СПОСОБ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ КРУГЛЫХ ПРОФИЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК B21B1/00 B21B19/00 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается технологии получения круглых профилей винтовой прокаткой, преимущественно из цветных легированных металлов и сплавов в средних и мелких сечениях (8 ^oC 50 мм).

Наиболее распространенным способом получения круглых профилей является способ продольной прокатки [1] К основным недостаткам этого способа относятся низкие: точность профиля, качество поверхности; эффективность проработки структуры металла по сечению. Эти недостатки обусловлены малой вытяжкой за проход, условиями формоизменения металла и резким температурным градиентом на контакте горячего раската с относительно холодными рабочими валками.

Известен способ получения прутков сплошного сечения винтовой прокаткой двумя валками, развернутыми на угол подачи [2] Однако деформация сплошной заготовки в двухвалковом стане характеризуется наличием поперечных растягивающих напряжений в направлении перпендикулярной линии действия основных деформирующих усилий от валков. Эти напряжения достигают максимума в центральной зоне заготовки и в условиях циклического нагружения вызывают разрыхление и вскрытие осевой полости. Особенно отрицательно такая схема напряженного состояния влияет на деформируемость и качество литых заготовок, металлов и сплавов с пониженной пластичностью.

Кроме того, для двухвалковой прокатки обязательно применение направляющего инструмента роликов, дисков или линеек. Независимо от вида направляющего инструмента его действие реактивно и вызывает интенсивное контактное скольжение. В результате существенно ухудшается качество поверхности и дополнительно увеличивается расход энергии. Многие цветные металлы и сплавы (титан, коррозионностойкая сталь и др.) в условиях пластического скольжения проявляют настолько высокую склонность к адгезионному налипанию на направляющий инструмент, что двухвалковая винтовая прокатка становится не реализуемой.

Известен способ винтовой прокатки в валках с кольцевой калибровкой, имеющей чередующиеся кольцевые углубления и выступы в конусе прошивки [3] Применение таких калибровок в определенной мере уменьшает уровень растягивающих напряжений и повышает деформируемость заготовок. Однако недостатки, связанные с необходимостью применения направляющего инструмента, не уменьшаются.

К положительным качествам двухвалковой прокатки относится возможность выбора диаметра валков по технологическим критериям (по условиям захвата и вращения заготовки, интенсивности скольжения, характеру неравномерности деформации и проработки структуры и т.д.) практически вне связи с конструктивными характеристиками.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ получения круглых профилей прокаткой, включающей деформацию заготовки тремя валками, повернутыми под углом к оси прокатки и расположенными вокруг нее через 120^o [4] т.е. через равные промежутки. Для обработки легированных и цветных металлов и сплавов данный способ более предпочтителен, чем прокатка в стане с двумя валками, поскольку в осевой зоне отсутствуют растягивающие поперечные напряжения и не требуется применения направляющего инструмента.

К числу важнейших параметров способа и винтовой прокатки в целом относится параметр i D/d, (где D диаметр валков; d диаметр калибра или получаемого профиля) в значительной мере определяющей кинематические условия, характер напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и возможности конструирования рабочего инструмента. Наиболее серьезные недостатки известного способа связаны с жесткими ограничениями на величину параметра особенно по верхнему пределу. По условию свода валков на калибр минимального диаметра параметр D/d не может превышать 6,46 [5] Причем это значение является теоретически максимальным и не учитывает угла перекоса осей валков и прокатки. Согласно [6] разворот валков на углы раскатки и подачи снижает отношение D/d, тем больше, чем больше углы перекоса осей валков и прокатки.

При рациональных, для обработки легированных металлов и сплавов, углах подачи 15 ^oC 20^o и раскатки 10 ^oC 20^o максимально достижимое отношение D/d падает до 5,0 ^oC 5,5. Нижний предел этого отношения составляет около 2,0 и ограничен условиями равномерности деформации по сечению заготовки, проработки центральной зоны и подавления в центре дополнительных растягивающих напряжений.

