Комплексное решение задач по холодной прокатке тончайших лент из нитинола на многовалковых станах

N.N. Tatarnikov1, , V.S. Yusupov2, , Belelyubsky3, ,

Важным перспективным сегментом отечественного производства материалов с эффектом памяти формы (ЭФП) является производство тончайших лент из никелида титана (нитинола). На сегодняшний день основная доля нитиноловой продукции в России приходится на импортных производителей. Постоянное увеличение использования техноло- гичного материала на основе системы ни-кель–титан (нитинола) требует модернизации технических средств, способных обеспечить не только рост производительности, но и повышение качества готовой продукции.

Проведенный анализ машиностроительных производств указывает на популяризацию использования нитинола благодаря его уни- кальным свойствам. Интерметаллиды (интерметаллические соединения), к которым относится нитинол, не соответствуют характеристикам большинства сталей, но их свойства и структура имеют особенности, которые определяют области применения. Это связано с тем, что интерметаллиды – отдельный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления, и их свойства не полностью аналогичны свойствам традиционных металлических сплавов [1].

Рис. 1.Схематическое изображение эффекта памяти формы (ЭПФ) [2]

Fig. 1. Schematic representation of the resulting memory form [2]

Сферами применения сплавов с памятью формы являются медицина, космос, техника, биомеханика. Среди ассортимента изделий из сверхэластичного сплава можно выделить элементы робототехники, всевозможные температурные приборы и приводы, технологии специального назначения, трансформируемые исполнительные конструкции с демпфирующей способностью. Уникальное бездиффузион-ное превращение сплава мартенсит-аустенит и обратное превращение аустенит-мартенсит, схематично представленное на рис. 1 и 2а, позволяет сохранить свойства прямой и обратной памяти формы бесконечное количество раз.

Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления, то она запомнит эту форму. После охлаждения до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 °С она восстановит первоначальную форму. Нитинол обладает эффектом памяти вследствие наличия металлической кристаллической решетки, что позволяет претерпевать большие деформации без разрушения структуры материала. Когда материал деформируется, внутренние слои кристаллической решетки начинают испытывать давление, а внешние растягиваются. При нагревании нитинол расправляется и обретает первоначальную форму [2].

Кроме того, сплав Ni–Ti – никелид-титан обладает устойчивостью к коррозии, биосовместимостью, высоким пределом прочности, а также ещё одним уникальным свойством – при деформациях при температурах слегка выше температуры конца обратного мартен-

а)

Рис. 2. ЭФП и явление сверхупругости на кривых «напряжение – деформация» [2]

Fig. 2. Shape memory effect and superelasticity phenomenon on stress-strain curves [2]

b)

ситного преобразования возникает эффект сверхупругости (сверхпластичности) (рис. 2b).

Исследование рынка нитиноловой продукции показывает, что по отраслям большее число заявок относится к медицинской, аэрокосмической, машиностроительной и автомобильной. Широкий сортамент предпочтительно применяемых и активно используемых полуфабрикатов из сплавов с памятью формы – проволока, порошок и плоский прокат. Производство данной продукции является трудоемким процессом. Также приоритетным направлением получения нитиноловых полуфабрикатов является прокат тончайших лент на многовалковых станах. Отметим, что тончайшая лента сама по себе также является полупродуктом: окончательные размеры, форма, а главное, свойства получают уже при конечном производстве изделий. Для собственно процесса прокатки важнейшими показателями качества являются планшетность, продольная и поперечная разнотолщинность. Наряду с вышесказанным очень важен получаемый при прокатке параметр, характеризующий состояние поверхности – шероховатость. Центральным направлением исследовательской работы в этих направлениях является модернизация и совершенствование технических средств и методов выпуска продукции.

Рис. 3. Вид сбоку станины двадцативалкового прокатного стана 12/160 (до модернизации) Fig. 3. Side view of the frame of a twenty-high rolling mill 12/160 (before modernization)

Холодная прокатка тончайших лент осуществляется как основная технологическая операция в результате развернутого технологического процесса, включающего разливку слитков, горячую и холодную операции прокатки, а также промежуточные операции термообработки. Основной агрегат для получения нитиноловой тончайшей ленты – двадцативалковый прокатный стан (рис. 3) [3].

Один из возможных способ повышения качества выпускаемой ленты – поддержание стабильности размеров и качества поверхности за счет применения современной технологии регулирования и контроля режимов прокатки ленты.

