Принципы калибровки инструмента деформации при производстве колес не отличаются от общих принципов калибровки инструмента при производстве других изделий методами штамповки или прокатки.
Для проектирования калибровки необходимо, с учетом припусков на механическую обработку и изменения взаимного расположения отдельных элементов в результате термической обработки установить размеры колеса до его механической и термической обработки (так называемого чернового колеса) и рассчитать размеры горячего колеса, полученного с последнего агрегата прессо-прокатной линии.
Для экономии металла при производстве колес доля допуска, используемая при калибровке, и величина припуска на обработку должны быть возможно меньшими. Вместе с тем эти величины должны быть реальными, так как при чрезмерно малых допусках и припусках, не учитывающих фактического состояния качества поверхности и точности геометрических размеров колес, потери от брака из-за отсутствия возможности отремонтировать дефект могут оказаться больше, чем экономия металла за счет снижения допусков и припусков. Обычно для производства колес по технологии, действующей в отечественных цехах, для расчета оптимальных размеров обработанного колеса принимают 1/2 – 2/3 поля допуска. Совершенствование способов получения заготовок и методов производства колес должно быть направлено на дальнейшее снижение допусков.
Для определения размеров чернового колеса устанавливают величину припуска на механическую и термическую обработку. Припуск зависит от целого ряда факторов, однако, как правило, один из них является определяющим.
Припуск на наружный диаметр чернового колеса должен учитывать его овальность, уменьшение диаметра в процессе термической обработки, но определяющим фактором для определения припуска здесь является отсортировка колес в брак по неметаллическим включениям. Для определения оптимального припуска на обточку колеса по наружному диаметру необходимо сопоставить убытки от брака, которые при увеличении припуска уменьшаются и отходы в стружку, которые при этом возрастают.
Необходимо учесть изменения размеров колеса в зависимости от температуры нагрева.
Для наружного диаметра колеса в связи с его последующей обточкой высокая точность определения горячего размера менее значима и наибольшее практическое влияние точного определения коэффициента линейного расширения, а также правильного учета упругой деформации инструмента сказывается на внутреннем диаметре обода с внутренней стороны колеса. Коэффициент, учитывающий совместное влияние температуры и упругой деформации выгибных штампов установлен 1,015. Здесь коэффициент линейного расширения принят равным , а разность между температурой горячей деформации на стане и остывших колес 
.
Размеры колеса в горячем состоянии равны, мм:
где – коэффициент линейного расширения;
– размеры колеса в холодном состоянии, мм
Конструкция и размеры цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø J-33." по ААР М-107/М-208-2010, представлены на рис. 3.1.
Колесо цельнокатаное для североамериканских железных дорог Ø J-33"
* Размеры для справок,
** Размеры обеспечиваются инструментом.
В табл. 6 приведены размеры, которые приняты при расчете калибровки цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø33".
Таблица 6
Расчетные размеры элементов колеса
| Наименованиеразмеров | Размерыготовогоколеса, мм | Размерычерновогоколеса, мм | Размерыгорячегоколеса, мм | |
| Наружныйдиаметробода |  | 848,2 | 861 | |
| Внутреннийдиаметробода |   | 768,7 768,7 | 780 780 | |
| Ширина | Обода Гребня |   | 142 32 | 144 33 |
| Высотагребня | 26,3 | 26,7 | ||
| Толщинадиска | у обода у ступицы |   | 22,1 22,1 | 40,8 40,6 |
| Диаметрступицы | с наружной стороны с внутренней стороны |   | 275,9 275,9 | 280 280 |
| Длинаступицы |  | 199 | 202 | |
| Диаметротверстия в ступице |  | 201 | 204 | |
| Выступступицы |  | 60,2 | 61,1 | |
Определяем массу и размер заготовки
Выбор оптимальной массы исходной заготовки способствует получению размеров готового колеса в заданных пределах, облегчает настройку всех агрегатов, входящих в горячий конвейер, и позволяет быстро налаживать технологический процесс. При наличии значительных отклонений от заданной оптимальной массы заготовки будут иметь место отклонения в размерах готовых колес, устранение которых может потребовать изменений в наладке оборудования, а в некоторых случаях приводить к снижению производительности.
Для определения массы заготовки определим сначала массу чернового колеса. Плотность отдельных частей готового колеса можно считать одинаковой, и поэтому определение веса готового колеса может быть сведено к определению его объема.
Для определения объема чернового колеса воспользуемся компьютерным приложением SolidWorks 2010, где, начертив его разрез, моделируем трехмерное изображение. В результате получаем объем чернового колеса равный 62197999,74 мм 3 . Объем выдавки на прессе К5000 определяем аналогично, с учетом температурного расширения, он составит 5277449 мм 3 .
Принимая плотность колесной стали марки С равной 7850 кг/м 3 , по формуле (2) определим массу чернового колеса:
, (2)
где M ч – масса чернового колеса, кг;
V – объем чернового колеса, м 3 ;
ρ – плотность стали, кг/м 3 .
С учетом массы выдавки, угара металла в печи номинальная масса заготовки составит:
Диаметр непрерывно литой заготовки составляет 430 мм, зная ее объем, определим высоту заготовки по выражению:
(3)
где R – радиус заготовки, мм.
(мм).
Принимаем высоту заготовки 
мм.
Расчет калибровки инструмента деформации выгибного пресса.
Калибровку инструмента горячей деформации рассчитываем в порядке, обратном ходу технологического процесса, поэтому, прежде всего, рассмотрим калибровку инструмента деформации выгибного пресса.
Диаметр верхних штампов, определяющий внутренний диаметр обода с наружной стороны колеса, принимаем равным соответствующему горячему размеру. Диаметр верхнего штампа на расстоянии 10 мм от торца обода составляет 
. Диаметр нижних штампов устанавливается аналогично: 
.
Для расчета высотыК периферийной части штампов, а также некоторых, других его размеров необходимо учитывать следующее. При выгибке диска штампы соприкасаются с колесом не по всей поверхности. Верхний штамп находится в контакте с колесом на участке перехода диска в ступицу, а нижний - на участке перехода диска в обод. Между верхним штампом и колесом на участке перехода диска в обод, равно как и между нижним штампом и колесом на участке перехода диска в ступицу, имеется зазор, который необходим в связи с допуском на толщину диска у обода и у ступицы (фактически 3 мм). Если бы указанного зазора не было, то при толстом диске штампы соприкасались бы с ним, и калибровка обода по ширине стала невозможной.
Так как припуск при торцовке обода с внутренней и наружной стороны колеса принят одинаковым, то расстояние от оси диска до торцов обода в горячем колесе принимаем:
(4)
(5)
где – ширина обода в горячем состоянии, мм;
t – расстояние от внутреннего торца обода до оси симметрии диска (с
учетом температурного расширения), принимаем равным 76,4 мм.
(мм).
Тогда с учетом ранее изложенного высота периферийной части штампов будет равна:
, (6)
, (7)
где – толщина диска у обода, мм;
– зазор, равный 6 мм.
(мм),
(мм).
Принимаем 
мм, 
мм.
Уклон периферийной части штампов принимаем по чертежу колеса:
Аналогично определяем уклон полости штампов по размерам ступицы:
В связи с использованием верхних и нижних глуходонных штампов, (в нижнем штампе дном служит выталкиватель, а в верхнем – цилиндр прошивня), калибрующих торец ступицы с наружной и внутренней стороны колеса, необходимо определить длину горловины штампов h . Этот размер определяем на обе стороны от оси симметрии по длине ступицы.
