Калибровка инструмента для производства бесшовных труб

КАЛИБРОВКА ВАЛКОВ СТАНОВ КОСОЙ ПРОКАТКИ

В процессе косой прокатки оси валков наклонены одна от­носительно другой на определенный угол. Заготовка проходит в плоскости симметрии этого угла и деформируется валками, вращающимися в одном направлении. В процессе движения заготовка надвигается на неподвижную оправку (пробку).

Оправка в большинстве случаев вращается вместе с заго­товкой, что уменьшает трение между обжимаемым металлом и инструментом. Истечение металла в процессе косой прокат­ки происходит по винтовой линии.

Величина деформации металла определяется размерами и формой щели между валками, а также характером движения заготовки через эту щель.

Характерной особенностью процесса косой прокатки сплош­ных тел является образование в них осевой полости благодаря давлению на отдельные участки наружной поверхности заго­товки от косорасположенных валков, вращающихся одновре­менно с ней в одном направлении. Если участки давления валков на металл расположены диаметрально противополож­но, а заготовка, вращаясь, соприкасается с валками только в двух участках, то происходит разрушение ее осевой части и образуется осевая полость. Однако возможно выбрать коли­чество участков давления и их расположение по окружности заготовки таким образом, что при соответствующем угле на­клона валков разрушение металла произойдет по кольцевой полости, расположенной на некотором расстоянии от наруж­ной поверхности. Образующаяся при этом внутренняя цилинд­рическая часть заготовки не пригодна для дальнейшей про­катки или прошивки в гильзу.

В процессе косой прокатки на станах различной конструк­ции предусматриваются на валках не менее чем два основных участка: участок (конус) прошивки и участок поперечной прокатки. Первый участок образуется рабочими поверхностя­ми валков и представляет собой постепенно суживающуюся щель между валками, которую металл проходит, перемещаясь по винтовой линии. Такой характер перемещения зависит от наклона осей валков и скорости их вращения в одном направ­лении. Благодаря винтовому перемещению металла через су­живающуюся щель поперечное сечение заготовки принимает приблизительно эллиптическую форму, и при этом каждая ча­стица, вращаясь между валками, дважды за один оборот под­вергается обжатию. Такое повторное обжатие поперечного се­чения заготовки и является основной причиной образования внутренней полости в процессе косой прокатки.

Пытались объяснить образование полости особенностями косой прокатки. А. Нёль [1] показал, что при поперечной про катке цилиндрического тела в валках, вращающихся в одном направлении и сближающихся друг с другом, наблюдается отчетливое образование полости.

Научное объяснение образования полости при поперечной прокатке дано Е. Зибелем ². Исследование процесса косой про­катки с применением болтов, вставленных в заготовку, прово­дилось Ф. Коксом.

Рис. 1. Схема косой  прокатки в вал­ковом стане (с бочкообразными вал­ками)

Практическое использование явления образования полости при поперечной прокатке для производства бесшовных труб осуществляется на станах косой прокатки трех типов: валко­вом (с бочкообразными валками, рис. 1), с грибовидными вал­ками (рис. 2) и дисковом (рис. 3).

В валковых прошивных станах угол α наклона валков к оси заготовки незначителен (3—12 град.). Небольшая вели­чина этого угла и определяет бочкообразную форму валков, опирающихся на две шейки. На участке прошивки диаметр валков увеличивается обратно пропорционально изменению диаметра заготовки.

Рис. 2. Стан с грибовидными валками для косой прокатки: а — валки; б — кинематическая схема

В стане с грибовидными валками участок прошивки прин­ципиально не отличается от такого же участка валкового ста­на. Так как угол наклона валков здесь составляет около 30 град., изменение диаметра валка происходит более резко, чем в валковых станах, вследствие чего увеличивается истирающее действие инструмента на поверхность заготовки. Зна­чительный наклон валков приводит к грибовидной форме и необходимости одностороннего (консольного) крепления вал­ков.

Рис. 3. Дисковый стан для косой прокатки: а — валки; б — кинематическая схема

В дисковом стане винтовое движение заготовки возникает не вследствие косого расположения валков, а потому, что за­готовка находится в плоскости, расположенной ниже оси вал­ков. Заготовка при входе в диски встречается с двумя валка­ми: с одним, имеющим наибольший диаметр, и с другим, имеющим наименьший диаметр. По мере продвижения заго­ловки в дисковых валках соотношение диаметров меняется на обратное. Отсюда следует, что поверхность заготовки на этих станах подвергается исключительно большому истирающему воздействию со стороны валков.

