Правила выполнения лабораторных работ
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
ОПЫТ 1. Определение зависимости опережения от l /h cp при прочих равных условиях Для этого образец размерами 8х50х150 мм прокатать за 5 пропусков с одинаковыми обжатиями Δh=1,5 мм. Перед прокаткой на поверхности одного из валков наносят керны и замеряют расстояние между ними по дуге l b (см.рисунок 4.1). ОПЫТ 2. Определение зависимости опережения от угла контакта при постоянном отношении l /h cp Для этой цели прокатывают 2 свинцовых образца: образец размерами 8х50х150 мм прокатать с обжатием Δh =3,0 мм, а образец размерами 4х50х150 мм – с обжатием Δh=0,9 мм. Обработка результатов экспериментов Исходные и конечные размеры образцов и расстояния между отпечатками на полосе в опытах после каждого пропуска занести в таблицу 4.1. Для случаев, когда l /h cp ≥3, величину опережения определить по формуле Дрездена, а при l /h cp <3 – по формуле В.Ф.Потапкина. По опытным и расчетным данным построить графические зависимости S=f( l /h cp ). Таблица 4.1 – Опытные и расчетные исследования опережения при прокатке Опыт Про -пуск h0, мм h1, мм Δh, мм b0, мм b1, мм cp h l α, рад l b 0 Sэк, % Sт.ср., % Проанализировать влияние отношения l/hcp и угла контакта на величину опережения. Контрольные вопросы 1. Какое явление называют опережением? 2. Назовите экспериментальные методы определения опережения. В чем их сущность? 3. Перечислите факторы, влияющие на величину опережения. Выделите группу факторов, вызывающих уменьшение опережения. 4. Как влияют на опережение переднее и заднее натяжения? 5. Как влияет на опережение ширина полосы? Объясните. 6. Как влияет на величину опережения степень деформации металла? 7. Какое влияние на опережение оказывает угол контакта? 8. Какое влияние на опережение оказывает рост диаметра валков при прочих разных условиях? 9. Какое влияние на опережение оказывает изменение отношения l/hcp? 10. Как подпоры влияют на величину опережения? 11. На каких станах необходимо точно учитывать опережение? Почему? 12. Из каких соображений выбирают угловые скорости валков непрерывных станов? 5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ УШИРЕНИЯ ПРИ ПРОКАТКЕ В ГЛАДКИХ ВАЛКАХ Цель работы – изучение влияния коэффициента внешнего трения, относительного обжатия, ширины полосы, числа проходов (дробности деформации) на уширение металла при прокатке; выявление зависимости распределения уширения по ширине полосы; ознакомление с формулами для подсчета уширения и оценка их точности. Общие указания При прокатке наряду с уменьшением высоты заготовки (обжатием) и ее удлинением (вытяжкой) происходит также увеличение ширины прокатываемой полосы, называемое уширением. В большинстве случаев уширение представляет собой отрицательное явление, так как оно снижает общую вытяжку при прокатке и вызывает в боковых кромках полосы значительные растягивающие напряжения. В то же время при прокатке фасонных профилей благодаря уширению добиваются лучшего заполнения калибров. Чаще всего для оценки величины уширения пользуются выражением (2.3). Реже для этой цели используют понятия относительного уширения 0 0 1 b b / ) b b ( − = ε и коэффициента уширения 0 1 b / b = β При анализе уширения учитывают напряженное состояние полосы при прокатке, которое характеризуется трехосным сжатием (рисунок 5.1). Согласно закону наименьшего сопротивления при пластической деформации основная масса металла в результате обжатия перемещается в продольном направлении. Однако в некоторых случаях напряжения σZ и σ X по своей величине приближаются друг к другу и соответственно возрастает величина уширения. Для теоретического анализа А.И. Целиковым , Б.П. Бахтиновым, Д.