой основной реборды 213
4.3.4. Выбор режима формообразования профилей 216
4.3.5. Построение и оптимизация калибровки винтовых валков 221
4.4. Расчет калибровки формовочной оправки 225
4.5. Калибровка обжимного валка 228
5. Разработка и исследование процессов и калибровок валков для прокатки в винтовых калибрах заготовок колец с переформовкой и шаров 231
5.1. Базовая калибровка валков для двухстадийной прокатки ступенчатых заготовок колец 231
5.1 1. Расчет участка формовки профиля гребнем и его модификаций 236
5.1.2. Расчет участка формовки полуфабриката дополнительной ребордой 242
5.1.3. Расчет перехода от участка полуфабриката к участку переформовки 245
5.2. Базовая калибровка валков для двухстадийной прокатки «прямоугольных» заготовок колец 247
5.3. Базовые калибровки валков для двухстадийной прокатки конических заготовок колец 252
5.4. Базовая калибровка валков для двухстадийной прокатки ступенчатых заготовок колец с канавкой 258
5.5. Малоэнергоемкие калибровки шаропрокатных валков 263
5.6. Экспериментальные исследования точности ступенчатых заготовок колец, прокатанных по двухстадийной схеме 268
5.6.1. Методика проведения исследований 268
5.6.2. Точность диаметров профиля 272
5.6.3. Точность отверстия заготовок 280
5.6.4. Точность линейных размеров заготовок 287
5.7. Точность прокатки заготовок колец на промышленном агрегате 290
5.7.1. Точность прокатки ступенчатых заготовок 290
5.7.2. Точность прокатки «прямоугольных» заготовок 290
5.7.3. Точность прокатки конических заготовок 292
5.7.4. Точность прокатки ступенчатых заготовок с канавкой 292
5.7.5. Технологические возможности двухстадийной прокатки заготовок колец295
6. Создание и освоение высокоэффективного оборудования для прокатки в винтовых калибрах изделий и заготовок деталей машин 298
6.1. Создание и освоение современного кольцепрокатного агрегата 55-112 и процессов винтовой прокатки заготовок колец для машиностроения 298
6.2. Создание и освоение нового поколения шаропрокатных станов и малоэнергоемких калибровок шаропрокатных валков 311
6.3. Создание и освоение специальных станков для нарезки на валках винтовых
калибров переменного шага 315
Основные выводы и результаты работы 322
Библиографический список 325
Приложение 336
- Современное состояние технологий прокатки в винтовых калибрах
- Разработка схем и методов расчета переформовки профилей
- Образование дефектов и разработка мероприятий по их предупреждению
- Конструирование катаных заготовок колец
Введение к работе
Развитие промышленности и техники ведет к увеличению объемов выпуска технологического оборудования, автомобилей и других машин, для производства которых в массовом количестве необходимы профильные изделия и заготовки. К ним следует отнести шары (мелющие, подшипниковые и под штамповку), короткие оси и стержни диаметром до 120 мм, а также профильные заготовки колец диаметром 55... 120 мм. Годовые потребности в них часто составляют сотни тысяч и даже миллионы штук.
Традиционное изготовление таких изделий механической обработкой круглого проката и горячекатаных труб очень трудоемко и дорого и требует больших капитальных затрат и производственных площадей.
Применение процессов штамповки из горячекатаного прутка позволяет сократить затраты. Но при массовом производстве текущие и капитальные затраты остаются достаточно большими, что во многом связано с недостаточно высокой производительностью штамповочного оборудования, а в ряде случаев и с невозможностью получения изделий сложной формы , в особенности, если они имеют канавки и большую длину.
Технология прокатки в винтовых калибрах, зародившаяся как высокопроизводительный процесс получения шаров, позволяет в 2...5 раз повысить производительность формообразования заготовок, что является основой снижения удельных текущих и капитальных затрат при массовом производстве заготовок и изделий.
Прокатка изделий в винтовых калибрах - один из наиболее сложных процессов поперечно-винтовой прокатки, что обусловлено постоянным изменением при формовке металла радиальных и осевых обжатий под воздействием внедряющейся и расширяющейся реборды и связанных с ней изменений размеров винтового калибра. При этом металл течет в трех направлениях - осевом, радиальном и тангенциальном.
Анализ опыта разработки инструмента для прокатки в винтовых калибрах показал, что существующие подходы к расчету формообразования профилей не учитывали ряд существенных факторов. Так как методика расчета параметров процесса часто неадекватно описывала формообразование профиля, что связано с ее основами - плоской расчетной схемой, по которой весь обжатый металл поступает в вытяжку, и несовершенными схемами, параметрами и режимами формообразования и разделения заготовок. Основные результаты получены для схемы прямой формовки профилей, когда в калибре сразу формуют заданный профиль. Но для многих массовых профилей при прямой формовке не удается обеспечить необходимое качество изделий и стойкость формовочных валков. Поэтому возникает необходимость в создании новых технологических схем.
