Условия контактного взаимодействия рабочих валков и заготовки при непрерывной прокатке полосы из алюминиевых сплавов на пятиклетевом стане горячей прокатки 2800

Процесс непрерывной прокатки полос из алюминиевых сплавов является важнейшим этапом производства изделий различного назначения, широко применяемых в авиационной промышленности, автомобилестроении, строительстве и многих других отраслях экономики. Особое внимание уделяется условиям трения, поскольку именно от них зависят качество поверхности проката, точность геометрических размеров и эксплуатационные характеристики конечного продукта [1].

Так как горячая прокатка алюминиевых сплавов осуществляется с применением СОЖ, то при прокатке возможны три вида трения: сухое, граничное и жидкостное [2]. Сухое трение наблюдается, когда поверхности трущихся тел совершенно свободны от смазки. При наличии на контактных поверхностях тончайших пленок смазки (толщиной порядка сотых микрона) трение называют граничным [3]. Жидкостное или гидродинамическое трение устанавливается при большой толщине разделительного смазочного слоя, когда неровности поверхностей контактируемых тел не входят в непосредственное зацепление. Условия горячей прокатки алюминиевых сплавов в непрерывных клетях чистовой группы соответствуют граничному трению или смешанному (полужидкостному), в зависимости от параметров прокатки. Смешанное (полужидкостное) трение характеризуется недостаточной толщиной смазочного слоя для полного разделения валка и полосы, в результате чего при сдвиге происходит зацепление поверхностей в отдельных точках, т.е. существуют очаги граничного или сухого трения [2].

При горячем деформировании металла на пятиклетевом стане горячей прокатки 2800 возникают специфические условия деформации, характеризующиеся высокими температурами, большими давлениями и скоростями перемещения материала. Эти факторы оказывают значительное влияние на трение между валком и заготовкой, износ оборудования, формирование дефектов поверхности и геометрии изделия [4]. Изучение закономерностей процесса контактного взаимодействия позволит оптимизировать режимы обработки, повысить производительность и снизить энергозатраты, обеспечивая выпуск продукции высокого качества. Исходя из этого целью, данной работ, является

Яшин Василий Владимирович, кандидат технических наук, менеджер по печному оборудованию.

определение условий контакта рабочего валка и заготовки в клетях пятиклетевого стана горячей прокатки 2800 при прокатке полос из алюминиевых сплавов.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Толщина смазочного слоя определяется по формуле, полученной анализом условий равновесия элементарного объема, выделенного в слое плоско текущей вязкой жидкости [5]:

где – линейная скорость валка;

• –    скорость движения металла во входном сечении очага деформации;

• –    коэффициент зависимости вязкости смазки от давления;

• –    угол захвата;

°Sbx – предел текучести во входном сечении очага деформации;

• –    заднее натяжение;

• –    динамическая вязкость масляной фазы смазки, рассчитывается по формуле:

,                                                           (2)

где ղ ₀ – вязкость жидкости при изначальном давлении;

• α    – коэффициент давления-вязкости;

• ∆ P – разница между изначальным и повышенным давлением.

Для расчета использованы параметры эмульсии, полученной на основе продукта Tandemol SAR 216/3 (присадка 1 – олеиновая кислота; присадка 2 – метиловый эфир лаурионовой кислоты) производства компании Houghton. Коэффициенты давления-вязкости были взяты из справочников [6] для современных минеральных масел. Значение предела текучести определялись по общепринятой модификации уравнения Холломона для процессов горячей обработки давлением [7]:

arcsh (- I

где Z – это параметр Зенера–Холломона, который описывает деформационное поведение металлических материалов при высоких температурах:

• A ,  , n, Q – константы исследуемого материала, подлежащие определению регрессионным ана

  лизом по результатам экспериментов на установке Gleeble 3800 (см. таблица 1);

R – газовая универсальная постоянная, Т – температура деформации (К).

Таблица 1 – константы различных сплавов для уравнений (3) и (4).

Сплав	n	а, МПа"1	A, с-1	Q, кДж/моль
AMr6	3,2	0,023	5,2.109	174
АМгЗ	2,673	0,027	6,551.109	171
АМц	5,7	0,03	4,2.109	174

Комбинированная шероховатость рассчитывалась по формуле:

при7р< 1,2 — граничное трение, при9р > 3,0 - гидродинамический (жидкостной) режим трения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Теоретическая толщина начальной пленки СОЖ (ξ₀) и её отношение к комбинированной шероховатости трущихся поверхностей ( ) при использовании эмульсии на основе продукта Tandemol SAR 216/3 при различных условиях горячей прокатки лент из алюминиевых сплавов