Таким образом, для известного способа с необходимостью задана соразмерность
, (1)
расширить которую, в рамках данного технического решения, не представляется возможным, даже теоретически.

Деформация заготовки, при заниженном по ограничению (1) параметре D/d, сопровождается цепью взаимосвязанных негативных явлений увеличение угла захвата, уменьшение ширины контактной поверхности, снижение запаса сил трения, вращающих заготовку, рост пластического скольжения прокатываемого металла относительно валков.

В результате падает стабильность процесса, существенно ухудшается состояние поверхности получаемых прутков и снижается стойкость рабочего инструмента.

Одновременно, сокращение ширины контактной поверхности локализует интенсивную пластическую деформацию в периферийных слоях и наводит в центральной зоне заготовки дополнительные растягивающие напряжения, способствующие пластическому разрыхлению металла и возникновению макроразрушений.

Невозможность применения валков диаметром D > (5,0 ^oC 5,5) • d существенно лимитирует осевую скорость прокатки и производительность стана. Увеличение частоты вращения валков для компенсации заниженного диаметра не дает практического результата вследствие роста интенсивности контактного скольжения. Невозможность получения профилей диаметром d менее D/(5,0 ^oC 5,5) существенно завышает его минимальное значение и сужает сортамент в целом.

Ограничение D/d ≅ 5,0 ^oC 5,5 практически однозначно определяет допустимое пространство для размещения валковых узлов в целом, соответственно, их возможные габариты и конструктивную прочность. Как показывает опыт конструирования валковых узлов, в случае обработки профилей мелких и средних сечений, особенно из легированных металлов, слабым местом становятся размеры валков и несущая способность их подшипниковых опор. Сконструировать работоспособный валковый узел и организовать промышленно применимое получение профилей диаметром 10 ^oC 12 мм и менее в рамках известного способа практически невозможно по конструктивным показаниям.

Кроме того, соотношение (1) ограничивает суммарно достижимый коэффициент вытяжки μ_Σ на одном комплекте валков, относительно низким пределом .

Соответственно диапазон диаметров профилей, получаемых на одном комплекте валков, составляет не более 175% от диаметра наиболее мелкого профиля.

В плане разрабатываемого технического решения важно отметить, что в выявленном уровне техники отсутствуют, какие-либо сведения о возможности целенаправленного воздействия на механизм зазорообразования и параметр D/d через конфигурацию рабочих валков и угол перекоса их осей. Естественно складывающееся в известном способе влияние повышенных углов подачи и раскатки на параметр D/d отрицательно, т.к. с их увеличением D/d падает.

Целью настоящего изобретения является увеличение выхода годного, повышение производительности и расширение сортамента получаемых круглых профилей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения круглых профилей прокаткой, включающем деформацию заготовки тремя валками, повернутыми под углом к оси прокатки, расположенными вокруг нее через равные промежутки, согласно изобретения, заготовку деформируют валками, имеющими кольцевые выступы и углубления, причем выступы каждого валка, располагаются в углублениях соседних.

Реализация способа иллюстрируется фиг. 1, на которой представлен вид на произвольно взятую пару соседних валков со стороны зазора между ними. Пунктиром обозначена огибающая контура образующей валков, проведенная по вершинам кольцевых выступов. Фиг. 2 и фиг. 3 иллюстрируют пример реализации способа. На фиг. 2 показан валок для получения прутков диаметром 10 мм, а на фиг. 3 изображен очаг деформации, образуемый этими валками.

Достигаемый технический результат при осуществлении способа заключается в: улучшении качества поверхности получаемых профилей; повышении равномерности проработки структуры и деформируемости металла; увеличении осевой скорости прокатки, усилении стабильности процесса и повышении стойкости валковых узлов; снижении минимально возможного диаметра получаемых профилей.