Для решения поставленной задачи предлагаются двухстадийные схемы формообразования различных профилей и режимы их исполнения. На первой стадии нового процесса осуществляют основную деформацию металла и формуют полуфабрикат, в наибольшей степени удовлетворяющий условиям формообразования с большими обжатиями, а на второй - выполняют переформовку полуфабриката в готовый профиль.
Повышение требований к качеству и точности изделий, необходимость освоения новых типов профилей и недостаточная изученность формообразования в винтовых калибрах привели к тому, что проектирование и освоение производства сложных профилей занимало много времени и требовало больших затрат, а прокатное оборудование нуждалось в совершенствовании и повышении технического уровня.
Все это сдерживало развитие прогрессивной технологии.
В связи с этим, разработка единого теоретического подхода к формообразованию профилей в винтовых калибрах, проектированию новых и совершенствованию существующих технологий, прокатного инструмента и оборудования, с учетом основных факторов процесса, является актуальной научно-технической задачей.
Целью настоящей работы является создание высокоэффективных процессов и оборудования для прокатки в винтовых калибрах сложных изделий на основе развития теории и схем формообразования профилей.
На основе изложенного сформулированы задачи исследования: разработать методику расчета формообразования профилей, рассматривая формообразование как процесс объемного перемещения металла и заполнения им винтового калибра под воздействием контактных сил, приложенных со стороны расширяющихся и внедряющихся винтовых реборд; разработать двухстадийные схемы формообразования сложных профилей; исследовать и рационализировать основные операции формообразования профилей и условия их осуществления для обеспечения высокой стойкости инструмента, точности и качества заготовок; разработать комплексную методику и прикладные программы для расчета технологических процессов прокатки сложных профилей в винтовых калибрах и калибровок прокатного инструмента; - разработать и внедрить в промышленность высокоэффективные технологические процессы и оборудование для прокатки в винтовых калибрах основных профилей колец и шаров.
Теоретические исследования формообразования профилей базировались на методах математического анализа, теоретической механики, теории обработки металлов давлением и вычислительной математики. Численные расчеты выполняли с помощью разработанных математических моделей.
Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и заводских условиях с использованием современных приборов и датчиков, подключенных к персональному компьютеру. Обработка экспериментальных данных осуществлена методами математической статистики с применением компьютерных программ.
Достоверность полученных результатов определялась сравнением расчетных данных с экспериментальными и опытом промышленной эксплуатации прокатного инструмента, разработанного по предложенной методике.
При решении поставленных задач получены новые научные результаты: - разработана методика расчета формообразования профилей, основанная на анализе объемного течения металла и взаимодействия винтового калибра с
9 формуемым металлом, позволившая впервые учесть влияние на заполнение калибра несимметричности осевого течения металла в очаге деформации, овализации и радиального течения металла, искажения калибра при повороте валков и наличия обжатия. Установлено, что равенство объемов металла, калибра и изделия должно достигаться только в конце участка калибровки профиля. На остальных стадиях процесса необходимо обеспечивать определенное соотношение между этими объемами, обусловленное условиями и режимом формообразования профиля; разработана методика расчета взаимодействия инструмента с формуемым металлом при прокатке в винтовых калибрах, что позволяет на стадии проектирования определять оптимальные условия совместной работы обжимных и формовочных валков, а также соседних винтовых калибров. При согласовании условий работы обжимных и формовочных валков выбраны рациональные параметры процесса и инструмента, позволившие обеспечить минимальный подпор и дополнительный объем металла, поступающего в калибр, а также синхронизировать подачи металла под реборды с изменениями развалки калибра; разработана универсальная методика расчета размеров винтового калибра, которая использует четыре характеристики процесса: радиальный параметр формовки, определяющий радиальные обжатия металла; осевой параметр формовки для передней грани реборды, определяющий соотношение между осевым и радиальным источниками металла для формообразования профиля; коэффициент асимметрии, определяющий несимметричность осевого течения металла под ребордой калибра, и параметр овализации, определяющий соотношение между тангенциальным и общим смещенными объемами; разработаны двухстадийные схемы формообразования сложных базовых профилей и режимы их формовки, обеспечивающие высокую стойкость инструмента и качество заготовок. На первой стадии процесса осуществляют основную деформацию металла и формуют полуфабрикат, в наибольшей степени удовлетворяющий условиям формообразования с большими обжатиями, а на второй - выполняют переформовку полуфабриката в готовый профиль; - раскрыты механизмы образования основных дефектов (закатов и утяжин) при прокатке в винтовых калибрах заготовок колец и разработаны технические решения по их предотвращению или устранению за счет модификации профиля; - разработана универсальная схема и режим стабильного разделения заготовок колец за счет создания гарантированного недостатка металла в перемычке.