, (8)
, (9)
где L c – длина ступицы, равная 196,7 мм;
l c − выступ ступицы, равный 63,5 мм;
t – расстояние от внутреннего торца обода до оси симметрии диска,
равное 76,4 мм;
t c – толщина ступицы у диска, равная 37,5 мм.
h В = (63,5+76,4) - 37,5/2 = 121,15(мм),
h н = 196,7-121,15-37,5 = 37,7(мм).
Наружный диаметр полотна штампов определим из простого геометрического соотношения:
, (10)
где – диаметр штампов, мм;
– высота периферийной части, мм;
– уклон периферийной части штампов.
Рассчитав по формуле (2.7) получаем:
Принимаем 
мм, мм. Округление в большую сторону связано с возможностями пресса большего усилия для исправления геометрической асимметрии колеса.
Выступ центральной части по отношению к периферийной для верхнего штампа или, наоборот, периферийной части над центральной для нижнего, так называемый прогиб штампа, должен обеспечивать требуемый прогиб диска в готовом колесе. По чертежу колеса, получаем следующие соотношения для определения прогиба диска с наружной стороны () и с внутренней ():
, (11)
где – ширина диска у ступицы и обода соответственно, мм.
На заготовке колеса после окончания деформации выступание должно быть меньшим, так как при охлаждении колеса, а затем и в результате термической обработки оно возрастает на эту величину. При конструировании штампов следует учитывать также зазоры между полотнами штампов и диском, необходимые для нормального хода процесса выгибки и калибровки колеса. Так как ступица при прошивке отверстия неподвижна, то дополнительный прогиб диска при прошивке отверстия отсутствует. Принимаем мм.
Для определения диаметра полости верхнего штампа под ступицу рассчитаем размеры этой части ступицы в горячем состоянии. Расчетный диаметр ступицы готовой заготовки колеса на расстоянии 10,15 мм с внутренней стороны равен А в = 312,4 мм, с наружнойА н = 308 мм (с учетом допуска и температуры).
Большой диаметр полости верхнего штампа составит:
B в = A в +2h в tgК , (12)
где h в – длина горловины верхнего штампа, равная 121,15 мм;
К – величина уклона бокового стенки ступицы, равная 34 о.
В в = 312,4+2·121,15·tg 34 о = 475,8 (мм).
Большой диаметр полости нижнего штампа определяем аналогично, он составит:
В н = 308+2·37,7·tg 12 о = 324 (мм).
Диаметр прошивня принимаем равным 173,4 мм, остальные размеры, зависящие от конструкции пресса, определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Основные размеры выгибных штампов указаны в табл. 7
Таблица 7
Основные размеры выгибных штампов для производства цельнокатаного колеса для североамериканских железных дорог Ø33"
Калибровкаэджерныхвалков
При калибровке деформирующего инструмента для прокатки колеса следует не только учитывать индивидуальное назначение валка или группы валков, но и их работу по формоизменению заготовки во взаимосвязи друг с другом.
Новый колесопрокатный стан имеет 9 валков, причем заготовка при прокатке располагается вертикально.
Наклонные валки раскатывают колесную заготовку по диаметру и сглаживают вновь образовавшуюся вследствие раскатки поверхность диска колеса. Рабочая часть наклонных валков образуется путем сочетания двух усеченных конусов, соединенных своими основаниями.
Для уменьшения скольжения между металлом и валком в связи с различными линейными скоростями точек, находящихся на разном расстоянии от центра заготовки, эти валки устанавливают под углом к горизонтальной плоскости.Принимаем угол наклона 30º для обоих валков.
Диаметр эджерных валков (рис. 2) принимаем с учетом возможности переточки равным 290 мм для каждого валка.
Расчетная длина образующей начального конуса должна быть определена из размеров обода горячего колеса, которое поступает на выгибной пресс. Часть обода под диском рассчитаем по формулам (3.6) и (2.7) без учета зазора δ, с учетом последующей калибровки обода по высоте (≈2 мм).
(мм),
(мм).
Принимаем диаметр валка в месте пересечения начального и концевого конусов равным 435 мм (учитывая возможность переточки 15 мм в процессе эксплуатации).
Эджерный валок
Угол между образующей начального конуса и образующей концевого конуса равен: 
. Угол между осью симметрии эджерного валка и образующей начального конуса равен: 
, тогда угол между осью симметрии валка и образующей начального конуса будет равен: .
Длину образующей начального конуса и длину её проекции на ось симметрии валка определим из следующих геометрических соотношений:
, (13)
, (14)
где − диаметр валка в месте пересечения начального и концевого конусов, мм;
− диаметр цилиндрической части валка, мм.
(мм),
Радиус сопряжения начального и концевого конусов равен 26 мм. Тогда расстояние от цилиндрической образующей валка до точки приложения этого радиуса, определяется:
Длина образующей концевого конуса определяется конструктивно, при этом следует иметь ввиду, что наклонный валок должен размещаться между ободом и ступицей, не повреждая ступицу при загрузке колеса в стан и во время прокатки. С учетом возможности переточки в процессе эксплуатации минимальный диаметр концевого конуса принимаем 336,5 мм. Тогда горизонтальная проекция образующей концевого конуса и длинна образующей будут равны:
, (15)
, (16)
где − диаметр валка в месте пересечения начального и концевого
конусов, мм;
− минимальный диаметр концевого конуса, мм.
(мм),
(мм).
Основные размеры эджерных валков указаны в табл. 3.3, размеры остальных элементов эджерных валков, необходимых для крепления их к валам, зависят от конструктивных особенностей стана и определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Эджерный валок для производства цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø J-33"
Таблица 8
Основные размеры эджерных валков для производства цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø J-33"
Определение размеров конических (боковых) валков
Боковые ролики обжимают обод по ширине, фиксируя определенный заданный размер.
Угол при вершине конуса оптимально принять 35°, в соответствие с рекомендациями
Длину конуса (горизонтальную проекция полотна) в соответствии с возможностями стана (конструктивными размерами) принимаем равной 399 мм. Прямолинейный участок на боковой поверхности принимаем 60 мм.
Диаметр меньшего основания усеченного конуса (допуская возможность переточки 15 мм) принимаем 217,5 мм.
Тогда максимальный диаметр конуса, который не изменяется по мере переточек валка составляет 486 мм.
Определим длину образующей конуса:
(мм).
Определение размеров нажимного валка.
Калибровку коренного валка осуществляют таким образом, чтобы обеспечить необходимый профиль поверхности катания и гребня у чернового колеса, то есть контур валка полностью повторяет поверхность катания и гребень готового чернового колеса (рис. 4).
Принимаем диаметр коренного валка равным 1300 мм, который является номинальным по проекту установленного стана.
Высоту калибра валка принимаем на 10–15 мм больше ширины обода отформованной заготовки, то есть 189 мм. Размеры коренного валка по поверхности непосредственно контактирующей с заготовкой повторяют размеры чернового колеса. Ширину валка принимаем равной 198 мм.
Размеры остальных элементов валка, необходимых для крепления, зависят от конструктивных особенностей стана и определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Ведущие ролики имеют цилиндрическую форму: диаметр равен 280 мм (с учетом возможности переточки 10 мм); ширина 130 мм.
Нажимной валок для производства цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø33"
Для центрирующих роликов: диаметр по ручью 300 мм, в плоскости круга катания 379,74 мм (с учетом возможности переточки 15 мм); уклон профиля 2,9°; остальные размеры в соответствие с размерами гребня и круга катания у чернового колеса.
Калибровка инструмента деформации формовочного пресса.
