Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для волочения фасонных профилей, прутков и труб обычно применяются цепные волочильные станы. Современные волочильные станы характеризует высокая степень механизации, автоматизации и возможность регулировки скорости волочения в широком диапазоне. Теоретическая производительность таких станов составляет до 1300 м/ч; при этом длина протянутого изделия достигает 18 м.
В табл. 11 представлены основные параметры волочильных машин для калибрования прутков и профилей с поперечным сечением, близким к кругу.
Работа современных цепных станов для волочения прутков заключается в следующем. Один — три прутка с приемного стеллажа передают в проталкиватель, который подает их в волоки. Волочильная тележка механизмом возврата перемещается к волокодержателю и автоматически захватывает выступающие из волок концы прутков. При этом крюк тележки опускается и автоматически сцепляется с тянущей цепью — начинается волочение.
Технологический процесс волочения фасонных профилей компактного сечения, у которых Аф≤2, в основном аналогичен волочению прутков. Разница заключается в том, что волочение обычно проводят в одну нитку и не применяют проталкиватель. Острение переднего конца для образования захватки осуществляют путём предварительной заковки. Однако существующие цепные волочильные станы мало пригодны для производства тонкостенных профилей, для которых необходимы устройства, обеспечивающие волочение без предварительного изготовления захватки и зажим профиля по всему периметру, бесступенчатое регулирование скорости движения тележки, а также устройства для нагрева заготовки перед ее вводом в волоку. Поэтому для возможного применения цепных волочильных станов при калибровании тонкостенных профилей необходима их реконструкция. Ниже приведена техническая характеристика реконструированного волочильного стана.
При реконструкции обычно устанавливают гидропривод заталкивающего механизма самозатягивающейся волоки и пневмопривод механизма зажима волочильной тележки и ее возврата. Кроме того, перед станом устанавливают электропечь для нагрева заготовки.
Заготовка, подготовленная к волочению, подается через самозатягивающуюся волоку в зажимное устройство волочильной тележки, которая находится у волоки (исходное положение). Механизмом заталкивания осуществляется предварительный поджим элементов волоки к профилю. Зажим профиля в волочильной тележке производится пневмоцилиндром, сводящим профилированные губки. Одновременно крюк тележки сцепляется с непрерывно движущейся тяговой цепью - начинается процесс волочения. После окончания волочения тележка останавливается, губки разжимаются и профиль удаляется. В исходное положение тележка возвращается пневмоцилиндром, при этом ударом тележки в волоку разводятся элементы самозатягивающейся волоки, и она подготавливается к новому циклу волочения.
Отличительную особенность конструкции волочильного стана представляет устройство для зажима профилей в тележке (рис. 6). Для волочения тонкостенных профилей требуется равномерное распределение растягивающих напряжений по поперечному сечению заготовки, нарушение которого приводит к различной деформации по сечению и является причиной искривления профилей, образования трещин и обрывов. Поэтому было разработано специальное устройство, гарантирующее равномерный зажим профиля по всем полкам, независимо от угла их наклона и соотношения толщин, что обеспечивает равенство вытяжки по сечению профиля.
Губки зажимного устройства 1, 2, 8 (рис. 7), формирующие углы профиля α1, α2 и α3, устанавливаются на клиньях 3, 10 и 11, которые под действием общего привода 13 перемещаются по наклонным опорным поверхностям вкладышей 4, 9 и 12 корпуса тележки 5. Опорные поверхности К, Л и M вкладышей располагаются перпендикулярно к биссекторным плоскостям соответствующих углов профиля и имеют к их вершинам наклоны (углы β1, β2 и β3), гарантирующие самозатягивание клиньев с губками, а также равенство перемещения Si каждой контактной поверхности губок в направлении, перпендикулярном к соответствующей полке профиля. Последнее необходимо для создания при зажиме одинаковых давлений на поверхности контакта с профилем.
Величина перемещения Si для любой контактной поверхности губки определяется выражением
где аi — продольное перемещение каждого клина вдоль оси волочения. Так как в конструкции данного зажимного устройства движение всех клиньев осуществляется от общего привода, то ai имеет одинаковую величину для всех клиньев.
