СПОСОБ ПРОКАТКИ ИЗДЕЛИЙ ТИПА КОЛЕС Российский патент 1997 года по МПК B21H1/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к прокатке изделий типа колес.

При изготовлении изделий типа колес различного диаметра используют 2 основных способа изготовления: штамповку и штамповку в сочетании с раскаткой на колесопрокатном стане.

Первый способ используют при изготовлении колес малого диаметра, при этом, как правило, гребни колес получают путем механической обработки обода поковки, что приводит к увеличению расходного коэффициента металла.

Второй способ используют при производстве колес большого диаметра, в частности железнодорожных. При этом, при раскатке обода на колесопрокатном стане на поверхности диска образуются дефекты в виде плен, закатов, резких переходов от штампованной к прокатанной части диска, что снижает качество изделий, а в отдельных случаях приводит к браку. Кроме того, способ не позволяет прокатывать на стане колесные изделия не требующие раскатки обода, либо требующие незначительной доли раскатки по диаметру (от 2 до 30 мм).

Известен способ прокатки железнодорожных колес из отформованных заготовок путем прокатки обода по наружной и боковым его поверхностям и последующей прокатки обода с диском коренными и нажимными валками по диаметру с постепенным снижением удельного усилия обжатия нажимными валками [1] Недостатком способа является невозможность его использования при прокатке изделий с малым внутренним диаметром, требующих незначительной доли раскатки, т.к. при давлении рабочей жидкости в гидроцилиндре салазок нажимных валков 150-160 кгс/см² обжатия за оборот составляют величину, соизмеримую с необходимой раскаткой (16-20 мм). Кроме того, способ неприменим и при изготовлении изделий, которые не требуют раскатки, а необходимо оформление лишь обода изделия. Наличие по данному способу периода прокатки, при котором перед снижением удельного усилия обжатия нажимных валков осуществляют повышение удельного усилия обжатия коренных валков с 55-60 до 80-90 кгс/см², является отрицательным моментом с точки зрения образования закатов на гребне, т.к. глубина залегания закатов увеличивается в результате переполнения зева нажимных и коренных валков, что приводит к браку изделий.

Наиболее близким к данному способу является способ прокатки железнодорожных колес из отформованных заготовок на колесопрокатном стане, при котором осуществляют нагрев заготовок, деформирование заготовки с обжатием боковых и внутренних поверхностей обода колеса в стационарных приводных наклонных валках и поверхности катания с формированием гребня в подвижных неприводных нажимных и коренных валках [2] По данному способу в процессе обжатия внутренних поверхностей обода к коренным валкам прикладывают удельное усилие деформирования, равное 0,9-0,2 предела упругости прокатываемого металла, при этом давление рабочей жидкости в гидроцилиндре салазок нажимных валков составляет 120 кгс/см², что соответствует горизонтальному усилию со стороны наклонных валков на обод заготовки, равному 100-104 т.с. Теоретические и экспериментальные исследования по определению зависимости обжатия обода наклонными валками от усилия раскатки показывают, что при указанном давлении обжатие за оборот превышает величину 15 мм, что делает процесс раскатки колес по указанному способу практически неуправляемым. За 7 оборотов заготовки (по способу) при давлении рабочей жидкости 120 кгс/см² в гидроцилиндре салазок приращение внутреннего диаметра составит минимум 210 мм, в то время как для колес ⊘ 957 мм 957 мм величина общей раскатки должна составлять 140 мм. Кроме того, при указанной величине обжатия в диске колеса возникают растягивающие напряжения, превышающие предел пластичности, а иногда и предел прочности колесного металла, что приводит к разрыву диска. При производстве колес и колесных изделий, где требуется незначительная доля раскатки (в отдельных случаях 2-5 мм) или требуется оформление только боковых и наружной поверхностей обода, данный способ вообще неприемлем, поскольку даже при одном обороте заготовки внутренний диаметр превысит необходимый.

Задачей изобретения является разработка способа прокатки изделий типа колес на существующих колесопрокатных станах, который позволит осуществлять незначительную раскатку изделий по диаметру с выкаткой обода и гребня и получением необходимого внутреннего диаметра, а также получать изделия без раскатки обода по диаметру, т.е. без увеличения его внутреннего диаметра.