Осаженная заготовка поступает на формовочный пресс для формовки из нее колесной заготовки. На формовочном прессе получают полное оформление ступица и значительная часть диска, прилегающая к ней. Кроме того, обод подготавливается к последующей прокатке. Этим и определяются конфигурация и размеры деформирующего инструмента пресс: верхнего (рис.5) и нижнего штампов (рис.6); формовочного кольца для оформления обода заготовки; оправки.
Инструмент деформации, использующийся при штамповке колесных заготовок, состоит из штампов, оправки и формовочных колец.
Размеры заготовки на формовочном прессе определим по формуле (2.1), с учетом разницы между температурами деформации заготовки на формовочном и выгибном прессах, которая составляет 150 0 С.
Определение размеров центральной полости формовочных штампов связано с аналогичными ее размерами в выгибных штампах.
Формовочныйверхнийштамп
Формовочный нижний штамп
Как было установлено выше, длина выступающих над диском частей ступицы после выгибного пресса составляет h в =121,15 мм, h н =37,7 мм. С учетом температурного расширения, некоторого обжатия ступицы с внутренней стороны и диска в выгибном штампе (0,6 мм и 0,1 мм соответственно), а также, обжатия металла по высоте диска эджерными валками в начальный момент прокатки (2 мм), указанные размеры формовочного пресса определяем по следующим выражениям:
, (17)
где – размеры на выгибном прессе, мм.
Ранее было показано, что диаметр ступицы горячей заготовки колеса на расстоянии 10,15 мм от торца ступицы с внутренней стороны равен А в = 312,4 мм, с наружнойА н = 308 мм. Тогда на формовочном прессе, с учетом разницы температур, диаметр ступицы колеса на расстоянии 10,17 мм от торца с внутренней стороны равен А в = 313 мм, с наружнойА н = 308,6 мм. С учетом раздачи полости штампа, которая имеет место в самом начале его эксплуатации, принимаемА в = 314 мм, с наружнойА н = 309,6 мм.
Диаметр центральной полости штампа у полотна найдем из соотношения:
, (19)
где – уклон полости штампов (для нижнего 
, для верхнего 
).
На штампах выполнен уклон 1°, для увеличения толщины диска от центральной к периферийной области, это способствует течению металла в обод при штамповке.
Диаметр полотна штампов следует определять исходя из требуемой величины раскатки и необходимого усилия пресса. Оптимальная величина раскатки колеса по диаметру равной 174 мм.
Исходя из принятой величины раскатки и внутреннего диаметра колеса, определим наружный диаметр штампов:
, (20)
где – внутренний диаметр выгибных штампов, мм;
В – величина раскатки по диаметру, мм.
Высота периферийной рабочей части формовочных штампов должна быть определена как сумма толщины части обода колеса, выступающей над диском, и величины обжатия на стане. С учетом уклона и диаметра диска возле ступицы, утолщение диска у обода примем равным 2,3 мм.
Определим высоту штампов. Вследствие того, что конические валки не имеют привода, зададим обжатие на стане по высоте обода. Опыт производства колес в условиях КБЦ НТМК показывает, что суммарная величина обжатия обода по ширине 5…8 мм, является достаточной для полной выкатки торцов обода на колесопрокатном стане. А рациональным значением отношения абсолютных обжатий с внутренней и наружной сторон поковки, вследствие того, что передний конусный валок из-за сужения обода к торцу наружной стороны осуществляет большее обжатие, чем задний является величина 
= 0,1…0,3. Примем суммарное обжатие равным 3,5 мм, причем со стороны переднего валка 
мм, а со стороны заднего 
мм.
Тогда высоту периферийной рабочей части штампов, с учетом последующей калибровки обода по высоте (≈2 мм), можно определить из выражения:
гдеВ − высота участков обода вне диска на выгибном прессе, мм;
Н − обжатие, мм;
– разница в толщина диска у ступицы и у обода после
колесопрокатного стана, мм;
− обжатие металла по высоте диска эджерными валками в начальный
момент прокатки, мм.
Получаем для верхнего и нижнего штампов:
Уклон периферийной зоны для улучшений условий деформирования, учитывая, что форма этого участка будет окончательно образована на стане и выгибном прессе, принимаем равным γ = 20º, а радиус сопряжения периферийного конуса с полотном верхнего и нижнего штампов по 37,5 мм.
Диаметр полотна штампов определим из соотношения:
Для определения размеров формовочного кольца воспользуемся следующими данными. Кольцо должно обеспечивать предварительное формообразование обода и гребня колеса: ширину обода и гребня, с учетом последующего обжатия конусными валками (стороны переднего валка 
мм, а со стороны заднего 
мм); требуемые радиусы сопряжения гребня с ободом (кроме сопряжения гребня с внутренним торцом обода); требуемый уклон наружной поверхности обода (принимаем 7 0); уклон поверхности гребня 20 0 . С учетом выше перечисленного, определим размеры поверхности формовочного кольца контактирующей с ободом.
Ширину гребня определим из выражения:
, (23)
где b − ширина гребня на выгибном прессе, мм.
Ширину обода можно определить, с учетом последующей калибровки обода по высоте на выгибном прессе (≈2 мм), аналогично:
где h − ширина обода на выгибном прессе, мм.
Размеры формовочных штампов приведены в табл. 2.4. Размеры оправки пресса в полной мере определены размерами отверстия в ступице горячего колеса. Высоту оправки нижнего штампа принимаем 42,8 мм, а верхнего 108 мм, остальные их размеры определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Таблица 9
Размеры формовочных штампов для производства цельнокатаных колес для североамериканских железных дорог Ø J-33"
| Размер | Верхнийштамп | Нижнийштамп |
| Наружныйдиаметр , мм | 653 | 653 |
| Периферийная часть: уклон, град. радиус сопряжения | ||
| 65,7 | 54,7 | |
| 20 | 20 | |
| 37,5 | 37,5 | |
| Полотно штампа, мм: | ||
| 605,2 | 613,2 | |
| Высота ступичной полости штампа | 36,72 | 120,34 |
| Диаметр полости у торца штампа | 309,6 | 314 |
| Большойдиаметрполостиштампа | 365,6 | 360,6 |
| Уклонполости , град. | 12 | 34 |
Размеры необходимые для крепления штампов к штамподержателям определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Калибровка инструмента деформации обжимного пресса.
Заготовка после удаления окалины на установке гидросбива попадает на обжимной пресс.
Деформирование на прессе производиться следующим образом. Заготовка подается на обжимной стол и центрируется, а затем происходит обжатие в калибровочном кольце. Не будучи закрепленным на обжимном столе, калибровочное кольцо может перемещаться под давлением деформируемой заготовки и тем самым принимать положение, концентричное по отношению к заготовке (плавающее кольцо).
Осаживание литой заготовки на прессе производиться с помощью сменных плоских плит, прикрепляемых к столу и верхнему штамподержателю, и размеры которых зависят от конструкции штамподержателя и приведены на чертеже.
Диаметр осаженной заготовки – «плюшки» – должен быть больше диаметра штампа формовочного пресса – во избежание образования зажимов в местах сопряжения поверхностей давления штампов с их боковой поверхностью. Диаметр плюшки должен быть близок к диаметру формовочного кольца для того, чтобы обеспечить воздействие формовочного кольца в первый период штамповки и тем самым гарантировать заполнение центральной полости штампа металлом. Вместе с тем чрезмерное увеличение диаметра плюшки может привести к образованию зажимов в месте перехода от обода к диску колесной заготовки. Это произойдет вследствие смещения металла плюшки в наружной полости книзу под давлением формовочного кольца.
Оптимальное обжатие при формировании диска составляет ≈ 85 мм, следовательно высота плюшки перед формовочным прессом должна быть порядка 123,3 мм. Высота калибровочного кольца должна быть несколько меньше высоты осаженной заготовки для возможности регулирования степени деформации.