Из сказанного видно, что на поверхности заготовки возни­кают значительные напряжения, минимальные в валковых станах и резко возрастающие в станах других конструкций. Наличие этих напряжений приводит к тому, что малейшие дефекты на поверхности заготовки или внутри ее расширяют­ся, приводя к значительным дефектам на полученной гильзе.

Процесс деформации на участке прошивки определяется четырьмя факторами: длиной и конусностью соответствую­щих участков валков, шириной поверхности соприкосновения заготовки с валками и количеством обжатий металла за вре­мя прохождения им участка прошивки. Длина и конусность участка прошивки связаны с максимальным обжатием заго­товки (обжатием в пережиме). Ширина поверхности соприкос­новения валков с металлом зависит от диаметра валков и их установки. Количество циклов обжатий за время прохожде­ния участка прошивки зависит от взаимного расположения валков и заготовки.

Задачей процесса прошивки в станах косой прокатки яв­ляется получение из сплошной заготовки полой гильзы воз­можно большей длины и имеющей совершенно чистые наруж­ную и внутреннюю поверхности. При деформации сплошной заготовки в гильзу желательно иметь возможно большее исте­чение металла в осевом направлении. Исходя из общих зако­нов деформации, длина очага деформации в направлении наи­большего истечения металла должна быть возможно  корот­кой.

Требование иметь возможно короткий очаг деформации вызывает необходимость иметь возможно широкую поверх­ность соприкосновения металла с валками для увеличения осевого усилия. Увеличение ширины поверхности валков воз­можно путем увеличения их диаметра или придания им соот­ветствующей формы (дискообразной). Увеличение ширины поверхности соприкосновения имеет и то преимущество, что оно способствует образованию полости, и поэтому возможно сокращение длины очага деформации в осевом направлении.

В противоположность другим процессам прокатки, в косой прокатке увеличение диаметра валков и придание им диско­образной формы весьма полезно.

Так же, как диаметр валка и длина очага деформации, конусность участка прошивки и величина обжатия, испыты­ваемого заготовкой за каждый полуоборот, тесно связаны друг с другом.

Из практики известно, что различные материалы имеют различное сопротивление образованию полости. Легкопрошиваемые материалы позволяют получить полость при неболь­шом количестве сравнительно больших обжатий по попереч­ному сечению. Для прошивки таких материалов применяют валки большого диаметра с коротким конусом прошивки, имеющие большие углы конусности и наклона валков к оси прошивки. При этом благодаря короткому времени прошивки пробка (оправка) нагревается и изнашивается значительно меньше.

Труднопрошиваемые материалы вообще не выдерживают значительных обжатий. Поэтому при прошивке таких мате­риалов требуются возможно меньшая конусность конуса про­шивки, большее количество обжатий, а также малый угол на­клона оси валков к оси заготовки.

Если рассматривать отдельно конус прошивки, то можно видеть, что его идеальной формой является та, которая обес­печивает возможно короткую длину и возможно большую ширину очага деформации при возможно малой конусности конуса прошивки и минимальном числе оборотов заготовки за время прошивки. Кроме того, желательно иметь отношение между диаметрами заготовки и валков таким, чтобы истира­ние поверхности заготовки было наименьшим. Такая идеаль­ная форма валков зависит от сопротивления металла дефор­мации и диаметра заготовки. Однако практически идеальная форма валков невозможна вследствие разнообразия применяе­мого материала и размеров прошиваемой заготовки.

К участку прошивки непосредственно примыкает участок поперечной прокатки, где оправка работает в качестве треть­его внутреннего валка. Сечение, соответствующее началу по­перечной прокатки, характеризуется тем, что внутренняя по­верхность гильзы отстает на этом месте от поверхности оправ­ки или, иными словами, площадь поперечного сечения отверстия гильзы больше площади поперечного сечения оправки.

Исследования процесса поперечной прокатки, проведенные Ф. Коксом и К. Симонейтом, показали, что при этом истече­ние металла происходит в направлении, перпендикулярном оси валков, в каждом из двух участков, образуемых оправкой и одним из валков. Процесс прокатки в данном случае напоми­нает продольную прокатку в профильных валках. Важным ре­зультатом этих исследований является то, что процесс дефор­мации происходит только на участках соприкосновения ме­талла с валками и оправкой, а по остальному периметру гильзы деформация отсутствует.

