dr inĪ. Piotr Penkaáa Politechnika Lubelska Wydziaá Mechaniczny
Instytut Technologicznych Systemów Informacyjnych
METODOLOGIA POMIARÓW ISTOTNYCH PARAMETRÓW
WALCOWANIA SKOĝNEGO
Operacja walcowania skoĞnego jest wykorzystywana powszechnie w procesie technologicznym wytwarzania rur bez szwu. W związku z duĪymi odksztaáceniami plastycznymi, jakim podlega materiaá obrabiany, proces jest wysoce energetyczny. Znacznym zmianom podlegają takĪe ksztaáty i wymiary materiaáu wsadowego. Ksztaátowany metal ulega przemieszczeniom wzglĊdnym, a tym samym poĞlizgom w kierunku stycznym i osiowym. Parametry charakteryzujące proces moĪna podzieliü na trzy zasadnicze grupy: kinematyczne, siáowe i geometryczne. Ich pomiar w wielu wypadkach jest záoĪony i trudny do jednoznacznej weryfikacji. Parametry geometryczne są mierzalne bezpoĞrednio, natomiast pozostaáe w sposób poĞredni lub wyznaczane na podstawie zaleĪnoĞci empirycznych.
METHODOLOGY OF MEASUREMENT IMPORTANT PARAMETERS OF SKEW ROLLING PROCESS
Skew rolling operation is commonly used in the process manufacturing of seamless tubes. In view of the large plastic deformation, which is subject to the workpiece, is a highly energetic process. Significant changes are also subject to the shapes and dimensions of the feed material. Metal is shaped relative movements, thus skidding in the tangential and axial. The parameters characterizing the process can be divided into three main groups: kinematical, strength and geometric. Their measurement, in many cases is complex and difficult to identify without verification. Geometrical parameters are directly measurable, while others implicitly or determined on the basis of empirical relationships.
1. CHARAKTERYSTYKA PROCESU
Proces technologiczny produkcji rur bez szwu obejmuje kilka faz przeróbki plastycznej zaleĪnie od metod ich wytwarzania i Ğrednicy produkowanych rur:
- wykonanie gruboĞciennej tulei w walcarce skoĞnej lub prasie, z wsadu w postaci wlewków, kĊsisk lub kĊsów,
- walcowanie rur o Īądanych Ğrednicach i gruboĞciach Ğcianek,
- wykaĔczające walcowanie kalibracyjne lub redukcyjne, zapewniające ostateczne wymiary rur.
W operacji walcowania skoĞnego ksztaátowanie wyrobu zachodzi pod wpáywem siá tarcia dziaáających na powierzchni styku metalu obrabianego i walca roboczego. Przedmiot obrabiany wykonuje ruch postĊpowy, a takĪe ruch obrotowy wokóá swojej osi, natomiast walce robocze obracają siĊ w tym samym kierunku. Taki typ ruchu záoĪonego nastĊpuje w wyniku odpowiedniego usytuowania walców roboczych w przestrzeni w stosunku do przedmiotu obrabianego. Odksztaácenie zachodzi w wyniku tego, Īe odlegáoĞü miĊdzy powierzchniami roboczymi walców zmniejsza siĊ w kierunku ruchu skoĞnego przedmiotu
obrabianego. Walce robocze stosowane w procesie walcowania skoĞnego są odpowiednio uksztaátowane, w celu zachowania zwiĊkszenia gniotu na dáugoĞci strefy odksztaácenia. Zapewnia to uzyskanie dogodnych warunków do chwytu materiaáu obrabianego, a nastĊpnie jego uksztaátowanie.
