Производство гнутых профилей

Горячей прокаткой получают профили толщиной 3 мм и более. Многие сложные виды вообще нельзя получить путем прокатки. На помощь приходит процесс производства профилей методом гибки полосовой заготовки. Использование гнутых профилей позволяет экономить около 25% металла, снизить затраты труда и т.п. Первоначально гнутые профили получали путем гибки в штампах (см. рис. 1.9). Процесс малопроизводительный с большой затратой ручного труда, ограничена длина изделий, получать можно только профили относительно простой формы.

Более совершенным является способ формовки профилей в роликогибочных агрегатах, подобных непрерывным прокатным станам (см.рис.1.10). Поэтому такие профили начали именовать гнутые профили проката (ГПП), в отличие от штампованных. Некоторые виды ГПП представлены на рис.12.1.

Главное отличие процесса профилирования от прокатки состоит в том , что изменение формы заготовки происходит без изменения ее площади поперечного сечения и длины. Поэтому скорость профилирования во всех клетях остается неизменной. Усилие профилирования во много раз ниже, чем при прокатке. Все это существенно упрощает технологический процесс и оборудование. Для узких полос используют клети с одноопорными (консольными) валками, для широких – с двухопорными валками. Уравновешивание верхних валков пружинное. Клети преимущественно открытого типа.

Тип стана определяют размерами заготовки – ее толщиной и шириной. Например, на стане 1…4х50…300 используют заготовки толщиной от одного до четырех и шириной от пятидесяти до трехсот миллиметров.

Производство ГПП можно осуществлять поштучно, порулонно и непрерывно.

Обычно профилирование ведут в непрерывном режиме, все операции осуществляются в едином технологическом потоке. Рулон полосовой стали насаживают на барабан одного из двух разматывателей. Конец полосы отгибают и задают в роликоправильную машину. Далее она поступает к гильотинным ножницам, на которых отрезают передний и задний концы. На сварочном агрегате задний конец полосы предыдущего рулона сваривают с передним концом следующего рулона в непрерывную ленту и удаляют грат. Затем полоса поступает в петленакопитель, который призван обеспечить непрерывный процесс профилирования при остановке полосы для сварки и удаления грата. Запас полосы в петленакопителе около 250м. Из петленакопителя полоса проходит через промасливающее устройство и поступает в профилегибочный агрегат, состоящих из нескольких (до 30) клетей, расположенных друг за другом. В клетях производят последовательную подгибку элементов до получения готового профиля. Все клети с горизонтальными валками приводятся от общего двигателя. Между клетями с горизонтальными валками расположены холостые вертикальные ролики, которые служат для направления полосы в валки и для подгибки периферийных участков профиля.

Формовку профиля ведут с применением смазочно-охлаждающей жидкости.

По выходе из последней клети с поверхности профиля сжатым воздухом сдувают остатки эмульсии и наносят защитный масляный слой.

Изделия режут на мерные длины дисковыми пилами и собирают в пакеты массой до 10т. Скорость профилирования до 3 м/сек. производительность до 250т.

При порулонном профилировании агрегат упрощается за счет устранения сварочного агрегата, гратоснимателя и петленакопителя, а при поштучном - и за счет дисковых пил для порезки готовых профилей.

При поштучном профилировании перед станом устанавливают стопку заготовок мерных размеров, которые последовательно задают в первую клеть агрегата.

Учитывая относительно небольшую скорость профилирования, в технологическом потоке можно устанавливать различные агрегаты по повышению служебных характеристик ГПП: перфорационные прессы, просечные устройства, агрегаты продольной сварки, установки для нанесения защитных и декоративных покрытий и пр.

Процесс профилирования обычно осуществляют в холодном состоянии. Однако при формовке ГПП из толстой заготовки или из малопластичных сталей можно использовать локальный подогрев мест изгиба во избежание образования трещин.

Известен также процесс формовки ГПП в горячем состоянии – при производстве труб методом печной сварки.

Волочение металлов

Волочение – один из древнейших способов ОМД. Сущность его заключается в протягивании нахолодно прутка через отверстие (очко, волоку), выходные размеры которого меньше размеров исходного сечения заготовки (см. рис.1.4). Способ широко используется в металлургии и металлообработке. Сортамент получаемых изделий включает профили диаметром от нескольких микрон до 100 мм не только круглого, но и самых экзотических форм сплошного или полого сечения из благородных, цветных и черных металлов и сплавов.

Если преследуют только цель повышения точности и улучшения качества поверхности изделия, то такой вид волочения называют калибровкой.

Степень деформации при волочении ограничивается силой волочения, которая не должна вызывать появление напряжений в переднем конце, превышающих 0,5…0,7 предела текучести данного металла. Поэтому единичные вытяжки при волочении составляют всего 1,2…1,3 и редко достигают 1,5.