Уклон калибровочного кольца примем 20 0 . Для определения диаметра калибровочного кольца будем считать, что в сечении «плюшка» представляет собой трапецию, высотой 123,3 мм. Тогда площадь трапеции F может быть определена:
, (25)
где a 1 – полусумма оснований, мм;
H − высота «плюшки», мм.
Согласно второй теореме Гульдина− Паппа объём тела, образуемого при вращении фигуры, лежащей в плоскости целиком по одну сторону от оси вращения, равен произведению площади фигуры на длину окружности, пробегаемой центром масс этой фигуры.
Тогда с достаточной степенью точности объем плюшки (рис. 3.9) можно принять равным:
(26)
Полусумму оснований трапеций можно определить по следующему выражению:
(27)
(мм).
Внутренний диаметр калибровочного кольца у основания верхнего штампа D min определим из выражений:
, (28)
где α – угол наклона формовочного кольца, равный 20 0 .
(мм).
Высота калибровочного кольца должна быть несколько меньше высоты осаженной заготовки для обеспечения возможности регулирования степени осадки, примем высоту кольца 99 мм. Размеры наружного диаметра калибровочного кольца выбираем с учетом свободного его перемещения в оснастке. Остальные размеры инструмента деформации определяются по чертежам КБЦ АО «ЕВРАЗ» НТМК.
Основным инструментом для прокатки являются валки, которые в зависимости от прокатываемого профиля могут быть гладкими (рис. 3.20, а), калиброванными (ручьевыми) (рис. 3.20, б) и специальными. Гладкие валки применяют при прокатке листов, полос и т. п. На калиброванных валках прокатывают все виды сортового проката. Специальные валки используются при производстве специальных видов проката.
Валки имеют рабочую часть (бочку) 1, две шейки 2для установки в подшипниках и крестообразные концы (трефы) 3 для соединения валка с приводом (рис. 3.20).
На рабочей (боковой) поверхности калиброванных валков имеются канавки - ручьи. Совокупность ручьев пары валков называется калибром. На каждой паре валков обычно размещается несколько калибров. Калибры могут быть открытыми (рис. 3.20, в) и закрытыми (рис. 3.20, г).
Валки шейками опираются на подшипники, установленные в станине. С помощью специального нажимного механизма расстояние между валками может регулироваться. Комплект прокатных валков со станиной называют рабочей клетью. Прокатный стан состоит из одной или нескольких рабочих клетей и привода, включающего электродвигатель и передаточный механизм (рис. 3.21).
В зависимости от конструкции и расположения валков рабочие клети прокатных станов подразделяют на шесть групп (рис. 3.22): дуо, трио, кварто, многовалковые, универсальные и специальной конструкции.
Клети дуо (двухвалковые) бывают реверсивные (прокатка ведется в обе стороны) и нереверсивные (прокатка ведется в одну сторону). Клети трио (трехвалковые) чаще всего нереверсивные. Прокатка на таких станах ведется вперед между нижним и средним валком и назад между верхним и средним. Клети кварто (четырехвалковые) имеют четыре валка, расположенные друг над другом, из них два рабочих валка меньшего диаметра и два опорных - большего диаметра. Благодаря жесткости и относительно малому прогибу опорных валков на этих клетях производится холодная прокатка тонких полос и узких лент с малым допуском по толщине. Универсальные клети имеют горизонтальные и вертикальные валки: последние обеспечивают обжатие металла в поперечном направлении. Вертикальные валки располагаются, как правило, с передней стороны. К клетям специальной конструкции относятся клети прокатных станов узкого назначения: колесопрокатных, бандажепрокатных, кольцепрокатных, шаропрокатных, станов для прокатки профилей переменного сечения.
По роду выпускаемой продукции прокатные станы классифицируют на следующие основные типы: обжимные, заготовочные, рельсобалочные, сортовые, проволочные, листопрокатные, трубопрокатные и станы специального назначения.
Обжимные станы предназначены для обжатия стальных слитков в крупные заготовки. К обжимным станам относятся блюминги, производящие заготовки квадратного профиля - блюмы и слябинги, производящие прямоугольный прокат - слябы.
Заготовительные станы используют для прокатки блюмов в сортовые заготовки, преимущественно квадратного сечения, которые в дальнейшем используются для проката на сортовых станах.
Рельсо-балочные станы служат для получения из блюмов рельсов, крупных балок, швеллеров и других профилей.
Сортовые станы, применяют для изготовления сортового проката простого и фасонного профиля.
Проволочные станы предназначены для прокатки проволоки диаметром 5 … 10 мм.
Листопрокатные станы, подразделяют на толстолистовые и тонколистовые. Толстолистовые станы прокатывают лист толщиной более 6 мм. Заготовкой являются слябы.
Трубопрокатные станы применяют для производства бесшовных и сварных труб.
Специальные станы предназначены для получения заготовок специального и периодического профилей. На специальных станах прокатывают шарики, ребристые трубы, вагонные оси, зубчатые колеса и много других изделий сложной конфигурации.
ОМД
Получение машиностроительных Получение заготовок и деталей
профилей
прокатка прессование волочение ковка горячая холодная
объемная листовая
Штамповка штамповка
Машиностроительный профиль – это длинномерное изделие с определенной формой поперечного сечения. Длина профиля значительно больше поперечных размеров. Примеры профилей: рельсы, балки, прутки, трубы, проволока.
Прокатное производство
Прокатка – способ получения изделий при пластическом деформировании нагретой заготовки между вращающимися валками. При этом силы трения между валками и заготовкой втягивают ее в межвалковый зазор, а нормальные силы, перпендикулярные к поверхности валков, производят работу деформации.
Схемы прокатки
1) Продольная прокатка : заготовка движется поступательно, перпендикулярно осям валков, валки вращаются в разные стороны (рис. 10, а ).
2) Поперечная прокатка : оси валков и заготовки параллельны, валки вращаются в одну сторону, а заготовка – в противоположную (рис. 10, б ).
3) Поперечно-винтовая прокатка : валки вращаются в одну сторону, заготовка одновременно вращается в противоположном направлении и движется поступательно между валками (рис. 10, в ).
а б в
Рис. 10. Схемы прокатки: а – продольная; б – поперечная;
в – поперечно-винтовая
Деформация и силы при прокатке
Объем металла, в котором в данный момент происходит пластическая деформация, называется очагом деформации .
На рис. 11 показано сечение ABCD очага деформации плоскостью чертежа. По мере вращения валков очаг деформации перемещается по прокатываемому металлу.
Дуга AB
, по которой валок соприкасается с металлом заготовки, называется дугой захвата
, а угол α
между радиусами валка, опирающийся на дугу захвата, – углом захвата
.
На заготовку действует сила трения T
, направленная по касательной к окружности валка, – она втягивает заготовку в зазор (рис. 12). Нормальная реакция опоры N
, направленная по радиусу, выталкивает заготовку. Для того чтобы заготовка втягивалась в зазор, должно выполняться условие Tx
> Nx
, т. е.
T ∙cos α > N ∙sin α ;
сила трения T = N ∙k тр, следовательно
N ∙k тр∙cos α > N ∙sin α ;
k тр > tg α .
Условие захвата металла валками : коэффициент трения между валками и заготовкой должен превышать тангенс угла захвата.
Тогда силы трения будут втягивать заготовку в межвалковый зазор, и прокатка пойдет. В противном случае валки будут отталкивать заготовку.
При горячей прокатке стали угол захвата составляет от 15 до 24º, а при холодной – от 3 до 8º. Это значит, что при горячей прокатке можно уменьшить высоту заготовки H на бо льшую величину, чем при холодной, так как силы трения при горячей деформации больше.
