Калибровка фасонных профилей проката

Применение фасонных профилей проката вместо традиционных профилей общего назначения (круглых и пр.) позволяет экономить большое количество металла у потребителя. Коэффициент использования металла увеличивается до 0,8—0,9, сокращается трудоемкость производства машин, значительно снижается энергопотребление при производстве конечных деталей. В России существует много цехов, расположенных непосредственно на машиностроительных заводах, которые производят для данного предприятия или группы подобных предприятий фасонный подкат для последующей штамповки. Большое количество профилей отраслевого назначения прокатывают на Кузнецком, Чусовском и других российских заводах. Значительная доля заводов, специализирующихся на производстве фасонных профилей, осталась на Украине: завод им. Петровского в Днепропетровске, Енакиевский, Донецкий, им. Дзержинского в Днепродзержинске и др. В 60-х гг. были пущены в эксплуатацию сразу три специализированных производства фасонных профилей межотраслевого назначения (участки цехов на Ижевском и Омутнинском металлургических заводах и цех фасонных профилей на Череповецком сталепрокатном заводе) общей производительностью 40 тыс. г в год. Среди предприятий, специализирующихся на производстве фасонных профилей, необходимо отметить также завод турбинных лопаток и цех турбинных лопаток на ОАО “Кировский завод” в Санкт-Петербурге.

Сортамент фасонных профилей, применяемых в различных отраслях промышленности, весьма разнообразен. В бывшем СССР насчитывалось более 3 тыс. профилей самой разнообразной формы и размеров. Средняя продолжительность применения каждого профиля обычно не превышает 5—10 лет, поэтому происходит постепенное изъятие из сортамента устаревших профилей и пополнение его новыми. В сортаменте США насчитывается около 14 тыс. фасонных профилей с учетом того, что старые профили из сортамента не изымаются, хотя производство их прекращено. Примерно такое же количество профилей насчитывает сортамент Германии.

Различают две категории фасонных профилей. К первой категории относятся профили, получаемые горячей прокаткой или прессованием. Такие профили содержат окалину на поверхности, точность по размерам невысока. Они предназначены для последующей штамповки или обработки резанием и обеспечивают значительную экономию металла на этих операциях. Целесообразность применения фасонных профилей вместо круглых или квадратных обеспечивается за счет значительного повышения коэффициента использования металла (КИМ). Например, при производстве турбинных лопаток из круглого проката КИМ равен 0,4—0,5, а при применении фасонного подката КИМ повышается до 0,8—0,85.

Ко второй категории относят фасонные профили повышенной точности по геометрическим размерам, не имеющие на поверхности окалины. Такие профили максимально приближены к форме готового изделия, в ряде случаев требуют только финишных операций обработки (шлифование, сверление отверстий, резка на мерные длины и пр.). Точные фасонные профили получают по двухступенчатой технологии. Сначала горячей прокаткой или прессованием получают фасонную заготовку, которая затем после снятия окалины подвергается одной из чистовых операций:

волочению в сплошной или разъемной волоке; холодной прокатке в 2- или многовалковом калибре; холодной прокатке-волочению в роликовой волоке, которая представляет собой прокатную клеть с неприводными валками.

Таким образом, производство фасонных профилей — эго обширный набор специализированного оборудования и технологических операций, оно требует специального рассмотрения. Здесь мы рассмотрим только производство горячекатаных фасонных профилей и особенности их калибровки.

Все фасонные профили, производимые на станах горячей прокаткой, принято делить на группы по степени их сложности, общности технологии их прокатки и калибровки валков. Одна из классификаций, включающая 14 групп, предложена Б.М. Илюковичем [8] (рис. 14.41). Обычно для каждой из групп разрабатываются свои приемы калибровки. При разработке схемы переходов нового осваиваемого профиля большое значение имеет накопленный заводами опыт прокатки и калибровки освоенных профилей той же группы.

Можно утверждать, что не существует общей методики калибровки и расчета формоизменения металла в фасонных калибрах. Калибровку фасонных профилей не рассчитывают, а скорее проектируют, и этот процесс остается искусством калибровщика, от опыта и эрудиции которого во многом зависит успех той или иной калибровки. Есть примеры, когда один и тот же профиль разными калибровщиками получается по разным схемам, разные идеи используются для решения одних и тех же задач.

