Правильные машины

После прокатки и прессования изделия – листовой и профильный прокат имеют дефекты, среди которых различают: для листов – волнистость и коробоватость (местная кривизна в виде выпуклости), для сортового проката, профилей и труб – продольная кривизна и скрученность. Эти дефекты исправляют методами упругопластического изгиба и растяжением. В металлургии наибольшее распространение для этой цели получили роликовые правильные машины, обеспечивающие многократный упругопластический изгиб при прохождении роликов или роликовых обойм, расположенных в шахматном порядке по ходу движения проката.

Для сортового и профильного проката используют ролики, оси которых располагаются в одной или двух взаимно перпендикулярных областях. При правке листов оси роликов лежат в одной плоскости, но для правки тонких и достаточно широких лисов используют местный прогиб рабочих роликов с помощью независимых опорных роликов, располагающихся вдоль оси рабочих. Для правки труб и круглого сортового проката с высокой точностью используют косовалковые правильные машины с рабочими валками, имеющими форму близкую к гиперболоиду вращения. Изделие при правке, проходя через ряд роликов или роликовых обойм, расположенных в шахматном порядке, вращается и подвергается многократному упругопластическому изгибу.

Промышленностью выпускается большое разнообразие роликовых правильных машин, охватывающих практически весь сортамент производимого проката. В России лидером по разработке конструкций роликовых правильных машин всегда был ВНИИМЕТМАШ. Среди изготовителей роликовых правильных машин для металлургии наиболее известен СКМЗ (г. Краматорск, Украина), использующий техническую документацию ВНИИМЕТМАШ и собственные разработки. В последние годы к изготовлению правильных машин подключился НКМЗ (г. Краматорск, Украина).

Основные конструкторские решения исполнительных механизмов роликовых правильных машин – рабочие ролики, механизмы угловой и радиальной настройки, приводы и др. достаточно общи для многих типов правильных машин. Желающим ознакомиться с принципами конструирования этих узлов можно рекомендовать обратиться к книге «Трубоправильные машины», А.М.Маскилейсон, В.И.Сапир, Ю.С.Комиссарчук, М. – Машиностроение, 1971 г.

Ниже приведем основные теоретические положения условий правки на примере проката прямоугольного поперечного сечения.

Подвергаемый обработке материал является идеальным упругопластическим, то есть при напряжениях ниже предела текучести ведет себя как идеально упругий, а за пределом текучести - как идеальный пластический. Эпюра напряжений такого материала показана на рисунке. В соответствии с этим допущением напряжения по сечению изгибаемого изделия изменяются по закону прямой в зоне упругих деформаций от нейтральной оси до ординаты -z0, соответствующей началу зоны пластических деформаций, в которой напряжения сохраняются постоянными и равными пределу текучести материала σt. Пренебрежение упрочнением материала в значительной мере упрощает выкладки и в конечных формулах может быть учтено соответствующим поправочным коэффициентом.

Гипотеза плоских сечений Бернулли обобщается для упругопластических деформаций. В этом случае плоские поперечные сечения сохраняются плоскими после изгиба, а удлинения волокон изменяются пропорционально расстоянию от нейтральной оси. Искривления поперечных сечений от воздействия перерезывающих сил практически мало влияют на деформацию растяжения или сжатия, вызываемую изгибающим моментом. Изогнутая ось совпадает с нейтральной осью. Смещение нейтральной оси при изгибе незначительно и в расчеты может не приниматься. Поперечное сечение имеет форму правильного прямоугольника с одинаковой толщиной по всей длине ленты при отсутствии серповидности.

См. рисунок - Эпюра напряжений идеального упругопластического бруса:

Поперечное сечение ленты имеет форму правильного прямоугольника с одинаковой толщиной по всей длине ленты при отсутствии серповидности. Из рисунка ниже видно, что относительная деформация волокна в сечении z, равная отношению абсолютного удлинения Dl к первоначальной длине l,

Для ординаты z₀

Учитывая, что:

а z_o=kh, после преобразований получим следующие формулы:

где:

2h - толщина полосы,
k - коэффициент проникновения пластической деформации,
E - модуль упругости.

С учетом изложенного относительная деформация волокна, расположенного на периферии, равна

При упругопластическом изгибе (0 < k < 1) от начальной кривизны

до кривизны

периферийные волокна получают относительное удлинение ε_h, и сечение О₁О переместится в положение ОА. В случае отсутствия связи между волокнами после снятия нагрузки сечение ОА за счет упругой отдачи могло бы переместиться в положение, показанное ломаной линией ОDВ. Однако, на основании гипотезы Бернулли оно должно остаться плоским и после снятия нагрузки переместится в какое-то положение ОС. Тогда в сечении бруса возникнут упругие сжимающие и растягивающие напряжения, которые в точке z=z_o равны нулю.

Необходимым условием равновесия сечения является равенство

где:

F - площадь заштрихованной зоны ODHBC,
F₁ - площадь зоны 1, для которой 0< z < z_o,
F₂ - площадь зоны 11, для которой z_o < z < h.

Определим величины, входящие в это уравнение:

Обозначая

получим выражения:

После подстановки этих выражений в интегральное уравнение и преобразований для прямоугольного сечения шириной b, высотой 2h и dF=b^.dz получим:

После решения интегралов и преобразования получаем решение:

Относительная деформация периферийных волокон после снятия нагрузки

где конечная и исходная кривизны изделия

Учитывая, что:

после преобразований получим

аналогично кривизна перегиба

Эти уравнения позволяют, задаваясь исходной кривизной и кривизной перегиба, определить конечную кривизну после снятия нагрузки и, наоборот, зная начальную и конечную кривизну, определить кривизну перегиба и величину коэффициента проникновения пластической деформации k.

Следует отметить, что предельно допустимая величина k_min ограничена механическими характеристиками материала. Можно рекомендовать следующую формулу для определения предельно допустимого значения коэффициента проникновения пластической деформации с учетом экспериментально определенного коэффициента запаса ξ = 4-7

Анализ представленных уравнений показывает, что для достижения требуемого эффекта правки должно соблюдаться отношение радиуса изгиба, достигаемого в роликовой машине и определяемого диаметром и шагом роликов, и толщиной выправляемого листа. При этом при правке стремятся исходную кривизну свести к кривизне одного радиуса и знака, которая исправляется практически одним перегибом.

Таким образом, если заготовка имеет постоянную исходную кривизну по представленным выше формулам можно определить радиус перегиба, реализовав который за один проход можно выправить изделие. На этом основывается метод правки в многороликовых машинах. Пропуская через ряд роликов изделие, исходную многофакторную кривизну настройкой прогиба приводят к постоянной кривизне одного знака и перегибом последним роликом ее устраняют, получая выправленное изделие.

Вследствие большого числа и разнообразия работающих в промышленности и известных по публикациям правильных машин, в разработке которых принимали творческое участие сотрудники ЗАО "ИНКОММЕТ" в период работы во ВНИИМЕТМАШ, приводить здесь примеры исполнения этих машин нет необходимости. Приведем только примеры разработок и внедрения специальных роликовых правильных машин - см. машину для правки дисков роторных пил.