ТРЕХВАЛКОВЫЙ КАЛИБР И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ Российский патент 1996 года по МПК B21B1/02 B21B19/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и касается технологии и оборудования для винтовой прокатки круглых сортовых профилей.

Наиболее целесообразно использование предлагаемого технического решения при реверсивной прокатке крупногабаритных заготовок.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение процессов многопроходной (реверсивной) винтовой прокатки, повышение производительности и качества проката.

Известен способ винтовой прокатки сортового металла, стан для его осуществления и способ настройки стана [1] включающий задачу заготовки и деформирование ее в трехвалковом калибре, образованном одним верхним и двумя нижними валками с различными межцентровыми расстояниями. Настройка калибра осуществляется одним верхним валком относительно нижних. При прокатке заготовок в таком несимметричном калибре ее задают под углом к оси симметричного калибра.

Недостатком известного способа является то, что при использовании его для прокатки заготовок угол задачи заготовок меняется от прохода к проходу при перестройках калибра, что требует дополнительных операций настройки направляющих устройств. Особенно процесс усложняется при прокатке в реверсивном режиме. Дополнительные операции уменьшают производительность, усложняют оборудование и снижают его эксплуатационную надежность. Кроме того искривление проката в очаге деформации создает дополнительные динамические нагрузки, ухудшает качество проката и повышает энергоемкость.

Наиболее близким к предлагаемому является трехвалковый калибр и способ его настройки для винтовой прокатки [2]
Этот калибр образован одним верхним рабочим валком и двумя нижними. Настройка калибра включает установку рабочих валков на углы подачи и раскатки и перемещение рабочих валков до установления расстояния между двумя валками в плоскости пережима, в 1,03-5 раз меньшего расстояния каждого из двух до третьего. Процесс деформирования при такой настройке характеризуется несимметричным силовым воздействием на заготовку.

Недостатком известного калибра и способа его настройки является то, что при прокатке заготовки в несимметричном калибре происходит искривление раската в очаге деформации, что выявляет необходимость задачи ее в калибр под углом, и при реверсивной прокатке для получения качественного проката необходима настройка направляющих устройств. Это требует усложнения оборудования и дополнительных настроечных операций.

Кроме того при реверсивной прокатке уровень нижней образующей заготовки меняется. Изменение нижней образующей заготовки от прохода к проходу обуславливает то, что от прохода к проходу меняется угловое положение нижних валков по отношению к оси прокатки, а углы первоначальной настройки оказываются не равными необходимым углам настройки от прохода к проходу. При этом угол подачи нижних валков изменяется, переходя в углы раскатки, причем на одном валке угол подачи уменьшается и переходит в положительный угол раскатки, а на другом увеличивается и переходит в отрицательный угол раскатки. Все это приводит к дополнительным динамическим нагрузкам в стане, снижает производительность, ухудшает качество проката и снижает эксплуатационную надежность оборудования.

Изменение уровня нижней образующей заготовки от прохода к проходу при стационарных направляющих устройствах ограничивает технологические возможности процесса и возможность обжатия заготовки на сторону от прохода к проходу, что также снижает производительность процесса.

Целью изобретения является повышение производительности, улучшение качества проката и упрощение задачи заготовки в калибр, снижение энергоемкости процесса за счет уменьшения дополнительных динамических нагрузок.

Цель достигается тем, что в калибре, содержащем три рабочих валка, расположенных под углом к оси прокатки, нижний валок установлен стационарно, а два верхних установлены с возможностью перемещения по линиям, параллельным в плоскости калибра линиям, проходящим через нижнюю образующую калибра и образующую калибра, пересекающую линию кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка, при этом линия перемещения верхних валков отстоит от вышеупомянутых параллельных им линий на величину А=R_в.в·sin ψ где R_в.в. радиус верхнего валка; ψ угол между линией кратчайшего расстояния между осью калибра и осью валка и линией перемещения валка, причем линия кратчайшего расстояния от оси калибра до осей валков является осью поворота всех трех валков на угол подачи, а плоскостью разворота каждого валка на угол раскатки является плоскость, проходящая через ось калибра и ось поворота валка на угол подачи.

В способе настройки трехвалкового калибра, включающем установку валков, развернутых на угол подачи и раскатки, на калибр очередного и последующего прохода, установку валков на угол подачи производят вокруг линий кратчайшего расстояния от оси калибра до осей валков, а на угол раскатки в плоскостях, проходящих через ось калибра и ось его поворота на угол подачи, при этом изменение раствора калибра от прохода к проходу осуществляют перемещением двух верхних валков относительно нижнего параллельно линиям, проходящим через нижнюю образующую калибра и образующую калибра, пересекающую линию кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка.