Часть проблем, возникающих при прокатке на многовалковых станах и приводящих к разнотолщинности, образованию избыточных локальных напряжений на торцах и к не-плоскостности получаемой ленты, связана с точностью изготовления и профилировки прокатных валков [4, 5]. Высокие требования к геометрическим параметрам при изготовлении прокатных валков недостижимы без применения современного металлорежущего оборудования повышенной точности. Таким образом, прокатка тончайших лент предъявляет особые требования к рабочим валкам, что выделяет её от прокатки лент на двух- или четырехвалковых станах холодной прокатки. В связи с повышенными требованиями к микрогеометрии поверхности прокатного валка возникла потребность в усовершенствовании процесса механической обработки профиля валков. Представляется целесообразным в комплексе рассмотреть вопросы технологии изготовления и повышением качества валков [6, 7].

К рабочим валкам и опорным роликам многовалковых станов предъявляются повышенные требования по точности. Шероховатость бочки валков должна соответствовать 10–11-му классу точности по ГОСТ 2789–73. На поверхности не допускаются трещины, вмятины, неметаллические включения, коррозия и иные дефекты. Диаметр прабочих валков в настоящей работе составляет от 8 до 12 мм и подбирается в зависимости от толщины и ширины проката. Могут использоваться валки, изготовленные из специальных валковых сталей или твердосплавные, а также допускается использование валков из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Рабочие валки, рассматриваемые в работе, предназначены для двадцативалкового стана 12/160 (рис. 4) и используются для прокатки тончайших лент из высокоуглеродистых, легированных и прецизионных сталей и сплавов [8–12].

Рис. 4. Трехмерная модель детали «Валок»

Fig. 4. Three-dimensional model of the “Roller” part

Полная технология изготовления рабочих валков состоит из отжига, редуцирования с двукратным обжатием, закалки с отпуском, шлифования и последующей обработки свободным абразивом.

Поскольку важную роль играет профиль рабочих валков, а также значения параметров шероховатости рабочих поверхностей, то в связи с этим оборудуют специальные шлифовальные отделения с агрегатами, обеспечивающими точную обработку поверхности валков, устройствами для комплектования и контроля рабочих и опорных роликов.

Сущность разработанного и опробованного технического решения заключается в том, что механическая обработка осуществляется за один установ. Способ позволяет на этапе изготовления добиться требуемых геометрических характеристик. Механическая обработка валка осуществляется на оборудовании для изготовления режущего инструмента, что обеспечивает достижение шероховатости поверхности Ra 1,6 и менее [13].

В ходе разработки способов контроля и регистрации процесса прокатки для данного стана создан тензометрический измерительный комплекс с использованием датчиков силы [14, 15].

Комплекс позволяет измерять усилие прокатки и силы переднего и заднего натяжения. Сила натяжения при прокатке определяется посредством натяжного ролика со встроенными тензометрическими опорами. Данные опоры проходят предварительную тарировку (рис. 5). В качестве датчиков измерения усилия зажима нажимных винтов после отработки нескольких вариантов оказалось оптимально использовать две кольцевые месдозы (рис. 6). Такие месдозы являются покупным изделием, тарировки не требуют, а их паспортные характеристики вносятся в регистрирующее программное обеспечение [16].

Используемые измерительные датчики подключаются к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП), преобразующему данные для дальнейшей обработки телеметрической системой. Поступивший сигнал на ЭВМ с помощью специального ПО обрабатывается и в наглядном виде выдается оператору [17].

Рис. 5. Тарировка датчиков измерения силы натяжения при прокатке: 1 – натяжной ролик с тензометрическими опорами; 2 – моталка; 3 – тензометрический датчик силы при растяжении

Fig. 5. Calibration of tensile force measuring sensors during rolling: 1 – tension roller with strain gauge supports; 2 – winder; 3 – tensile force measuring strain gauge

Рис. 6. Нажимной винт с гайкой и кольцевая месдоза, сопряженная через АЦП с компьютером

Fig. 6. Pressure screw with nut and ring pressure sensor, connected via an analog-to-digital converter to a computer

Ключевым этапом работы стало проведение экспериментальных исследований по непосредственной разработке технологии прокатки тончайших лент из нитино-ла, включая отработку технологических режимов обжатий и натяжений с учетом сортамента и вариантов промежуточной термообработки.

В отечественных и зарубежных изданиях публикуется немало статей по технологии обработки давлением нитинола, однако целевой поиск показывает, что среди этих публикаций нет исследований непосредственно по технологии прокатки тончайшей ленты [18, 19]. Как вывод отметим, что в России не разработаны технологические основы получения прокаткой тончайшей ленты из нитинола [20, 21]. В разработке такой технологии состоит практическая ценность представленной работы.

Рис. 7. Общая схема технологии получения тончайшей ленты из нитинола

Fig. 7. General diagram of the technology for producing the thinnest tape from nitinol

Прокатка тончайших лент (рис. 7) требует применения рабочих валков малого диаметра, высоких удельных натяжений ленты, тонкого регулирования натяжения при прокате, высоких суммарных обжатий, интенсивного отвода тепла, выделяемого в зоне деформации, возможность использования специальной технологической смазки, ее тщательной фильтрации и поддержания постоянства температуры [3, 22].