Для соблюдения равенства Si у всех губок зажимного устройства необходимо, чтобы выполнялось условие tg βi sin αi/2 = const.
Величины углов αi определяются конфигурацией обрабатываемых профилей; обычно они изменяются в пределах 45—270°. Углы βi устанавливают из условий обеспечения самозажатия клиньев с губками при волочении и отсутствия самоторможения при разжатии, т.е. 12°≥βi≥р, где р — угол трения по поверхности скольжения клиньев. Поскольку чаще всего в качестве пары скольжения применяют пару бронза — сталь, что дает в условиях удовлетворительной смазки коэффициент трения, близкий к f = tg р = 0,1, то можно принять, что р=6°.
Практически при определении углов наклона клиньев зажимного устройства βi необходимо первоначально принять максимальный угол βi=12° для клина, имеющего губку с минимальным углом профиля αmin, а затем по вышеприведенному уравнению определить углы βi остальных клиньев. Можно использовать графики углов β, построенные в зависимости от углов профиля α для различных αmin (рис. 8). В описанном зажимном устройстве могут закрепляться профили одной конфигурации, но с различными соотношениями толщины полок. Для этого губки с помощью пружин 6 и 7 (см. рис. 7) подвижно и упруго закрепляются на клиньях по плоскостям Г и Д, перпендикулярным к биссекторным плоскостям соответствующих углов профиля α1 и α2 в поперечном направлении к их вершинам. Другой отличительной особенностью стана является применение устройства для самозатягивания волоки.
Принцип работы устройства заключается в следующем (рис. 9): волока 1, состоящая из нескольких элементов, помещается в конусной втулке 2, на внутренней поверхности которой имеются направляющие. Втулка установлена в корпусе 3, который крепится на станине волочильного стана. Волока находится между двумя траверсами 4 и 5, жестко связанными между собой штангами 6. Штанги свободно перемещаются в отверстиях корпуса, гайка 7 служит упором и ограничивает перемещение траверс.
При движении траверс вправо элементы составной волоки, перемещаясь по конусу втулки, сходятся к центру, образуя канал определенного сечения. При движении траверс влево элементы волоки расходятся. В крайнем левом положении траверс элементы волоки образуют максимальное сечение канала, в который свободно вставляется и зажимается в губках волочильной каретки конец профиля 8. Перемещение элементов волоки в крайнее левое положение осуществляется ударом по траверсе 5 волочильной каретки при обратном ее ходе. Перемещение элементов волоки вправо и предварительный их поджим, к профилю производятся при движении траверсы 4 посредством толкателя. Окончательное затягивание элементов волоки до требуемого размера очка при ходе каретки вперед может быть достигнуто лишь при надежном сцеплении профиля с волокой. Это сцепление можно создать за счет трения между волокой и деформируемым металлом или путем внедрения рабочей части волоки в металл профиля.
Для проектирования заталкивающего устройства необходимо определить усилие, необходимое для предварительного поджима элементов волоки. Силы, действующие на произвольный элемент волоки в процессе затягивания, схематично показаны на рис. 10.
Затягивание каждого элемента волоки происходит под действием силы q, которая на первой стадии процесса создается механизмом предварительного заталкивания, а на второй стадии — за счет сил трения металла о волоку. При затягивании на элемент волоки действуют: силы P1 и P2 по поверхности, контактирующей с профилем, являющиеся результирующими нормальных напряжений σn; сила нормального давления N и сила трения F по поверхности, контактирующей с конусной втулкой. Нормальное напряжение σn и коэффициент трения f принимаются постоянными по всей поверхности контакта элемента волоки с профилем. Поверхность контакта определяется шириной калибрующейся части волоки b и соответствующими длинами полок профиля l1 и l2. Тогда величины сил Р1 и P2 и сил трения T1 и T2 на плоскостях контакта металла с волокой могут быть определены выражениями:
где i — индекс, обозначающий определенный элемент волоки.
Примем, что силы N и F действуют в биссектрисной плоскости угла элемента волоки β, равного соответствующему углу между полками профиля. При этом можно пренебречь крутящим моментом, возникающим вследствие разницы усилий P1 и P2 и стремящимся повернуть элемент волоки вокруг оси OA (см. рис. 10), поскольку крутящий момент воспринимается направляющими шпонками.
