По дисциплине «Обработка металлов давлением» На тему «Неравномерность деформации при прокатке» (стр. 2 из 3)
Из-за внутриметаллических связей аналогичный характер перемещения частиц наблюдается и в глубинных слоях металла, удаленных от контактной поверхности. На рис. 3 показана схема движения частиц металла при осадке прямоугольной призмы.
Исходная площадь контактной поверхности (рис. 3, А) разделена на четыре зоны, в каждой из которых движение металла имеет одинаковое направление. Так как по направлению к ближайшей границе металл течет более интенсивно, то по мере осадки расстояния от центра контактной поверхности до её границы постепенно выравниваются (рис. 3, Б, В). Отсюда вытекает правило наименьшего периметра: при свободной осадке призматического тела поперечное сечение «стремится принять форму круга» - фигуры с наименьшим периметром.
Рисунок 3.
Деформация будет равномерной, если во всех точках деформируемого тела в каждый момент времени деформации будут одинаковы по величине и направлению в реальных процессах равномерная деформация маловероятна.
Неравномерность деформации неизбежна, если мы хотим получить из простой по форме заготовки сложную форму готового изделия. Но даже если такая задача не ставится, неравномерность деформации все равно проявляется в связи с влиянием конкретного трения и неоднородностью физических свойств металла.
Частным случаем неравномерности деформации является неравномерность деформации при прокатке.
Неравномерность деформации при прокатке.
Прокатка
Прокаткой называется вид обработки металлов давлением. Процесс прокатки делится на три вида:
· продольная прокатка
1 – верхний валок
2 – нижний валок
3 - заготовка
Рисунок 4.
Заготовка пропускается через зазор между валков. Валки являются цилиндрическими телами вращения.
Таким способом получают как горячекатаный, так и холоднокатаный лист, сортовые профили (уголки, швеллеры, двухтавровые балки и т.д.)
· поперечная прокатка
На рис. 5
1,2 – верхний и нижний валки
3 – заготовка
Q – удерживающая сила
Таким способом получают различные тела вращения - шары, оси валов, бандажи.
Рисунок 5.
- Поперечно-винтовая (косая)
1,2 – правый и левый валок
3 – заготовка
4 – гильза
5 – оправка
6 – штанга
Рисунок 6.
Таким способом получают бесшовные трубы (заготовку для труб – гильзу).
Неравномерность деформации при прокатке
При условии равномерной деформации при прокатке толщина исходной полосы h0 по всей ширине и длине одинакова, зазор между валками h1 по всей длине бочки валков и сопротивление деформации прокатываемого металла по всему его объему также одинаковы. Наблюдающиеся почти всегда отклонения от этих условий приводят к неравномерной деформации. Различают неравномерность деформации по ширине, толщине и длине полосы.
Неравномерность деформации по ширине полосы:
Этот вид неравномерной деформации проявляется в неравномерном распределении обжатия по ширине полосы и вызывается следующими действующими совместно или порознь причинами:
а) неодинаковым зазором между валками (перекос валков, неравномерный разогрев бочки валка, выработка валка, прогиб калибры на валках имеют разную высоту по ширине);
б) неодинаковой исходной толщиной полосы по ширине.
Степень неравномерности деформации по ширине можно охарактеризовать диаграммами естественных вытяжек. За естественную принимается вытяжка, которую получила бы та или иная часть полосы, если бы она деформировалась отдельно, вне связи с другими частями. Естественные вытяжки сравниваются со средней вытяжкой, которая определяется как отношение сечений до прохода и после него: λср = F0/F1.
Чем больше разница между естественной и средней вытяжкой, тем больше неравномерность деформации.
Примером может послужить диаграмма вытяжек при прокатке полосы переменного сечения по ширине в гладких валках (рис. 7, А).
Рисунок 7.Поперечное сечение полосы можно разбить на три части шириной каждая по 100мм, имеющие высоту: края – по 80мм, середина 60 мм. При обжатии такой полосы до 40 мм каждая часть стремится получить свою вытяжку (для упрощения расчета уширение не учитывается): края – λ1 = λ3 =2,0; середина – λ2 = 1,5. Фактически вся полоса получает некоторую среднюю вытяжку:
λср = F0/F1 = (80·100 + 60·100 + 80·100)/(40·300) = 1,83
В соответствии с этим и длина полосы после прокатки будет некоторой средней длиной Lc = 1,83L0 (рис. 7, Б). Диаграмма вытяжек для данного случая представлена на рисунке 7, В.