W procesie walcowania skoĞnego są stosowane najczĊĞciej dwa typy walców roboczych, w záoĪeniu dwuwalcowym lub rzadziej – trójwalcowym. Powszechnie wystĊpują walce beczkowe w záoĪeniu dwuwalcowym. Mają one ksztaát dwu stoĪków ĞciĊtych záączonych wiĊkszymi podstawami Odpowiednie usytuowanie walców w przestrzeni zapewnia kąt zukosowania walców E. Jest to kąt zawarty miĊdzy osią walcowania i osią walca roboczego w páaszczyĨnie pionowej (rys. 1a)
Inny typ walców stosowanych w walcowaniu skoĞnym stanowią walce stoĪkowe. Mają one ksztaát záoĪony z kilku stoĪków ĞciĊtych poáączonych kolejno mniejszą podstawą z wiĊkszą podstawą kolejnego stoĪka. W tym ukáadzie walców wystĊpuje kąt zukosowania E oraz kąt rozwalcowania J. Jest to kąt zawarty pomiĊdzy osią walcowania i osią walca roboczego w páaszczyĨnie poziomej (Rys. 1.b)
Rys. 1. Schemat ukáadu walców w walcarkach skoĞnych
Obszar odksztaácenia podczas dziurowania i wydáuĪania w procesie walcowania skoĞnego jest ograniczony przez walce robocze oraz w páaszczyĨnie do nich prostopadáych – przez prowadnice. W praktyce przemysáowej stosuje siĊ trzy typy prowadnic: staáe, obrotowe nie napĊdzane oraz tarczowe napĊdzane.
2. PARAMETRY KINEMATYCZNE PROCESU
Do najwaĪniejszych zagadnieĔ w procesie walcowania skoĞnego tulei rurowych naleĪy okreĞlenie wspóáczynników prĊdkoĞci (poĞlizgów) w kierunku osiowym Șo i stycznym Șt.
PoĞlizg metalu wzglĊdem walców ma zdecydowanie najwiĊkszy wpáyw na przebieg procesu dziurowania peánych kĊsów (wlewków) oraz wydáuĪenia tulei gruboĞciennych. W zaleĪnoĞci od wielkoĞci poĞlizgów okreĞla siĊ czas maszynowy procesu, zuĪycie energii oraz zuĪycie narzĊdzi roboczych: walców, gáówek dziurujących, trzpieni walcowniczych oraz tarcz prowadzących. Wspóáczynniki poĞlizgu osiowego i stycznego podaje siĊ w postaci wykresów na dáugoĞci strefy odksztaácenia w zaleĪnoĞci od róĪnych czynników walcowniczych (rys. 2, 3). Wyznacza siĊ je na dáugoĞci obszaru odksztaácenia korzystając z zaleĪnoĞci empirycznych.
Rys. 2. Wpáyw Ğrednicy gáówki dziurującej na rozkáad wspóáczynnika prĊdkoĞci osiowej, na dáugoĞci obszaru odksztaácenia dla stali ferrytycznej
Rys. 3. Wpáyw Ğrednicy gáówki dziurującej na rozkáad wspóáczynnika prĊdkoĞci stycznej, na dáugoĞci obszaru odksztaácenia dla stali ferrytycznej
3. PARAMETRY GEOMETRYCZNE PROCESU
WáaĞciwe okreĞlenie ksztaátu i wymiarów strefy odksztaáceĔ ma duĪe znaczenie teoretyczne i praktyczne. Zagadnieniom dotyczącym geometrii strefy odksztaácenia poĞwiĊcono wiele uwagi w pracach: [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. W pracach tych wyznaczono podstawowe parametry strefy odksztaácenia przy walcowaniu skoĞnym tulei gruboĞciennych i rurowych w róĪnych ukáadach narzĊdzi roboczych. Parametry geometryczne zaleĪą od poáoĪenia walców roboczych w stosunku do osi materiaáu obrabianego, rodzaju kalibrowania walców, gáówki dziurującej lub trzpienia walcowniczego, a takĪe wymiarów kĊsa tulei.
Obszar odksztaácenia – niezaleĪnie od powyĪszych uwag przy dziurowaniu i wydáuĪaniu w walcarce skoĞnej í rozpoczyna siĊ páaszczyzną chwytu kĊsa przez walce robocze, okreĞlającą dáugoĞü strefy dziurowania ld, a koĔczy páaszczyzną wyjĞcia tulei gruboĞciennej lub rurowej,
okreĞlającą dáugoĞü strefy rozwalcowania lr. WáaĞciwe okreĞlenie tych dáugoĞci jest jednym
z najwaĪniejszych zagadnieĔ, poniewaĪ jest to podstawa do wyznaczenia pozostaáych parametrów geometrycznych, jak i kinematycznych, siáowych, oraz wielkoĞci skrĊcania (rys. 4).
