• Nie Znaleziono Wyników

Określenie sił działających na walce

W dokumencie Index of /rozprawy2/10777 (Stron 32-48)

(2.41)

gdzie:

i to wielkość rozwarcia na sąsiednich odcinkach wykroju, określana jest z zależności:

(2.42)

2.2.2. Określenie sił działających na walce

Wykrój walca śrubowego składa się z wielu oddzielonych odcinków (części), różnego kształtu. Wychodząc z tego całkowita siła nacisku na walce w rozpatrywanym momencie walcowania równa się sumie sił powstających w każdym odcinku wykroju:

∑ ( ) (2.43)

gdzie:

– siła powstająca podczas kształtowania każdego odcinka półwyrobu, – siła powstająca podczas wygładzania kształtowanej części półwyrobu.

Siła kształtowania w każdej części wykroju określa, iloczyn średniego nacisku metalu na walce i pole powierzchni styku metalu z walcami , która z kolei określona jest gniotem półwyrobu , w zależności od osiowego podania (rys. 2.13). Pole styku (przylegania) metalu z walcami na kształtowanym odcinku wykroju, profil tworzącej określa funkcja ( ) określa wyrażenie:

31 gdzie:

szerokość powierzchni styku podczas gniotu przekroju półwyrobu, położonego w odległości od początku układu współrzędnych,

– długość zgniatanego mostka,

– szerokość styku podczas gniotu mostka.

Rys. 2.13. Gniot półwyrobu bocznymi ścianami śrubowego kołnierza (obrzeża) [30]

Szerokość powierzchni styku podczas walcowania poprzecznego [34] wynosi:

(2.45)

gdzie:

– promień walca w rozpatrywanym przekroju, – promień półwyrobu w tym przekroju,

– gniot półwyrobu.

Jeśli promień walca jest znacznie większy od walcowanego wyrobu, to . W tym przypadku szerokość powierzchni styku w dowolnym przekroju wykroju określamy z przybliżonej zależności:

32 Szerokość styku w mostku równa jest:

√ (2.46a)

gdzie:

– promień mostka w rozpatrywanym miejscu wykroju, – gniot w mostku (rys. 2.14),

– promień sprężenia (szczepienia) półwyrobu z walcami, – kąt podawania (skoku) wysokości obrzeża wykroju.

Rys. 2.14. Gniot półwyrobu w wierzchołku śrubowego obrzeża (kołnierza) [30]

Podczas określania powierzchni syku metalu z walcami w czasie dziurowania w walcarce skośnej było sprawdzane, że szerokość powierzchni styku określona z zależności

33 (2.45) jest 1,5 ÷ 2 razy mniejsza od rzeczywistej, pomierzonej z odcisku na półwyrobach zatrzymanych w walcach. To zjawisko było wyjaśnione przez I. S. Pobiedinym tym, że podczas poprzecznego walcowania jak i podczas kucia poprzecznego półwyrobów, część zgniatanego metalu idzie w wydłużenie, a druga część – w poprzeczne co prowadzi do owalizacji półwyrobu i odpowiednio zwiększa szerokość powierzchni styku przy idealnym procesie poprzecznego walcowania, kiedy część zgniatanego metalu idzie w wydłużenie do

(rys. 2.15).

Rzeczywista szerokość powierzchni styku podczas walcowania półwyrobów śrubowym obrzeżem zwiększa w wyniku pojawienia się dodatkowej powierzchni styku metalu z walcami o szerokości od strony wyjścia półwyrobu (rys. 2.15) w wyniku gniotu metalu, wychodzącego z walców obrzeża wykroju, wysokość którego w sposób ciągły wzrasta. W ten sposób, rzeczywista szerokość styku metalu z walcami w dowolnym przekroju poprzecznym obrzeża odkształcenia równa:

(2.47)

Podczas obrotu półwyrobu o kąt walec obróci się o kąt . W sposób ciągły zwiększa się wysokość obrzeża walca, jak już zaznaczono wprowadza i zgniata półwyrób do punktu oderwania metalu od półwyrobu. Szerokość styku metalu przy wyjściu z walców wynosi:

(2.48)

Było pokazane, że , dlatego w praktycznych obliczeniach można je pominąć [30].

34

Rys. 2.15. Szerokość styku metalu z walcami podczas walcowania poprzecznego w śrubowych wykrojach [30]

Określimy szerokość styku z udziałem owalizacji półwyrobu, wychodząc z schematu przedstawionego na rys. 2.16.

35 Jeśli pominiemy krzywiznę walca (ponieważ promień jego jest znacznie większy od promienia półwyrobu), to styk metalu z walcami, poprzedni obrót półwyrobu o kąt będzie zachodził po prostej . Po obrocie walca o kąt styk będzie zachodził po prostej . Objętość metalu przesunięta (przemieszczona) podczas obrotu półwyrobu o kąt wynosi:

(2.49)

gdzie:

– długość zgniatanego odcinka półwyrobu,

– pole przekrój poprzecznego półwyrobu, przesuniętego podczas obrotu o kąt .

Objętość metalu, idąca w wydłużenie, równa się:

(2.50)

Zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2.17, w przybliżeniu otrzymamy:

[( ) ] (2.51)

[( ) ] (2.52)

Współczynnik owalizacji , określamy stosunkiem objętości metalu, idącą w wydłużenie do ogólnej przesuniętej objętości, wynosi:

⁄ (2.53)

Podstawiając (2.51) i (2.52) do (2.53) i rozwiązując otrzymane równanie względem , otrzymamy:

[ ( )⁄ ]

36 Dla , kiedy cała przemieszczana objętość idzie w wydłużenie .

Podstawiając (2.54) w (2.46) otrzymamy: { [ ( )⁄ ] } (2.55)

W przybliżeniu można liczyć, że:

[ ( )⁄ ]

(2.56)

Więc czyli

Ponieważ wielkość , zależy od warunków płynięcia metalu, można określić tylko drogą prób, w obliczeniach praktycznych poleca się prostą zależność:

( ) (2.57)

gdzie:

– współczynnik, uwzględniający zwiększenie szerokości styku w wyniku owalizacji półwyrobu.

Rozpatrzymy dla przykładu określenie powierzchni styku metalu z walcami na odcinku kształtowania powierzchni kuli (rys. 2.17) [31].

37

Rys. 2.17. Schemat gniotu (a) i powierzchni styku (b) podczas walcownia kul [30]

Linia przedstawia kształt (profil) półwyrobu przed wejściem w walce, a druga – po wyjściu z walców. Osiowe podanie za pół obrotu półwyrobu:

(2.58)

ale:

[ ( ) ] (2.59)

38 gdzie:

– wysokość obrzeża w rozpatrywanym momencie walcowania, – wysokość obrzeża po przemieszczeniu o pół obrotu.

Podstawiając (2.59) i (2.60) do (2.58) otrzymamy:

[( ) ] [( ) ] (2.61)

Gniot w dowolnym przekroju półwyrobu odległym o odstęp od początku współrzędnych, co równa się różnicy promieni półwyrobu przed i po odkształceniu. Z rozkładu gniotu rozpatrywany obszar odkształcenia może być podzielony na dwie części: , na których z walcowego półwyrobu długości kształtuje się część profilu, i , na którym z profilu (kuli) o dużej średnicy kształtuje się profil o mniejszej średnicy.

Promień i gniot w dowolnym przekroju półwyrobu na odcinku ab wynosi:

( ) (2.62)

( ) (2.63)

Szerokość powierzchni styku metalu z walcami można określić z zależności (2.57), wstawiając pod pierwiastek małą wielkość ( ) :

√ ( ) (2.64)

Podstawiając i w (2.64), otrzymamy:

(2.64a)

Pole powierzchni styku dla dwóch przyległych odcinków:

(2.65)

Na odcinku wykroju , promień półwyrobu określa się także z równania (2.62), a gniot w dowolnym przekroju półwyrobu:

39 [ ( ) ] ( ) (2.66)

Podstawiając (2.62) i (2.66) w (2.64), określamy:

( ) (2.67)

Pole przylegania metalu z walcami na dwóch symetrycznych odcinkach:

∫ (2.68)

Uwzględniając (2.67):

⁄ [( )( ) ] (2.69)

Całkowita powierzchnia styku na odcinku gniotu kuli równa jest:

( ) (2.70)

Jak wykazały wykonane obliczenia, , ponieważ podanie osiowe jest wiele razy mniejsze od promienia kuli. W wyniku tego w obliczeniach praktycznych całkowita powierzchnia styku na odcinku gniotu profilu (kuli) można określić z równania (2.69). Dla określenia zmiany wysokości obrzeża (kołnierza) za połowę obrotu półwyrobu należy znać promień przylegania (styku) półwyrobu z walcem , który może być określony z warunku jednostajnego (równomiernego) obrotu półwyrobu. Schemat sił działających na walcowany półwyrób przedstawia rys. 2.18 [31].

40

Rys. 2.18. Schemat do określenia promienia sczepienia (przylegania) półwyrobu z walcami podczas walcowania kul [30]

Na różnych odcinkach wykroju w zależności od ich położenia względem promienia φ siły tarcia, powstające momenty skręcające skierowane są w przeciwną stronę. Na odcinku, gdzie styk półwyrobu z walcami zachodzi po promieniu większym niż (od do ), półwyrób wyprzedza walec i moment skręcający (obrotowy) , wywołany siłami tarcia, skierowany przeciwnie (rys. 2.18a). Na drugim odcinku wykroju (od do ), gdzie , półwyrób opóźnia względem walców (rys. 2.18b). W wyniku tego siła tarcia i moment skręcający skierowany jest w przeciwną stronę. Oprócz sił tarcia, na półwyrób działają także naciski prostopadle dające moment skręcający . Warunek równowagi, przy którym zachodzi równomierny obrót półwyrobu określamy równaniem:

41 Moment sił tarcia w każdym przekroju poprzecznym wykroju:

(2.72)

Ponieważ podczas walcowania kul półwyrób odkształcany jest kilkoma obrzeżami (rys. 2.18c), to całkowity moment sił tarcia na odcinku wykroju, gdzie .

[∫ ] (2.73)

Dla uproszczenia rozwiązania zadania kulisty kształt (profil) wykroju zamieniany jest na stożkowy, a moment sił tarcia dla drugiego i trzeciego obrzeża przyjęto jednakowy. Kąty tworzących stożków są odpowiednio równe:

( ) √ ⁄ (2.74)

( ) √ ⁄ (2.75)

Przy stożkowym profilu (kształcie) gniot i promień półwyrobu w dowolnym przekroju w odległości od początku współrzędnych:

(2.76)

(2.77)

(odcinek wykroju od do z powodu niewielkiego wymiaru pomijamy).

Podstawiając wyrażenie (2.57), (2.76) i (2.77) w (2.73) po przekształceniach otrzymamy:

[(√ ⁄ √ ⁄ )( )] (2.78)

42 [(√ ⁄ ( ) √ ⁄ )( )]

(2.79)

Moment skręcający, powstający od nacisków prostopadłych w każdym przekroju wykroju:

(2.80)

gdzie:

(2.81)

Ogólny moment skręcający, powstający od nacisków prostopadłych na całej długości wykroju:

[∫ ] (2.82)

Podstawiając (2.67), (2.79) i (2.81) w równanie (2.82) otrzymamy:

{ [ ( ) ] [ ( )

]} (2.83)

Podstawiając (2.78), (2.79) i (2.83) w (2.71) i rozwijając względem , otrzymamy:

{ ( ⁄ )[ ( ) ]} ( ) (2.84) gdzie: (2.85) ( ) ; ( ) (2.86) ( ⁄ ) (2.87)

43 ( ⁄ ) (2.88) (2.89) gdzie: – promień kuli, – promień mostka,

– odległość między osią kuli i walca, – promień walca po dnie wykroju.

W ten sposób przy zmniejszeniu współczynnika tarcia promień przylegania zbliża się do promienia kuli.

Średni nacisk jednostkowy metalu na walce podczas walcowania poprzecznego w śrubowym wykroju w znacznym stopniu zależy od wpływu stref zewnętrznych. Do określenia podczas walcowania poprzecznego stosowany był wzór Celikowa uzyskany na podstawie teorii pola linii poślizgu:

[ ] (2.90)

Ta zależność słuszna przy , a przy nacisk określa się z zależności Prandtla:

( ) (2.91)

Podczas walcowania w wykrojach śrubowych szerokość powierzchni styku jest mała i dlatego zwykle określamy z zależności (2.91) opór odkształcenia określamy z danych doświadczalnych zależności granicy plastyczności ( ) od prędkości odkształcenia ̇, stopnia odkształcenia i temperatury nagrzania metalu [31].

Dla stali ŁH15 (100Cr6), powszechnie stosowanej podczas walcowania w wykrojach śrubowych, tą zależność przedstawia rys. 2.19.

44

Rys. 2.19. Zależność granicy plastyczności od temperatury nagrzania stali ŁH15 (100Cr6) [30]

Stopień odkształcenia podczas walcowania poprzecznego określa wyrażenie:

[( ) ⁄ ] (2.92)

Prędkość odkształcenia wynosi:

̇ ( ) (√ ) (2.93)

Podczas walcowania wyrobu o kształcie złożonym, średnią prędkość odkształcenia określa się dla średniego przekroju półwyrobu w granicach rozpatrywanego skoku wykroju. Ogólnie moment skręcający na walcu (rys. 2.20) określa wyrażenie:

∑ (2.94)

gdzie:

– wypadkowa całkowitego nacisku na walce od siły prostopadłej i siły tarcia na rozpatrywanym odcinku wykroju,

– moment powstający na odcinku wykroju oddzielającym, – moment tarcia o liniały i osprzęt.

45

Rys. 2.20. Schemat do określania momentu skręcającego na walcu [30]

Ramię działania wypadkowej:

(2.95) (2.96) ̅ (2.97) ̅ (2.98) gdzie:

̅ – współrzędna środka ciężkości powierzchni styku określona z wyrażenia:

̅ ∫ (2.99)

46 , – szerokości powierzchni styku na granicy rozpatrywanego odcinka wykroju,

– pole powierzchni styku.

Podczas walcowania kul na odcinku wykroju, kształtowanej strefy (kuli), współrzędne środka ciężkości powierzchni styku określamy wyrażeniem:

̅ ( )

[( )√ ]

⁄ (2.100)

Obliczenia i badania doświadczalne sił i momentów skręcających na walcu podczas walcowania w wykrojach śrubowych wykazują, że podczas walcowania wyrobów dowolnego kształtu obciążenie i przebieg każdego obrotu walców zmienia się po krzywej bliskiej sinusoidzie, przy czym minimalna wartość obciążenia występuje na początku chwytu i przy obrocie walców o 360°, a maksymalne obciążenie powstaje podczas obrotu o kąt 180 ÷ 270°. Taki charakter zmiany obciążenia na walcach podczas walcowania wyrobów w śrubowych wykrojach tłumaczy się zwiększeniem powierzchni styku w wyniku zwiększenia opalizacji półwyrobu od momentu chwytu jego do 0,5 lub 0,75 obrotu walca i zatem zmniejszeniem opalizacji półwyrobu na koniec obrotu walca. Można obliczyć tylko obciążenie na walce na kształtowanym odcinku wykroju. Nacisk metalu i moment skręcający na oddzielnych odcinkach wykroju umownie przyjmujemy jako równe obciążeniu, powstającemu w ostatnim momencie kształtowania wyrobu [31].

2.2.3. Przykład obliczeniowy kalibrowania walca z wykrojem

W dokumencie Index of /rozprawy2/10777 (Stron 32-48)

Powiązane dokumenty