На основе проведенных исследований выполнены разработки и получены результаты, имеющие практическую ценность, а именно: - разработаны методика и прикладные программы для расчета параметров технологии и инструмента для прокатки профилей в винтовых калибрах, позволяющие создавать высокоэффективные калибровки формовочных валков с заданными режимами формообразования, стабильным разделением заготовок и монотонными винтовыми калибрами; - разработаны новые технологические процессы и базовые калибровки рабочего инструмента для двухстадиинои горячей прокатки в винтовых калибрах новых типов полых профилей - ступенчатых, «прямоугольных», конических и ступенчатых с канавкой для автомобильной и подшипниковой промышленности; определено влияние основных факторов технологии и настройки стана на точность заготовок колец, получаемых двухстадиинои прокаткой в винтовых калибрах, и установлены технологические возможности этого процесса; разработаны малоэнергоемкие калибровки валков для прокатки шаров диаметром 20...120 мм, обеспечивающие снижение рабочих нагрузок на 25...30%, увеличение скорости прокатки и повышение стойкости валков. Это позволило повысить производительность и расширить сортамент шаропрокатных станов; создан современный кольцепрокатный агрегат 55-112, который имеет в среднем на 30% лучшие технико-экономические показатели, чем агрегат 60-105; создано новое поколение шаропрокатных станов, имеющих расширенный сортамент, повышенную производительность, меньшую металлоемкость и увеличенную надежность и долговечность; - разработана гамма специальных станков для обработки винтовых калибров переменного шага на валках с номинальным диаметром 240.. .750 мм.
На основе выполненных исследований разработаны современные технологические процессы и калибровки прокатного инструмента для производства заготовок колец различной формы и назначения для автомобильной и подшипниковой промышленности на американской фирме «Timken» - ведущем мировом производителе точных компонентов для машин.
Производство организовано на базе российского кольцепрокатного агрегата 55-112, созданного совместно ВНИИМЕТМАШ и ОАО «ЭЗТМ».
Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в разработке, пуске и освоении агрегата в США. Он был ведущим разработчиком технологических процессов и рабочего инструмента для прокатки профилей различного назначения, из которых 22 профиля освоено в производстве, объем которого в 2001 году превысил 2.0 млн. заготовок в месяц.
Созданные малоэнергоемкие калибровки шаропрокатных валков снижают на 20..30% энергосиловые характеристики процесса прокатки шаров в винтовых калибрах. Они внедрены в России (7 заводов) и за рубежом - в Мексике, Германии, Индии, Турции, Узбекистане и на Украине, где работает 34 калибровки валков на 16 шаропрокатных станах.
Новые калибровки валков позволили расширить сортамент прокатываемых шаров на действующих станах и легли в основу создания ВНИИМЕТМАШ и ЭЗТМ нового поколения шаропрокатных станов (ШПС 20-60, ШПС 40-100 и ШПС 60-120), отличающихся расширенным сортаментом и меньшей металлоемкостью. В настоящее время десять станов нового поколения поставлены в Россию и за границу.
Объем производства мелющих шаров, при выпуске которых используется новое поколение калибровок валков и шаропрокатных станов, только на АЛО «Узметкомбинат» превысил 100 тысяч тонн в год.
Для изготовления калибров винтовых валков шаропрокатных станов под руководством соискателя разработаны четыре модели специальных токарных
12 станков для нарезки калибров валков диаметром до 250 мм, 350 мм, 690 и 750 мм.
Восемь станков различных моделей экспортированы в Мексику, Узбекистан, Казахстан, Турцию, Германию, Индию и семь станков создано в России и на Украине при содействии автора.
На защиту выносятся основные результаты диссертационной работы:
1. Методика и прикладные программы для расчета формообразования профилей, параметров технологии и калибровок прокатного инструмента, основанные на анализе объемного течения металла и взаимодействия винтового калибра с формуемым металлом с учетом совместной работы обжимных и формовочных валков и соседних винтовых калибров.
Двухстадийные схемы формообразования сложных базовых профилей и режимы их формовки, обеспечивающие прокатку высококачественных изделий при высокой стойкости инструмента.
Технические решения по предотвращению или устранению дефектов (закатов и утяжин) при прокатке в винтовых калибрах за счет модификации профиля.
Универсальная схема и режим стабильного разделения заготовок колец за счет обеспечения гарантированного недостатка металла в перемычке.
Высокоэффективные технологические процессы и базовые калибровки рабочего инструмента для двухстадийной прокатки в винтовых калибрах новых типов полых профилей - ступенчатых, «прямоугольных», конических и ступенчатых с канавкой для автомобильной и подшипниковой промышленности.
Современное высокоэффективное оборудование для винтовой прокатки коротких тел вращения и для изготовления винтовых валков с переменным шагом.
