ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ НА ШАРОПРОКАТНЫХ ВАЛКАХ СО СВЕРХЗАХОДНЫМИ ВИНТОВЫМИ КАЛИБРАМИ ПРИ ПРОКАТКЕ СТАЛЬНЫХ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты научных исследований в сфере прокатки стальных помольных шаров по определению сил, действующих на шаропрокатные валки. Прокатка стальных мелющих шаров является сложным технологическим процессом, который выполняется на специальных шаропрокатных станах для прокатки коротких тел вращения. В качестве заготовки используется нагретая до определённой температуры круглая заготовка длиной от 4 до 7,5м. В процессе прокатки нагретая заготовка проходит между двумя шаропрокатными валками с винтовыми калибрами, вращающимися в одном направлении, часть заготовки отделяясь образует форму шара требуемого диаметра. При этом на валки со стороны заготовки действуют усилия, которые в течении процесса приводят к износу прокатного оборудования. Данные усилия возрастают при увеличении заходности прокатных валков. Увеличение заходности винтовых калибров шаропрокатных валков является основным фактором повышения производства выпуска стальных помольных шаров в результате чего нагрузка рабочих элементов шаропрокатного стана также увеличивается.  Существующие на сегодняшний день шаропрокатные станы предназначены для прокатки стальных помольных шаров с применением винтовых калибров с малыми заходностями. С учётом вышеперечисленных факторов определение усилий, действующих на шаропрокатные валки со сверхзаходными винтовыми калибрами, является основной задачей данной статьи. Кроме этого, приводится расчётная схема по определению усилий, действующих на винтовые калибры при обжатии перемычки и сферы, расчётные параметры по определению поверхности контакта металла с шаропрокатным валком и обжатия за половину оборота заготовки. Расчётные данные реализованы на компьютере в среде MathCAD 15 по результатам получены соответствующие графики.               

ABSTRACT

The article presents the results of scientific research in the field of rolling steel grinding balls to determine the forces acting on ball rolling rolls. Rolling steel grinding balls is a complex technological process that is performed on special ball rolling mills for rolling short bodies of revolution. A round blank of 4 to 7.5 m in length, heated to a certain temperature, is used as a workpiece. During the rolling process, the heated blank passes between two ball-rolling rolls with screw gauges rotating in the same direction, part of the blank is separated to form a ball of the required diameter. In this case, the rolls are subject to forces from the workpiece side, which during the process lead to wear of the rolling equipment. These forces increase with an increase in the number of rolls. Increasing the number of entries of the screw calibers of ball rolling rolls is the main factor in increasing the production of steel grinding balls, as a result of which the load of the working elements of the ball rolling mill also increases. The existing ball rolling mills are designed for rolling steel grinding balls using screw gauges with small starts. Taking into account the above factors, determining the forces acting on ball rolling rolls with super-start screw gauges is the main objective of this article. In addition, a calculation scheme is provided for determining the forces acting on screw gauges during compression of the bridge and sphere, calculation parameters for determining the contact surface of the metal with the ball rolling roll and compression for half a turn of the workpiece. The calculation data are implemented on a computer in the MathCAD 15 environment; the corresponding graphs are obtained based on the results.

Ключевые слова: шаропрокатный стан, шаропрокатный валок, винтовой калибр, реборда, ось прокатки, MathCAD 15.

Keywords: ball rolling mill, ball rolling roll, screw gauge, flange, rolling axis, MathCAD 15.

Введение

В современной металлургии широко распространён процесс прокатки коротких тел вращения на шаропрокатных станах. При производстве коротких тел вращения прогрессивным является способ поперечно-винтовой прокатки. Данный способ обеспечивает более высокую точность прокатываемых изделий за счёт одновременного вращения и перемещения заготовки, который упрощает автоматизацию процесса. Процесс прокатки осуществляется взаимным приближением контактных поверхностей шаропрокатных валков во время вращения, находящегося между этими поверхностями обрабатываемой заготовки одновременно движущимся направлении своей оси. Данная ось называется осью прокатки заготовки [1].

При прокатке стальных помольных шаров возникают давления заготовки и крутящие моменты на шаропрокатных валках, при этом длина нагретой заготовки может составлять 4 – 7,5м. Данные силовые параметры в течении полного оборота шаропрокатного валка имеют переменный характер изменяясь от минимума до максимума. Очагом деформации служат два основных, формующий и отделочные участки шаропрокатных валков. При поперечно-винтовой прокатке направления сил можно рассмотреть, когда прокатываемый металл заготовки при своём поступательном движении не встречает внешнего сопротивления, то есть, прокатка без оправки или прокатка на длинной оправке, движущийся свободно вместе прокатываемой трубой и когда это сопротивление существует за счёт прокатке на короткой оправке в качестве уширяющего стержня. Также нужно учесть, что, оси валков не находятся в меридиональной плоскости, а образуют с ней некоторый угол  за счёт чего на валках возникают осевые усилия. Величину и направление этих усилий можно определить из условия, что если отсутствует внешнее осевое сопротивление при движении заготовки, то равнодействующие давление металла на валки, т. е. силы должны находится в плоскости, перпендикулярной оси заготовки. Проекции этих сил на направление, перпендикулярное главной меридиональной плоскости будет создавать на валках окружное и осевое усилие [2].

Расчётным путём по методу С.П. Грановского и Н.В. Мехова можно определить усилия и моменты при соприкосновениях заготовки с шаропрокатным валком на формующим участке винтового калибра с учётом обжатия за половину оборота заготовки [3]. На отделочном участке отформованная заготовка равная приближённо форме прокатываемого шара отделяется от основной части заготовки и совершает только вращательные движения в радиальном направлении, где действующие усилия и моменты на валок можно пренебречь.