Деформацию при прокатке определяют двумя величинами: относительным обжатием ε и коэффициентом вытяжки µ .
Относительное обжатие определяется как
где ΔH = H – h – абсолютное обжатие, мм;
коэффициент вытяжки
где l
0 и F
0 – длина и площадь поперечного сечения заготовки до прокатки, а l
и F
– после.
Величина обжатия составляет обычно 40-60 %, а вытяжка µ = 1,2÷2,0.
Инструмент для прокатки
Инструмент для прокатки – это валки (рис. 13). Рабочая часть валка называется бочкой , шейки служат для опоры на подшипники, фасонный выступ, называемый трефой , – для передачи валку вращения от привода. Валки – парный инструмент: клеть прокатного стана состоит из двух или более валков (но не одного).
В зависимости от формы рабочей части валки могут быть гладкими
(рис. 13, а
), ступенчатыми и ручьевыми
(рис. 13, б
). Гладкие валки служат для прокатки листа. У ручьевых валков на боковой поверхности имеются вырезы – ручьи
. При смыкании пары валков их ручьи образуют просвет определенной формы – калибр
(рис. 13, в
). Поперечное сечение прокатываемой заготовки принимает форму калибра. Такие валки служат для получения сортового проката.
Изображенный на рис. 13, в , калибр называется открытым , так как линия разъема валков проходит через калибр; в противном случае (линия разъема валков вне калибра) калибр закрытый :
Оборудование для прокатки
Комплект валков со станиной образует рабочую клеть . Рабочая клеть с передаточным механизмом и электродвигателем – это рабочая линия прокатного стана (рис. 14). Передаточный механизм состоит из редуктора , шестеренной клети, шпинделей и муфт. Редуктор понижает число оборотов электродвигателя, шестеренная клеть передает вращение с одного вала на два шпинделя, чтобы привести в движение оба валка. Нажимное устройство позволяет регулировать положение верхнего валка, т. е. величину зазора.
Рис. 15. Клети прокатных станов:
а – клеть трио; б – клеть кварто; в – многовалковая; г – универсальная
В трёхвалковой клети заготовка прокатывается вначале между нижним и средним валками, а потом – в обратном направлении, между средним и верхним.
В случае четырёх валков в клети два из них являются рабочими, а два других, большего диаметра, – опорными. Они нужны, чтобы уменьшить деформацию рабочих валков.
Во многовалковых клетях рабочие валки – бесприводные, вращение им передается от приводных валков, а те, в свою очередь, опираются на большие опорные валки. Таким способом достигается минимальная деформация рабочих валков и высокая точность размеров прокатываемой заготовки.
Универсальные клети с двумя парами валков, расположенных одна горизонтально, другая – вертикально, позволяют обрабатывать и боковые стороны заготовки. Это нужно для толстых листов, плит, широкополочных балок.
В самых мощных прокатных станах – блюмингах и слябингах – клети реверсивные : направление вращения валков меняется после каждого прохода.
По числу рабочих клетей станы могут быть одно - и многоклетьевыми. Наиболее современные – многоклетьевые непрерывные станы. На них полоса металла одновременно прокатывается в нескольких клетях.
По назначению прокатные станы подразделяются на:
Станы полупродукта Станы готового проката
Обжимные Заготовочные Сортовые Листовые Трубные
Исходной заготовкой для получения всех видов проката служат слитки, которые на обжимных станах прокатываются на блюмы или слябы. Затем блюмы поступают на заготовочные станы, а оттуда – на сортовые или трубные станы. Из слябов на листовых станах прокатывают листы. Периодический прокат изготавливают из полупродуктов соответствующего сечения, а штучные заготовки (кольца, колеса) – из отдельных литых или штампованных заготовок. Шары получают из прутков.
Продукция прокатного производства
Все многообразие профилей проката называется сортаментом . Сортамент делится на четыре группы:
1. Сортовой прокат – простые и фасонные профили (рис. 16).
Рис. 16. Профили сортового проката – простые (а –е ) и фасонные (ж –л ):
а – круг; б – квадрат; в – полоса; г – шестигранник; д – овальная сталь; е – сегментная сталь; ж – уголок; з – швеллер; и – тавровая балка; к – двутавровая балка; л – рельс
2. Листовой прокат – толстый лист (толщиной свыше 4 мм), тонкий лист (менее 4 мм) и фольги (менее 0,2 мм). Максимальная толщина может составлять 160 мм (броневые плиты).
По назначению листовой прокат делится на автотракторную листовую сталь, электротехническое , трансформаторное железо, кровельную жесть и т. д. Листы могут быть покрыты цинком, оловом, алюминием , пластиком.
3. Трубы – бесшовные (диаметр от 30 до 650 мм, толщина стенки от 2 до 160 мм) и сварные (диаметр от 5 до 2500 мм, толщина стенки от 0,5 до 16 мм).
4. 
Специальные виды проката
: кольца, шары, шестерни, колеса, периодический прокат. Периодический прокат используют для получения штампованных поковок и обработки деталей резанием с минимальными отходами.
Лекция 4
Прессование
Прессование – процесс получения изделий путем выдавливания нагретого металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстие инструмента (матрицы). Существуют два способа прессования: прямой и обратный. При прямом прессовании (рис. 17, а ) металл выдавливается в направлении движения пуансона. При обратном прессовании (рис. 17, б ) металл движется из контейнера навстречу движению пуансона.
Исходной заготовкой для прессования является слиток или горячекатаный пруток. Для получения качественной поверхности после прессования заготовки обтачивают и даже шлифуют.
Нагрев ведется в индукционных установках или в печах-ваннах в расплавах солей. Цветные металлы прессуются без нагрева.
 |
Рис. 17. Прессование прямое (а) и обратное (б) :
1 – контейнер; 2 – пуансон; 3 – заготовка; 4 – игла; 5 – матрица; 6 – профиль
Деформация при прессовании
При прессовании реализуется схема всестороннего неравномерного сжатия, при этом нет растягивающих напряжений. Поэтому прессовать можно даже стали и сплавы с низкой пластичностью, например, инструментальные. Даже такие хрупкие материалы как мрамор и чугун поддаются прессованию. Таким образом, прессованием можно обрабатывать материалы, которые из-за низкой пластичности другими методами деформировать невозможно.
Коэффициент вытяжки µ при прессовании может достигать 30-50.
Инструмент для прессования
Инструмент – это контейнер, пуансон, матрица, игла (для получения полых профилей). Профиль получаемого изделия определяется формой отверстия матрицы; отверстия в профиле – иглой. Условия работы инструмента очень тяжелые: большие контактные давления, истирание, нагрев до °С. Его изготавливают из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов.
Для уменьшения трения применяют твердые смазки: графит, порошки никеля и меди, дисульфид молибдена.
Оборудование для прессования
Это гидравлические прессы, с горизонтальным или вертикальным расположением пуансона.
Продукция прессования
Прессованием получают простые профили (круг, квадрат) из сплавов с низкой пластичностью и профили очень сложных форм, которые нельзя получить другими видами ОМД (рис. 18).
Рис. 18. Прессованные про
фили
Преимущества прессования
Точность прессованных профилей выше, чем прокатанных. Как уже говорилось, можно получать профили самых сложных форм. Процесс универсален с точки зрения перехода с размера на размер и с одного типа профиля на другой. Смена инструмента не требует больших затрат времени.
Возможность достижения очень высоких степеней деформации делает этот процесс высокопроизводительным. Скорости прессования достигают 5 м/c и более. Изделие получается за один ход инструмента.