Технический результат достигается тем, что процесс прокатки обода и выкатки гребня ведут при горизонтальном усилии со стороны наклонных валков на внутренние поверхности обода, непревышающем величины, равной 0,25 максимального усилия со стороны наклонных валков, после чего производят пропорциональное снижение усилий, а горизонтальное усилие со стороны нажимных валков равно:
P_наж.=P_кор.+(0^oC0,25)P_накл.,
где: P_кор. горизонтальное усилие со стороны коренных валков;
P_накл. горизонтальное максимальное усилие со стороны наклонных валков,
при этом процесс прокатки обода и выкатки гребня, в зависимости от сортамента, ведут по одному из 3-х вариантов: с уменьшением наружного диаметра, без изменения наружного диаметра обода и с увеличением наружного диаметра обода.

Сущность способа заключается в следующем. Процесс раскатки обода по диаметру наклонными валками происходит путем сдвиговой деформации, т.е. для начала раскатки необходимо создать определенное начальное давление со стороны наклонных валков на обод для начала процесса сдвига металла. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования применительно к отечественным колесопрокатным станам позволили установить указанное давление. На фиг. 1 представлен график зависимости обжатия наклонными валками внутренней поверхности обода от усилия раскатки. Анализ графика позволяет сделать следующие выводы. Зависимость между обжатиями и усилиями на наклонных валках не пропорциональна. График имеет вид параболы. В области малых обжатий (до 2 мм) касания к кривой находится под углом менее 30^o, поэтому увеличение обжатий приводит к резкому увеличению усилий на наклонные валки. Это свидетельствует о том, что процесс раскатки в указанной области носит стабильный характер и практически не зависит от колебаний давления рабочей жидкости в гидросистеме стана и колебаний температуры металла. Например, для увеличения обжатия на 1 мм с 0,5 до 1,5 мм необходимо увеличение усилия на 44% При возрастании обжатий свыше 2 мм касательная к кривой резко увеличивает угол, что имеет отрицательное явление. Так увеличение обжатия на 1 мм с 6 до 7 мм требует всего 3,5% увеличения усилия, что указывает на область нестабильного процесса прокатки, при котором любые незначительные изменения как давления, так и температуры металла приводят к нарушению стабильности процесса прокатки, к образованию дефектов как геометрического, так и качественного характера. Поэтому для колес с незначительной долей раскатки и точными геометрическими параметрами усилие раскатки должно быть ограничено величиной 38 т.с. (фиг. 1), что составляет величину, равную 0,25 максимального усилия со стороны наклонных валков (максимальное усилие раскатки отечественных колеспорокатных станов составляет 150 т.с.). Кроме того, для стабильности процесса прокатки в момент полировки колеса после оформления обода и гребня, исключения возможности нарушения силового равновесия (что приводит к геометрическим отклонениям в колесах) производят пропорциональное снижение горизонтальных усилий со стороны нажимных, коренных и наклонных валков.

Как видно из графика (фиг.1), при горизонтальном усилии со стороны наклонных валков до 15 т.с. обжатие внутренних поверхностей обода равно нулю, т. е. раскатка отсутствует (усилие расходуется лишь на снятие уширения по внутренним поверхностям обода, на приведение обода в необходимое напряженное состояние). Поэтому, ограничивая усилия со стороны наклонных валков величиной 0,1 от максимального усилия раскатки, создают условия, при которых раскатка обода по диаметру отсутствует. Для выкатки гребня и обода необходимо приложить усилие со стороны нажимных и коренных валков. При равенстве горизонтальных усилий со стороны нажимных и коренных валков горизонтальное усилие со стороны наклонных валков равно нулю. При этом будут созданы условия выкатки гребня и обода без раскатки. Эти же условия будут соблюдены и при увеличении горизонтального усилия со стороны наклонных валков на величину до 0,1 возможного максимального усилия наклонных валков.

При соблюдении вышеизложенных условий процесс прокатки обода и выкатки гребня осуществляется по одной из трех схем: с уменьшением наружного диаметра обода; без изменения наружного диаметра обода; с увеличением наружного диаметра обода.

Работа стана по указанным схемам зависит от ширины отформованного на формовочном прессе обода. При низком ободе, т.е. при ширине отформованного обода, равной ширине обода после прокатки, процесс прокатки будет происходить с уменьшением наружного диаметра обода. Указанный способ должен применяться при изготовлении изделий, не требующих четкого выполнения внутренних кромок обода. При ширине отформованного обода, равной 1,10-1,15 ширины обода прокатанного изделия, процесс прокатки будет происходить без перемещения вертикальных (нажимных и коренных) валков, т.е. без изменения наружного диаметра обода, поскольку смещенный объем металла с боковых поверхностей обода на его наружную поверхность будет равен объему металла, смещаемому в калибры вертикальных валков.