И. Старченко и другими принята схема развития уширения в очаге деформации, представленная на рисунке 5.1. Согласно этой схеме очаг деформации делится на четыре зоны: две из них (I и II), прилегающие к боковым кромкам, называются зонами стремления металла к уширению. Необходимо отметить, что такое деление очага деформации условно, так как полоса в очаге деформации ведет себя как единое целое, и для ее движения характерно постоянство коэффициентов вытяжек элементарных полосок по ширине. В результате, благодаря влиянию внешних зон, часть металла, находящегося в зонах I и II, деформируется в продольном направлении и, наоборот, часть металла из зон III и IY смещается в поперечном направлении. На величину уширения оказывает влияние большое количество факторов. Вследствие закона наименьшего сопротивления с изменением величины обжатия происходит изменение напряженного состояния по всем трем осям. Рисунок 5.1 – Схема очага деформации при прокатке При прокатке с малыми обжатиями происходит уменьшение протяженности очага деформации в продольном направлении при сохранении его поперечных размеров. Таким образом, объемное напряженное состояние характеризуется в этом случае сильным возрастанием поперечных напряжений по сравнению с продольными, что способствует увеличению вытяжки и уменьшению уширения. При больших обжатиях соотношение между продольными и поперечными напряжениями за счет увеличения продольной протяженности очага деформации изменяется в пользу уширения и величина последнего возрастает. По этой причине при прокатке полосы в несколько отдельных пропусков с общим обжатием Δhc суммарное уширение получается меньшим по сравнению с прокаткой за один проход с тем же обжатием Δh c Изменение коэффициента трения в первую очередь повлияет на деформацию в том направлении, в котором происходит преимущественное перемещение металла относительно валков, то есть для обычных случаев прокатки– в направлении вытяжки. Но так как продольная и поперечная деформации связаны между собой уравнением постоянства объема, то при постоянстве обжатия изменение коэффициента трения скажется прямым образом на вытяжке и косвенно– на уширении. С понижением коэффициента трения (смазка валков) при данном обжатии, когда облегчается течение металла в продольном и поперечном направлениях, получает приращение лишь вытяжка, а уширение, напротив, уменьшается. С ростом коэффициента трения уменьшается вытяжка металла и возрастает уширение. Если есть отступление от этого правила, то причину следует искать в особых условиях напряженного состояния. При изменении ширины полосы напряженное состояние изменяется, главным образом, в направлении одной оси. Если увеличивать ширину полосы, то при постоянстве всех прочих условий происходит резкое возрастание поперечных напряжений с соответствующим ростом отношения этого напряжения к продольному. Понятно, что при этом поперечная деформация затрудняется, а продольная облегчается. При прокатке узких полос, напротив, значения напряжений σ X и σ Y (см. рисунок 5.1) более близки друг к другу, как и величины соответствующих деформаций. Внешние зоны вызывают существенное уменьшение уширения. Поэтому в средней по длине части полосы уширение всегда меньше, чем на концах. Действие внешних зон на уширение состоит в стремлении выровнять вытяжки, то есть деформации в продольном направлении центральной и боковых частей (кромок) прокатываемой полосы. С увеличением переднего и заднего натяжений уширение уменьшается. Однако переднее натяжение оказывает значительно меньшее влияние на величину уширения, чем заднее. Установлено, что при наличии заднего натяжения на подходе металла к валкам в нем появляется зона утяжки, где ширина и высота сечения полосы незначительно уменьшаются. В связи с наличием этой зоны фактическая ширина полосы, входящей в валки, будет меньше исходной. Поэтому суммарная величина уширения получается значительно меньше, чем при прокатке металла без заднего натяжения. Для подсчета уширения различными авторами было предложено довольно большое количество формул, отличающихся в основном числом учтенных факторов. Наиболее полно все факторы, влияющие на уширение, учтены в формуле А.