Большое значение при этом имеют “мелочи”, т. е. особенности профиля, требования к его точности, особенности конструкции стана и оснастки и многое другое. Прежде чем научиться проектировать калибровки фасонных профилей, студент должен понимать те идеи, те средства решения, которые имеет в своем арсенале калибровщик. Можно выделить некоторые принципы, которыми необходимо руководствоваться.

• 1. При освоении нового профиля следует отнести его к той или иной классификационной группе и на основании анализа известных калибровок подобных профилей выбрать принципиальную схему его прокатки. Конечно, учитывают особенности стана, требования к профилю, его сложность, марку стали и т. д. Выбирают число пропусков и средства, обеспечивающие получение требуемой точности и качества готового профиля.
• 2. Исходя из конфигурации сечения и требований по точности отдельных элементов, намечают места разъемов и тип чистового калибра. Как правило, чистовой калибр выполняют закрытым, чтобы контролировать чистовые размеры по боковым граням профиля. Если по боковым граням жесткие требования отсутствуют, то калибр делают открытым.

Рис. 14.41. Классификация фасонных профилей проката, получаемых прокаткой:

I — полосовые с двумя осями симметрии; 2 — полосовые с одной (вергикальной) осью симметрии; 3 — полосовые асимметричные; 4 — полосовые клиновидные с горизонтальной осью симметрии; 5 — клиновидные асимметричные; 6 — полосовые асимметричные с клиновидными утолщениями; 7— полосовые асимметричные с отогнутыми краями; 8— полосовые желобчатые;

• 9 — полосовые с острыми элементами по краям;
• 10 — полосовые с круглыми утолщениями по краям; 11— полособульбовые; 12— полосовые одногребневые; 13— полосовые двух- и многогребневые; 14— полосовые с выступами в виде ласточкина хвоста
• 3. Рассчитывают размеры чистового калибра с учетом температурного расширения и минусовых допусков. Для фасонного профиля допуски на размеры по элементам могут быть разными.
• 4. Форму и размеры предчистового калибра проектируют, исходя из принципа равномерности деформации по ширине полосы в чистовом калибре. Графическим методом конструируют контур предчистового калибра, для чего: чистовой профиль разбивают по ширине вертикальными сечениями на п характерных элементов, каждый из которых близок к известным в теории простым профилям: прямоугольник, овал, ромб и т. п.;

для каждого /-то элемента (/' = 1, 2, п) назначают среднюю высоту элемента /г₍. и коэффициент высотного обжатия IД|_; (обычно 1,05—1,25), затем определяют среднюю высоту /-го элемента на предчистовой полосе: А_0/ = АД1/п_;);

определяют обжатие по каждому элементу (АЛ,- = Л_0/— А₍.) и распределяют его между верхним и нижним валками.

• 5. Контур предчистового калибра необходимо строить с учетом уширения металла в чистовом калибре; рассчитать достоверно уширение профиля в фасонных калибрах не удается, поэтому калибры конструируют таким образом, чтобы ошибки в расчетах или ирикидочных оценках уширения существенно не сказывались на точности чистового профиля.
• 6. Намечают места разъемов и типы калибров. Обычно предчистовой калибр также делают закрытым, далее решают, можно ли обеспечить требуемую точность профиля, используя только закрытые калибры; для надежности часто используют ребровой калибр, устанавливаемый, как правило, непосредственно перед предчисговым. Если есть ребровой калибр, то предшествующие ему черновые калибры могут быть открытыми.
• 7. От первого до предчистового калибра коэффициент высотного обжатия 1/г| распределяют между пропусками по убывающему графику от значений 1,6—1,8 до 1,1 —1,3 (в предчистовом калибре). Неравномерность обжатия по элементам допустима только в первых калибрах, в чистовом и предчистовом калибрах деформация должна быть близка к равномерной.
• 8. Проводят графический анализ деформации металла во всех калибрах. Как указывалось ранее, при этом:

строят трафик распределения обжатий по ширине и по нему делают выводы об изгибе полосы, о вынужденном уширении и об утяжке элементов профиля;

анализируют условия захвата, из анализа получают сведения о скручивании и смещении полосы в калибре, об устойчивости процесса прокатки;

графический анализ калибровки проводят с учетом уширения в калибре.