Работа выполнялась в Открытом акционерном обществе Акционерная холдинговая компания «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика А.И.Целикова»
Современное состояние технологий прокатки в винтовых калибрах
Публикации по технологии прокатки сплошных тел в винтовых калибрах начались с патента Германии от 1888 года [7]. Опытные работы были начаты только в 1944 году в СССР под руководством А.И. Целикова, которые завершились внедрением в 1950 году процесса горячей прокатки подшипниковых и мелющих шаров в промышленности [5, 8, 9], что открыло путь для разработки процессов прокатки других изделий.
Наибольший вклад в развитие технологий прокатки в винтовых калибрах внесли А.И. Целиков [2], СП. Грановский [2, 5, 8, 10], И.С. Победин [5, 9], А.Ф. Балин [11, 12], B.C. Смирнов [5], Н.В. Мехов [3, 5], М.И. Глазер [13], В.И. Ефанов [6], В.Б. Протасьев [14], Н.А. Целиков [15...17] и др.
Прокатку сплошных заготовок и изделий в винтовых калибрах разделяют на процессы прокатки шаров (чечевиц) (табл. 1.3) и процессы прокатки цилиндров (осей, стержней) (табл. 1.4).
Стальные изделия диаметром до 12 мм изготавливают холодной прокаткой, а изделия большего диаметра - горячей прокаткой.Цилиндрические изделия, как правило, изготавливают в однозаходных валках, а шары - в многозаходных. Число заходов валков при холодной прокатке шаров может достигать 20.. .24, а при горячей прокатке - 6.
Производительность оборудования, кроме числа заходов, определяется частотой вращения валков, которая в зависимости от требований к изделиям и прокатываемого материала составляет 50...200 об/мин, что и обуславливает высокую производительность процесса прокатки в винтовых калибрах.При горячей прокатке точность диаметральных размеров изделий составляет 0,2...1 мм, а при холодной прокатке она возрастает до 0,05...0,2 мм и зависит от точности диаметра прутка, жесткости рабочей клети, точности валков, износа и настройки рабочего инструмента.
Технологические процессы прокатки сплошных тел внедрены на десятках заводов в металлургии и машиностроении, где работает более 30 станов. Ежегодный объем производства превышает 400 млн. штук, в основном за счет шаров, а шаропрокатные станы экспортированы в Великобританию, Германию, Швецию, Индию, Мексику, Узбекистан, Киргизию и Бразилию.
Однако большая сложность расчета процесса формовки и калибровок валков сдерживают дальнейшее развитие прогрессивной технологии.Началу работ в области прокатки заготовок колец положили специалисты американской фирмы «Timken», которые в 1934 году получили патент [18] на способ прокатки в винтовых калибрах профильных труб, представляющих собой ряд заготовок колец подшипников или зубчатых колес (рис. 1.5). Однако их попытки создать технологию получения качественных заготовок колец не увенчались успехом.Американцы быстро прекратили работы в этой области.
В пятидесятые годы прошлого столетия во ВНИИМЕТМАШ были начаты работы по разработке процесса прокатки в винтовых калибрах кольцевых заготовок [5,9].Наибольший вклад в развитие этого процесса внесли А.И. Целиков [2], Г.С. Майзелис [4], И.С. Победим [5, 9], СП. Грановский [2, 6, 8], Н.А. Мехов [3] и др.
В настоящее время получили промышленное применение способы прокатки, реализуемые на трехвалковом стане, что связано с высоким качеством поверхности заготовок в связи с отсутствием рабочих линеек, характерных для способов прокатки изделий на двухвалковых станах.
Существует два способа реализации этой технологии [2]:1) прокатка профильной трубы на плавающей оправке (табл. 1.5а);2) прокатка штучных заготовок или профильной трубы на удерживаемой оправке (табл. 1.56).Первый способ реализован на агрегатах для прокатки профильных труб, состоящих из соединенных перемычками заготовок велосипедных втулок. Агрегаты установлены на Харьковском велосипедном и Саранском механическом заводах.
Недостатками этого способа являются необходимость прокатанные профильные трубы править и разрезать на штучные заготовки, а также невозможность получать длинные трубы из-за искажения профиля заготовок во время извлечения из них длинной формовочной оправки [3].
Этих недостатков лишен способ прокатки штучных кольцевых заготовок на короткой удерживаемой оправке.
В результате многолетней работы специалистов ВНИЙМЕТМАШ, и в особенности Г.С. Майзелиса, был создан кольцепрокатный агрегат для производства заготовок колец конических роликовых подшипников, пущенный в эксплуатацию в 1964 году на Первом государственном подшипниковом заводе (ГПЗ-1) в Москве (табл. 1.6).
Среди потребителей катаных заготовок следует выделить четыре отрасли машиностроения (см. табл. 1.1):- производство подшипников - это заготовки внутренних колец конических роликовых (Б), цилиндрических роликовых и шариковых (В) подшипников и заготовки с плоскими торцами под раскатку (А);- автомобилестроение - это заготовки корпусов муфт (А), колец синхронизаторов (В и С), зубчатых колес (А) и блоков шестерен (С);специальное машиностроение - это заготовки для полых деталей специальных изделий (А, Си Д);велостроение — это заготовки тормозных втулок заднего колеса велосипеда (Е).
