Характер износа валков холодной прокатки и метод повышении их стойкости

Аннотация

Водзянский В. В., Радионенко А.В. — Характер износа валков холодной прокатки и метод повышении их стойкости. Проведен анализ условий работы валков холодной прокатки и предложен метод вибрационного выглаживания, который позволяет увеличить ресурс рабочего слоя валков холодной прокатки путем наложения на рабочую поверхность регулярного микрорельефа.

Главным источником производительности труда в любой отрасли народного хозяйства должно быть повышение технического уровня производства на основе развития и внедрения новой техники и прогрессивных технологических процессов.

Важным условием производительности труда, в частности, в прокатном производстве, является увеличение съема продукции листа или профиля с каждого прокатного стана. Наряду с производительностью, важной промышленной задачей в этом случае является повышение качества поверхности прокатываемого листа, так как мы изучаем процесс прокатки холоднокатаного листа толщиной 0,2–0,5 мм, и увеличение долговечности валков холодной прокатки, так как валки чаще всего сдерживают рост производительности прокатных станов и выпуск проката.

Важное влияние на долговечность валков оказывает состояние их рабочей поверхности, которая формируется на последних этапах механической обработки на заводе-изготовителе и перешлифовке в процессе эксплуатации на металлургическом заводе.

Однако шлифование, как финишная операция по изготовлению валков, не может являться оптимальной вследствие двух причин: неблагоприятного микрорельефа поверхности для удержания смазки в процессе прокатки; наличия в поверхностном слое металла остаточных напряжений растяжения. Более современным методом чистовой обработки является обработка пластическим деформированием (виброобкатывание, алмазное вибровыглаживание и другие).

В этой связи увеличение работоспособности валков, в значительной мере определяющее качество и себестоимость продукции и производительность станов холодной прокатки — очень важная задача.

Существуют пять основных причин окончательной отбраковки рабочих валков: поломки, отслоения, трещины и выкрошки на бочке, повреждения шеек и трефов, полный износ активного слоя.

Если первые четыре зависят от технологии изготовления валка и его эксплуатации, то последний — полный износ активного слоя — считается естественной причиной, зависящей от качества поверхности бочки прокатного валка.

Для валков существует оптимальная шероховатость, при которой износостойкость наибольшая. Наличие оптимальной шероховатости объясняется двойственной природой трения: в месте контакта поверхностей происходит адгезионное (молекулярное) схватывание металла и механическое взаимодействие шероховатостей. Для уменьшения их воздействия используется СОЖ.

Одним из важных факторов, влияющих на износостойкость валков, является состояние масляной пленки на поверхности трения.

Однако, шлифование, как финишная операция по изготовлению бочки валков, не может быть оптимальной вследствие образования неблагоприятного микрорельефа поверхности для удержания смазки в процессе прокатки, а также вследствие наличия в поверхностном слое металла остаточных напряжений растяжения. Это объясняется тем, что кинематика резания при шлифовании образует малые значения по величине радиуса закруглений при вершинах неровностей, а направленность штрихов обработки (по винтовой линии) тоже является неблагоприятной для условий прокатки.

В настоящее время в машиностроительной промышленности с процессом шлифования конкурируют процессы обработки поверхностей деталей холодным пластическим деформированием (обкатка шариками, роликами, алмазное выглаживание и вибровыглаживание), создающие более благоприятный микрорельеф обработанной поверхности для условий сопряжения двух трущихся пар. Кроме того, при этих процессах выравниваются и улучшаются физико-механические свойства трущихся поверхностей.

Кроме шероховатости, формы и направления штрихов обработки, важнейшим элементом качества валков является структура тонких поверхностных слоев. Она существенно оказывает влияние на прокатные валки из сталей с метастабильной структурой, т.е. закаленных и низко отпущенных.

Стали, применяемые для производства валков (9Х2НФ, 9ХФ, 9Х2В и др.), весьма чувствительны к возникновению структурной неоднородности. Структурная неоднородность вызывает концентрацию напряжений, на стыке разнородных структур возрастает вероятность возникновения микротрещин, которые, развиваясь, приводят к разрушению и выкрашиванию поверхностных слоев валков. Поэтому технология изготовления валков и последовательность выполнения технологических операций должна обеспечить устранение структурных концентраторов напряжения.

Остаточная напряженность поверхностных слоев валков изменяется в зависимости от условий обработки и методов упрочнения.