Rys. 4. Schemat obszaru odksztaácenia
Przy kalibrowaniu beczkowym walców do wyznaczania dáugoĞci ld i lr zastosowano
zaleĪnoĞci teoretycznie wyznaczone przez [5], a nastĊpnie uĞciĞlone w kierunku ich praktycznego wykorzystania w pracach [2, 8, 11]. UwzglĊdniają one zarówno zmiany geometrii materiaáu obrabianego, jak i usytuowanie walców w przestrzeni przez zadanie kąta E oraz kątów stoĪka dziurowania D1, stoĪka rozwalcowania D2 i czĊĞci cylindrycznej walca
roboczego lc. DáugoĞü ld i lr są okreĞlone nastĊpująco:
E D E cos l 2 1 tg cos ) r r ( l c 1 c k d (1) E D E cos l 2 1 tg cos ) r r ( l c 2 c t r (2)
Innym bardzo istotnym parametrem geometrycznym jest wielkoĞü wysuniĊcia gáówki dziurującej poza przewĊĪenie walców – m. Dla procesu dziurowania wielkoĞci ta zostaáa okreĞlona przez Czekmariewa wg zaleĪnoĞci:
2 1 2 1 gs n 1 t g c k tg tg tg tg ) l l ( 2 tg ) g 2 d ( ) 1 ( d m D D D D D G (3) Wraz ze wzrostem wysuniĊcia gáówki dziurującej poza przewĊĪenie walców roboczych ulega
skróceniu wielkoĞü ld. Strefa odksztaácenia miĊdzy narzĊdziami roboczymi maleje, gdyĪ w
staáą strefĊ najmniejszego odstĊpu miĊdzy walcami wchodzi gáówka dziurująca o zwiĊkszającej siĊ Ğrednicy, dokonując wiĊkszej redukcji gruboĞü Ğcianki tulei. Oddziaáuje to
na jeden z najwaĪniejszych parametrów procesu, to jest na rzeczywisty wspóáczynnik wydáuĪeniem Ox. WielkoĞü wysuniĊcia gáówki m ma takĪe poĞredni wpáyw na takie parametry
geometryczne strefy odksztaácenia, jak szerokoĞü powierzchni styku metalu odksztaácanego z walcem roboczym bx oraz caákowita powierzchnia styku metalu Sd.
4. PARAMETRY SIàOWE PROCESU
Parametry kinematyczne walcowania w walcarce skoĞnej z są bezpoĞrednio związane z parametrami siáowymi. ZnajomoĞü tych parametrów jest konieczna w czasie eksploatacji istniejących juĪ walcarek skoĞnych, jak i przy projektowaniu nowych. Odksztaácany metal oddziaáuje na walce robocze, narzĊdzia prowadzące oraz gáówkĊ dziurującą lub trzpieĔ walcowniczy. W zakresie oddziaáywania metalu na walec istotne jest okreĞlenie siá nacisku w kierunku poprzecznym i osiowym oraz momentu walcowania. Moment jest najczĊĞciej wyznaczany na podstawie siáy stycznej dziaáającej na walce robocze. Siáy dziaáające w kierunku poprzecznym do osi walcowania najczĊĞciej wyznacza siĊ na podstawie siá stycznych i promieniowych dziaáających na walce robocze. W rzeczywistym procesie walcowania okreĞla siĊ siáy dziaáające na walec prawy – Fwp, walec lewy í Fwl, tarcze
prowadzące – Ft oraz gáówkĊ dziurującą – Fg (wyniki badaĔ w tab. 1).
4.1. Stanowisko badawcze
Badania laboratoryjne procesu dziurowania peánych kĊsów wykonano na laboratoryjnym zespole walcowniczym znajdującym siĊ na wyposaĪeniu Zakáadu Plastycznej Przeróbki Metali Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zespóá ten jest przeznaczony do wykonywania prób walcowania w walcarce skoĞnej wg technologii dziurowania i wydáuĪania tulei rurowych. W walcarce tej istnieje moĪliwoĞü zastosowania róĪnych typów kalibrowaĔ walców roboczych, záoĪeĔ walców ( ukáad dwu – lub trójwalcowy), narzĊdzi prowadzących (liniaá staáy, rolka obrotowa, walec prowadzący lub prowadnica tarczowa). Pozwala to modelowaü róĪne stanowiska laboratoryjne do walcowania skoĞnego tulei rurowych. W celu uĪycia jako narzĊdzi prowadzących napĊdzanych prowadnic tarczowych Dieschera zastosowano napĊd dolnej prowadnicy od dodatkowej przekáadni – przystawki oznaczonej na rys. 5 przez (8). Ksztaátowanie otworu osiowego w dziurowanym kĊsie nastĊpuje na zespolonej gáówce dziurującej (9), umieszczonej na trzpieniu, obracającym siĊ w uáoĪyskowanym gnieĨdzie.