Рассмотрим равновесие элемента волоки при затягивании, спроектировав силы на ось OA и биссектрису угла β.
F=f1N, где f1 — коэффициент трения волоки по поверхности конусной втулки.
Решая совместно уравнения (2.3) и (2.4) и подставляя значения P1 и P2 из выражения (2.1) в формулу (2.3) и (2.4), получаем выражение для определения усилия затягивания элемента волоки
Суммируя усилия по всем n элементам волоки, число которых зависит от конфигурации профиля, можно записать выражение для полной силы затягивания
Полную силу трения профиля о рабочую поверхность волоки можно определить из выражения
Для обеспечения самозатягивания волоки за счет трения между волокой и металлом необходимо выполнение следующего соотношения
После подстановки соответствующих значений из формулы (2.6) и (2.7) получаем
Для упрощения расчетов можно пользоваться следующим соотношением:
где коэффициент С характеризует форму профиля.
Для существующей номенклатуры тонкостенных профилей типов "тавр", "крест", "уголок" этот коэффициент изменяется в пределах 0,68—0,81, а для полосы равен 1.
Выражение (2.10) получено из выражения (2.9) с учетом того, что знаменатель первого сомножителя при применяемых значениях f1 и α незначительно отличается от единицы.
Если коэффициент трения при волочении f удовлетворяет соотношению (2.10), то максимальное усилие механизма предварительного поджима волоки должно быть выбрано таким, чтобы создавать на калибрующей части канала волоки удельные усилия, достаточные для начала прохождения пластической деформации в условиях разноименного напряженного состояния. В этом случае усилие предварительного зажима может быть определено из выражения (2.6) подстановкой значения σn.
Из условия пластичности при волочении в калибрующей зоне волоки для плоской деформации имеем:
где σl — главное (растягивающее) напряжение; σs — истинный предел текучести.
где tj — толщина i-той полки профиля; Sсеч — площадь поперечного сечения полки профиля.
Из выражений (2.11) и (2.12) получаем
Поскольку при волочении стремятся к уменьшению коэффициента трения, то его значения могут не удовлетворять неравенству (2.10). Это прежде всего относится к случаю, когда волочение производится в холодном состоянии. Величины коэффициентов трения f и будут при этом близки, и затягивания элементов волоки не произойдет. Тогда необходимо, чтобы усилие механизма заталкивания обеспечивало внедрение рабочей части волоки в металл профиля и тем самым создавало сцепление для дальнейшего затягивания волоки за счет усилия, прикладываемого к профилю. Величину усилия поджима можно определить из предположения, что при внедрении волоки в металл происходит процесс, подобный вдавливанию плоского пуансона в полупространство при наличии контактного трения. Необходимое значение σn в этом случае равно 2,88 σs, тогда сила поджима будет равна
При проектировании устройства для теплого волочения тонкостенных профилей из стали ЭП 410уш и ЭП 310ш был произведен расчет необходимого усилия механического толкателя для предварительного поджима элементов волоки по формуле (2.6). Для профилей типа "тавр", "крест", "уголок", диаметр описанной окружности которых до 80 мм, необходимое усилие толкателя составляло 1,5—2,0 т. На рис. 11 представлен механизм предварительного заталкивания элементов само затягивающейся волоки.
Для нагрева профильной заготовки наиболее целесообразно применять муфельные Электропечи, позволяющие нагревать профили разнообразной конфигурации. Электронагрев заготовки в таких печах осуществляется излучением муфеля (трубы), нагреваемого током промышленной частоты. Для сокращения времени нагрева заготовок крупного сечения целесообразно в линию печи установить электроконтактный нагрев. Это позволит использовать нагревательные установки как печи для выравнивания температуры.
С целью повышения производительности перед станом часто устанавливают двухмуфельные печи, которые имеют поперечное перемещение и могут поочередно устанавливаться на линии волочения. Для снижения потери тепла заготовки во время калибрования печь снабжают механизмом перемещения к инструменту вдоль оси обработки. Расстояние между печью и волочильной доской стана за счет продольного перемещения печи уменьшается с 800 до 200 мм.