На основании проведенных исследований предложен технологический процесс прокатки тончайшей ленты из нитинола. Общая технологическая схема получения ленты из рассматриваемого материала представлена на рис. 7.

Вначале осуществляется подготовка нити-нолового слитка под прокатку, затем горячая прокатка на стане дуо и предварительная холодная прокатка на станах кварто до 70–100 мкм. Прокатка сопровождается промежуточными операциями термической обработки.

Непосредственное получение тончайшей ленты проходит на двадцативалковом стане с прокаткой в несколько проходов и промежуточным отжигом. Отжиг осуществлялся в специально разработанном герметичном сосуде, в который поступает защитный газ, создавая избыточное давление (рис. 8). Сосуд с отжигаемой лентой выдерживается в камерной печи при температуре от 600 до 700 °С в течение 5–10 мин.

Рис. 8. Сосуд для отжига нитиноловой ленты в защитной атмосфере

Fig. 8. Vessel for annealing nitinol tape in a protective atmosphere

Отожженная лента травится плавиковой, азотной кислотой с последующей обработкой водой или перекисью водорода. Затем лента (рис. 9) прокатывается в 3 прохода до конечной толщины.

Рис. 9. Прокатанная нитиноловая лента толщиной 39 мкм

Fig. 9. Rolled nitinol tape with a thickness of 39 µm

Отметим также, что за рамками представленной работы остался ряд других факторов, влияющих на технологический процесс [23–25]. Их исследование требует проведения дополнительных экспериментов.

Важной частью исследования является программное моделирование методом конечных элементов (МКЭ).

Анализ технологий ОМД не мыслим в современных условиях без применения мощных вычислительных средств и компьютерного моделирования [26–31]. В качестве программного обеспечения могут использоваться специализированные программы исследования процессов ОМД посредством МКЭ – QForm и Deform. МКЭ анализ позволяет оценить возникающие напряжения и деформации, предсказать появление дефектов, выявить оптимальные параметры инструмента и заготовки. Таким образом, можно проверить разработанный технологический процесс или сопоставить его с реальным процессом прокатки.

Данное программное обеспечение позволяет смоделировать процесс прокатки в мельчайших деталях. На рис. 10 представле-

Рис. 10. Визуализация процесса прокатки в QForm

Fig. 10. Visualization of the rolling process in QForm

Рис. 11. Диаграмма крутящего момента Fig. 11. Torque diagram

Рис. 12. Диаграмма нормального распределения деформаций

Fig. 12. Normal distribution diagram of deformations

на модель прокатки тончайшей ленты с использованием представленных валков с заданными параметрами. Данная схема соответствует прокатке на рабочих валках двадцативалкового прокатного стана с вычислением усилий, мощности и момента прокатки крутящего момента. На рис. 11 и 12 представлены полученные диаграмма крутящего момента и диаграмма распределения напряжений.

Корректированием входных параметров возможно добиться стабильной прокатки тончайшей ленты с требуемыми геометрическими характеристиками по разнотолщинности, шероховатости, микротвердости. В дальнейшем планируется разработка модели прокатки тончайшей ленты, где входными параметрами являются:

• 1)    силы переднего и заднего натяжения ленты моталками стана T пер , T пер [Н];

• 2)    усилие нажимных винтов стана F ₁, F ₂ [Н];

• 3)    для расчета также необходимы выведенные формулы изменения предела текучести нитинола σ _S , [МПа] при холодной прокатке в зависимости от степени деформации.

Заключение

• 1.    В работе проводится обоснование производства тончайшей ленты как перспективного полупродукта из функционального и

• конструкционного материала – никелида титана (нитинола).

• 2.    В рамках работы предложен и апробирован новый способ изготовления рабочих прокатных валков для двадцативалкового стана 12/160, позволяющий улучшить качество продукции.

• 3.    Проведена модернизация двадцативалкового прокатного стана 12/160 с целью автоматизации экспериментальных работ на основе сопряжения измерительных датчиков, сопряженных с компьютером через аналоговоцифровые преобразователи.

• 4.    Проведены экспериментальные исследования по отработке технологических режимов обжатий и натяжений при прокатке тончайших лент из нитинола, на основе которых предложен детализированный вариант технологического процесса.

• 5.    В рамках работы проводится моделирование процесса прокатки тончайшей ленты в программах конечно-элементного анализа (QForm, Deform).

• 6.    Конечным результатом работы будет создание модели прокатки тончайшей ленты из нитинола на двадцативалковом прокатном стане. Такая модель позволяет не только проводить технологический расчёт, но и будет использована при создании полноценного АСУ ТП рассматриваемого стана.