Способ реализуется следующим образом. Заготовка, имеющая температуру горячей, теплой или холодной деформации задается в трехвалковый стан винтовой прокатки. Деформация заготовки осуществляется тремя валками, повернутыми на относительно оси прокатки и расположенными вокруг нее через 120^o. На валках выполнены кольцевые углубления и выступы. Все валки имеют одинаковую конфигурацию и установлены в стане таким образом, что кольцевые выступы каждого валка располагаются в углублениях соседних валков.

В предлагаемом способе реализовано принципиально новое техническое решение в механизме зазорообразования между валками, позволяющее вести процесс трехвалковой прокатки, в валках диаметр, которых существенно больше, чем это предписано теоретически допустимым пределом по соотношению (1). Параметр D/d может достигать 6,5 и более.

Новый механизм образования межвалковых зазоров, преодолевающей теоретический предел в отношении D/d, базируется на целенаправленном использовании особенностей установки валков в рабочее положение, связанных с разворотом валков относительно оси прокатки на углы подачи и/или раскатки, и применением валков специальной конфигурации. Суть этих особенностей состоит в следующем. Поворот валков относительно оси прокатки создает ситуацию, когда межвалковые зазоры (места, соответствующие минимальному расстоянию между валками) образуются сечениями валков, находящимися на различном расстоянии от своих торцев. Иными словами, если характеризовать положение конкретного сечения валка координатой Х, выражающей расстояние его от какого-либо торца, то зазор между любой парой соседних валков образуется сечениями, имеющими различные значения Х₁ и X₂.

В одном из сечений X₁ или X₂ диаметр валка максимален. Именно этот диаметр определяет значение параметра D/d в очаге деформации. Причем абсолютная разность ΔX=(X₁-X₂) тем больше, чем больше угол поворота валков относительно оси прокатки. Наличие разности собственно и создает предпосылки для управляемого воздействия на параметр D/d через новые условия формирования межвалкового зазора.

В предлагаемом способе на валках в области сечения X₁ или X₂, имеющего меньший диаметр, выполнено кольцевое углубление, дающее простор для приближения соседнего валка к оси прокатки и уменьшения диаметра калибра без изменения его большего диаметра. Параметр D/d увеличивается за счет уменьшения диаметра калибра d.

При этом наименьший зазор смещается в сечения с другими координатами В области одного из них, имеющего меньший диаметр аналогично выполнено еще одно кольцевое углубление, позволяющее больше свести валки.

Многовариантное, компьютерное моделирование условий зазорообразования по описанной схеме позволяет синтезировать такую конфигурацию рабочих валков с кольцевыми углублениями и выступами, при которой установка валков в рабочее положение сопровождается размещением выступов каждого валка в углублениях соседних и увеличением отношения D/d (возможно до заранее заданного значения).

При этом происходит перекрытие огибающих контуров валков, проведенных по вершинам выступов (см. фиг. 1), а глубина перекрытия определяет повышение параметра D/d в сравнении с верхним пределом соотношения (1). Зазор образуется не тремя выпуклыми валками (телами вращения), как это имеет место в известных технических решениях, а тремя валками с выпукло-вогнутой образующей, специально подобранной конфигурации.

Характерный параметр выпукло-вогнутого профиля, например ширина кольцевых углублений, имеет значение близкое к ΔX.. Глубина кольцевых углублений и высота выступов определяются значением D/d.

Профиль выступов назначается по условиям деформации металла и включает, как правило, обжимные и калибрующие участки, а профиль углублений рассчитывается из возможности размещения в них выступов соседних валков. Угол наклона обжимных участков выступов к оси прокатки следует выдерживать в пределах 10 ^oC 30^o.

В описанном механизме зазорообразования можно усмотреть сходство с образованием зазоров в калибрах закрытого типа продольной прокатки, когда выступающие элементы одного валка размещаются в ручьях (углублениях) другого.