Такое выполнение трехвалкового калибра и способа его настройки позволяет повысить производительность и улучшить качество проката.

Практика эксплуатации станов винтовой прокатки выявила следующие особенности геометрия станов винтовой прокатки это система взаимодействующих элементов, каждый компонент которой (собственно калибр, направляющие устройства (входная и выходная сторона)) оказывают влияние на качественные показатели готового продукта.

Системный подход к геометрии станов винтовой прокатки обусловлен основными требованиями к данному разделу теории прокатки повышением качественных показателей готового продукта, т.е. созданием таких условий формоизменения заготовки, при которых готовое изделие приобретает строго регламентированные показатели.

В известных способах прокатки со стационарным положением в пространстве оси прокатки уровень нижней образующей проката при переходе с размера на размер (с большого на меньший) последовательно повышается.

Стационарное положение в пространстве оси прокатки сопряжено с рядом эксплуатационных недостатков. Обусловлено это тем, что ось прокатки не материальна, а физической поверхностью является наружная поверхность проката. При переходе размера на размер для стабилизации оси прокатки необходимо корректировать положение входной и выходной сторон стана, что усложняет их конструкцию, металлоемкость оборудования, сопряжено с дополнительными энергозатратами, сложностью эксплуатации.

В известных способах прокатки с переменным положением оси прокатки, когда уровень нижней образующей заготовки от прохода к проходу последовательно понижается, выявляется ряд существенных недостатков. Для стабилизации процесса прокатки необходимо корректировать угловое положение направляющих устройств (входной, выходной стороны стана), так как межцентровые положения валков различны и меняются от прохода к проходу (при переходах с размера на размер). Это сильно усложняет настроечные операции, конструкцию станов, металлоемкость оборудования, сопряжено с дополнительными энергозатратами, сложностью осуществления данных процессов и эксплуатации оборудования для их осуществления.

Все перечисленные недостатки могут быть исключены в способах прокатки и станах (калибрах), где базовым стационарным параметром является нижняя образующая проката (калибра). При этом направляющие устройства станов (входные и выходные стороны) стационарны (неподвижны в пространстве по высоте и направлению).

На чертеже представлена схема калибров для прокатки заготовки разного диаметра.

Трехвалковый калибр образован нижним стационарным валком 1 и двумя перемещаемыми при переходах с размера на размер верхними валками 2 и 3. Заготовка нагревается до температуры прокатки и подается к стану. Валки 1-3 стана настроены на калибр первого прохода. Перемещение каждого верхнего валка 2, 3 раскладывается на перемещение в двух плоскостях, в первой плоскости, проходящей через ось минимального калибра "0" и точки b оси валка, лежащую в плоскости калибра, на величину Δ₁ и в плоскости, перпендикулярной первой плоскости, на величину Δ₂. Суммарное перемещение валка определяется Δ и направлено по гипотенузе bа треугольника, образованного Δ₁ и Δ₂. Эта линия параллельна линии о b лежащей в плоскости калибра, и проходит через нижнюю образующую о калибра и образующую с калибра, пересекающую линию оb кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка. Эти параллельные линии отстоят друг от друга на величину А, равную R_в.в.·sin ψ, где R_в.в радиус верхнего валка; ψ- угол между линией оb кратчайшего расстояния между осью о калибра и осью b валка и линией bа перемещения валка.

Для симметричной терхвалковой схемы, когда все валки расположены относительно оси калибра под углом 120^о, угол ψ=30^о, следовательно, sinψ (30^о)= 1/2, и величина А равна половине радиуса верхнего валка. При этом каждый из верхних валков перемещается относительно вертикальной оси под углом 30^о. Величина перемещения валка определяется по формуле Δ i=2(R-r )·cos ψ (D-d)·cos ψ, где (R-r) разница радиусов калибров.

Для симметричной схемы Δi (D-d)•cos30^°= (D-d) 0,866Δdi.

Данная схема калибров обладает следующей особенностью: ось поворота валка на угол подачи это линия оb кратчайшего расстояния оси о заготовки и оси b валка. Она проходит по радиусу заготовки. В плоскости, проходящей через ось о прокатки и ось оb поворота валка на угол подачи, осуществляется поворот валка на угол раскатки. Для рассматриваемой геометрии станов известные теоретические решения геометрии калибров правомочны. Если же применить существующую систему перемещения и поворота валка на угол подачи (ось поворота валка на угол подачи α совпадает с осью перемещения), то в геометрию калибра вводятся определенные искажения.