Разработка схем и методов расчета переформовки профилей
Прокатка изделий в винтовых калибрах является наиболее сложным процессом поперечно-винтовой прокатки, при котором происходит одновременное постепенное отделение от обжимаемого прутка (трубы) порции металла и придание ему необходимой формы и размеров под воздействием внедряющейся и расширяющейся реборды. При этом реборда осуществляет радиальное и осевое обжатие и выдавливание металла в винтовой калибр, образованный боковыми гранями соседних витков винтовой реборды. Для осуществления бездефектного формообразования профиля необходимо, чтобы заполнение винтового калибра осуществлялось без образования избытков и недостатков металла.
Если по мере продвижения формуемого профиля по винтовому калибру форма калибра не изменяется и соответствует форме прокатываемого изделия, то такая формовка (прокатка) называется прямой.
Если же сначала осуществляется прямая формовка некоторого профиля (полуфабриката), отличающегося от заданного, а затем изменяют форму калибра, придавая ему форму необходимого профиля, и используют полученный ранее полуфабрикат как заготовку для формовки конечного профиля, то такое дополнительное формоизменение назовем переформовкой, а весь процесс - прокаткой с переформовкой или двухстадийной прокаткой.
Профили деталей машин часто имеют крутые и пологие участки. Прямая формовка пологих участков ввиду их протяженности сопровождается значительной овализацией металла, что снижает точность проката. При прямой формовке крутых участков профиля реборды из-за малой толщины имеют низкую стойкость. Поэтому прямая формовка ряда профилей нецелесообразна, и для их получения приходится сначала формовать полуфабрикат, профиль которого в наибольшей степени обеспечивает высокую точность формовки и стойкость реборды, а затем переформовывать его в заданный профиль. В таблице 2.2 приведена систематизация основных схем переформовок.
Все переформовки разделяются на осуществляемые до и после разделения заготовок. Переформовка до разделения заготовок предпочтительна, но обычно ее удается выполнить только для невысокой ступени профиля, высота которой не превышает 3...5 мм.
Двухсторонние переформовки осуществляются обеими гранями реборды в тех случаях, когда необходимо переформовать два соседних участка профиля. Обычно это имеет место при прокатке гладких заготовок.
В зависимости от контакта переформуемого металла со стенками калибра разделяют открытую переформовку, когда между металлом и стенкой калибра образуют специальный карман, размещенный в основной реборде, и закрытую переформовку, когда металл все время прилегает к стенке калибра. В последнем случае длина калибра для приема металла должна все время увеличиваться, поэтому такая переформовка осуществляется с удлинением изделия.
Открытая переформовка может осуществляться без удлинения изделия, если карман, образованный в торце основной реборды, достаточен для бездефектного приема переформуемого металла, а реборда имеет необходимую прочность для восприятия усилий прокатки.
Принципиальное различие в расчете открытой переформовки от закрытой заключается в том, что при первой схеме переформовки течение металла не регламентируется калибром. Поэтому весь расчет сводится к правильному определению формы и размеров полуфабриката, а также к заданию режима его переформовки.
Для второй схемы переформовки необходимо корректно рассчитывать перемещение металла и изменение формы калибра на каждом цикле обжатия.Все переформовки разделяют на осевые, когда переформовку осуществляют боковой гранью реборды, имеющей постоянную высоту, и радиальные, когда в переформовке участвует вершина внедряющейся реборды или дно канавки калибра, приближающиеся к оси заготовки.
Осевые переформовки делят на простые, когда производят переформовку одного угла в другой, и сложные, когда угол заменяют профилем.
Замена одного угла на другой может осуществляться как с уменьшением, так и с увеличением угла профиля.Осевая переформовка всегда сопровождается удлинением изделия.
Осевые переформовки широко применяются при переформовке профиля гребня в профиль большого борта ступенчатых заготовок, когда имеет место большая деформация металла, и при формовке крутых стенок канавок (6...10), когда при прямой формовке не удается обеспечить высокую стойкость реборды.
Радиальные переформовки, выполняемые при внедрении реборды в полуфабрикат или закрытые канавки, применяются преимущественно для получения крутых торцов для гладких и ступенчатых заготовок, больших углов для конических заготовок, канавок заданной формы или для устранения выступа металла, находящегося на профиле.
Для получения точного и качественного профиля при высокой стойкости реборды часто приходится применять комбинированные переформовки, представляющие собой комбинацию осевых и радиальных. Комбинированной переформовке подвергают:- профили с высокими ступенями (с высотой более 5...6 мм);- профили с длинными ступенями (с длиной ступени более 25...30 мм);- гладкие профили с углами торцов менее 15;- гладкие профили с канавками и углами торцов менее 15;- конические профили с углом конуса менее 25 и длиной конуса более 25..,30 мм.