Наибольший эффект данный способ имеет при повышенных углах перекоса осей валков и прокатки, 18 ^oC 25^o и более, поскольку в этом случае возрастает значение ΔX и создаются лучшие по D/d условия конструирования, искомого выпукло-вогнутого профиля валков. В данном способе фактор повышенных углов перекоса валков как, широко известное условие повышения эффективности винтовой прокатки [7] и, как условие повышения D/d действуют в одном направлении. В известных же технических решениях с ростом угла перекоса валков параметр D/d падает.

Опыт экспериментальной отработки способа на стане "10 ^oC 30" показал, что деформирование металла при высоких значениях отношения D/d характеризуется:
уменьшением углов захвата, увеличением ширины контактной поверхности, ростом запаса сил трения, вращающих заготовку, и, как следствие, уменьшением интенсивности скольжения прокатываемого металла относительно валков;
увеличением протяженности зоны контактной деформации, снижением неравномерности деформации по сечению профиля, практически полным подавлением дополнительных растягивающих напряжений в центральной области;
увеличением осевой скорости прокатки без повышения частоты вращения рабочих валков;
уменьшением минимально возможного диаметра получаемых профилей.

Посредством этих благоприятных эффектов прямо и непосредственно обеспечивается искомый технический результат и достижение цели изобретения.

Кроме того, наличие на валках кольцевых выступов и углублений придает образуемому ими очагу деформации дискретный характер, в котором обжатие заготовки осуществляется только на участках кольцевых выступов. Участки кольцевых углублений между выступами раскат проходит свободно, без деформирующего воздействия со стороны валков. Т.е. суммарное обжатие разбивается на ряд частных обжатий в локальных очагах, образуемых выступами и разделенных между собой достаточно протяженными и свободными от контакта участками отдыха в углублениях.

Компьютерным моделированием можно создать такой профиль валков, что отношение D/d будет больше, чем по соразмерности (1), не только по всему очагу, но и локально по каждому участку обжатия выступами (см. пример). Создаваемая, таким образом дробность деформации весьма благоприятно сказывается на деформируемости заготовок и качестве поверхности профилей особенно из уширяющихся металлов, типа титана, и металлов и сплавов, склонных к горячему наклепу, например жаропрочных никелевых сплавов, быстрорежущих сталей и др.

Общее число выступов и углублений на валках составляет (по отдельности) 1 ^oC 4 и зависит, в основном, от суммарного коэффициента вытяжки за проход. Частные коэффициенты вытяжки при локальных обжатиях выступами по технологическим и конструктивным соображениям целесообразно выдерживать в пределах 1,1 ^oC 2,0.

Диапазон диаметров получаемых профилей и суммарных коэффициентов вытяжки для одного комплекта валков расширяется в соответствии с повышением верхнего предела параметра D/d. При верхнем пределе D/d 6,5 ^oC 10,0 суммарно достижимый коэффициент вытяжки составляет 10,5 ^oC 25, а ширина диапазона диаметров профилей доходит до 225 ^oC 400% от минимального диаметра профиля.

Сопоставительный анализ предложенного способа и прототипа показывает удовлетворение требований по критерию "новизна".

Данным изобретением преодолевается предубеждение специалистов о невозможности получения профилей трехвалковой винтовой прокаткой при отношениях D/d за пределами верхней границы соотношения (1) и при D/d > 6,46. Попытки осуществления такого технического решения не предпринимались по причине "очевидной" невозможности, хотя желаемость увеличения D/d в трехвалковой прокатке всегда была. Это свидетельствует об "изобретательском уровне" нового способа. "Промышленная применимость" доказана непосредственной реализацией способа на стане "10 ^oC 30".

Пример. Предложенный способ реализован на стане "10 ^oC 30" для получения опытной партии прутков диаметром 10 мм из титанового сплава ВТ1-0.

Исходные заготовки диаметром 14, 16 и 20 мм нагревались до температуры горячей деформации 1150^oC в камерной электропечи сопротивления. Нагретые заготовки деформировались за один проход до профиля диаметром 10 мм в валках, имеющих кольцевые углубления и выступы.