Материалы и методы

С учётом числа заходности винтовых калибров в процессе прокатки стальных помольных шаров заготовка находится как на формующем, так и в отделочном участках одновременно. При этом также нужно учесть, что усилия на шаропрокатные валки в основном будут действовать на его формующий участок, который состоит из участка обжатия перемычки и обжатия сферы.

Вышеприведенные участки шаропрокатных валков принимаются из расчёта калибровки.

начальная высота реборды равная катающему радиусу шара, максимальная высота реборды правого валка, максимальная высота реборды левого валка.  Высота реборды правого и левого валка определяется следующим выражением:

                                                                 (1)

где  радиус калибра прокатываемого шара, радиус перемычки правого валка, радиус перемычки левого валка.

Параметры изменения высоты реборды правого и левого валка за один полный оборот винтового калибра определим по следующему выражению:

                              (2)

где  общая длина рабочего участка валков, длина рабочего участка правого валка, длина отделочного участка левого валка.

Параметр полусферы валка определяется по следующей формуле:                 

                                                 (3)

Минимально допустимую длину перемычки между двумя калибрами формующего участка валка определим по следующему выражению [2]:

                                         (4)

Длина перемычки по всей длине винтового калибра состоит из длина перемычки начала винтовой линии формующего участка и длина перемычки отделочного участка валка. На формующем участке валка длина перемычки  уменьшается до минимального значения  а затем увеличивается до максимального значения .

Соответственно длине перемычки валка определяется его радиус перемычки, который можно определить по формуле:

                                                           (5)

Основной шаг нарезки винтового калибра определим по следующему выражению:

                                                         (6)

Поверхность контакта металла с шаропрокатным валком на участке обжатия перемычки винтового калибра можно определить по следующему выражению:

                                                        (7)

где вертикальная проекция ширины контактной поверхности; длина перемычки.

Ширина контактной поверхности можно определить по формуле А.И. Целикова с учётом того, что радиус заготовки на много меньше радиуса шаропрокатного валка:

                                                (8)

где радиус прокатанной заготовки; обжатие за половину оборота заготовки.

На рис. 1. Приведена схема обжатия перемычки винтовыми ребордами шаропрокатных валков.

Рисунок 1. Схема обжатия перемычки

Обжатие за половину оборота определяется исходя из того, что захват заготовки ребордами валков осуществляется по катающему радиусу:

                                                               (9)

где угол наклона графика изменения высоты реборды шаропрокатного валка; катающий радиус заготовки.

Катающий радиус заготовки зависит от начальной высоты реборды винтового калибра шаропрокатного валка и определяется по следующему выражению:

                                                       (10)

где начальная высоты винтовой реборды, служащий для захвата заготовки в процессе прокатки, выбираемый зависимо от диаметра прокатываемого стального помольного шара; радиус прокатываемой заготовки.

Определяем осевую подачу

                                 (11)

где высота реборды в рассматриваемый момент прокатки; высота реборды в до смещения заготовки за половину оборота.

На рис.2. представлена схема обжатия заготовки для определения поверхности соприкосновения заготовки с валком на его формующем участке.

Рисунок 2. Схема обжатия заготовки

Площадь соприкосновения на участках  и   определим следующим образом:

                                           (12)

где обжатие по диаметру, значение которого принимается в пределах ; катающий радиус заготовки.

Общая контактная поверхность на участке обжатия сферы можно определить по формуле:

                                                         (13)

Давление металла на валок на каждом участке калибра определяется следующим выражением:

                                                             (14)

где среднее контактное давление на металл, который определяется по следующей формуле:

                                             (15)

где максимальное значение крутящего момента шаропрокатного стана по паспорту, диаметр оси прокатки, диаметр винтового калибра.

Результаты

По результатам определения усилий, действующих на шаропрокатные валки, составленные аналитические выражения (1)-(15) при ,  и  которые реализованы в среде MathCAD 15 и получены соответствующие графики приведенные на рис. 3-6.

Рисунок 4. График изменения общей контактной поверхности на участке обжатия сферы правого и левого валка

Рисунок 5. График изменения среднего контактного давления на металл правого и левого валка

Рисунок 6. График изменения давления на валок на каждом участке калибра

Выводы

В заключении следует отметить, что в данной научно-исследовательской работе изучены математические выражения сил, действующих на шаропрокатный валок, проанализированы основные результаты с использованием программы MathCAD 15. Создана программа для расчёта и обработки основных результатов при изменении значений необходимых параметров. Оценка точности расчётной программы проводилось методом сравнения. Результаты основного анализа показывают, что при использовании данной программы наиболее эффективным является определение необходимых параметров графическим способом и исследование вопроса на основе численных результатов.

Список литературы:

1. Целиков А.И., Барбарич М.В., Васильчиков М.В., Грановский С.П., Жукевич-Стоша Е.А. Специальные прокатные станы. // –М.: Металлургия, 1971. –336 с.
2. Kotenok V.I. & Podobedov S.I. (2000). Creation of effective calibrations of ball rolling rolls and expansion of the range of balls at existing and new mills. Proceedings of the III Congress of Distributors, Lipetsk, October 19-22, 1999 (pp. 438-441). Moscow: JSC "Chermetinformation".
3. Tofil, A. Overview of the research on roll forging process / A. Tofil, Z. Pater // Advances in Science and Technology Research Journal. - June 2017. - Volume 11. - Issue 2. - pp. 72-86.
4. Granovski S.P. (1980). New Technologies and Mills for Rolling of Products in Screw Calibers. Moscow: Metallurgiya.
5. Shakhobutdinov R.E., Karimova A.R. & Nosirov T.N. (2024). Tasks of mastering the production of import-substituting steel grinding balls products. Science and Innovative Development, 36-44.