Расчет процесса переформовки профилей состоит из четырех этапов:1) выбор схемы переформовки;2) расчет профиля полуфабриката;3) выбор режима переформовки;4) расчет переформовки профиля и изменения формы и размеров
Образование дефектов и разработка мероприятий по их предупреждению
При прокатке кольцевых заготовок в винтовых калибрах встречаются дефекты, которые можно разделить на: - поверхностные дефекты - плены, трещины и закаты; - дефекты профиля - утяжины и наплывы металла по профилю и отверстию заготовок; - дефекты формы заготовок - овальность и конусность; - дефекты разделения — длинные и рваные перемычки и неразделенные заготовки. Техническими условиями допускаются поверхностные дефекты глубиной до 0.4 мм (не более 50% от минимального припуска на размер). Причинами появления дефектов являются: низкое качество металла; нарушения режимов нагрева металла под прокатку; точность, размеры и качество прошитых гильз; качество, стойкость и калибровка формовочного инструмента, а также настройка формовочного стана. ф В настоящее время качество металла и нагрева достаточно высоки и дефекты, связанные с ними, практически отсутствуют или легко обнаруживаются и быстро устраняются. Остальные факторы относятся к технологии и инструменту, а потому являются предметом нашего анализа, который показал, что механизм образования дефектов при формовке заготовок связан с появлением в калибре избытка или недостатка металла. Одной из основных причин этого является большая овализация формуемого металла. Для определения овализации металла при формовке проводили торможение формуемой гильзы при прокатке ступенчатых заготовок. Измерению подвергали диаметр большого и малого бортов заготовок в двух взаимно перпендикулярных поперечных сечениях. Одно из сечений находилось под валком, а другое в межвалковом пространстве. Исследования выполнялись для заготовок 2-add, 7-add и 9-add. Они показали, что характер изменения размеров и овализация профилей для всех профилей одинаковы. Поэтому рассмотрим результаты, полученные для заготовки 7-add. Овализация диаметра D большого борта. По мере внедрения реборды овализация металла в сравнении с овализацией трубы, выходящей из обжимных валков, сначала уменьшается, что связано с посадкой гильзы гребнем на формовочную оправку. Затем в закрытом калибре она нарастает и достигает максимума в конце первого и начале второго закрытых витков калибра (630...900), а потом снова начинает уменьшаться и перед разделением заготовок достигает минимума (рис. 3.9а, б, д, е). В рассматриваемой калибровке валков формообразование профиля основной ребордой завершается при угле Am = 810. Таким образом, увеличение овализации металла в калибре сопутствует практически всему внедрению основной реборды. Овализация диаметра D в межвалковом пространстве больше, чем под валком (рис. 3.9в, г, з, ж). Максимальная величина коэффициента овализации Кр диаметра D составляет 1.008... 1.018 (коэффициента Кр, равен отношению овализированного диаметра к его расчетной величине). Овализация диаметра Ds малого борта. Овализация металла в зоне малогоборта достигает максимума в момент закрытия калибра, а затем все время уменьшается (рис. 3.10а, б, д, е), что связано с прекращением обжатия малого борта заготовки и постоянным уменьшением смещенного объема при формовке # торца малого борта заготовки основной ребордой. При этом начальная овализация диаметра Ds значительно больше овализации диаметра D, что связано с большими обжатиями при формовке в открытом калибре малого борта заготовки вершиной гребня. Овализация диаметра Ds в межвалковом пространстве также больше, чем под валком (рис. ЗЛОв, г, з, ж). Максимальная величина коэффициента овализации Кр диаметра Ds составляет 1.015...1.035. Математическое моделирование формообразования малого борта показало, что такая овализации имеет место, если в начале внедрения реборды ф параметр овализации Ко составляет 0.9, а затем уменьшается до 0.5.. .0.4. » Утяжина на переднем торце бортов ступенчатой заготовки может образовываться из-за малого угла подачи или из-за неверно выбранных размеров и формы полуфабриката, режимов формовки металла гребнем и переформовки полуфабриката (см. раздел 3.1). В результате этих неверных решений образуется недостача металла в полуфабрикате или его отход от реборды. Увеличение угла подачи позволяет заполнить утяжину, но если при # этом появляется закат, то расчет калибровки валков не корректен, и необходимо производить ее корректировку. При формовке ступенчатых заготовок гребнем с большими обжатиями возможно образование на малой ступени профиля утяжины, получившей наименование «обратный конус» (рис. 3.11, табл. 3.4). Глубина утяжины может достигать 0.5... 