а ей Ч К и	ей а 2 3 S о s' ч * о ч Е ей СО Я « 3 ° £ м	a 2 а и” ё § § S К И св 2 a s а о 3 3 § а Н л и	СП 2 Ф Ч К X = м 2 ей „ а а о и	- и о СП ОХ а ° 2 а ч Ф R ^ ^ S \О Ф СП ° 2	О о о К се ф н	2 2 ф X о	2 2	с£
АМц	80,0	28,7	40	3%	70	6,7	0,48	1,2	0,40
	6,9	4,0	240	3%	330	11,1	0,58	0,7	0,83
	80,0	28,7	40	4%	470	6,7	0,62	1,2	0,52
	6,9	4,0	240	4%	330	11,1	0,76	0,7	1,09
	80,0	28,7	40	5%	470	6,7	0,75	1,2	0,63
	6,9	4,0	240	5%	330	11,1	0,95	0,7	1,36
	80,0	28,7	40	6%	470	6,7	0,87	1,2	0,73
	6,9	4,0	240	6%	330	11,1	1,13	0,7	1,61
АМгЗ	50,0	29,0	47	3%	440	7,2	0,51	1,2	0,43
	6,2	4,0	210	3%	330	20,0	0,58	0,7	0,83
	50,0	29,0	47	4%	440	7,2	0,66	1,2	0,55
	6,2	4,0	210	4%	330	20,0	0,76	0,7	1,09
	50,0	29,0	47	5%	440	7,2	0,81	1,2	0,68
	6,2	4,0	210	5%	330	20,0	0,94	0,7	1,34
	50,0	29,0	47	6%	440	7,2	0,95	1,2	0,79
	6,2	4,0	210	6%	330	20,0	1,12	0,7	1,60

Продолжение таблицы 2

АМг6	35	21,1	57	3%	410	8,6	0,52	1,2	0,43
	5,8	4,0	200	3%	340	21,8	0,58	0,7	0,83
	35,0	21,1	57	4%	410	8,6	0,68	1,2	0,57
	5,8	4,0	200	4%	340	21,8	0,76	0,7	1,09
	35,0	21,1	57	5%	410	8,6	0,84	1,2	0,70
	5,8	4,0	200	5%	340	21,8	0,95	0,7	1,36
	35,0	21,1	57	6%	410	8,6	0,99	1,2	0,83
	5,8	4,0	200	6%	340	21,8	1,14	0,7	1,63

Горячая прокатка полос из алюминия и его сплавов проходит при температуре полосы, во время черновых (предварительных) проходов достигающей 400–480 оС, во время чистовых (окончательных) проходов – 300–360 оС. При подобных условиях в случае формирования в области контакта условий граничного трения возможно налипание частиц оксида алюминия на поверхность валка за счет термодиффузии, разрушение структуры поверхности алюминиевой полосы и ее повышенная неоднородность. Данное явление, получившее название заалюминивания поверхности, проявляется в различной степени не только при горячей прокатке, но и других видах металлообработки [9]. Вследствие данного эффекта горячая прокатка в условиях граничного трения нежелательна, т.к. приводит к значительному ухудшению качества поверхности, что может сказаться как на внешнем виде, так и на свойствах конечного изделия при дальнейшей его деформации (вытяжке, изгибе и т.д.). При горячей прокатке в условиях гидродинамического трения полное разделение контактирующих поверхностей препятствует захвату полосы валками в начальный момент прокатки и повышает вероятность пробуксовки (отрицательного опережения) полосы в стане, что также нежелательно, т.к. приводит к нестабильности технологического процесса. Таким образом, оптимальным условием для прокатки алюминиевых полос является зона смешанного трения с предсказуемым влиянием вязкости СОЖ, скорости обработки и усилия прокатки на фактор трения.

Ключевым процессом, влияющим на условия трения при взаимодействии трущихся поверхностей с применением СОЖ, является образование жидкостной пленки и ее деформация в зоне контакта. Процесс формирования жидкостной пленки при контакте рабочего валка с поверхностью обрабатываемой полосы можно коротко описать следующий последовательностью. В начальный момент формируется жидкостный клин, обладающий различной начальной толщиной в зависимости от условий трения, вязкости и поверхностного натяжения СОЖ, после этого пленка СОЖ затягивается в зону деформации (зону Герца), где происходит эластическое растягивание пленки и увеличение ее вязкости под влиянием усилия деформации. Данный эффект получил название эластогидродинамического контакта. Согласно общепринятым в трибологии условиям (6), возможность эластогидродинамического контакта и возникновения фрикционного взаимодействия какого-либо из трех описанных выше видов трения зависит от отношения . Согласно эластогидроди-намической теории, в том случае, если значительно больше 1, то контактирующие поверхности полностью разделены пленкой СОЖ, что соответствует условиям гидродинамического трения. При значении , близком к 1, возникают условия смешанного трения. При значении , значительно меньшем 1, возникают условия граничного трения.

В таблице 2 приведены характеристики сплавов АМц, АМг3 и АМг6, которые являются представителями групп сплавов разной твердости: мягких, средних и особотвердых соответственно. Из приведенных в таблице 2 данных следует, что применения 3% эмульсии недостаточно для обеспечения смешанного трения, и прокатка всех трех групп будет осуществляться в условиях граничного трения. Применение эмульсии с большим количеством эмульсии 4–6% позволяет рассчитывать на смешанный характер трения на пятой клети, но первая клеть все еще находится в условиях граничного трения.

ВЫВОДЫ

Анализ теоретически рассчитанного соотношения толщины масляного клина к комбинированной шероховатости трущихся поверхностей в соответствии с общепринятыми критериями в трибологии (6) позволяет сделать вывод, что во время горячей прокатки полос из алюминиевых сплавов для черновых (предварительных) проходов при применении водомасляной эмульсии на базе продукта Tandemol SAR 216/3 (содержание масла от 3% до 6%) характерны условия граничного трения, а для чистовых (окончательных) проходов характерны условия смешанного (полужидкостного).