Неравномерность деформации при прокатке

 

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: λ_ср = 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:

λ_ср = 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 L_c = 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.

Усилие, действующее на верхний валок  P₁ = p₁·F₁;

усилие, действующее на нижний валок P₂ = p₂·F₂.

Согласно  условию равновесия сил, имеем p₁·F₁ = p₂·F₂,

но p₁< p₂; F₁ >F₂.

Обжатия верхнего и нижнего слоев в рассматриваемом  случае также неодинаковы. Свинцовый  слой обжимается в большей мере, чем алюминиевый, то есть (H₁ – L₁) > (H₂ – L₂), следовательно, и вытяжка свинцового слоя будет больше, чем алюминиевого. Если эти слои не связаны между собой, то каждый из них получает при деформации свою естественную вытяжку. Если же слои связаны между собой (как, например, у биметалла), то при прокатке полоса будет изгибаться в сторону меньшей вытяжки, в данном примере – вниз (рис. 10).

         Рисунок 9.    Рисунок 10.

 

 

Таким образом, при неравномерной деформации по толщине так же, как и для  случаев неравномерной деформации по ширине, отдельные части полосы стремятся получить естественную длину  в соответствии с обжатием их.

аналогичные явления происходят и при прокатке неравномерно прогретой полосы. Вследствие различия сопротивления деформации отдельных слоев углы захвата  у верхнего и нижнего валков различны. Величины обжатия верхнего и нижнего слоев можно выразить через углы захвата: обжатие верхнего слоя H₁ – L₁= R·(1 – cosα₁); обжатие нижнего слоя H₂ – L₂= R·(1 – cosα₂). Определим отношение обжатий верхнего и нижнего слоев: (H₁ – L₁)/(H₂ – L₂) = (1 – cosα₁)/(1 – cosα₂). Для малых значений углов получим: (H₁ – L₁)/(H₂ – L₂) ≈ (α₁/α₂)².

Для прокатки без уширения по условию равенства  усилий, действующих на верхний и  нижний валки: (p₂/p₁) ≈ (α₁/α₂). Если сопоставить два последних уравнения получим:

(H₁ – L₁)/(H₂ – L₂) = (p₂/p₁)².

Это уравнение  выражает закон распределения обжатий  при неравномерной деформации по толщине: частные обжатия слоев  металла, имеющих различные сопротивления  деформации, обратно пропорциональны  квадратам сопротивлений деформации этих слоев.

Неравномерная деформация по толщине полосы приводит к появлении в металле дополнительных напряжений. В слоях полосы, получивших большие обжатия, возникают дополнительные напряжения сжатия, а в слоях, получивших меньшие обжатия – напряжения растяжения. Дополнительные напряжения могут привести к дефектам. Наиболее частым дефектом при горячей прокатке, например, биметаллической проволоки, имеющей стальной сердечник и  медную оболочку, является разрыв стального  сердечника. Стальной сердечник, имея большее сопротивление деформации, меньше деформируется по сравнению  с медной оболочкой. В результате в нем возникают дополнительные напряжения растяжения. Если эти напряжения превысят предел прочности сердечника, в нем возникают трещины (рис. 11).

А – стальной сердечник

Б – медная оболочка

Рисунок 11.

 

Другим примером аналогичной неравномерности деформации по толщине может служить прокатка непрогретой заготовки или слитка (середина холоднее, поверхностные  слои). При прокатке такого металла  в средней его части также  возникают внутренние напряжения растяжения и, как следствие их, внутренние трещины.

При неравномерной  деформации по толщине возможно образование  трещин и на поверхности металла, если сопротивление деформации поверхностного слоя металла больше, чем в середине (например, на поверхности металл подстыл).

Неравномерность деформации по толщине может быть связана так же со своеобразным распределением деформирующих напряжений. Если сжимающие  силы, действующие со стороны валков на полосу в очаге деформации, представить  в виде силовых линий, то эти линии  будут искривлены, и плотность  их будет уменьшать от контактной поверхности к середине полосы. В  соответствии с этим и величина сжимающих  напряжений будет уменьшаться в  том же направлении. Степень искривления  силовых линий зависит от соотношения  между высотой и длиной очага  деформации. Небольшая степень искривления  силовых линий и, следовательно, небольшая разница в величине напряжений сжатия будут при большой  высоте очага деформации и малой  его длине. И, напротив, при малой  высоте очага деформации и большой  его длине можно считать, что  силовые линии почти не искривлены и напряжения сжатия в любом горизонтальном слое очага деформации одинаковы.

При неравномерной  деформации по толщине так же, как  и при неравномерной деформации по ширине, имеют место вынужденное  уширение и утяжка. Слои металла, получившие большее обжатие, имеют вынужденное  уширение, а слои, получившие меньшее  обжатие, - утяжку.

Так, при  прокатке непрогретого металла получаются выгнутые боковые кромки. Аналогично протекает деформация высокой полосы. То же самое можно наблюдать при  прокатке биметаллической сталемедной  проволоки. Медная оболочка, получая  вынужденное уширение, как бы сползает со стального сердечника.

Выпуклая  боковая кромка получается при горячей  прокатке, когда металл с поверхности  охлаждается благодаря попаданию  охлаждающей валки воды и прикосновению  с холодными валками.

 

Неравномерность деформации по длине прокатываемой полосы:

В каждый данный момент прокатки в стадии деформации находится лишь небольшая часть длины полосы (очаг деформации). Но даже в пределах этой небольшой части деформация не является равномерной. От плоскости входа в валки к плоскости выхода уменьшается скорость деформации, изменяется напряженное состояние и соотношение между продольной и поперечной деформациями.

Взаимодействие  переднего и заднего концов с  деформируемой частью полосы накладывает  свои отпечаток на напряженное состояние  и характер перемещения частиц в  очаге деформации.

Таким образом, процесс прокатки сам по себе служит примером резко выраженной неравномерности деформации по длине  полосы, но неравномерность эта проявляется  на прокатанной полосе весьма своеобразно. Вследствие регулярности процесса прокатки через очаг деформации последовательно  проходят все участки длины полосы и каждый из них в равной мере испытывает неравномерность деформации. В результате размеры форма поперечного  сечения, свойства металла и характер остаточных напряжений по все длине  прокатанной полосы получаются одинаковыми. Исключение составляют лишь небольшие  участки длины по концам полосы, прокатанные в условиях неустановившегося  процесса. В связи с этим обычно считают, что деформация по длине  прокатываемой полосы равномерна, если все поперечные сечения получают при прокатке одинаковое изменение  формы и размеров, а описанную  выше неравномерность учитывают  лишь при анализе процессов, протекающих  в очаге деформации.

Другой  вид неравномерности деформации по длине полосы наблюдается при  изменении расстояния между валками  за время одного прохода из-за колебаний  упругих деформаций валков и других деталей рабочей клетки, вследствие изменения усилия прокатки или из-за «биения» валков при отсутствии строгой  соосности шеек и бочек. Сечение  полосы, получаемой в результате такой  прокатки, будет неодинаково по её длине, причем изменяться может не только толщина, но и ширина полосы, а иногда и свойства прокатываемого металла.

В большинстве  случаев неравномерность деформации такого вида нежелательна, так как  она снижает точность размеров прокатываемой  полосы. Особенно сказывается её вредное  влияние при прокатке тонких полос, когда упругие деформации деталей  рабочей клетки становятся соизмеримыми с толщиной прокатываемой полосы.

Для повышения точности прокатки стараются  избегать «биения» валков, применяют  рабочие клетки повышенной жесткости  или специальные клетки предварительно напряженной конструкции. Иногда неравномерность  обжатия по длине полосы создают  специально, например, при выравнивании неравномерности толщины исходной полосы, при получении периодических  профилей или, как их ещё называют, профилей переменного сечения (например, круглого профиля с переменным по длине диаметром).

 

 

Литература:

1. Суворов И.К. -издательство «Высшая школа», Москва 1964г.
2. Мастеров В.А, Берковский В.С.- «Теория пластической деформации и ОМД», Москва 1989г.