Согласно определению, предложенному П.К.Тетериным, угол подачи α угол, образуемый осью прокатки и проекцией оси валка на плоскость, нормальную к оси барабана (Тетерин П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки. М. Металлургия, с. 368). Однако для данной конструкции стана известное определение угла подачи не приемлемо, поскольку ось барабана проходит не по радиусу заготовки. В данном случае угол подачи α -угол, образуемый осью прокатки и проекцией оси валка на плоскость, нормальную к оси, проходящей через радиус заготовки и пересекающей одновременно ось валка и ось прокатки.

Используя понятие меридиональной плоскости металла, определяют угол подачи валков. Заготовка имеет бесконечное число меридиональных плоскостей. И только в одной меридиональной плоскости расположен угол подачи валка. Данная плоскость проходит через ось вращения заготовки (ось прокатки) и ось поворота валка на угол подачи (данная плоскость основная меридиональная плоскость металла).

Тогда угол подачи валков угол между осью валка и проекцией оси валка на основную меридиональную плоскость металла.

Таким образом, только число точек калибра, равное числу валков, имеют основной угол подачи, обусловленный числом основных меридиональных плоскостей. Причем данная точка калибра может находиться за пределами очага деформации. Однако валки, образующие калибр стана и их оси поворота на угол подачи, расположены посередине длины валка. Обусловлено это прежде всего снижением искажения калибра за счет поворота валка.

Даже по ширине калибра угол подачи изменяется с отклонением текущей меридиональной плоскости от основной.

Кроме того, в основной меридиональной плоскости металла расположен основной угол раскатки, изменение которого аналогично углу подачи валков.

Известно, что угол подачи валков определяет геликоидальное движение металла, а угол раскатки изменение радиуса валка.

Таким образом, по поверхности контакта металла с валком угол подачи и угол раскатки переменны, поскольку линия входа и отрыва металла от валка, да и вся ширина контактной поверхности отклоняются по длине очага от основной меридиональной плоскости металла.

Каждая точка металла в калибре, подчиняясь закону сплошности среды, имеет определенные компоненты скорости в осевом, тангенциальном и радиальном перемещениях.

Минимум работы на формоизменение заготовки обеспечивается при согласовании компонентов металла и валка на указанные направления перемещения в плоскости контакта металла с инструментом. Отклонение компонентов скоростей приводит к проскальзыванию металла по поверхности валка, снижению КПД процесса.

В ряде работ (Разработка и исследование математической модели процесса прокатки труб в трехвалковом раскатном стане. Депонир. рукопись. Деп. в ин-те "Черметинформация" 03.03.80, N 853, с.24) [1] дано несколько иное определение углов подачи и раскатки. Углом подачи α называют угол между проекциями оси валка и оси металла в плоскость, проходящую через рассматриваемую точку, параллельную оси металла и перпендикулярную меридиональной плоскости валка. Различие в определении угла подачи α определяется применением меридиональных плоскостей металла и валка.

Предлагаемое определение угла подачи α основано на следующем. Движение металла при винтовой прокатке определяется величиной и направлением сил, приложенных к обрабатываемому телу со стороны валков. Причем осевое, тангенциальное и радиальное перемещения металла определяются соответствующими компонентами валка на данные направления.

Таким образом, абстрагируясь от формы, размеров и др. параметров валка, движение металла определяется формой и размером контактной поверхности и теми силами, которые сосредоточены на ней.

В этой связи "привязка" всех технологических параметров процесса должна осуществляться к металлу, к направлениям его перемещения.

Определение угла подачи α и угла раскатки γ в основной меридиональной плоскости металла в большей мере приближает пространственное положение валков к направлениям перемещения заготовки.

Предлагаемое определение угла подачи уточняет классическое положение геометрии косой прокатки и обусловлено разделением осей: оси барабана и оси поворота валка на угол подачи α. Использование данного определения угла подачи валков позволяет в полном объеме использовать известные теоретические разработки по геометрии станов винтовой прокатки.

Если же сохранить ось поворота валка на угол подачи, совпадающей с осью барабана, то, например, для рассматриваемого процесса прокатки в трехвалковом стане на поверхности контакта металла с двумя верхними валками отсутствуют точки, в которых угол подачи соответствует установочному углу подачи.

Аналогичное изменение претерпевает и угол раскатки валков. Кроме того при значительном скатывании валка по заготовке (отклонение оси валка от основной меридиональной плоскости) происходит трансформация угла подачи в угол раскатки и обратные изменения.

Указанная трансформация α __→ γ наиболее нежелательна в первую очередь для кинематики процесса, однако наиболее очевидна данная трансформация в изменении геометрии очага деформации.