Можно утверждать, что сжимающие напряжения благоприятно влияют на сопротивление усталости [1]. Чем больше величина сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях, тем выше предел выносливости. Это подтверждается опытами. При обработке роликами стальных закаленных прокатных валков наблюдалось повышение их срока службы [1]. Очевидно, при обкатке в тонких поверхностных слоях возникают остаточные сжимающие напряжения, что и обусловливает повышение стойкости прокатных валков.

Вибровыглаживание является одним из методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности при взаимном относительном перемещении детали и инструмента. От обычного выглаживания (или обкатывания шариком) оно отличается тем, что обрабатывающему инструменту дополнительно сообщается возвратно-поступательное движение по поверхности обрабатываемой детали.

Варьирование формы, размеров и расположений микронеровностей на поверхности достигается путем изменения режимов обработки (скорости вращения детали, подачи инструмента, амплитуды и частоты его колебаний, усилия поджима инструмента к детали, а также радиуса сферической части инструмента). Синусоидальный след инструмента (канавки) накладывается на винтовую линию, образованную в результате вращения детали и перемещения инструмента с определенной подачей.

В качестве инструмента применяют сферические наконечники из натуральных, синтетических алмазов, эльбора и твердых сплавов. Применение того или иного инструментального материала обусловливается твердостью обрабатываемой поверхности и ее характерными свойствами (налипание на инструмент и т.п.). Высокая твердость алмаза дает возможность обрабатывать почти все металлы, поддающиеся пластической деформации, как мягкие, так и закаленные до твердости HRC 60-65. При вибровыглаживании имеет место более высокое деформирующее действие инструмента, чем при обычном выглаживании. Это объясняется тем, что инструмент, совершая сложное движение относительно выступов микронеровностей, «разглаживает» металл в разных направлениях. В результате сопротивление деформации уменьшается; происходит увеличение плоскостей скольжения, очагов возникновения и развития пластической деформации и, как следствие, уменьшение сопротивления деформации, что положительно сказывается на процессе прокатки листа.

При выбровыглаживании так же, как и при других видах пластической деформации, наблюдается упрочнение деформируемого металла, т.е. повышение его прочности и понижение пластичности.

Процесс алмазного вибровыглаживания можно сравнить с пластическим сжатием, так как при сжатии схема деформации наиболее близка к процессу алмазного выглаживания.

При вибрационном выглаживании инструмент, описывая большое количество смещенных одна относительно другой синусоид, выдавливает различные сетки канавок, раздвигая металл деформируемых неровностей в стороны. Деформация металла является неравномерной – в наибольшей степени деформируется дно канавки, в меньшей степени – её края.

Предварительные испытания на машине трения показали, что при одних и тех же давлениях момент трения и удельная сила трения меньше при контактировании с поверхностью, обработанной алмазным вибровыглаживанием, что согласуется с рекомендациями [2]. При этом имеет место уменьшение момента и удельной силы трения на 12-15% по сравнению со шлифованной поверхностью образцов.

В процессе испытания образцов с вибровыглаженными канавками было обнаружено проявление гидродинамического эффекта за счет зазора, образующегося канавкой, смазка при трении заклинивается и возникает поток, который обтекает участки взаимного контакта поверхности и предотвращает схватывание.

Полученные результаты исследований подтверждают целесообразность образования на поверхностях трения системы вибровыглаженных канавок, которые образуют масляные карманы для удержания и распределения смазки и допускают увеличение давлений в зоне трения. Углубления, заполненные смазкой, предотвращают образование горячих зон в отдельных пятнах контакта, и этим устраняют возможность заедания или делают его более локальным. Кроме того, наличие углублений облегчает удаление продуктов износа с поверхности трения.

Все эти эффекты положительно влияют на стойкостные характеристики валков станов холодной прокатки, и этот процесс может быть рекомендован в качестве финишной операции после перешлифовки валков.

Перечень ссылок

1. Дьяченко П.Е. Износостойкость остаточные напряжения в поверхностных слоях металла/ П.Е.Дьяченко, Т.В.Смушкова //Изв. АН СССР. Отд- ние техн.наук.— 1954. — №4. — С.73-79.
2. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. — 2-е изд., перераб и доп./Ю.Г.Шнейдер// Л.: Машиностроение. — Ленингр. отд-ние, 1982. — 248 с.