СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК
COMPOSITE ROLLING ROLL

Изобретение относится к прокатному производству, а именно к валкам рабочих клетей станов горячей и холодной прокатки.
Известен составной прокатный валок, включающий несущую профилированную ось с ограничительным буртом и сопряженный с ней по посадке с натягом бандаж ответной формы, при этом несущая ось имеет два цилиндрических участка равного диаметра, продольная ось примыкающего к бурту участка совпадает с осью вращения валка, а продольная ось другого участка наклонена к ней под углом (Составной прокатный валок. Патент России №2402393. МПК В21В 27/03).
Недостатком этого валка является возможность круговых микросмещений цилиндрического участка бандажа, примыкающего к ограничительному бурту от ударных нагрузок, а также при работе валка в реверсивных клетях. В процессе длительной эксплуатации валка вследствие круговых микросмещений происходит его износ, что ослабляет величину натяга и приводит к появлению зазоров между сопрягаемыми поверхностями элементов валка. В результате, появляются нежелательные вибрации и пробуксовки, что ухудшает качество прокатываемого металла.
Известен составной прокатный валок, принятый в качестве прототипа, включающий несущую профилированную ось с ограничительным буртом и сопрягаемый с ней по посадке с натягом бандаж ответной формы, при этом профилированная ось выполнена из двух стыкующихся без уступов осесимметричных участков равного диаметра, первый из которых примыкает к ограничительному бурту, а второй участок наклонен к первому под углом, несущая профилированная ось смещена в плоскости изгиба относительно оси вращения валка в сторону противоположную направлению изгиба (Составной прокатный валок. Патент России №2592011. МПК В21В 27/00).
Недостатком этого валка является высокая трудоемкость изготовления составных частей валка из-за необходимости двойной операции перецентровки несущей оси составного валка с использованием дополнительной пары дорогостоящих приспособлений (бугелей). Каждая перецентровка требует точной настройки и выверки бугелей относительно торцов шеек валка.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении технологичности изготовления составных частей валка, за счет исключения дополнительной операции перецентровки несущей оси в процессе ее механообработки, а также снижения затрат на изготовление специальных приспособлений (бугелей).
Эта задача решается следующим образом. В известном составном валке, включающем несущую профилированную ось с ограничительным буртом, смещенную относительно оси вращения валка, и сопрягаемый с ней по посадке с натягом бандаж ответной формы, при этом профилированная ось выполнена из двух стыкующихся без уступов осесимметричных участков, один из которых примыкает к ограничительному бурту, а другой отстоит от него, согласно изобретению, оба участка несущей оси имеют единую ось симметрии, при этом примыкающий к ограничительному бурту участок выполнен цилиндрическим, а отстоящий - в виде усеченного конуса, образующая которого наклонена к оси валка под углом β, определяемым из выражения:
t
0<β<arctg(d⋅α⋅Т-δ)/2L,
где d - внутренний диаметр цилиндрического участка бандажа, мм;
t
-1
α - коэффициент линейного расширения металла бандажа, °C;
Т - температура нагрева бандажа, °C;
δ - натяг, мм;
L - длина конического участка несущей оси, мм.
На чертеже изображен общий вид составного валка.
Валок состоит из несущей профилированной оси 1, на которой выполнен ограничительный бурт 2 и бандажа 3. Посадочная часть несущей оси 1 выполнена из двух осесимметричных участков 4 и 5, один из которых цилиндрический и примыкает к ограничительному бурту, а другой - конический, при этом вся несущая ось 1 смещена относительно оси вращения валка на величину Δ. Смещение несущей оси относительно оси вращения валка исключает его круговое смещение, например, при изменении направления вращения валка, поскольку смещенный за контур изначального цилиндра участок находится в зацеплении с выемкой ответной формы на бандаже. От продольного смещения несущей оси относительно бандажа предотвращают, с одной стороны - ограничительный бурт 2, с другой - конический участок 5.
Сопрягаемый бандаж 3 выполнен ответной формы, т.е. смежные цилиндрический и конический участки внутреннего пространства бандажа расположены аналогичным образом.
Математическое выражение выведено из следующих соображений.
t
t
Для того, чтобы обеспечить свободное прохождение несущей оси вдоль внутреннего пространства бандажа в процессе операции сборки составного валка внутренний диаметр цилиндрического участка бандажа (d) после нагрева должен превысить диаметр большего основания конического участка (D) несущей оси с учетом заданной величины натяга δ. Внутренний диаметр цилиндрического участка несущей оси после нагрева становится равным d(l+α⋅Т), следовательно, d(l+α⋅Т)>D+δ.
Из рассмотрения прямоугольного треугольника abc следует, что предельный угол наклона образующей конуса к оси валка β=arctg (ас/вс).
Катет ас=(D-d)/2, а катет bc=L (длина конического участка несущей оси).
t
После элементарных преобразований получаем необходимое выражение 0<β<arctg (d⋅α⋅Т-δ)/2L, которое удовлетворяет поставленной задаче.
При β=0 конусность отстоящего от ограничительного бурта осесимметричного участка исчезает (участок становится цилиндрическим), при этом возможно продольное смещение бандажа относительно несущей оси.
t
При β≥arctg (d⋅α⋅Т-δ)/2L невозможно свободное перемещение несущей оси вдоль внутреннего пространства нагретого бандажа.
t
Лишь при 0<β<arctg(d⋅α⋅Т-δ)/2L возможна сборка составного валка с оптимальной конфигурацией несущей оси, исключающей как круговое, так и продольное смещение бандажа относительно несущей оси в процессе эксплуатации валка.