Угол поворота оси валков относительно оси прокатки составлял 30^o. В рабочее положение валки устанавливались таким образом, что кольцевые выступы одного валка располагались в углублениях соседних. Искомая конфигурация рабочих валков (фиг. 2) синтезирована методом компьютерного моделирования и включает 3 кольцевых выступа 1В, 2В, 3В и два кольцевых углубления 1У, 2У. На фиг. 2 рабочий валок изображен в натуральном масштабе.

Очаг деформации (фиг. 3), образуемый такими валками имеет дискретный характер и состоит из трех локальных очагов, образуемых выступами, и разделенных между собой двумя свободными от контакта, участками отдыха. В профиле каждого выступа валков имеются обжимной "А" и калибрующий "К" участки, обеспечивающие обжатие заготовки по диаметру и формирование точного профиля с высоким качеством поверхности. Углы конусности обжимных участков "А" локальных очагов деформации, образуемых выступами 1В, 2В, 3В составляет 20 ^oC 25^o. Калибрующие участки выступов "К" образуют в локальных очагах цилиндрические зоны деформации. Профиль кольцевых углублений 1У, 2У обеспечивает размещение в них выступов сопряженных валков при установке в рабочее положение и прямо не связан с условиями деформации металла. Диаметры валков по калибрующим участкам выступов составляют, соответственно, 118, 90 и 70 мм, а соответствующие им диаметры деформируемого раската составляют 17, 14 и 10 мм. Значение параметра D/d, реализуемое в данном примере достигает 7.

В рассматриваемом примере осуществления способа реализуется три схемы получения профилей диаметром 10 мм из заготовок различных диаметров (20, 16 и 14 мм). При использовании заготовки диаметром 14 мм деформация заготовки осуществляется только выступом 3В с суммарным коэффициентом вытяжки 1,96. Заготовка диаметром 16 мм обжимается до профиля 10 мм двумя выступами 2В и 3В с суммарным коэффициентом вытяжки 2,56 при локальных коэффициентах вытяжки по выступам 1,31 и 1,96. При использовании заготовки диаметром 20 мм работают все три выступа валков 1В, 2В, 3В, суммарный коэффициент вытяжки составляет 4,0, а локальные 1,56; 1,31; 1,96.

Практика прямого экспериментирования над способом показала достижимость заявленного технического результата в полном объеме. Процесс деформации на всех режимах характеризуется повышенной стабильностью, получаемые профили диаметром 10 мм, полностью соответствуют требованиям нормативно-технической документации, уровень технологических отходов минимален и определяется исключительно необходимой обрезью концевой неоднородности профилей.

Параллельно предпринятая попытка получить профили диаметром 10 мм способом прототипом до стадии практического опробования не дошла. Максимально возможный диаметр валков, допустимый в прототипе, определяется правым ограничением в соотношении (1) и составляет не более 50 ^oC 55 мм (т.е. более чем 30 меньше, чем в предлагаемом способе). Сконструировать валковый узел, работоспособный по прочности валков и подшипниковых опор, в таких ограниченных габаритах не представляется возможным.

Использование: повышение выхода годного, увеличение производительности и расширение сортамента профилей в технологии получения круглых профилей прокаткой, преимущественно в средних и мелких сечениях из цветных и легированных металлов и сплавов. Сущность: предусматривает деформацию заготовки тремя валками, повернутыми под углом к оси прокатки, расположенными вокруг нее через равные промежутки, имеющими кольцевые выступы и углубления, и установленными таким образом, что кольцевые выступы каждого валка располагаются в углублениях соседних. В способе создаются благоприятные деформационно-кинематические условия прокатки за счет увеличения отношения диаметра валков к диаметру получаемого профиля. 3 ил.

Способ винтовой прокатки круглых профилей, включающий деформацию заготовки тремя расположенными по кругу через равные промежутки повернутыми под углом к оси прокатки валками, отличающийся тем, что каждый из валков выполняют с кольцевыми выступами и углублениями, а при деформации заготовки каждый валок располагают выступами в углублениях соседних.