Возникающее на участке прошивки осевое усилие обеспе­чивает продвижение заготовки через сужающийся очаг дефор­мации. При этом заготовка преодолевает сопротивление, ока­зываемое валками и оправкой. На участке прошивки около 5% поверхности заготовки соприкасается с валками; оправка, находясь в контакте с металлом по всему периметру, подвер­гается весьма сильному воздействию гильзы в осевом направ­лении.

При косой прокатке в валковых станах (рис. 1), предна­значенных для получения толстостенных гильз, осевая дефор­мация (удлинение) происходит главным образом на участке прошивки. На участке же поперечной прокатки удлинение весьма незначительно, здесь происходит лишь сглаживание внутренней поверхности и заварка образовавшихся разрывов.

Несколько отличен процесс деформации в станах валковых, дисковых и с грибовидными валками, если они предназначены для получения тонкостенных гильз для последующей прокат­ки на автоматических или непрерывных станах. На участке поперечной прокатки в этих станах также происходит значи­тельное уменьшение поперечного сечения гильзы, а следова­тельно, и ее удлинение. Это достигается установкой между валками линеек, которые, препятствуя уширению металла, вы­зывают его удлинение. Наличие значительной осевой деформа­ции безусловно требует большого осевого усилия, которое мо­жет быть достигнуто лишь благодаря большому отношению диаметров валков и заготовки или за счет дискообразной фор­мы валков. Заготовка прижимается к линейкам под значитель­ным давлением и оказывает на них большое истирающее дей­ствие. Поэтому для линеек требуется применять специальные дорогостоящие материалы. Использование линеек⁴ позволяет получить тонкостенную гильзу, которую возможно прокатать на короткой оправке (в автоматическом стане) в готовую трубу за два-три прохода.

Таким образом, если на участке поперечной прокатки не­обходимо иметь значительное удлинение, то очаг деформации на этом участке должен быть замкнутым по периметру, что имеет весьма большое значение для получения тонкостенных гильз.

Деформация на участке поперечной прокатки в станах ко­сой прокатки подчиняется тому же закону, что и на участке прошивки: размер поверхности соприкосновения в направле­нии деформации должен быть наименьшим с целью умень­шения сопротивления трения. В случае, если участок попереч­ной прокатки используется для получения вытяжки, длина его в осевом направлении должна быть наименьшей. С другой стороны, длина готового участка гильзы, получаемого за один проход между валками (за один полуоборот заготовки), зави­сит от длины участка поперечной раскатки.

Чтобы гильзы не имели уступов винтовой формы, наруж­ная и внутренняя обрабатывающие поверхности должны быть по возможности горизонтальными. Длина готового участка гильзы, получающегося за один ее оборот, тем больше, чем больше валков установлено по окружности гильзы. Если стре­мятся достичь возможно большого удлинения гильзы на уча­стке поперечной прокатки, то количество металла за один проход между валком и оправкой (за один полуоборот заго­товки) должно быть невелико, что особенно важно для тонко­стенных гильз. Таким образом, металл должен быть подверг­нут возможно большому количеству обжатий при возможно малой длине очага деформации. Большое количество обжатий может быть достигнуто лишь путем увеличения числа оборо­тов валков или за счет минимального шага спирали, по кото­рой движется металл. Уменьшение осей скорости передвиже­ния металла, которое является следствием уменьшения шага спирали, может быть допущено только при одновременном увеличении числа оборотов валков во избежание охлаждения металла в процессе косой прокатки.

Следовательно, для увеличения вытяжки на участке попе­речной прокатки необходимо иметь:

а) возможно более закрытый очаг деформации, достигае­мый путем применения линеек и увеличения количества вал­ков;

б) возможно малую длину очага деформации в осевом на­правлении ;

в) возможно большое количество повторных обжатий (по­луоборотов) металла для прокатки тонкостенных гильз.

В станах косой прокатки, работающих с длинным очагом деформации и применяющихся в основном для меньших вытя­жек, следует обращать особое внимание на уменьшение на­пряжений вследствие окручивания металла. Это требование имеет значение тем больше, чем меньше толщина стенки; оно особенно важно для станов-расширителей, на которых прока­тывают готовые тонкостенные трубы.

Сравнивая основные положения, которые желательно со­блюдать для участков прошивки и поперечной прокатки, лег­ко видеть, что они в известной степени противоречивы. Как будет показано ниже, при обеспечении оптимальных усло­вий прокатки участок прошивки может быть образован только двумя валками. Для этого участка желательны воз­можно большой диаметр валков и возможно малое коли­чество повторных обжатий (полуоборотов заготовки). С дру­гой стороны, для участка поперечной прокатки требуется возможно большее количество и валков и повторных обжатий.