1 мм, угол G- 2...5, а длина-1...10 мм. Рис. 3.11. Утяжина «обратный конус» на ступенчатых профилях: а - схема утяжины; б - утяжина на малой ступени ступенчатой заготовки; в — модификация профиля для компенсации утяжины «обратный конус» для заготовки 16-add Таблица 3.4 Размеры утяжины «обратный конус» при прокатке заготовки 2-add в валках с гребнем, имеющим участок клиновой прокатки с левым шагом, мм Такая утяжина наблюдалась при прокатке заготовок 2-add...7-add, 9-add в валках с начальными калибровками, имеющими для гребня участок клиновой прокатки с левым шагом. В этих калибровках задняя грань гребня создавала значительное сопротивление осевому движению металла, а вершина реборды не прикладывала к металлу тянущих осевых усилий из-за отсутствия основного обжатия металла. В результате, усилие подпора металла в закрытом калибре отсутствовало, а вместо него возникало натяжение, приложенное к перемычке со стороны задней грани гребня. При этом в перемычке возникали большие растягивающие напряжения, которые приводили к ее пластическому растяжению с образованием утяжины. А так как при полной высоты гребня перемычка является малой ступенью профиля, то утяжина оставалась на готовом профиле. Образование утяжины «обратный конус» ввиду отсутствия подпора на ф входе в винтовой калибр при клиновой калибровке гребня полностью _ соответствует теоретическому анализу, выполненному в разделе 2.5.5 (см.рис. 2.36, табл. 2.8А). Для устранения утяжины необходима корректировка калибровки валков с целью уменьшения интенсивности расширения реборды и увеличения ее осевых тянущих способностей в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 2.5.5. В тех случаях, когда невозможна коренная переработка калибровки валков, разработана специальная схема перехода от профиля гребня к готовому профилю. Это решение получило наименование «модификация профиля». Оно было успешно применено для устранения утяжин «обратный конус» на заготовках 2-add...7-add, 9-add и 16-add. ф Модификация заключается в выполнении на реборде фаски с углом на 1.5...3 больше, чем угол G конуса утяжины, при этом вершина фаски смещена в сторону малого борта на 0.5... 1 мм (рис. 3.11 в). Созданный фаской дополнительный объем металла обжимают в конце # второго витка реборды за 60...90, что полностью устраняет утяжину.
Конструирование катаных заготовок колец
При конструировании катаной заготовки отталкиваются от детали,9 получаемой после механической обработки заготовки, при этом размеры,охватывающие металл, имеют максимальную величину, а размеры, охватываемые металлом, - минимальную. За номинальные размеры заготовок принимают средние размеры, поэтому номинальный припуск увеличен на четверть допуска на размер в сравнении с гарантированным (минимальным).
Схема припусков и напусков для определения размеров и формы заготовки приведена на рис. 4.2а, а рекомендуемые припуски в таблице 4.3. На наружные диметры назначают номинальные припуски Z1 и Zs, равные 1.0...1.3 мм на сторону, в зависимости от размеров, формы и технологии токарной обработки заготовки (гарантированный припуск 0.75... 1.05 мм).
На отверстие заготовки назначается несколько больший припуск Zi, чем на наружные диаметры. Он составляет 1.5...1.6 мм (гарантированный припуск 1.25... 1.35 мм). Это связано с возможным появлением при прокатке в отверстии заготовки местной утяжины глубиной до 0.5 мм. Кроме этого при токарной обработке заготовку зажимают по наружной поверхности, поэтому увеличенный припуск по отверстию позволяет компенсировать погрешности стенки заготовки и ее базирования на токарном станке.
После назначения припусков на радиальные размеры проверяют толщину стенок заготовок на тонкостенность.Если отношение D/S 9...9.5, то заготовки относят к тонкостенным. Прокатка таких заготовок, как правило, сопровождается большой овализацией и риском получения некруглых заготовок.
Для обеспечения отношения D/S 9...9.5 увеличивают припуск за счет введения напуска Us. Обычно это делают за счет наружного диаметра Ds заготовки, т.к. его обтачивание более дешево, чем расточка отверстия.Значение напуска Us рассчитывают по формулам при заданной величине отношения [D/S] где Dsl — значение диаметра Ds, рассчитанное при Us = 0.
Прокатка в винтовых калибрах позволяет получать только заготовки с коническим торцом, имеющим минимальный угол Gt, равный 6...7.
Таким образом, на торцовой поверхности заготовки кроме припуска Zts имеется еще и напуск Ut в виде конической поверхности, который по мере приближения к отверстию заготовки увеличивается (см.рис. 4.26).
Для обеспечения приемлемой стойкости реборды необходимо сопрягать ее с дном ручья валка радиусом г, величина которого должна составлять 2...4 мм. Чем больше высота реборды, тем больше должен быть радиус. Наличие радиуса усложняет расчет осевых размеров заготовки.
На длину заготовки назначают припуски Zxr в пределах 0.9...1.5 мм на сторону (гарантированный припуск 0.7...1.3 мм) в зависимости от размеров, формы и технологии обработки заготовки.