Сила волочения в большой мере зависит от коэффициента трения. Для его снижения используют смазки (например, мыльная стружка с различными наполнителями).

Большой эффект дает использование роликовых волок вместо монолитных, но из-за сложности их применяют редко, хотя коэффициент вытяжки в таких волоках может достигать 4…5.

Обычно волока состоит из двух деталей – обоймы и собственно волоки (рис. 13.1). Обойму изготовляют из прочной вязкой стали, а волоку – из твердосплавных материалов. Для волочения тончайшей проволоки волоки изготовляют из технических алмазов, а для волочения прутков и труб больших сечений – из инструментальных сталей.

Волока состоит из нескольких участков (рис. 13.1). Средний участок – рабочая или деформирующая зона. Имеет коническую форму. Со стороны входа к ней примыкает смазочная зона тоже конической формы, а с другой стороны – калибрующий поясок, который придает окончательную форму профилю. К смазочной зоне примыкает входная зона, а к калибрующему пояску – выходная зона конической или сферической формы.

Угол рабочего конуса (2a) принимают равным 8…24^о, смазочной зоны – 20…60^о, а входной и выходной зон - 60…90^о. Длина рабочего конуса составляет 0,5…0,7, а длина калибрующего пояска – 0,3…1,0 от диаметра получаемого профиля.

Полые изделия волочат несколькими способами (рис.13.2): на короткой неподвижной оправке, на длинной подвижной оправке, на короткой «плавающей» оправке и без оправки.

Усилия волочения определяют или опытным путем с помощью силоизмерительных приборов (например, динамометров), или аналитически.

Волочильные станы. Основные элементы – волочильный инструмент и тянущее устройство. Используют два основных типа станов: с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепные, реечные, гидравлические) и с наматыванием на барабан (барабанные станы).

Первые используют для профилей, которые невозможно смотать из-за их размеров или формы.

Цепной стан состоит (рис. 13.3.) из станины 3, бесконечной цепи 2, тележки с захватом 4, стойки для крепления волок 5, двигателя с передаточными устройствами 1.

На современных станах можно одновременно протягивать до 10 прутков со скоростью до 2 м/сек., тянущее усилие до 1,5 МН. Длина изделий ограничивается размерами станины и обычно составляет до 15 м (максимум до 50 м).

Барабанные станы в зависимости от количества волок, через которые последовательно протягивают металл, подразделяют на однократные и многократные.

Однократные используют для волочения прутков, фасонных профилей и труб. Ось барабана - вертикальная или горизонтальная. Барабан является и тянущим, и намоточным устройством. Во избежание искажения формы профиля при намотке диаметр барабана должен в 30…40 раз превышать диаметр сматываемого изделия (до 3 м). Сила волочения до 100 КН, скорость волочения – до 4,5 м/сек.

Принцип работы станов многократного волочения (рис. 13.4) заключается в одновременном протягивании заготовки через несколько последовательно расположенных волок. При выходе из одной волоки конец металла наматывается на барабан, а затем – сматывается с него и через систему направляющих роликов поступает в следующую волоку и т.д. Применяют главным образом для волочения проволоки. Кратность волочения определяют по числу волок (6…9 и более). Скорость волочения до 20 м/сек.

Основные технологические операции при волочении.

Поступающая на волочение заготовка может иметь разную структуру и механические свойства по длине, что негативно сказывается на условия волочения. Поэтому подготовка металла к волочению начинается с термической обработки.

1. Термическая обработка заготовки предназначена для гомогенизации структуры и повышения пластических свойств. В зависимости от материала применяют отжиг, нормализацию, закалку с отпуском и патентирование.

Наиболее широко применяют патентирование при подготовке катанки из углеродистых сталей. Обеспечивает получение мелкозернистой сорбитной структуры металла. Состоит в нагреве заготовки до температуры аустенизации и охлаждении в свинцовой (соляной) ванне при температуре 450…500^оС. Процесс осуществляется в непрерывном режиме.

2. Удаление окалины с поверхности заготовки осуществляют химическим или механическим путем. Травление производят в непрерывных травильных агрегатах в растворах серной или соляной кислот. При механическом способе окалину чаще удаляют путем многократного изгиба в двух плоскостях с последующей обработкой металлическими щетками.

3. После травления поверхность заготовки тщательно промывают в горячей и холодной воде под давлением примерно 1 МПа.

4. Нанесение подсмазочного слоя. Для лучшего удержания смазки на поверхность заготовки наносят тонкий слой различных материалов: гидрата окиси железа (операция желтения), меди (меднение), извести (известкование), фосфатов Fe, Mn и др. (фосфатирование).