Изменение размеров калибра за счет радиального перемещения валков и поворота их на угол подачи относительно оси аа сопряжено с тем, что каждому положению валка и повороту его на угол соответствуют определенные формы калибра стана. При этом процесс прокатки либо ограничивается формоизменением одного размера заготовки, либо требует дополнительной профилировки валков под требуемый размер заготовки и заданную настройку стана.

Изложенные вопросы геометрии станов винтовой прокатки правомочны не только для терхвалковых станов и для станов с произвольным числом валков, образующих калибр.

Таким образом предлагаемый подход к геометрии станов винтовой прокатки, основанный на комплексном определении траектории перемещения рабочих валков в зависимости от положения заготовки на входной и выходной сторонах стана, позволяет минимизировать число подвижных элементов системы (прокатный стан вспомогательные механизмы), повысить эксплуатационную надежность и улучшить удобство обслуживания.

Основной принцип данного подхода заключается в том, что траектория перемещения оси заготовки определяется конструкцией входной и выходной сторон стана, а траектория движения валков рассчитывается исходя из перемещения оси заготовки.

П р и м е р. В трехвалковой клети стана 20-80 ДМети была осуществлена прокатка заготовки из титанового сплава с 80 до 26 мм. Диаметр валков в пережиме был выбран 140 мм.

Валки были установлены под 120^о друг относительно друга, угол подачи валков был установлен 20^о, угол раскатки 0^о.

Нижний валок был установлен стационарно, а два верхних перемещались от прохода к проходу по линиям, расположенным под углом 30^о к вертикальной оси. Линия перемещения верхних валков отстояла от линии, проходящей через нижнюю образующую проката и образующую проката, лежащую на пересечении кратчайшего расстояния от оси калибра и оси валка на величину 35 мм. Прокатка осуществлялась в четыре прохода в калибрах Ф 66,5 __→ Ф 53 __→ Ф 39,5 __→ Ф 26 мм.

Прокатка велась в реверсивном режиме при стационарных направляющих устройствах, нижняя образующая которых была занижена относительно нижней образующей проката на 6,75 мм.

При этом нижняя образующая проката всегда сохранялась постоянной и лежала на одной линии при прямых и обратных проходах, параллельной оси прокатки. Таким образом, реализация предлагаемого калибра и способа его настройки позволила исключить искривления проката в очаге деформации, упростить задачу заготовки в калибр и повысить производительность.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при прокатке крупногабаритных заготовок. Отличительной особенностью калибра является то, что уровень нижней образующей заготовки сохраняется постоянным по величине и направлению, нижний валок установлен стационарно, а два верхних установлены с возможностью перемещения по линиям, параллельным в плоскости калибра линиям, проходящим через нижнюю образующую калибра и образующую калибра, пересекающую линию кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка, при этом линия перемещения верхних валков отстоит от вышеупомянутых параллельных им линий на величину
A = R_в.в.•sinψ , где R_в . в - радиус верхнего валка; ψ - угол между линией кратчайшего расстояния между осью калибра и осью валка и линией перемещения валка. Способ настройки трехвалкового калибра отличается тем, что установку валков на угол подачи производят вокруг линий кратчайшего расстояния от оси калибра до осей валков, а на угол раскатки - в плоскостях, проходящих через ось калибра и ось его поворота на угол подачи. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Трехвалковый калибр, содержащий три рабочих валка, расположенных под углом к оси прокатки, отличающийся тем, что нижний валок установлен стационарно, а два верхних установлены с возможностью перемещения по линиям, параллельным в плоскости калибра линиям, проходящим через нижнюю образующую калибра и образующую калибра, пересекающую линию кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка, при этом линии перемещения верхних валков отстоят от упомянутых параллельных им линий на величину A = R_в.в•sinψ, где R_в . в - радиус верхнего валка, ψ - угол между линией кратчайшего расстояния между осью калибра и осью валка и линией перемещения валка, причем линия кратчайшего расстояния от оси калибра до осей валков является осью поворота всех трех валков на угол подачи, а плоскостью разворота каждого валка на угол раскатки является плоскость, проходящая через ось калибра и ось поворота валка на угол подачи. 2. Способ настройки трехвалкового калибра, включающий установку валков, развернутых на угол подачи и раскатки, на калибр очередного и последующего проходов, отличающийся тем, что установку валков на угол подачи производят вокруг линий кратчайшего расстояния от оси калибра до осей валков, а на угол раскатки - в плоскостях, проходящих через ось калибра и ось его поворота на угол подачи, при этом изменение раствора калибра от прохода к проходу осуществляют перемещением двух верхних валков относительного нижнего параллельно линиям, проходящим через нижнюю образующую калибра и образующую калибра, пересекающую линию кратчайшего расстояния от оси калибра до оси соответствующего верхнего валка.