Przedstawiona walcarka laboratoryjna zapewnia zachowanie kątów ustawienia walców roboczych w przestrzeni w zakresie: E = 6–14q, G = 0–5q. Pozwala to na uĪycie walców o kalibrowaniu stoĪkowym i beczkowym.
Zadawanie i sterowanie prĊdkoĞcią obrotową wĊzáów mechanicznych w linii technologicznej walcarki skoĞnej do walcowania rur bez szwu odbywa siĊ przez tyrystorowy ukáad napĊdowy, przekazujący impuls sterujący na gáówny silnik napĊdowy (1). Dalsze przenoszenie obrotów zachodzi przez: czterostopniową przekáadniĊ kątową (3), klatkĊ walców zĊbatych (4), napĊdzającą dwa walce robocze, zabudowane w klatce roboczej (5), przekáadniĊ dodatkową (6), napĊdzającą górne narzĊdzie prowadzące (rolka obrotowa, walec prowadzący lub górna prowadnica tarczowa).
Walcarka skoĞna wyposaĪona jest w ukáad pomiarowy (10, 11) wykorzystujący czujniki tensometryczne (do pomiaru momentów obrotowych (12, 13, 14) i siá nacisku (15, 16, 17, 18) oraz mechaniczne (19, 20). Podstawowa aparatura przetwarzająca skáada siĊ z dziesiĊciokanaáowego przetwornika analogowo-cyfrowego firmy Hottinger oraz komputera klasy IBM, wykorzystującego oprogramowanie specjalne. Okres próbkowania aparatury wynosiá 0,05 s.
Badania procesu dziurowania prowadzono dla próbek ze stali austenitycznej o Ğrednicy I60 i dáugoĞci 170 mm. Peány przebieg badaĔ zestawiono w tab. 1. Przebieg zarejestrowanych zmian siá dziaáających na jeden dziaáających czopów walca roboczego przedstawiono na rys. 6. Przebieg tych zmian jest bardzo niestabilny. W związku z tym naleĪaáo wprowadziü liniĊ trendu, aby przebieg moĪna byáo opisaü równaniem wyĪszego rzĊdu. Zஈwykresu wynika, Īe proces przebiega trójetapowo. W pierwszym etapie wartoĞü siáy zdecydowanie wzrasta, nastĊpnie moĪemy zauwaĪyü wzglĊdną stabilizacjĊ. W ostatnim etapie siáa maleje, co Ğwiadczy o wyjĞciu tulei z obszaru odksztaácenia. Do okreĞlenia rzeczywistej siáy dziaáającej na czop walca najczĊĞciej wykorzystujemy wartoĞü Ğrednią zarejestrowaną w drugim etapie procesu ksztaátowania.
Rys. 6. Przebieg zmian siáy dziaáającej na czop walca
F(t) = 6E-12t6 - 4E-09t5 + 9E-07t4 - 3E-05t3 - 0,0132t2 + 2,0049t - 4,8043 (4)
Tab. 1. Wyniki i program badaĔ wpáywu kąta zukosowania walców dla gáówek o róĪnych Ğrednicach przy dziurowaniu stali austenitycznej
5. PODSUMOWANIE
Metoda analizy procesu dziurowania peánych kĊsów pozwala wyznaczyü racjonalne parametry geometryczne, kinematyczne i siáowe, przy zadanych wymiarach tulei, kątach zukosowania i rozwalcowania, gniotu przed gáówką dziurującą oraz danych dotyczących wáasnoĞci plastycznych metali. Daje to moĪliwoĞü – drogą zmiany danych wejĞciowych – ustalenia optymalnej technologii dziurowania w walcarce skoĞnej.
W obszarze odksztaácenia ograniczonym przez narzĊdzia robocze i prowadzące zachodzą szybkie zmiany parametrów opisujących warunki páyniĊcia ksztaátowanego metalu oraz parametrów technologicznych procesu. Zmiany te mogą wpáywaü na pogorszenie jakoĞci wyrobu.
BIBLIOGRAFIA
1. Tietierin P.K.: Tieoria popiereczno-wintowoj prokatki. Mietaááurgija, Moskwa 1971. 2. Kazanecki J. i in.: Opracowanie optymalnych parametrów walcowania tulei w walcarce
skoĞnej Dieschera w aspekcie eksploatacji tej walcarki w walcowni ciągáej rur. Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej nr 4.351.105, AGH Wydz. Metalurgiczny, 1981.
3. Fomiczew I.A.: Kosaja prokatka. Mietaááurgizdat, Moskwa 1963, str. 120-158.
4. Matwiejew J.M.: Proizwodstwo swarnych i biesszwowych trub. wyd. 9, Mietaááurgia, 1968, s. 79.
5. Jemielianienko P.T.: Tieorija kosoj i piligramowoj prokatki. Mietaááurgizdat, 1949.
Lp. Nr próbki E0 G m dg Oc Fwp Fwl Ft Fg Mw Mt tw ° ° mm mm í kN kN kN kN kNm kNm s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Parametry staáe: Tn 1180qC, min obr 60
nw , materiaá: stal austenityczna
1. 01 8 5 30 30 1,56 157,47 144,75 40,97 21,97 7,93 3,02 9 2. 01/1 8 5 30 30 1,62 157,38 146 39,86 22,5 8,06 3,17 9,15 3. 01/2 8 5 30 30 1,58 157,29 147,25 38,75 23,03 8,19 3,32 9,3 4. 02 8 5 30 32 1,68 158,25 153,09 42,06 22,92 8,05 3,57 10,0 5 5. 02/1 8 5 30 32 1,71 159,16 154,22 42,8 23,48 8,2 3,52 9,7 6. 02/2 8 5 30 32 1,7 160,07 155,35 43,54 24,04 8,35 3,47 9,35 7. 03 8 5 30 34 1,71 158,2 156,1 45,04 26,61 8,49 3,44 10,6 8. 03/1 8 5 30 34 1,76 159,16 157,07 46,14 27 8,62 3,52 10,3 9. 03/2 8 5 30 34 1,73 160,12 158,04 47,24 27,39 8,75 3,6 10 10. 04 8 5 30 36 1,71 166,34 157,97 45,51 30,68 8,68 3,27 10,7 11. 04/1 8 5 30 36 1,79 167,29 158,05 46,43 29,36 8,92 3,46 10 12. 04/2 8 5 30 36 1,76 168,24 158,13 47,35 28,04 9,16 3,65 9,3 13. 05 10 5 30 30 1,58 150,84 168,09 49,94 59,04 9,11 3,28 8,55 14. 05/1 10 5 30 30 1,61 151,99 164,67 49,48 58,38 8,66 3,16 8,1 15. 05/2 10 5 30 30 1,62 153,14 161,25 49,02 57,72 8,21 3,04 7,65 16. 06 10 5 30 32 1,64 149,91 159,46 49,59 58,35 8,9 3,12 9,15 17. 06/1 10 5 30 32 1,67 151,52 161 49,7 58,74 9,07 3,21 8,9 18. 06/2 10 5 30 32 1,63 153,13 162,54 49,81 59,13 9,24 3,3 8,65
6. Czekmariew A.P., Drujan W.M.: Tieoria trubnowo proizwodstwa. Mietaááurgija, 1976, s. 16.
7. Potapow I.N. i in.: Sbornik Plasticzeskaja dieformacija mietaááow i spáawow. nr 76, Mietaááurgija, Moskwa, 1974, s. 101.
8. Potapow I.N., Poáchin P.I.: Nowaja tiechnoáogia wintowoj prokatki. Mietaááurgija, 1975. 9. Kazanecki J., Starowicz J.: Herstellen von Rohren und Hohlkorpern auf Diescher
Waltzwerken. Bander Bleche Rohre, 1988, tom 29, nr 9, s. 22í26.
10. Kazanecki J.: Rozwój procesów produkcji rur z zastosowaniem walcarek Dieschera. Problemy Projektowe Hutnictwa, 1991, tom 38, nr 2, s. 33í44.
11. Kazanecki J.: Analyse des Lochens und Dehnens mit Diescher-Rollen. Bander Bleche Rohre, 1988, tom 29, nr 1, s.16í22.