5. Сушка бунтов в камерах при температуре 300-750^о.

6. Волочение. Обжатие за проход 10…30%, суммарное 75…85% для стали и до 95% для цветных металлов.

Если при достижении предельного обжатия не получен заданный размер проволоки, проводят повторное волочение с выполнением всех подготовительных операций.

7. Отделочные операции: термическая обработка, правка, шлифовка, полировка, нанесение защитных покрытий (цинкование, лужение, алитирование, эмалирование, лакировка и пр.) в зависимости от назначения изделий.

Производство труб

По способу производства трубы подразделяют на бесшовные (катаные и прессованные) и шовные (сварные).

Бесшовные трубы. Технологический процесс производства горячекатаных бесшовных труб состоит из следующих основных операций:

- получение полой гильзы из заготовки сплошного сечения (операция прошивки);

- раскатка гильзы в трубу;

- отделка труб.

В соответствии с этим трубопрокатный комплекс включает станы – прошивные, раскатные и отделочные.

Для прошивки заготовки используют станы поперечно-винтовой прокатки, преимущественно с бочкообразными валками (см. рис.1.3).Нагрев заготовки в методических или кольцевых печах с вращающимся подом. Вытяжка при прошивке составляет 2…3,5.

Раскатку гильзы в трубу осуществляют на автоматических, непрерывных, пилигримовых или др. станах.

Наиболее распространены автоматические станы. Катают трубы диаметром 30…426 мм с толщиной стенки 3…30мм в клети дуо с диаметром валков до 1000 мм, в которых нарезаны калибры разных диаметров. При прокатке используют короткую оправку, которую предварительно на штанге вводят в зев валков. Прокатку осуществляют в 2…3 прохода с поворотом трубы на 90^о вокруг своей оси и с заменой оправки перед каждым проходом. В качестве смазки в полость трубы подают поваренную соль в смеси с графитом. Вытяжка за проход 1,4…1,6. Производительность стана до 300 тыс. т в год.

На непрерывных станах катают трубы диаметром 30…114 мм с толщиной стенки 8…12 мм на длинной подвижной оправке в группе из 7…9 последовательно расположенных клетей с индивидуальным приводом. Оси валков расположены под углом 45^о к горизонту и под углом 90^о по отношению друг к другу. Диаметр валков 530…550 мм с короткой бочкой – до 230 мм.

Суммарная вытяжка при раскате 5…7,5, скорость прокатки до 6 м/сек., производительность 300...500 тыс. т в год.

Окончательно трубу оформляют в отделочных агрегатах – обкатных, калибровочных, редукционных и пр.

Обкатные станы применяют для отделки (устранение овальности, разнотолщинности и пр.) труб большого диаметра. Их конструкция аналогична прошивным станам с бочкообразными валками.

Калибровочные и редукционные станы по конструкции аналогичны непрерывным раскатным станам. Предназначены, соответственно, для повышения точности труб и уменьшения их диаметра.

На заключительных операциях трубы в зависимости от назначения термически обрабатывают, правят, режут на мерные длины, на концах нарезают резьбу, на поверхность наносят защитные и/или декоративные покрытия и пр.

Тип трубопрокатного комплекса определяют по типу раскатного стана, независимо от типов прошивных и отделочных станов.

Сварные трубы производят преимущественно методом печной сварки и электросварки.

Стан печной сварки по конструкции подобен профилегибочному стану, только непосредственно перед рабочими клетями установлена проходная нагревательная печь, и профилирование полосы в трубу осуществляется в горячем состояние. Кромки сформованной трубы обдувают сжатым воздухом и сжимают до получения сварного соединения. После стана трубу режут на мерные длины и направляют на отделку – калибровку, редуцирование, нанесение покрытий и пр.

Электросварные трубы производят главным образом методом электродуговой сварки под слоем флюса. По форме шва трубы подразделяют на прямошовные (с одним или двумя швами) и спиральношовные.

Процесс производства труб включает формовку заготовки в трубу, сварку кромок, отделку труб. Для формовки заготовок используют прессы, непрерывные валковые станы для прямошовных труб (рис. 14.1) и спиральноформовочные машины для спиральношовных труб.

Прямошовные трубы производят поштучно из листовой заготовки заданных размеров.

Спиральношовные трубы более технологичны в изготовлении, чем прямошовные. Их формовка осуществляется из рулонной полосы непрерывно. Трубы разных диаметров можно получать из полосы одной ширины и, наоборот, трубы одного диаметра можно формовать из полос разной ширины. После сварки трубу разрезают газовым резаком на части мерной длины.

После сварки трубы поступают на отделку – термообработку, калибровку концов, правку, нанесение декоративных и/или защитных покрытий и др. Заключительная операция – гидравлические испытания.