Назначенные осевые и торцевые припуски проверяют на допустимую величину минимального припуска Zmin в углах, сопрягающих наружные и торцевые поверхности заготовки, а затем рассчитывают торцевые припуски Zt и Zx по формулам (см.рис. 4.2в)
Припуск внутренний Ztls для большого борта рассчитывают по формуле (см.рис. 4.26)Величину номинального припуска Zlx для большого борта заготовки принимают равной 1...1.2 мм, что обеспечивает гарантированный припуск, равный 0.8...1 мм.
Длину Ls малого борта заготовки определяют из условия (рис. 4.26), что припуск по конусу в точке начала малого борта равен Zks
Минимальная величина припуска Zks равна 1.2...1.5 мм.Сопряжение большого и малого бортов осуществляют со стороны большого борта углом G1, равным 25.. .35, а со стороны малого борта углом Gs, равным углу конуса детали. Оба угла G1 и Gs сопрягают радиусом RG, равным 4...5 мм. Если сопряжение радиусом KG перекрывает участок конуса с углом Gs, то последний исчезает.
Очевидно, что припуск Zmin по радиусу г меньше, чем припуски по диаметру и торцу заготовки. При этом, чем больше радиус г при основании реборды, тем меньше припуск Zmin.
Учитывая, что фаска менее ответственная часть детали, можно на нее назначать несколько меньший припуск, равный 0.7 мм. Однако в ряде случаев это не позволяет выдержать минимальные припуски по наружному диаметру и торцу заготовки. В этом случае приходится уменьшать радиус г или увеличивать припуски Zy или (и) Zx.
При заданных припусках по наружному диаметру Zy и фаске Zmin, можно рассчитать припуск по торцу Zx и наоборот ( г Zmin)Если принять, что радиальные и осевые припуски равны, тоРадиус Г{ галтели детали увеличивает припуск Zmin и позволяет принимать меньшие припуски (см. рис. 4.2г) Фаска на сопряжении поверхностей также увеличивает минимальный припуск Zmin, что позволяет уменьшать радиальные и осевые припуски.
Если размеры фаски не превышают максимальных величин (см.рис. 4.2е), то инимальные припуски по фаске расположены внутри радиуса г.В этом случае (см. рис. 4.2д)Значительный интерес представляет случай, когда Zminl = Zmin2Если размеры фаски превышают максимальные значения, то минимальные припуски Толщину Sf перемычки в момент разделения заготовок принимают равной 0.9...1.4 мм. При росте толщины заготовки и ее массы увеличивается усилие прокатки, а значит и упругий отжим валков, поэтому в этих случаях необходимо принимать большие значения Sf.
Высота Lv и угол Gv торцового выступа определяются ребордой, формующей перемычку при разделении (см.рис. 4.36). Критерием выбора высоты Lv является достаточная стойкость реборды валка (см. рис. 1.9 и 2.42).
При рассмотрении получения канавок в заготовках, в первую очередь, необходимо оценить целесообразность их выполнения. Канавки усложняют валки и формовку изделий, а в ряде случаев и механическую обработку. Маленькие канавки не дают существенной экономии металла, но могут приводить из-за асимметричного припуска к неравномерной нагрузке на грани резца, что приводит к быстрому выходу его из строя.
Угол торцов прямых канавок целесообразно принимать в пределах 15...30 к вертикали, а припуски и допуски на размеры канавки необходимо увеличивать на 20% в сравнении с аналогичными размерами заготовки, что связано с дополнительными погрешностями выполнения канавок.
Активным элементом при формовке изделий в винтовых калибрах является реборда, расположенная на опорной поверхности, имеющей форму тела вращения. В качестве опорной поверхности обычно используют цилиндр. Когда при развороте валков на угол подачи увеличение раствора валков велико, то для его уменьшения применяют в качестве опорной поверхности гиперболоид, ряд цилиндров или конусов. До настоящего времени реборды всех кольцепрокатных валков были расположены на цилиндре.
Максимальный диаметр формовочных валков по вершинам реборд при прокатке заготовок колец определяется по известным зависимостям для трехвалковой прокатки [2, 6]. Минимальный диаметр валков, который достигают после переточки изношенных валков, лимитируется конструкцией узла валков формовочного стана.
Осевое сечение простой реборды представляет собой трапецию, основание С(А) которой расположено на опорной поверхности валка, а ее вершина В(А) внедряется в металл за счет непрерывного увеличения высоты Н(А) (рис. 4.4а).Формовка профиля заготовки осуществляется сложной ребордой, которая, как правило, состоит из трапеций, построенных друг на друге (рис. 4.46). Часто боковые грани трапеции или ее вершину выполняют по радиусу.Формовка может осуществляться несколькими ребордами, формующими различные участки профиля. Выделим:
