Исследование нового механизма снижения давления и повышения обжатий при несимметричной прокатке

обработка металлов давлением

УДК [669.35.055: 669.5]: 621.77

Исследование нового механизма снижения давления и повышения обжатий при несимметричной прокатке

Е. А. Максимов

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, несимметричная прокатка, снижение давления, увеличение разовых обжатий, экспериментальные исследования.

Характеристика прокатки как фактор повышения качества металла

Теоретические и экспериментальные исследования несимметричной прокатки с рассогласованием окружных скоростей рабочих валков при прокатке полос и лент из цветных металлов показали возможность снижения продольной разнотолщинности, повышения точности поперечного профиля и улучшения планшетности [1—3]. В настоящее время хорошо исследовано влияние рассогласования окружных скоростей рабочих валков на давление прокатки, крутящие моменты на валках, качество поверхности полос, изгиб выходящего из валков конца полосы и др.

Принято считать, что при несимметричной прокатке уменьшение давления прокатки по сравнению с его величиной при симметричной прокатке происходит в результате снижения подпирающего действия удельных сил трения на деформируемый объем [4, 5]. Изучение формоизменения и кинематики процесса прокатки, в частности изменения продольной и высотной деформации, позволяет определить еще один механизм снижения давления металла на валки в процессе несимметричной прокатки. Сопоставим кинематические параметры при симметричной и несимметричной прокатке.

Симметричная прокатка

Окружные скорости валков одинаковы. Удельные силы трения в зонах отставания и опережения на контактных поверхностях направлены навстречу друг другу и оказывают подпирающее действие на деформируемый объем, способствуют увеличению давления металла на валки.

Значительная величина последнего показателя снижает эффективность однократного обжатия, производительность стана, повышает расход энергии. Упругая деформация вал-

ков, станины, нажимных винтов и прогиб валковой системы в поперечном направлении приводят к появлению продольной и поперечной разнотолщинности прокатываемой полосы. Стоит заметить, что при обычной симметричной прокатке окружные скорости валков одинаковы, критические углы также равны, протяженность зон опережения и отставания со стороны верхнего и нижнего валков одинакова.

Несимметричная прокатка

Если равномерно увеличивать скорость вращения ведущего (верхнего) валка, то он будет подводить больше энергии в очаг деформации, при этом критический угол и длина зоны опережения уменьшатся. Соответственно, те же самые показатели для ведомого (нижнего) валка изменятся в противоположную сторону. На ведущем валке критическая точка смещается в сторону плоскости выхода из очага деформации, на ведомом валке приближается к плоскости входа в валки. Критический угол будет меньше угла захвата, образуются зоны опережения и отставания. На обоих валках удельные силы трения действуют на расстоянии до критической точки на своем валке. При смещении критических точек на ведущем и ведомом валках в стороны входа и выхода соответственно появляется зона с противонаправленными силами трения.

Таким образом, при несимметричной прокатке с различными окружными скоростями рабочих валков в очаге деформации появляется зона с противонаправленными силами трения.

Описание эксперимента

Экспериментальные исследования измене -ния горизонтальной (продольной) деформации по высоте ее очага проводились при прокатке на стане «Дуо 180» (Южно-Уральский

№ 1 (55)/2010

обработка металлов давлением

МЕТ^^БРД^К)!

государственный университет) образцов алюминиевых сплавов марок А6, А7, АМЦ. Параметры образцов: толщина — 14 и 20 мм, ширина — 100 мм, абсолютное обжатие симметричным и несимметричным способом — 3,3; 7,4 и 12,2 мм. При симметричной прокатке количество зубьев у шестеренной клети для верхнего и нижнего валков было одинаковым (20 шт.). При несимметричной прокатке рассогласование окружных скоростей валков обеспечивалось путем установки шестерней в шестеренной клети с варьирующимися количествами зубьев для разных валков: для верхнего — 20, 20, 20, 20 шт., для нижнего — 19, 18, 17, 16 шт. Таким образом было обеспечено рассогласование скоростей вращения валков: 1,05; 1,11; 1,17; 1,25.

Обсуждение результатов

Характер продольной деформации металла изучался методом координатной сетки с базой 2 мм. Ее наносили на боковую поверхность образцов с помощью специального приспособления. Изменение координатной сетки после деформации измерялось с помощью инструментального микроскопа. Продольная деформация вх по толщине образцов определялась по отношению

АХ

еХ = —100 %, Х X

где АХ — изменение размеров координатной сетки после деформации; X — размеры координатной сетки до деформации.

Кривая 2 на рис. 1 свидетельствует, что резкое увеличение продольной деформации для центрального слоя наблюдается от плоскости входа до риски 4, от риски 4 до риски 8 (I — длина очага деформации) деформация стабилизируется, начиная с риски 8 до плоскости выхода наблюдается дальнейшее увеличение продольной деформации (нумерация рисок соответствует началу у плоскости входа и заканчивается у плоскости выхода очага деформации). Для контактного слоя (кривая 1) резкое увеличение продольной деформации наблюдается на участке от риски 6 до риски 8, после чего вплоть до риски 10 интенсивность увеличения деформации уменьшается. Аналогичное распределение продольной деформации для центрального и контактного слоя при симметричной прокатке получено в работе [6].

В соответствии с изменением продольной деформации по длине очага деформации построены эпюры продольной скорости (рис. 2). В плоскости входа в очаг деформации эпюра продольной скорости имеет вогнутый харак-

Ех, %

25-1

20-

15-

10-

5-

I

Рис. 1. Изменение относительной продольной деформации по длине очага деформации для контактного (1) и центрального (2) слоев при симметричной прокатке образца из алюминиевого сплава АМц. Пунктиром показаны плоскости входа и выхода соответственно

*Z

X

Рис. 2. Эпюры изменения продольной скорости по длине очага деформации при симметричной прокатке:

у — критический угол; т — удельные силы трения; vox, Vlx — продольная скорость полосы на входе и выходе из очага деформации соответственно

тер, так как продольная скорость контактного слоя больше, чем продольная скорость центрального слоя. Продольные скорости контактного и центрального слоев выравниваются в критическом сечении, после него вогнутая

№ 1 (55)/2010

47

обработка металлов давлением

ex, % 251

20-

15-

10-

IZ

5-

XJ

Рис. 3. Изменение относительной продольной деформации по длине очага деформации для контактного слоя на ведущем валке (1), центрального (2) слоя, контактного слоя на ведомом валке (3) при несимметричной прокатке образца из алюминиевого сплава АМЦ. Пунктиром показаны плоскости входа и выхода соответственно

эпюра продольной скорости становится выпуклой, то есть у центрального слоя продольная скорость превышает аналогичный показатель у контактного. Эпюры скоростей имеют симметричный характер по толщине полосы.

На рис. 3 представлено изменение относительной продольной деформации по длине очага деформации. Видно, что продольная деформация контактного слоя на ведущем валке больше, чем аналогичный показатель у центрального и контактного слоев на ведомом валке.

На рис. 4 приведены эпюры изменения продольной скорости по длине очага деформации. В плоскости входа в очаг деформации эпюра продольной скорости отличается вогнутым контуром. После прохождения зоны с противонаправленными силами трения данная эпюра становится выпуклой, а в плоскости выхода из очага деформации она отличается несимметричностью по толщине полосы — смещением в сторону ведущего валка.

При несимметричной прокатке смещение максимума эпюры продольной составляющей скорости частиц метала на выходе из очага деформации в сторону ведущего валка способствует изменению распределения вертикальной составляющей скорости по толщине полосы. При несимметричной прокатке максимум эпюры вертикальной составляющей скорости по толщине полосы на контакте металла с ведущим и ведомым валками смещается по сравнению с аналогичным значением при симметричной прокатке.

Рис. 4. Эпюры изменения продольной скорости по длине очага деформации при несимметричной прокатке:

Vbo, Vbi — скорость вращения ведущего и ведомого валков соответственно; go, gi — критический угол на ведущем и ведомом валке соответственно; ToX, Tix — удельные силы трения на ведомом и ведущем валке соответственно; Xgo, Xgi — продольная координата, соответствующая критическому углу на ведомом и ведущем валке; voX, vix — продольная скорость полосы на входе и выходе из очага деформации соответственно; l — длина очага деформации

При несимметричной прокатке смещение максимума в сторону ведущего валка способствует изменению распределения вертикальной составляющей скорости частиц металла по толщине полосы. Используя эпюры изменения продольной и вертикальной составляющих указанной скорости по толщине и длине очага деформации определили компоненты тензора скоростей деформаций и интенсивность скоростей деформаций сдвига. Расчеты показали, что в одинаковых условиях для несимметричной прокатки на ведущем валке интенсивность скоростей деформаций больше, чем для симметричной прокатки. Это, в свою очередь, приводит к снижению давления металла на валки и увеличению разовых обжатий при несимметричной прокатке.

Выводы

1. Экспериментальные исследования показали, что при несимметричной прокатке

№ 1 (55)/2010

обработка металлов давлением

1т^лтАвоткА

смещение максимума эпюры продольной составляющей скорости частиц металла на выходе из валков в сторону ведущего валка способствует изменению распределения вертикальной составляющей скорости по толщине полосы. Последнее, в свою очередь, приводит к увеличению разовых обжатий и снижению давления металла на валки при несимметричной прокатке.

2. Исследования относительной продольной деформации по длине очага деформации для контактного и центрального слоев позволили выявить дополнительный механизм снижения давления металла на валки при несимметричной прокатке.

Литература

1. Синицын В. Г. Несимметричная прокатка листов и лент. М.: Металлургия, 1984. 167 с.

2. Потапкин В. Ф., Федоринов В. А., Сато-нин А. В. Деформация тонких полос между неприводным и приводным валками // Цветные металлы. 1982. № 10. С. 71-73.

3. Целиков А. И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965. 329 с.

4. Кугушин А. А., Филатов Н. Я., Трайно А. И. и др. Асимметричная прокатка полос и лент из прецизионных сплавов // Черная металлургия: Бюллетень / Ин-т «Черметинформация». 1985. № 10. С. 54-55.

5. Максимов Е. А., Шаталов Р. Л., Босхамджи-ев Н. Ш. Производство планшетных полос при прокатке. М.: Теплотехник, 2008. 336 с.

№ 1 (55)/2010

69