Результат интеллектуальной деятельности: Способ винтовой прошивки заготовки

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при производстве бесшовных труб, в частности для получения гильз на станах винтовой прокатки.

При винтовой прошивке в неустановившейся стадии процесса (период заполнения и освобождения металла заготовки очага деформации) возникают динамические нагрузки, приводящие к увеличению вибрации механизмов стана винтовой прокатки (Чекмарев А.П. Основы прокатки труб в круглых калибрах / А.П. Чекмарев, Я.Л. Ваткин. - М.: Металлургиздат, 1962, с. 146-158). В результате на переднем и заднем концах гильзы разнотолщинность гораздо выше, чем по основному телу. Также в конце процесса винтовой прошивки резко возрастает скольжение на контактной поверхности «заготовка-валок», что меняет характер контактного взаимодействия между валками, прошиваемым металлом, оправкой и на заднем конце гильзы образуется дефект в виде отслоения металла («сережка»). Наличие данного дефекта при последующих переделах служит причиной образования таких дефектов, как «отпечаток/раковина» на наружной поверхности труб, «плена внутренняя прокатная», «продав», «внутренняя раковина». Отслоение металла на заднем конце гильзы может привести к повреждению оправки последующего раскатного стана в период ее задачи в задний торец гильзы и прокатки.

Известно техническое решение по повышению точности гильз: использование дополнительной технологической операции - нанесение отверстия на передний торец заготовки (Данилов Ф.А. Горячая прокатка труб / Ф.А. Данилов, А.З. Глейберг, В.Г. Балакин. - М.: Металлургия, 1972, с. 20-22). Использование задней зацентровки заготовки также повышает точность гильз и уменьшает вероятность образования «сережки» (Курятников А.В. Оценка эффективности зацентровки непрерывнолитой заготовки перед ее винтовой прошивкой в условиях ОАО СТЗ / А.В. Курятников, А.В. Король, А.В. Топоров и др. // Сталь - 2014 г. - №6 - С. 71-73). Недостатком введения дополнительной операции передней и задней зацентровки является увеличение времени подготовки заготовки непосредственно перед самой прошивкой, а следовательно, и снижение температуры заготовки, что ведет к снижению пластичности металла, увеличению энергосиловых параметров.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ прошивки заготовки в стане винтовой прокатки (патент Украины №79553, В21В 19/00, опубл. 25.04.2013), включающий деформацию заготовки валками и оправкой с различной частотой вращения валков. Захват заготовки валками и заполнение очага деформации до встречи заготовки с оправкой осуществляют при частоте вращения валков n_o=(0,7-0,85)⋅n_уст, далее повышают в период заполнения очага деформации до значения n_уст в установившемся процессе, при освобождении очага деформации, частота вращения валков снижается с n_уст до n_o. Способ обеспечивает снижение разностенности гильз по ее концам. Но данное техническое решение имеет эффект лишь при прошивке заготовок с небольшим увеличением наружного диаметра гильзы (до 10%) относительно диаметра заготовки. Другим недостатком прототипа является появление дефекта на заднем конце гильзы в виде отслоения металла («серьга»).

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности заднего и переднего концов гильз, снижении дефектов труб на наружной и внутренней поверхностях, увеличении стойкости прокатного инструмента.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе винтовой прошивки, включающем деформацию заготовки оправкой и валками с различной частотой вращения валков, согласно изобретению в момент выхода переднего торца гильзы из очага деформации частоту вращения валков увеличивают до частоты вращения, соответствующей установившемуся процессу прошивки, а после деформирования длины заготовки l_X, определяемой по формуле:

где l_z - длина заготовки, мм;

k - коэффициент, учитывающий число оборотов заднего конца заготовки перед снижением частоты вращения валков, равный k=1…2;

d_z - диаметр заготовки, мм;

β - угол подачи валков, град,

частоту вращения валков начинают снижать до величины 20-70% от частоты вращения валков при установившемся процессе прошивки.

Изобретение с иллюстрируется фиг. 1-4, на которых схематично показаны графики изменения частоты вращения валков прошивного стана согласно прототипу и изобретению. На фиг. 1а и фиг. 2е - периоды захвата заготовки валками соответственно по прототипу и по изобретению; на фиг. 1б и фиг. 2ж - периоды начала изменения частоты вращения валков соответственно по прототипу и по изобретению; на фиг. 1в и фиг. 2з - периоды перехода на установившуюся частоту вращения валков; на фиг. 1г и фиг. 2и - периоды начала уменьшения частоты вращения валков прошивного стана; на фиг. 1д и фиг. 2к - периоды на уменьшенной частоте вращения валков.

Перечень обозначений на фиг. 1-4:

n_o - частота вращения валков в период захвата заготовки валками, об/мин;

n_уст. - частота вращения валков при установившемся процессе прошивки, об/мин;

n_к - частота вращения валков прошивного стана после деформирования l_X длины заготовки, об/мин;

t_маш - машинное время прошивки по прототипу, с;

- машинное время прошивки по изобретению, с;

t₁ - время захвата заготовки валками и заполнение очага деформации до встречи заготовки с оправкой, с;

- время захвата заготовки валками и заполнение очага деформации до выхода переднего торца гильзы из очага деформации, с;

t_разг - время разгона частоты вращения валков, с;

линия абвгд - изменение частоты вращения валков прошивного стана согласно прототипу;

линия ежзикл - изменение частоты вращения валков прошивного стана согласно изобретению.