Недостатки прессования
Большой отход металла в пресс-остаток (10-20 %), так как весь металл не может быть выдавлен из контейнера; неравномерность деформации в контейнере; высокая стоимость и большой износ инструмента; необходимость мощного оборудования.
Волочение
Волочение – изготовление профилей путем протягивания заготовки через постепенно сужающееся отверстие в инструменте – во локе.
Исходной заготовкой для волочения является пруток, толстая проволока или труба. Заготовка не нагревается, т. е. волочение – это холодная пластическая деформация.
Конец заготовки заостряется, его пропускают сквозь волоку, захватывают зажимным устройством и протягивают (рис. 19).
Деформация при волочении
При волочении на заготовку действуют растягивающие напряжения. Металл должен деформироваться только в сужающемся канале волоки; за пределами инструмента деформация недопустима. Обжатие за один проход небольшое: вытяжка µ
= 1,1÷1,5. Для получения нужного профиля проволока протягивается через несколько отверстий уменьшающегося диаметра.
Так как осуществляется холодная деформация, то металл наклепывается – упрочняется. Поэтому между протягиваниями через соседние волоки выполняется отжиг (нагрев выше температуры рекристаллизации) в трубчатых печах. Наклеп снимается, и металл заготовки снова становится пластичным, способным к дальнейшей деформации.
Инструмент для волочения
Инструмент – это волока
, или фильера
, представляющая собой кольцо с профилированным отверстием. Изготавливают волоки из твердых сплавов, керамики, технических алмазов (для очень тонкой проволоки, диаметром менее 0,2 мм). Трение между инструментом и заготовкой уменьшают с помощью твердых смазок. Для получения полых профилей применяют оправки.
Рабочее отверстие волоки имеет по длине четыре характерные зоны (рис. 20): I – входная, или смазочная, II – деформирующая, или рабочая, с углом 
α
= 8÷24º, III – калибрующая, IV – выходной конус.
Допуск на размер проволоки в среднем составляет 0,02 мм.
Оборудование для волочения
Существуют волочильные станы различных конструкций – барабанные, реечные, цепные, с гидравлическим приводом и др.
Барабанные станы (рис. 21) применяют для волочения проволоки, прутков и труб малого диаметра, которые можно сматывать в бунты.
Барабанные станы многократного волочения могут включать до 20 барабанов; между ними располагаются волоки и печи для отжига. Скорость движения проволоки находится в пределах 6-3000 м/мин.
Цепные волочильные станы (рис. 22) предназначены для изделий большого сечения (прутков и труб). Длина получаемого изделия ограничена длиной станины (до 15 м). Волочение труб выполняют на оправке.
 |
Рис. 22. Цепной волочильный стан:
1 – волока; 2 – клещи; 3 – каретка; 4 – тяговый крюк; 5 – цепь; 6 – ведущая звездочка;
7 – редуктор; 8 – электродвигатель
Продукция, получаемая волочением
Волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 5 мм, а также прутки, фасонные профили (различные направляющие, шпонки, шлицевые валики) и трубы (рис. 23).
Рис. 23. Профили, получаемые волочением
Преимущества волочения
Это высокая точность размеров (допуски не более сотых долей мм), малая шероховатость поверхности, возможность получать тонкостенные профили, высокая производительность, малое количество отходов. Процесс универсален (просто и быстро можно заменить инструмент), поэтому широко распространен.
Важно также, что можно изменять свойства получаемых изделий за счет наклепа и термообработки.
Недостатки волочения
Неизбежность наклепа и необходимость отжигов усложняет процесс. Обжатие за один проход невелико.
Ковка
Ковкой
называют получение изделий путем последовательного деформирования нагретой заготовки ударами универсального инструмента – бойков
. Получаемую заготовку или готовое изделие называют поковкой
.
Исходной заготовкой служат слитки или блюмы, сортовой прокат простого сечения. Нагревают заготовки обычно в печах камерного типа.
Деформация при ковке
Деформация в процессе ковки идет по схеме свободного пластического течения между поверхностями инструмента. Деформирование может выполняться последовательно на отдельных участках заготовки, поэтому её размеры могут значительно превышать площадь бойков.
Величину деформации выражает уковка :
где F max и F min – начальная и конечная площадь поперечного сечения заготовки, причем берется отношение большей площади к меньшей, поэтому уковка всегда больше 1. Чем больше значение уковки, тем лучше прокован металл. Некоторые из операций ковки показаны на рис. 25.
Рис. 25. Операции ковки:
а – протяжка; б – прошивка (получение отверстия); в – рубка (разделение на части)
Инструмент для ковки
Инструмент является универсальным (применимым для самых разных по форме поковок): бойки плоские или вырезные и набор подкладного инструмента (оправок, прожимок, прошивней и т. д.).
Оборудование для ковки
Применяются машины динамического, или ударного, действия – молоты и машины статического действия – гидравлические прессы .
Молоты подразделяются на пневматические , с массой падающих частей до 1 т, и паровоздушные , с массой падающих частей до 8 т. Молоты передают заготовке энергию удара за доли секунды. Рабочим телом в молотах является сжатый воздух или пар.
Гидравлические прессы с усилием до 100 МН предназначены для обработки самых тяжелых заготовок. Они зажимают заготовку между бойками в течение десятков секунд. Рабочим телом в них является жидкость (водная эмульсия, минеральное масло).
Применение ковки
Ковка чаще всего применяется в единичном и мелкосерийном производстве, особенно для получения тяжелых поковок. Из слитков весом до 300 т можно получить изделия только ковкой. Это валы гидрогенераторов, турбинные диски, коленчатые валы судовых двигателей, валки прокатных станов.
Преимущества ковки
Это, прежде всего, универсальность процесса, позволяющая получить самые разнообразные изделия. Для ковки не требуется сложного инструмента. В ходе ковки улучшается структура металла: волокна в поковке расположены благоприятно для того, чтобы выдерживать нагрузку при эксплуатации, литая структура измельчается.
Недостатки ковки
Это, конечно, низкая производительность процесса и необходимость значительных припусков на механическую обработку. Поковки получаются с низкой точностью размеров и большой шероховатостью поверхности.
Горячая объемная штамповка
Горячая объёмная штамповка – процесс получения изделий пластическим деформированием нагретой заготовки с помощью специального инструмента – штампа . При этом течение металла ограничено углублениями, выполненными в половинках штампа, которые, смыкаясь, образуют единую замкнутую полость – ручей .
Исходной заготовкой для штамповки является раскроенный прокат простого профиля. Получаемое изделие называется штампованной поковкой .
Применяется штамповка в открытых и закрытых штампах. У открытого штампа (см. рис. 26, а ) по всему периметру ручья есть зазор – облойная канавка , куда вытесняется излишек металла (до 20 %). Поверхность разъема штампа плоская. При штамповке не требуется высокая точность раскроя заготовки. Объем заготовки больше объема поковки на величину облоя, который затем обрезается. Узкий мостик облойной канавки гарантирует заполнение всей полости штампа металлом, так как он создает наибольшее сопротивление течению металла.
При штамповке в закрытых штампах (см. рис. 26, б ) объем заготовки равен объему поковки, так как облойной канавки нет. Необходимо точно выдерживать размеры заготовки и устанавливать ее строго по центру штампа, иначе половинки штампа не сомкнутся, не будет заполнения всей полости. Поверхность разъема штампа более сложная, с направляющей конической частью.
 |
Рис. 26. Схема открытой (а) и закрытой (б) объемной штамповки:
1 – верхняя половина штампа; 2 – полости; 3 – заготовка; 4 – нижняя половина штампа;
5 – ручей; 6 – облойная канавка
Закрытая штамповка имеет преимущества перед открытой: экономится металл (нет облоя), и волокна расположены более благоприятно, обтекая контур поковки, они не перерезаются при удалении облоя.
