Способ определения нормального контактного напряжения при прокатке Советский патент 1992 года по МПК B21B37/08 

1

(21)4689591/27 (22) 12.05.89 (46)30.10.92. Бюл. №40 (71) Завод-ВТУЗ при Карагандинском металлургическом комбинате (72)А.Н.Хвалов

(56)Чекмарев А,П.,Ольдзиевский С.Л. Методы исследования процессов прокатки. М.: Металлургия, 1969, с.238-265.

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО КОНТАКТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПРОКАТКЕ

(57) Использование: прокатное производство. Сущность изобретения: измерение и дифференцирование усилия прокатки по площади контакта металла с валками, дифференцирование усилия прокатки в процессе захвата металла валками. 4 ил.

Изобретение относится к процессу продольной Прокатки, преимущественно к холодной прока гке, когда фактор формы очага деформации больше единицы и определены границы очага деформации в процессе захвата металла валками.

Известен способ определения нормального контактного напряжения с помощью радиальной точечной месдозы. В этом способе используются металлические валки, но они не являются цельными, так как месдоза установлена в специальном сегментном вкладыше, который крепится к валку. Усилие металла на месдозу передается штифтом, торец которого выходит на поверхность валка.

Способ имеет следующие недостатки: при меньшей (в сравнении с валком) жесткости системы штифт - упругий элемент возникает большая погрешность в измерениях; измерительная вставка ослабляет тело валка и уменьшает его жесткость; торец штифта и границы вставки оставляют отпечатки на

поверхности металла; усложняется обслуживание стана.

Известен способ определения нормального контакта напряжения при прокатке на цельных валках. Но в этом случае применяются валки, изготовленные из оптически активного неметаллического материала (например, на основе эпоксидной смолы Э- 40). При просвечивании параллельным пучком света таких валков во время прокатки выявляются линии действия нормальных напряжений (изоклин), действующих в валке. Способ основан на возможности определения нормальных контактных напряжений, действующих в очаге деформации, по напряжениям, действующим в теле валка Недостатком рассматриваемого способа является низкий уровень напряжений, с которым можно деформировать материал в валках из оптически активного вещества и в связи с этим возможность прокатывать материал невысокой прочности (например, пластилин, свинец).

Ё

VJ XI

с

-N

Наиболее близким по способу определения нормального контактного напряжения ее изобретению является способ разрезного инструмента или торсиометра. В этом способе, как и в способе точечных месдоз, используются нецельные металлические валки, имеющию измерительную вставку. Эта вставка опирается на три мес- дозы, расположенные внутри валка. Одна из этих месдоз воспринимает радиальную составляющую усилия прокатки при прохождении вставки через очаг деформации. Поскольку при этом площадь контакта вставки с металлом непрерывно увеличивается, как и усилие, воспринимаемое встав- кой, то путем дифференцирования усилия прокатки по площади вставки находят усредненное по ширине нормальное контактное напряжение по формуле: р - dP/dF, где Р - усилие, воспринимаемое вставкой; F - площадь контакта вставки с металлом.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие измерительной вставки в валке, которая ослабляет валок, оставляется отпечатки на поверхности металла и усложняет обслуживание стана.

Основным недостатком всех рассмотренных способов определения нормального контактного напряжения является то, что в них используются валки, которые нельзя применять в промышленных условиях. Поэтому эпюры нормальных контактных напряжений, определенные этими способами, относятся только к лабораторным условиям. Но эпюры напряжений, полученные на ла- бораторных станах, далеко не всегда соответствуют эпюрам реального процесса прокатки на промышленных станках, т.к. в лабораторных условиях трудно учесть износ валков, колебание механических свойств материалов, нестабильность коэффициента трения и т.д. Для точного же управления процессом прокатки необходимо знать реальную эпюру нормальных контактных напряжениях, поскольку она является одним из основных компонентов модели очага деформации.

Цель изобретения - повышение точности в определении нормального контактного напряжения при прокатке.

Это достигается тем, что в известном способе определения нормальных контактных напряжений, включающем измерение усилия прокатки, вычисление площади контакта металла с валками и нормального кон- тактного напряжения, усилие прокатки и площадь контакта определяется в процессе захвата металла валками. При этом усилие прокатки регистрируется месдозами, установленными под нажимными винтами, а

площадь контакта определяется по координате переднего торца перемещающегося в зеве валков металла.

В случае жесткой клети, когда изменением расстояния между валками в процессе захвата металла валками можно пренебречь, нормальное контактное напряжение определяется по формуле:

P-dP/Bdx,-(1)

Если же упругие деформации клети существенны, необходимо учитывать изменение площади контакта, связанные не только с перемещением переднего торца в зеве валков, но и подъемом валков. В этом случае напряжение нормальное определяется по формуле:

dP tiPb da В dx В da dx

(2)

где Р - усилие прокатки, регистрируемое месдозами под нажимными винтами, X - координата переднего торца; В - ширина металла (в данном случае имеется в виду прокатки широких полос, когда уширением можно пренебречь); а - функция, характеризующая изменение площади контакта на входе при подъеме валков..

В соответствии с формулой (1) для определения нормального контактного напряжения в жесткой клети необходимо в процессе захвата металла валками фиксировать координату переднего торца X, усилие прокатки Р и проводить дифференцирование кривой усилия прокатки по площадки контакта.

В упругой клети первое слагаемое в формуле (2) определяется также, как и в формуле (1). Последовательность определения второго слагаемого в формуле (2) следующая.

Экспериментально определяется изменение расстояния между осями валков в процессе захвата металла валками S(X).

При известной толщине металла на входе (Н0), радиусе валков (R) и исходном зазоре между валками (S0) находят функцию:

а VR(H0-So) - S (X) м ее производную, т.е.

da/dx - R |/2 Н0 - S (X)J.

Принимая, что нормальное контактное напряжение на входе Рвх равно сопротивлению металла пластической деформации на

входе 2Ко из выражения Рвх dPBx

JL

В /оРВх da

находим:

В da

Рвх 2«о, Данные о значениях величины 2Ко содержатся в литературе, например 1.

Таким образом, второе слагаемое в формуле (2) равно:

о j- гт 2 Ко° oS/ox/2 R Но - S (X)J.

Итак, для определения нормального контактного напряжения с учетом подъема аалков в процессе захвата надо определять три величины: X - координату переднего торца; Р(Х) - усилие прокатки; S(X) - изменение расстояния между осями валков. Ве- личины 5{Х) измерялась с помощью пластины, на которую были наклеены тензо- датчики.

Пример 1 (жесткая клеть). На стане дуо с диаметром валков D - 200 м прокатывали алюминий толщиной Н0 5,25 мм, шириной Во 40 мм с обжатием е 24%. Для увеличения жесткости клети перед прокаткой между подушками валков помещали стальные пластины и нажимными винтами прижимали их друг к другу. Как следует из формулы (1), для определения нормального контактного напряжения надо фиксировать усилие прокатки Р и координату переднего торца X. Усилие прокатки измеряли месдо- зами, установленными под нажимными винтами, а координату переднего торца - с помощью резистора типа СП-3, движок которого через штангу перемещался передним торцом металла.

Эксперимент ставил своей задачей не только осуществление дифференцирования усилия прокатки по площади контакта, но и доказательство того, что получаемое при этом напряжение Р представляет собой усредненное по ширине нормальное контактное напряжение. С этой целью были использованы валки с радиальной точечной месдозой, которая непосредственно измеряла нормальное контактное напряжение, Ее показания сравнивались с величиной Р, определенной по формуле (1). В соответствии с данными работ 3, 4 под нормальным контактным напряжением в переходном периоде понимается напряжение на переднем конце перемещающегося в зеве валков металла. Поэтому в экспериментах образцы задавались в валки так, чтобы точечная месдоза входила в контакт с металлом в районе, максимально приближенным к переднему торцу заготовки.

При задаче металла в валки надо было выполнить еще одно условие - задавать образец так, чтобы точечная медоза измеряла усредненное по ширине нормальное контактное напряжение, т к по формуле (1) определяется именно усредненное по ширине напряжение. В связи с этим были проведены предварительные эксперименты по определению закона распределения нормальных контактных напряжений по ширине полосы. В результате для каждого режима

обжатий было найдено продольное сечение, в котором нормальное контактное напряжение равнялось усредненному по ширине значению. При задачи металпа в валки точечную месдозу совмещали с этим сечением.

Результаты экспериментов приведены на фиг.1 и 2.

Нормальное контактное напряжение, измеренное точечной месдозой, соответственно, в переходном (фиг.1) и установившемся (фиг.2) режимах, где 1 - усилие прокатки; 2 - перемещение переднего торца; 3 - отметчик времени; 4 - отметчик пути валков; 5 - напряжение, полученное в результате дифференцирования усилия прокатки по площади контакта.

Процесс прокатки осуществляется по схеме фиг.1, так как начало изменения сигналов от точечной месдозы 6 и месдозы под

нажимными винтами 7 совпадает.

Характер изменения сигналов отметчика пути валков 4 и отметчика времени 3 говорит о том, что скорость валков и бумаги как в переходном (фиг.1), так установившемся режимах (фиг.2) были одинаковые. Посто- янство скорости валков в указанных режимах объясняется тем, что моменты прокатки были небольшие, в то время как стан имел значительные вращающие массы: ротор асинхронного двигателя (N 19 кВт), коробку скоростей, редуктора, шестеренную клеть.