9. Окончательный анализ калибровки производят на основании подобных калибровок или опытной прокатки; роль опытной прокатки при освоении каждого нового профиля очень велика.

Рассмотрим одну из действующих калибровок (рис. 14.42). Размеры чистового калибра (предпоследний на рис. 14.42) строятся по горячим размерам чистового профиля (последний на рис. 14.42) с учетом минусовых допусков. Внешний осмотр конфигурации готового профиля и анализ допусков на размеры показывают, что проработка его элементов по ширине возможна в закрытом чистовом калибре с разъемами вверху. Так формируется чистовой калибр 5.

Чистовой профиль разбивается на шесть элементов простой формы, и, используя приемы графического аназиза и добиваясь равномерной деформации по элементам, строят предчистовой калибр № 4 (рис. 14.43, а). При прокатке в чистовом калибре был выбран средний коэффициент высотной деформации 1,15. Желательно в чистовом калибре обеспечить такую же степень деформации

Рис. 14.42. Конструирование калибровки фасонного профиля

по всем элементам, однако решено было по элементам // и /// коэффициент высотной деформации немного увеличить, чтобы за счет вынужденного уши- рения в этих элементах лучше заполнялись углы соседних элементов / и IV. Таким образом, график обжатий по элементам (см. рис. 14.43, а) сознательно сделали неравномерным (но почти равномерным). Из-за этого появится небольшое искривление чистовой полосы, которую можно устранить в тесных выводных проводках.

Полученные обжатия в общем случае необходимо распределить по элементам между верхним и нижним валками таким образом, чтобы не было скручивания и смещения полосы при захвате. В нашем случае обжатие полностью отнесли к верхнему валку, и контур верхнего валка предчистового калибра определен контуром чистового калибра путем прибавления обжатия. В таком

Рис. 14.43. Графический анализ деформации металла в калибрах 5 (а) и 4 (б)

случае контуры нижнего валка предчистового и чистового калибров будут полностью совпадать. Наилучшие условия по устойчивости прокатки в калибре достигаются именно в том случае, когда по одному валку (в данном случае — нижнему) очертания входящей в калибр полосы и калибра совпадают.

При конструировании каждого калибра необходимо учитывать уширение. При прокатке предчисговой полосы в чистовом калибре основное уширение происходит в элементах / и VI. Посчитаем его, например, по формуле Губкина как для прямоугольной полосы на гладкой бочке. Но поскольку указанные элементы находятся в закрытых частях калибра, то можно задать коэффициенты стеснения в пределах 0,6—0,8. В нашем случае получили уширение (с учетом стеснения) элемента VI 1,2 мм и элемента /0,8 мм, общее уширение 2,0 мм.

Следующий от конца прокатки калибр выбран ребровым. Поскольку предшествующие ему калибры / и 2 (см. рис. 4.42) решено сделать открытыми, наличие ребрового калибра становится обязательным, чтобы проконтролировать ширину полосы, полученную из калибра 2. Это позволяет также скорректировать ошибки в расчете уширения для чистового и предчистового калибров.

Рис. 14.44. Закрытая и открытая калибровки валков для прокатки таврового профиля

Поступающая в предчистовой калибр полоса конструируется по тем же принципам. Но требования по равномерности деформации по ширине ослабевают по мере удаления от чистового пропуска. График высотной деформации в пред- чисговом калибре (рис. 14.43, б) определил очертания левой части ребровой полосы из условия наилучшего размещения этой части полосы в нижнем ручье предчистового калибра. Контуры левой части ребровой полосы и нижней части предчистового калибра почти совпадают. В этом случае характер распределения металла по правой кромке ребровой полосы может быть произвольным, и эту кромку можно сконструировать, исходя из удобств прокатки в ребровом калибре.

При прокатке в ребровом калибре уширением можно пренебречь, поэтому по ребровой полосе легко строится предшествующая ей полоса и калибр 2 (см. рис. 14.42).