Но конструкция закрытых штампов сложнее, изготовление их дороже, а стойкость ниже.
Деформация при штамповке
Деформация осуществляется одновременно по всей поверхности заготовки, нельзя деформировать только ее часть. Поэтому величина уковки редко превышает 2-3.
Инструмент для штамповки
Инструмент специальный – штамп. Для каждой поковки разрабатывается чертеж, и изготавливается свой штамп. Обязательно предусматриваются припуски на механическую обработку и на усадку при охлаждении. Для свободного извлечения поковки из штампа назначаются уклоны (3-10º). Поверхности сопрягаются по радиусам.
В штампе с одним разъемом нельзя получить сквозное отверстие, оно только намечается. После штамповки надо в специальных штампах обрезать облой и пробивать пленки.
Штамп крепится к ползуну штамповочного молота или пресса с помощью выступа, называемого «ласточкин хвост», и клиньев.
Оборудование для штамповки
1) Паровоздушные штамповочные молоты подобны ковочным. Молоты совершают 3-5 ударов для заполнения полости штампа металлом заготовки.
2) Кривошипные штамповочные прессы
(КШП) имеют более высокую производительность, чем молоты. Штамповка ведется за один удар, так как длина хода ползуна строго регламентирована. Прессы дороже.
Схема кривошипного штамповочного пресса показана на рис. 27. От электродвигателя 4 движение передается клиновыми ремнями на шкив 3 и вал 5. Зубчатые колеса 6 и 7 с помощью фрикционной дисковой муфты 8 могут быть сцеплены с кривошипным валом 9. Вал передает движение шатуну 10, шатун преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное движение ползуна 1. Тормоз 2 нужен для остановки вращения кривошипного вала. Высоту стола 11 можно регулировать клином 12, устанавливая штамп в нужное положение.
3) Горизонтально-ковочные машины
(ГКМ) применяются для штамповки изделий типа стержень с фланцем , стакан, кольцо. На них можно получать сквозные отверстия, так как штамп состоит из трех частей: подвижной и неподвижной матрицы и пуансона.
4) Гидравлические прессы применяют для самых тяжелых поковок (до 3 т).
Применение штамповки
В крупносерийном производстве поковок.
Преимущества штамповки
По сравнению с ковкой, штамповка обеспечивает бо льшую производительность и более высокую точность (припуски в 2-3 раза меньше).
Недостатки штамповки
Высокая стоимость инструмента и необходимость большой мощности оборудования. Штамповка не позволяет деформировать очень тяжелые заготовки (весом десятки и сотни тонн).
Существует и холодная объемная штамповка . Это процессы холодного выдавливания (подобно прессованию) для получения баллонов и тюбиков из пластичных металлов, холодной высадки (изготовление гвоздей, болтов, заклепок) и чеканки (чеканят монеты, медали, значки).
Холодная листовая штамповка
Холодная листовая штамповка – это получение плоских и пространственных изделий из заготовки в виде листа, полосы, ленты.
Исходная заготовка обычно имеет толщину не более 10 мм.
Операции листовой штамповки делятся на разделительные (заготовка разрушается) и формообразующие (разрушение недопустимо).
Примерами разделительных операций являются вырубка и пробивка. Они выполняются по одной схеме (рис. 28, а ), но вырубка формирует внешний периметр заготовки, а пробивка – внутренний. Штамп состоит из пуансона и матрицы. От их острых кромок начинается развитие трещин. Трещины встречаются, и часть заготовки отделяется.
Примером формообразующей операции является вытяжка – получение объемного изделия из плоской заготовки (рис. 28, б ). Пуансон и матрица для вытяжки имеют скругленные кромки. Прижим исключает образование складок на фланце. При вытяжке можно уменьшать толщину стенки примерно в 2 раза, но дно изделия останется такой же толщины.
 |
Рис. 28. Схема пробивки (а) и вытяжки (б) :
1 – пуансон; 2 – заготовка; 3 – матрица; 4 – прижим
Деформация при холодной листовой штамповке
Холодная деформация приводит к упрочнению металла, поэтому иногда приходится делать отжиги. Холодная листовая штамповка применима только к пластичным металлам и сплавам: низкоуглеродистым сталям, сплавам алюминия, меди, титана.
Инструмент и оборудование для холодной листовой штамповки
Инструмент специальный для каждой операции и размера изделия. Это матрицы и пуансоны соответствующей формы.
Используются кривошипные прессы и гидравлические прессы (для толстых листов). Разработаны методы высокоскоростной листовой штамповки с использованием энергии взрыва или электрического разряда.
Применение холодной листовой штамповки
Для получения изделий малой массы, но большой прочности и жёсткости. Широко используется в авиастроении, в производстве автомобилей и тракторов.
Характеристика способов обработки металлов давлением дана в табл. 1.
Таблица 1
Способы ОМД
|
Название |
Где происходит деформация |
Инструмент |
Оборудование |
Заготовка |
Нагрев |
Величина деформации |
Получаемые изделия |
|
Получение профилей |
|||||||
|
Прокатка |
В зазоре между валками |
Прокатный стан |
блюм, сляб, полупродукт |
Обычно горячая деформация |
Сортовой прокат, листы, трубы, специальные виды проката |
||
|
Волочение |
В отверстии волоки |
Во лока |
Волочильный стан |
Пруток, труба, горячекатаная проволока |
Холодная деформация |
Проволока, калиброванные прутки и трубы, фасонные профили |
|
|
Прессование |
В отверстии матрицы |
Матрица, игла |
Гидравлический пресс |
Слиток, горячекатаный пруток |
Обычно горячая деформация |
Простые и сложные профили, инструмент |
|
|
Получение заготовок и деталей |
|||||||
|
Ковка |
Между бойками |
Бойки, подкладной инструмент |
Молоты и прессы |
блюм, сортовой прокат простого сечения |
Горячая деформация |
Широкий ассортимент поковок весом до 300 т |
|
|
Объемная штамповка |
В полости штампа |
Молоты и прессы, КШП, ГКМ |
Прокат простого сечения |
Чаще горячая деформация |
Поковки серийного производства весом до 3 т |
||
|
Холодная листовая штамповка |
В зазоре между пуансоном и матрицей |
Матрица и пуансон |
КШП, гидравлический пресс |
Лист, полоса, лента |
Холодная деформация |
Объемные и плоские детали с малой массой и большой прочностью |
Форму поперечного сечения прокатанной полосы называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом. В СССР почти весь сортамент проката изготовляется в соответствии с ГОСТом (Государственным общесоюзным стандартом). В ГОСТах на сортамент проката приведены площадь поперечного сечения, размеры, масса 1 м длины профиля и допустимые отклонения от номинальных размеров. Сортамент прокатываемых профилей разделяется на четыре основные группы: сортовой прокат, листовой, трубы и специальные виды проката.
Сортовой прокат делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т. д.). Круглую и квадратную сталь прокатывают соответственно с диаметром или стороной квадрата 5-250 мм; шестигранную - с диаметром вписанного круга 6-100 мм; полосовую - шириной 10-200 мм и толщиной 4-60 мм.
Цветные металлы и их сплавы прокатывают преимущественно на простые профили - круглый, квадратный, прямоугольный.
Листовой прокат из стали и цветных металлов используют в различных отраслях промышленности. В связи с этим листовую сталь, например, делят на автотракторную, трансформаторную, кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым, алюминиевым и пластмассовым покрытиями. Кроме того, листовую сталь разделяют на толстолистовую (толщиной 4-160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.
Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы прокатывают диаметром 30-650 мм с толщиной стенки 2-160 мм из углеродистых и легированных сталей, а сварные - диаметром 5-2500 мм с толщиной стенки 0,5-16 мм из углеродистых и низколегированных сталей.
К специальным видам проката относят колеса, кольца, шары, периодические профили с периодически изменяющейся формой и площадью поперечного сечения вдоль оси заготовки
Инструмент и оборудование для прокатки
Рис. 2. Инструмент для прокатки:
а- гладкий валок; б - ручьевой валок; в - калибр; г - расположение валков в четырех валковой клети, д – то же, в 12-валковой клети.
Инструментом для прокатки являются валки, которые в зависимости от прокатываемого профиля могут быть гладкими (рис. 2, а), применяемыми для прокатки листов, лент и т. п., ступенчатыми, например для прокатки полосовой стали, и ручьевыми (рис. 2, б) для получения сортового проката. Ручьем называют вырез на боковой поверхности валка, а совокупность двух ручьев образует калибр (рис. 2, в). Каждая пара ручьевых валков обычно образует несколько калибров.
Валки состоят из рабочей части - бочки 1, шеек 2 и трефы 3. Шейки валков вращаются в подшипниках, которые у одного из валков могут перемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения их осей. Комплект прокатных валков со станиной называют рабочей клетью; последняя вместе со шпинделем для привода валков, шестеренкой клетью для передачи вращения с одного на два вала, редуктором, муфтами и электродвигателем образуют рабочую линию стана.
Рабочие клети по числу и расположению валков могут быть двухвалковые; четырехвалковые (рис. 2, г), у которых два валка рабочих и два опорных; многовалковые (рис. 2, д), у которых также два валка рабочих, а остальные - опорные. Использование опорных валков позволяет применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижается усилие деформирования.
Прокатные станы могут быть одноклетьевыми (с одной рабочей клетью) и многоклетьевыми.
Наиболее совершенные многоклетьевые станы - непрерывные, у которых рабочие клети располагают последовательно одну за другой. Прокатываемая полоса через каждую клеть проходит только один раз, т. е. число рабочих клетей этих станов равно требуемому числу проходов полосы. Расстояние между клетями обычно меньше длины прокатываемой полосы, следовательно, она прокатывается одновременно в нескольких клетях. На непрерывных станах достигается высокая производительность при полном исключении ручного труда. Максимальная скорость прокатки на современных непрерывных станах составляет 50-60 м/с.
По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производства полупродукта и станы для выпуска готового проката. К первой группе относят обжимные станы для прокатки слитков в полупродукт крупного сечения (блюминги, дающие заготовку для сортового проката, и слябинги, дающие заготовку для листового проката) и заготовочные для получения полупродукта более мелкого сечения.
К станам для производства готового проката относят сортовые, листовые, трубные и специальные. Размер блюмингов, слябингов, заготовочных и сортовых станов характеризуется диаметром бочки валков (например: блюминг 1500; сортовой стан 350); размер листовых станов - длиной бочки (например: стан 3600), а размер трубопрокатных станов - наружным диаметром прокатываемых труб.
В прокатных цехах размещается оборудование , служащее как непосредственно для пластической обработки металлов давлением, так и осуществления различных вспомогательных операций. Оборудование прокатного стана, служащее для деформации металла называется основным, а для выполнения прочих операций - вспомогательным. Наиболее простым прокатным станом является одноклетьевой стан (Рисунок 25).
Рисунок 25 - Схема прокатного стана: 1 – валок; 2 – шпиндели; 3 – станина; 4 – шестеренная клеть; 5 – редуктор; 6 – двигатель; 7 – механизм для установки валков.
Основным рабочим инструментом прокатного стана являются прокатные валки, устанавливаемые в подшипниках, которые в свою очередь располагаются в станине. Станина с валками и механизмами для установки валков формируют рабочую клеть. Вращение валкам передается от двигателя через редуктор, шестеренную клеть и шпиндели. Наличие в передаточном механизме всех вышеуказанных элементов не является обязательным. Например, у обжимных станов часто отсутствуют редуктор и шестеренная клеть. В некоторых станах шестеренная клеть и редуктор объединены в один агрегат. Так же возможна схема двигатель, шестеренная клеть, шпиндели.
Всю нагрузку от усилия прокатки воспринимают литые станины. Расстояние между валками для осуществления необходимого обжатия устанавливают с помощью механизма для установки валков (нажимное устройство).
В зависимости от назначения прокатного стана их рабочие клети могут быть с горизонтальными, вертикальными и косорасположенными валками.
Клети с горизонтальными валками наиболее часто используются. Они подразделяются в зависимости от количества валков на следующие типы (Рисунок 26): «дуо», «трио», «кварто», шестивалковые, двенадцативалковые, двадцативалковые, планетарные.
Рисунок 26 - Схемы рабочих клетей с горизонтальными валками: а – «дуо», б – «трио», в – «кварто», г – шестивалковая.
Применение клетей с количеством валков более двух или трех связано с необходимостью получения большой жесткости прокатных валков при производстве тонких полос.
В зависимости от назначения прокатного стана, от требуемого числа проходов при прокатке станы делятся на следующие виды (Рисунок 27):
Одноклетьевые;
Многоклетьевые.
В свою очередь многоклетьевые станы делятся на следующие виды:
Линейные (клети расположены в линию);
С последовательным расположением клетей;
Полунепрерывные;
Непрерывные.
Рисунок 27 – Установка рабочих клетей прокатных станов: а – одноклетьевого, б – полунепрерывного, в – линейного, г -непрерывного, д – с последовательным расположением клетей.
Одноклетьевые станы наиболее распространены и применяются для прокатки блюмов, слябов, листов.
Когда прокатываются сортовые профили, то не удается расположить в валках одной клети все калибры. В этом случае применяются многоклетьевые станы с расположением клетей в одну или несколько линий, а также станы с последовательным расположением клетей. Для увеличения производительности и уменьшения размеров зданий цеха применяются полунепрерывные и непрерывные прокатные станы. Если в станах с последовательным расположением клетей заготовка может находиться одновременно только в одной клети, то в непрерывных станах она одновременно прокатывается во всех валках. Для обеспечения непрерывности прокатки без обрывов полосы и образования петель в этом случае необходимо соблюдение равенства секундных объемов, проходимых в каждой паре валков:
где 
– площадь сечения металла в соответствующей клети;
– скорость валков в соответствующей клети.
Из этого условия следует, что скорость прокатки по мере уменьшения сечения должна увеличиваться. Всякое изменение сечения полосы требует автоматического изменения скорости прокатки. Потому существуют трудности в настройке стана при переходе с одного типоразмера проката на другой. В связи с этим непрерывные станы применяются при получении простых по форме заготовок. А для производства сортовых профилей используются полунепрерывные станы, у которых черновая группа клетей выполняется непрерывной, а чистовая – в виде линейного стана. Черновая группа не требует точной настройки валков, так как ее назначение - произвести максимальное обжатие заготовки. В чистовой же группе клетей последовательно формируется профиль сечения, что требует уже индивидуальной настройки каждой пары валков.
Вопросы и темы для самоконтроля:
1.Как определяется скорость деформации?
2. Что такое внешнее трение?
3. Как определяется угол трения?
4. Стадии процесса прокатки?
5. Условия захвата металла валками при прокатке?
6. Что такое опережение и отставание металла при прокатке? 7. Сортамент прокатной продукции.
8. Стадии получения проката из заготовки.
9. Стадии получения проката из слитка.
10. Особенности нагрева заготовок и охлаждения проката.
11. Что такое калибр и виды калибров?
12. Классификация станов по количеству рабочих валков.
13.Классификация станов по расположению клетей.