Ведение процесса винтовой прошивки с пониженной частотой вращения валков при захвате заготовки уменьшает скольжение на контактной поверхности прошиваемого металла с валками, снижает скорость деформации металла и способствует уменьшению динамических нагрузок на валки и оправку. При получении гильз на «подъем» наружного диаметра более 10% в период заполнения металла заготовки зазора между валками и оправкой возникают значительные динамические нагрузки на валки и оправку. Связано это с использованием оправки большего диаметра (по сравнению с процессом прошивки с «подъемом» наружного диаметра гильзы меньше 10%) и крутой конусностью их рабочей поверхности, повышающей сопротивление осевому истечению металла и способствующей интенсивному развитию поперечной деформации, что увеличивает площадь контактной поверхности прошиваемого металла с валками и, как следствие, приводит к увеличению нагрузок на валки и оправку. При использовании станов винтовой прокатки с валками грибовидного типа негативное увеличение динамических нагрузок в период заполнения металла оправочного участка очага деформации усиливается по причине непрерывного роста диаметра валка по ходу прокатки.

Таким образом, при получении гильз с «подъемом» больше 10% предлагается увеличивать частоту вращения валков после заполнения металлом всего очага деформации, то есть на выходе переднего торца гильзы из очага деформации.

После деформирования длины заготовки l_X снижают частоту вращения валков до величины 20-70% от частоты вращения при установившемся процессе прошивки, что позволяет увеличить точность заднего конца гильзы, а также уменьшить вероятность образования дефекта на ее заднем конце («сережка»). При частоте вращения валков меньше 20% уменьшается тянущая способность валков и высока вероятность прекращения процесса прошивки и получения «заката» оправки. При частоте вращения больше 70% изменение деформационно-кинематических условий в конце процесса незначительно, и теряется эффект от предлагаемого технического решения.

Условие начала перехода на пониженную частоту вращения валков в конце процесса прошивки обеспечивает освобождение очага деформации при пониженной частоте вращения валков. Кроме снижения динамических нагрузок на прошивной стан и вибрации на его механизмы данное условие перехода на пониженную частоту вращения валков способствует снижению скольжения в период освобождения металла из очага деформации, уменьшению неравномерности истечения периферийных и центральных слоев заготовки, уменьшению цикличности процесса в конечной стадии, что снижает кольцевое отслоение металла и уменьшает вероятность образования дефекта «серьга» на заднем торце гильзы.

Предлагаемый способ получения гильз осуществляется следующим образом.

Исходную заготовку, нагретую до температуры горячей пластической деформации, подают к входной стороне стана винтовой прокатки. Захват заготовки происходит валками, вращающимися с частотой вращения n₀. В момент выхода переднего торца гильзы из очага деформации частоту вращения валков начинают повышать до частоты вращения в установившемся процессе прошивки n_уст за время t_разг. Когда на стане винтовой прокатки продеформируется l_X длина заготовки, определяемая по формуле (1), частоту вращения валков начинают снижать до величины 20-70% относительно частоты вращения валков в установившемся процессе прошивки.

Способ винтовой прошивки был опробован на прошивном стане винтовой прокатки с валками грибовидного типа на ПАО «СТЗ». Из заготовки диаметром 290 мм была получена гильза с наружным диаметром 328 мм и толщиной стенки 23,7 мм. В таблице 1 (Фиг. 3) представлены настроечные параметры процесса прошивки.

По существующей технологии частота вращения валков при захвате заготовки валков равна n_o=180 об/мин. Начало перехода на частоту вращения валков осуществляется за время t_разг=0,9 с. Частота вращения валков в установившейся стадии процесса равна n_уст=330 об/мин.

Согласно изобретению частота вращения валков при захвате заготовки валками равна n_o=180 об/мин. Переход на частоту вращении валков происходит в момент выхода переднего торца гильзы из очага деформации за время, равное =1,5 с. Частота вращения валков в установившейся стадии процесса равна n_уст=330 об/мин. Длина заготовки l_X, после которой начинают снижать частоту вращения валков, рассчитана по формуле (1) и равна 2629 мм:

l_X=2870-1,5⋅3,14⋅tg10⁰⋅290=2629 мм.

Частота вращения валков в конце процесса прошивки равна n_к=180 об/мин. В таблице 2 (Фиг. 4) показаны результаты замеров геометрических параметров гильз. Как видно из таблицы 2, гильзы, полученные по предлагаемому способу, имеют меньшую разнотолщинность по сравнению с существующей технологией прошивки. При визуальном осмотре гильз, полученных согласно изобретению, отмечено снижение кольцевого отслоения металла на заднем конце гильзы.

Использование способа обеспечивает повышение точности заднего и переднего концов гильз, снижение дефектов труб на наружной и внутренней поверхностях, увеличение стойкости прокатного инструмента.