В процессе механообработки несущей оси сначала вытачивают ограничительный бурт 2, ось симметрии которого совпадает с осью валка, после чего с той же установки протачивают всю несущую ось с припуском, достаточным для формирования конического участка 5 с учетом заданной величины смещения Δ несущей оси относительно оси вращения валка и величины натяга. Затем с помощью бугелей, установленных на обоих торцах валка, смещают несущую ось 1 относительно оси вращения валка на величину Δ. и протачивают цилиндрический участок 4 несущей оси, примыкающий к ограничительному бурту 2, до заданных геометрических размеров с учетом величины натяга. Далее с той же установки (и с теми же бугелями) вытачивают второй осесимметричный участок в виде усеченного конуса 5. Таким образом, необходимость в дополнительной операции перецентровки отпадает.
Внутреннюю посадочную поверхность бандажа обрабатывают с учетом фактических размеров несущей оси и величины натяга.
Данное профилирование сопрягаемых поверхностей несущей оси и бандажа исключает их взаимное прокручивание и продольное смещение при изменении направления вращения валков, при этом соединение бандажа с несущей осью может осуществляться с меньшим натягом, что позволит легко заменить бандаж и исключить его разрушение от растягивающих напряжений натяга.
Пример. Требуется изготовить составной прокатный валок с габаритами бочки 1400 (диаметр) × 1300 (длина), мм для прокатной клети стана 1300 холодной прокатки. Заготовку для бандажа изготавливают из стали 45Х5МФ методом отливки в кокиль, а заготовку для несущей оси из стали 50Х методом ковки из слитка, позволяющего выточить из него монолитную несущую ось, состоящую из цилиндрического и конического участков.
-5
-1
Коэффициент линейного расширения бандажа составляет 1,4⋅10 °C. Расчетную температуру нагрева бандажа принимают равной 350°C.
Конструктивно диаметр ограничительного бурта принимают равным 1100 мм, а его толщину 30 мм. Диаметр цилиндрического принимают равным 1000 мм, а его длину 1000 мм. С учетом этого, длина конического участка составит 270 мм. Величину натяга принимают равной 0,5 мм. Таким образом, фактический посадочный диаметр цилиндрического участка несущей оси с учетом натяга составит 1000, 5 мм. Величину смещена Δ несущей оси относительно оси вращения валка приниают равной 2 мм.
-1
После нагрева бандажа до заданной температуры (350°C) внутренний диаметр цилиндрического участка бандажа с учетом коэффициента линейного расширения (1,4⋅10-5 °C) увеличится до 1004,9 мм,
Из выведенного математического выражения следует, что предельный угол наклона образующей конического участка к оси валка при вышеперечисленных конструктивных и теплофизических параметрах составляет ~0,467°.
Для обеспечения свободного прохождения несущей оси вдоль внутреннего пространства нагретого бандажа фактический угол наклона образующей конического участка к оси валка принимают равным 0,3°, что соответствует условиям решаемой задачи, при этом диаметр большего основания усеченного конуса составит 1002,83 мм < 1004,9 мм,
На первом этапе токарной обработки несущей оси, закрепленной в центрах станка, производят съем металла с поковки по всей посадочной длине до диаметра не менее 1007,35 мм с учетом величины смещения несущей оси (2 мм), натяга (0,5 мм) и диаметра большего основания усеченного конуса (1002,83 мм). На втором этапе токарной обработки полуфабрикат перецентровывают с помощью бугелей, т.е. смещают несущую ось относительно оси вращения валка на 2 мм. После установки бугелей в центрах токарного станка первый цилиндрический участок, примыкающий к ограничительному бурту, обтачивают с учетом натяга (0,5 мм) до диаметра 1000,5 мм на длине 1000 мм. В таком же положении продолжающимся ходом суппорта токарного станка с числовым программным управлением вытачивают второй участок несущей оси в виде усеченного конуса, образующая которого наклонена к оси валка под углом 0,3°.
Бандаж и его внутреннюю посадочную поверхность выполняют ответной формы, т.е. сначала на исходной заготовке в виде толстостенного кольца выполняют круговую выемку для ограничительного бурта, после чего продольную ось бандажа смещают относительно оси вращения валка на 2 мм и растачивают участок, примыкающий к ограничительному бурту до диаметра 1000 мм на длине 1000 мм, затем выполняют с той же установки конический участок бандажа на длине 270 мм.
Для обеспечения правильности монтажа сходственные участки несущей оси и бандажа предварительно метят, например, термостойкой краской.
После извлечения нагретого бандажа из печи его устанавливают в специальное приспособление на торец в вертикальное положение и надежно фиксируют от опрокидывания. Несущую ось, подвешенную с торца буртом вверх, с помощью крана подводят к нагретому бандажу, добиваясь совмещения меток несущей оси и бандажа, и заводят ее внутрь бандажа до упора в ограничительный бурт. В процессе остывания на воздухе до окружающей температуры цеха выбирается зазор между несущей осью и бандажом, при этом бандаж с натягом 0,5 мм облегает несущую ось.
Предложенная конструкция позволит повысить технологичность изготовления составных частей валка, за счет двукратного уменьшения операций перецентровки несущей оси в процессе ее механообработки, а также снижения затрат на изготовление специальных приспособлений (бугелей).