Прессование металла

Прессование – один из распространенных методов ОМД. Осуществляют в горячем и в холодном состояниях, не только пластичных, но и хрупких материалов, не только компактных, но и порошкообразных (см. рис.1.5). Методом прессования получают изделия самой разнообразной формы, определяемой формой очка матрицы (рис.15.1). Сортамент изделий включает профили с описанным диаметром от 3 до 250 мм, трубчатые профили диаметром от 20 до 600 мм, полые профили с одним или несколькими каналами сложной формы и пр., которые другими способами получить затруднительно или вообще невозможно.

Достоинствами способа является большие вытяжки за прессовку (до 1000), возможность прессования малопластичных материалов, универсальность способа – можно получать разнообразные изделия простой заменой матрицы, высокое качество поверхности и точность прессуемых изделий.

К недостаткам следует отнести повышенный расход металла из-за пресс-остатка, сравнительно высокую стоимость прессового оборудования, низкую производительность.

Известны два метода прессования - прямой и обратной (рис.15.2). При прямом направление движения пуансона и изделия совпадают, при обратном – противонаправлены. Но главным отличием является наличие или отсутствие перемещения металла относительно стенок контейнера. При прямом прессовании металл скользит по поверхности контейнера (за исключением небольших участков в углах, образованных контейнером и матрицедержателем - т.н. «мертвые зоны»), преодолевая противодействие сил контактного трения. При обратном - такое скольжение металла отсутствует, поэтому сила обратного прессования в 1,5…2,0 раза меньше, чем при прямом. Но этот метод более сложен по использованию, длина изделия ограничена длиной штанги пуансона, ниже производительность. Поэтому он не получил широкого распространения.

Процесс прессования осуществляют в гидравлических и механических прессах. Более распространены гидравлические прессы. Они отличаются простотой конструкции, обеспечивают значительные силы прессования, легкую регулировку скорости хода пуансона.

Гидравлические прессы бывают вертикального и горизонтального типов усилием до 60 МН и более. Прессы укомплектовывают соответствующим вспомогательным оборудованием для подачи и выдачи слитков из печи, транспортировки слитка от печи к прессу и установки его в контейнер, отрезки пресс-остатка и его уборки и пр. Все эти операции от посадки слитка в печь до уборки готовых изделий полностью механизированы и автоматизированы.

Прессование полых изделий, в т.ч. труб, осуществляют из пустотелых гильз или сплошных заготовок на оправке (игле). При использовании сплошных заготовок ее вначале прошивают иглой в контейнере, а затем начинают процесс прессования – металл выдавливают в щель между матрицей и иглой.

Эффективность прессования во многом зависит от прессового инструмента. В процессе прессования он подвергается циклическому воздействию высоких температур (до 1250^оС) с частыми теплосменами, высоким давлениям, абразивному трению. Особенно это относится к матрицам. По количеству отверстий матрицы бывают одно- и многоочковые (до 30). Существенной частью матрицы является рабочий поясок, определяющий размер и форму прессуемых изделий (рис. 15.3). Длина рабочего пояска 4…5 мм для мелких профилей и 10…15 мм – для крупных.

Из-за быстрого износа и потери размеров применяют матрицы со вставками из твердосплавных материалов.

Благоприятная схема деформации – трехосного сжатия, – обеспечивает возможность прессования даже малопластичных и хрупких металлов, в т.ч. титана, вольфрама, молибдена, бериллия, циркония и пр. Определяющими являются термомеханические условия прессования – температура, свойства металлов, вытяжка, условия трения. Обычно для получения требуемых свойств необходима не менее, чем 10-кратная вытяжка литого металла.

С точки зрения повышения выхода годного желательно иметь слитки возможно большей длины, но при этом резко возрастают сила прессования, размеры оборудования и пр. Практикой установлены такие соотношения между длиной L слитка и его диаметром D: L = 2,0…3,0D для сплошных изделий и L = 1,5…2,0D для полых.

При прессовании различают скорость прессования (скорость движения пуансона) и скорость истечения металла из матрицы. Они связаны между собой зависимостью .

Обычно пластичные металлы прессуют с повышеной скоростью истечения (алюминия до 25 м/сек, стали – до 8 м/сек), а малопластичные со скоростью всего 5 см/сек.

Прессование осуществляют со смазкой. Обычно составной частью смазки является графит, а в качестве связки машинное масло и канифоль. При прессовании труднодеформируемых сплавов используют жидкое стекло.

Прессованные изделия обычно подвергают отделочным операциям – термообработке, травлению поверхности, правке, зачистке дефектов, нанесению защитных и/или декоративных покрытий и пр.