При ширине обода отформованной заготовки более 1,15 ширины обода прокатанного изделия, процесс прокатки ведут с увеличением наружного диаметра за счет преимущественного перемещения металла с боковых поверхностей обода на наружную его поверхность.

Первый пример конкретной реализации способа. Способ был реализован в условиях колесопрокатного цеха Выскунского металлургического завода при изготовлении партии колес ⊘ 710 мм с гребнем для сталеразливочных ковшей (ранее данные колеса получали путем механической обработки поковок, полученных на формовочном прессе). Исходная заготовка с конфигурацией поперечного сечения типа "ромашка" массой 370 кг нагревалась в кольцевой печи до 1270^oС.

После предварительной осадки заготовки на прессе усилием 2000 т.с. до высоты 160 мм заготовка осаживалась в плавающем калибровочном кольце и производилась разгонка ее центральной зоны пуансоном на прессе усилием 5000 т.с. Формовка осуществлялась на прессе усилием 10000 т.с. Диаметр внутренних поверхностей обода был равен 609 мм, ширина обода 163 мм, диаметр ступицы - 260 мм. Полученная заготовка передавалась на колесопрокатный стан.

Параметры колеса после прокатки должны были составлять: ширина обода - 148 мм, внутренний диаметр 606 мм. На КПС осуществлялась операция осадки обода начальными конусами наклонных валков по его ширине на 8 мм с каждой стороны колеса по 4 мм (уклон внутренней поверхности обода у колес ⊘ 710 мм составляет 20^o, поэтому после осадки обода по ширине с каждой стороны на 4 мм внутренний диаметр обода составил 606 мм). Технологическая последовательность операций на стане и параметры прокатки были следующие. После ввода заготовки в межвалковое пространство шестивалкового колесопрокатного стана последняя укладывалась на нижний наклонный валок и на стол стана. Каретка коренных валков подавалась вперед до упора в специальные ограничители. Давление масла в гидроцилиндре каретки составляло 56 кгс/см². При данном давлении горизонтальное усилие со стороны коренных валков на колесо составляло 30 т. с. Затем на обод заготовки опускался верхний наклонный валок. Осевое (вертикальное) усилие начальных конусов наклонных валков при этом составляло 16 т.с. Последними к заготовке подводились нажимные валки и включались электродвигатели наклонных валков. Гидроцилиндр прямого хода салазок нажимных валков находился под давлением масла в гидросистеме, равном 56 кгс/см², а горизонтальное усилие со стороны нажимных валков составляло 44 т.с. Заготовка усилием нажимных валков смещалась в направлении средних конусов наклонных валков до соприкосновения их с внутренними поверхностями обода. Поскольку силовая система колесо-валки должна находиться в равновесии, разница между горизонтальным усилием нажимных валков и усилием коренных валков воспринималась средними конусами наклонных валков, т.е. на обод колеса со стороны наклонных валков действовало горизонтальное усилие, равное 14 т.с. (0,092 от Р_накл.). Данное усилие недостаточно для осуществления раскатки обода по диаметру, поэтому на стане осуществлялся процесс осадки обода по ширине, при этом металл с боковых поверхностей обода перемещался на его наружную поверхность, заполняя калибры нажимных и коренных валков. Одновременно с этим происходило внедрение нажимных и коренных валков и наружную поверхность обода, заполнение калибров, оформление обода и гребня колеса. Поскольку при указанных выше размерах обода до прокатки и после прокатки смешенный объем металла начальными косами наклонных валков равен смещенному объему металла вертикальными валками, изменения наружного диаметра при прокатке не наблюдалось, т. е. процесс прокатки осуществляли без изменения положения вертикальных валков.

После полной выкатки гребня колеса (данный момент определяется на стане визуально) производилось пропорциональное снижение усилия в гидроцилиндрах салазок нажимных и каретке коренных валков путем перевода их гидроцилиндров на "слив", что обеспечивало полировку обода в течение 2 оборотов колеса. Производилось отключение двигателей стана, развод валков в исходное положение. Прокатанное колесо имело следующие параметры: наружный диаметр обода 737 мм; внутренний диаметр обода 606 мм; ширина обода 148 мм. Колесо передавалось на выгибной пресс усилием 3500 т.с. где осуществлялось калибровка обода по ширине на размер 145 мм, выгибка диска, прошивка перемычки в ступице.