Выравнивание вытяжек неизбежно приводит к различию уширения неравномерно обжимаемых участков полосы, что вытекает из закона постоянства объема. Удлинение частей полосы, получающих большее обжатие, меньше ожидаемого (естественного) (на рис. 7 – края), поэтому уширение их больше величины естественного (свободного) уширения. Такое уширение называют вынужденным. Удлинение частей полосы, получивших меньшее обжатие, больше естественного удлинения (на рис. 7 – середина). Вследствие этого ширина их уменьшается. Сужение полосы (отрицательное уширение) называют утяжкой.
При прокатке широких полос малой толщины, когда уширение практически отсутствует, выравнивания вытяжек не происходит. Каждая часть полосы получает естественную вытяжку и, если обжатия неравномерны, длина неравномерно обжимаемых участков будет неодинаковой. Но это возможно лишь при прокатке коротких полос. В большинстве случаев избыток длины сильно обжимаемых участков полосы образует волны, но если прочность и жесткость этих участков достаточно велики, то на слабо обжатых участках полосы образуются надрывы.
Выравнивание длин при неравномерной деформации по ширине приводит к появлению дополнительных напряжений. Те части, которые обжимались в большей степени, получают вытяжку меньше естественной, так как их сдерживают слабо обжимаемые участки. В результате в зонах повышенного обжатия возникают напряжения сжатия. Наоборот, части полосы, обжатые в меньшей степени, будут растягиваться под действием частей, получивших большее обжатие. Напряжения разных знаков взаимно уравновешиваются по отдельным зонам полосы и, следовательно, они являются напряжениями первого рода.
Напряжения сжатия могут привести к волнистости или коробоватости прокатываемой полосы. Напряжения растяжения при превышении предела прочности металла могут привести к появлению трещин, рванин. Например, при прокатке полосы с утолщенными краями (рис. 7) по краям возникают напряжения сжатия. При достаточной их ширине края могут получиться волнистыми. Средняя часть полосы получает напряжения растяжения. Если напряжения растяжения превысят предел прочности металла, посередине могут образоваться рванины.
Несимметричная неравномерность деформации большей частью приводит к искривлению прокатываемой полосы. Примером несимметричной неравномерности деформации по ширине может послужить прокатка полосы прямоугольного сечения в перекошенных валках. В данном случае обжатия от одной кромки к другой постепенно возрастают, соответственно увеличиваются и вытяжки. Разность вытяжек, образующаяся в очаге деформации, воздействует как на передний, так и на задний конец прокатываемой полосы. При этом передний конец получает плавное искривление в горизонтальной плоскости (серповидность), загибаясь в сторону меньше вытяжки. Задний конец поворачивается в сторону меньшего обжатия, приводя к смещению полосы вдоль бочки валка (полосу ведет) и даже выбрасыванию её за пределы рабочей части валков (рис. 8). Аналогичные явления наблюдаются в случае прокатки полосы клиновидного поперечного сечения при параллельном расположении валков.
Неравномерность деформации по ширине может привести к образованию такого дефекта, как порез. Он получается при прокатке тонких листов в сильно вогнутых валках. В этом случае края полосы на входе в валки «ведет» к середине, где лист собирается в складку, в результате чего в валки попадает тройная толщина листа. В этом месте лист сам себя режет, мнется и идет в брак.
При прокатке полосы в вогнутых валках неравномерность деформации способствует центрированию полосы относительно середины бочки валков. При смещении полосы вправо правая кромка получает повышенное обжатие, задний конец смещается влево и полоса возвращается в середину бочки.
Рисунок 8.Неравномерность деформации по толщине:
Этот вид неравномерной деформации проявляется как неодинаковое обжатие отдельных горизонтальных слоев полосы. Одной из причин её может быть различие сопротивления деформации отдельных слоев.
Рассмотрим обжатие двухслойной полосы невращающимися валками одинакового диаметра (рис. 9). Верхний слой – свинцовый, имеющий малое сопротивление деформации, нижний – алюминиевый, имеет более высокое сопротивление деформации. Верхний валок вдавливается в свинец на большую глубину, чем нижний валок – в алюминий. Усилия, действующие на оба валка, равны между собой, согласно условию равновесия сил. Площади соприкосновения металлов с валками различные: у верхнего валка контактная площадь больше, чем у нижнего.