Прокатка осуществлялась в жесткой клети, поскольку длины оснований эпюр напряжений в переходном 6 и установившихся режимах 7, мало отличаются друг от друга. Кривые нормальных контактных напряжений в переходном 6 и установившемся 7 режимах идентичны, а значения напряжения в соответственных сечениях эпюр практически равны.

Степень заполнения металлом зева валков не оказывает существенного влияния на нормальное контактное напряжение Р и, поэтому величина Р является функцией только координаты переднего торца X, т.е. Р р(Х). Это доказывает справедливость формулы (1) и возможность определения нормального контактного напряжения путем дифференцирования усилия прокатки по площади контакта.

Если будет известно нормальное контактное напряжение в переходном режиме, то тем самым будет определено напряжение и в установившемся режиме

Площади, ограниченные кривыми нормальных напряжений в переходном 6 и установившемся режимах 7, равны.

Это также доказывает, что напряжение на переднем конце перемещающегося в зеве валков металла при прокатке в жесткой клети соответствует нормальному контактному напряжению в установившемся режиме, поскольку длины оснований эпюр равны, а кривые напряжений идентичны.

Координаты точки перегиба на кривой усилия прокатки и максимального значения нормального контактного напряжения совпадают. Это служит подтверждением справедливости формулы (1), так как в точке перегиба производна dP/dx достигает максимального значения.

В результате дифференцирования кривой усилия прокатки по площади контакта получено напряжение (фиг.1, кривая 8), которое по своей величине соответствует контактному напряжению, измеренному радиальной точечной месдозой в переходном периоде (кривая б).

Пример 2 (упругая клеть). Эксперименты проводились на том же стане. Прокатывали сталь ст.З толщиной Н0 3,7 мм, шириной Во 40 мм с обжатием Б 24,3% при начальном зазоре между валками So 2,3 мм. Жесткость клети не увеличивалась, Типичная осциллограмма, полученная при прокатке в упругой клети, приведенная на фиг.З и 4, где цифры 1-7 обозначают те же самые величины, что и на фиг.1 и 2; 8 - подьем валков в процессе захвата металла валками, т.е. функция d f(x) в формуле (2).

Данные фиг.З и 4 позволяют сделать выводы, во многом аналогичные выводам для примера 1 (жесткая клеть).

Площади, ограниченные кривыми нормальных напряжений в переходном (6) и установившемся (7) режимах, равны.

Координата точки перегиба на кривой усилия прокатки и максимального нормального напряжения совпадают.

Кривые нормальных напряжений в переходном 6 и установившемся 7 режимах идентичны и подобны, т.е. соблюдается равенство:

Pln/Рсрп .р.у.(3)

где Pin, Ply - текущие значения напряжения в переходном и установившемся режимах в соответственных сечениях;

Рср.п, Рср.у- средние значения напряжений в переходном и установившемся режимах.

Была проверена степень соблюдения

равенства (3). Для этого эпюру в переходном режиме (кривая 6) вертикальными сечениями делили на равное число частей. Для каждого сечения определяли Pip и отношение Р|п/Рср.п. Далее находим соответственное

сечение у эпюры в установившемся режиме по формуле:

Xiy-(Ly/Ln)Xin,

где Ln, Ly - длины оснований эпюр в переходном и установившемся режимах;

Xin, Xty - координаты соответственных сечений у названных эпюр.

8 сечении Х|У определяли Р|У и соотношение Piy/Рср.у. Результаты расчетов показали, что максимальное отклонение от

подобия составило 4,5%, среднее же - 3,3%. Следовательно, равенство (3) соблюдается с достаточно высокой точностью.

Напряжение, измеренное точечной месдозой в переходном периоде (6) соответствует напряжению, полученному путем дифференцирования усилия прокатки по площади контакта (фиг.З, кривая 5).

Порядок определения нормального контактного напряжения при прокатке в упрутой клети следующий:

по формуле (2) определяется нормальное контактное напряжение в переходном периоде.

По формуле (3) определяется нормальное контактное напряжение в установившемся периоде.

Использование изобретения позволит более точно определять законы изменения нормального контактного напряжения непосредственно на промышленных станах, что повысить точность математической модели очага деформации и в конечном счете повысить точность регулирования толщины полосы.

Формула изобретения

Способ определения нормального контактного напряжения при прокатке на цельных металлических валках, включающий измерение усилия прокатки, вычисление

площади контакта металла с валками и нормального контактного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, усилие прокатки и площадь контакта определяют в процессе захвата металла валками.

si

Ч./

5

JnLrL-n n. ;

/

7 X

4Л

7™

(UU&1

W

v

У

/(

Фиг.2

шгЗ