Второй пример конкретной реализации способа. Исходную заготовку массой 360 кг для производства кранового колеса ⊘ 800 мм нагревали в кольцевой печи до температуры 1270^oС. На прессе усилием 2000 т.с. осуществляли предварительную осадку, на прессе усилием 5000 т.с. осадку и разгонку заготовки пуансоном в плавающем калибровочном кольце.

На прессе усилием 10000 т. с. производили формовку ступицы и диска, подготовку обода и прокатке. Диаметр формовочных штампов равен 650 мм, ширина обода 150 мм.

Отформованная заготовка после поступления на колесопрокатный стан укладывалась в межвалковое пространство. Включением золотникового распределителя в гидросистему каретки подавалась рабочая жидкость давлением 56 кгс/см² (при данном давлении горизонтальное усилие коренных валков на заготовку было равно 30 т.с.). Включением золотниковых распределителей гидроцилиндров нажимных и верхнего наклонного валков последние продвигались к заготовке. Давление рабочей жидкости в гидроцилиндрах нажимных и верхнего наклонного валков составляло 56 кгс/см². Осевое усилие начальных конусов наклонных валков составляло 16 т.с. горизонтальное усилие нажимных валков 44 т. с. Включали электродвигатели стана. Заготовка, вращаясь усилием нажимных валков, смещалась в направлении средних конусов наклонных валков до соприкосновения их с внутренними поверхностями обода. После 2-х оборотов заготовки гидроцилиндр верхнего наклонного валка переводился на давление рабочей жидкости 150 кгс/см², а гидроцилиндр прямого хода салазок нажимных валков на давление рабочей жидкости 72 кгс/см². Горизонтальное усилие со стороны наклонных валков на обод заготовки возрастало до 30 т.е. что составляло 0,2 от Р_накл.. Осуществлялась осадка обода по ширине на размер 140 мм и раскатка обода по диаметру с обжатием внутренних поверхностей обода за оборот, равном 1 мм. Одновременно осуществлялась выкатка верхней и нижней реборд (гребней). После 10 оборотов заготовки с обжатием 1 мм за оборот и достижением внутренним диаметром обода величины 670 мм, осуществлялось пропорциональное снижение давления рабочей жидкости в гидроцилиндрах салазок нажимных и каретки коренных валков с интенсивностью снижения давления соответственно 36 и 28 кгс/см² за оборот путем перевода гидроцилиндров на "слив", что обеспечивало пропорциональное снижение усилий на всех валках стана и осуществление полировки колеса с доведением усилий до нуля. После отключения электродвигателей стана и развода валков в исходное положение, прокатанное колесо убирали из межвалкового пространства и передавали на выгибной пресс усилием 3500 т.с. для калибровки и прошивки перемычки.

Использование: изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к прокатке изделий типа колес. Сущность изобретения: в процессе прокатки обода и выкатки гребня горизонтальное усилие со стороны наклонных валков на внутренние поверхности обода не должно превышать величины, равной 0,25 максимального усилия со стороны наклонных валков, после чего производят пропорциональное снижение усилий, а горизонтальное усилие со стороны нажимных валков в процессе прокатки обода и выкатки гребня равно: Р_наж. = Р_кор.+(0. . . 0,25)Р_накл., где: Р_кор. - горизонтальное усилие со стороны коренных валков; Р_накл. - горизонтальное максимальное усилие со стороны наклонных валков. Данный способ позволяет осуществить незначительную раскатку изделий по диаметру с выкаткой обода и гребня и с получением необходимого внутреннего диаметра, а также получать изделия без раскатки обода по диаметру. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прокатки изделий типа колес на колесопрокатном стане из отформованных заготовок, включающий деформирование заготовки с обжатием боковых и внутренних поверхностей обода приводными наклонными валками и поверхности катания с формированием гребня нажимными и коренными валками, отличающийся тем, что процесс прокатки обода и формирования гребня ведут при горизонтальном усилии со стороны наклонных валков на внутренние поверхности обода, не превышающем величины, равной 0,25 максимального усилия со стороны наклонных валков, после чего осуществляют пропорциональное снижение усилий. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе прокатки обода и выкатки гребня горизонтальное усилие со стороны нажимных валков равно
Р_наж Р _кор + (0 0,25) Р _накл,
где Р_кор горизонтальное усилие со стороны коренных валков;
Р_накл горизонтальное максимальное усилие со стороны наклонных валков. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс прокатки обода и выкатки гребня ведут с уменьшением наружного диаметра обода. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс прокатки обода и выкатки гребня ведут без изменения наружного диаметра обода. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс прокатки обода и выкатки гребня ведут с увеличением наружного диаметра обода.