Далее назначают вытяжки в калибрах 1 и 2 (по убывающему графику) и тем самым определяют размеры исходной заготовки. Если провести графический анализ также в калибрах 2 и /, то мы увидим, что в калибре 2 входящая в него полоса 1 при захвате надежно фиксируется нижним валком, а в калибре 1 исходная прямоугольная заготовка фиксируется по всей ширине верхним валком. Это обеспечивает устойчивую прокатку в этих калибрах. Равномерности деформации в этих калибрах не требуется.

При рассмотрении приведенной калибровки видно, что выбор метода контроля уширения четко не определен. Можно использовать закрытые калибры, тогда ребровые калибры не потребуются. Можно, наоборот, использовать только открытые калибры с широким применением ребровых калибров. В первом варианте точность профиля будет объективно выше, чем во втором. Но в открытых калибрах врез ручьев калибров в валки меньше, упрощается их нарезка. В нашей калибровке последние два калибра оказались закрытыми, а все предыдущие — открытыми, что допустимо при наличии ребрового калибра.

Рассмотрим достоинства обоих способов контроля уширения на следующем примере. На разных станах применяют два способа калибровки таврового профиля (рис. 14.44). Закрытая калибровка обеспечивает точность проката за счет стесняющего действия стенок калибра, но при этом в некоторых калибрах отдельные элементы профиля деформируются только за счет бокового обжатия, т. е. неинтенсивно. Необходимо кантовать полосу или вводить ребровые пропуски, чтобы ослабить этот недостаток. При прокатке по открытой калибровке полоса часто кантуется, и уширение контролируется и корректируется

Рис. 14.45. Калибровка валков для прокатки полосы (а) и петли дверцы автомобиля (б) на 4-клетевом стане только за счет изменения зазора между валками. Все ошибки в расчетах ушире- ния компенсируются настройкой стана. Однако точность проката может быть ниже, чем по закрытой калибровке.

Кстати, следует обратить внимание на конструкцию первых двух калибров открытой калибровки. Они очень напоминают первые калибры при прокатке рельсов. Здесь также решается задача быстрого наращивания длины элементов таврового профиля за счет вынужденного уширения.

При калибровке фасонных профилей широко используют вынужденное уширение. В качестве примера рассмотрим две калибровки. Первая калибровка (рис. 14.45, а) предназначена для прокатки обычной полосы из прямоугольной заготовки. По традиционной технологии, рассмотренной ранее (см. разд. 14.3), полосу прокатывают из некоторого квадрата со стороной а на гладких валках с ребровым предчисговым калибром. Но на Череповецком

Рис. 14.46. Калибровка валков для прокатки полособульбового профиля сталепрокатном заводе прокатный стан имеет всего четыре клети, поэтому для традиционной технологии клетей не хватает. Опытный калибровщик нашел иное решение. Быстрое наращивание требуемой ширины достигнуто, во-первых, за счет разрезки исходной полосы в первом калибре с последующим его выпрямлением и, во-вторых, за счет увеличенного обжатия и вынужденного уширения по кромкам профиля. Кстати, первый калибр этой калибровки используется также для прокатки профиля петли дверцы автомобиля ВАЗ (рис. 14.45, б).

Заслуживает внимания конструкция первого калибра в обеих калибровках. В него задается круглая заготовка, которая в момент захвата в трех точках плотно удерживается в калибре, обеспечивая устойчивую прокатку.

Тот же прием разрезки профиля, его выпрямления и использования вынужденного уширения применили при проектировании калибровки полосо- бульбового профиля (рис. 14.46). Первый разрезной калибр также примененя- егся для прокатки двутавровой балки и швеллера, обеспечивая универсальность калибровки. Левая полка профиля после отгибки обжимается прямым обжатием, что позволяет получить полособульбовый профиль с тонкой и широкой полосовой частью в небольшом числе калибров. На правой полке сформирован “ложный” фланец, как при прокатке швеллера, что способствует равномерности температуры и выполнению точного угла в чистовом калибре.

Следует обратить внимание на то, как контролируются размеры левой полки.