И.Целикова: , h h ln f 2 h h R C C 58 , 0 b 1 0 b ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Δ − Δ = Δ σ (5.1) где С b , С σ – коэффициенты, учитывающие влияние ширины полосы (рисунок 5.2) и натяжения. Значение коэффициента C σ может быть найдено из выражения , / 2 1 C ф 0 σ σ − = σ где σ 0 – напряжение заднего натяжения; σ ф - напряжение растяжения, при котором наступает пластическая деформация металла. Необходимо отметить особенности измерения ширины образцов в процессе экспериментов. Дело в том, что в зависимости от условий прокатки получается различное очертание боковых граней полосы: выпуклое, вогнутое или прямолинейное. В связи в этим существует несколько методов подсчета средней ширины полосы после прокатки. Рисунок 5.2 – Зависимость коэффициента C b от b 0 /l Метод постоянства объема Этот метод пригоден, если опытным путем определены высотная и продольная деформации. Тогда из условия постоянства объема находим: 0 1 1 0 o 1 l / l h / h b b = или λ η = 0 1 b b , а полное усредненное уширение ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − λ η = − = Δ 1 b b b b o 0 1 Метод равновеликих площадей Метод заключается в подсчете площади поперечного сечения полосы после прокатки и в превращении сечения в равновеликий прямоугольник с высотой, равной высоте полосы. Другую сторону равновеликого прямоугольника считают шириной полосы после прокатки. Истинная площадь поперечного сечения может быть определена, например, путем вычерчивания контура поперечного сечения с последующим планеметрированием либо как частное от деления объема полосы на ее длину после прокатки. Эмпирический метод (И.Я.Тарновского) Ширину полосы после прокатки определяют по эмпирической формуле (рис.5.3): ( ) " 1 ' 1 " 1 1 b b a b b − + = , (5.2) где а=0,5…0,67 – коэффициент, учитывающий степень выпуклости боковой поверхности. Рисунок 5.3 – Схема к расчету уширения по методу И.Я.Тарновского Материальное обеспечение 1 Лабораторный прокатный стан. 2 Образцы из технического свинца: клиновидная полоса размерами, указанными на рисунке 5.4 – 2 шт.; клиновидная полоса размерами, указанными на рисунке 5.5 – 2 шт.; полоса размерами 10х10х130 мм- 2 шт. 3 Полоса из алюминия размерами 1,0х40х150 мм – 1 шт. 4 Штангенциркуль, масштабная линейка, рейсмасс. Порядок проведения экспериментов С учетом факторов, влияющих на величину уширения, работа предусматривает выполнение нескольких отдельных опытов. ОПЫТ 1. Установление зависимости уширения от относительного обжатия На боковых поверхностях клиновидной полосы (см.рис. 5.4) с двух сторон произвести вертикальные риски через 10 мм. Измерить толщину образца по каждой риске и результаты занести в таблицу 5.1. Установить зазор между валками 4…4,5 мм и прокатать образец тонким концом вперед в сухих валках. После прокатки измерить ширину и толщину образца у каждой риски. Ширину образца измерить по контактной поверхности " 1 b и по бочке ' 1 b . Таблица 5.1 – Опытные и расчетные данные исследования уширения при прокатке Опыт h0, мм h1, мм Δh, мм ε, % b0, мм ' 1 b , мм " 1 b , мм b1, мм Δbф, мм n b Δ , мм p b Δ , мм Рисунок 5.4 – Образцы для проведения опытов 1-3 ОПЫТ 2. Установление зависимости уширения от коэффициента внешнего трения В качестве образца использовать такую же клиновидную полосу и с такой же разметкой, как и в предыдущем опыте. Ее прокатать с таким же обжатием в валках со смазкой. Произвести измерение образца. ОПЫТ 3. Установление зависимости уширения от ширины полосы В качестве образца служит клиновидная полоса (см.рисунок 5.4), которую размечают так, как это показано на рисунке. По каждой риске измеряют ширину и высоту образца. Исходные размеры заносят в таблицу 5.1. Полосу прокатывают в сухих валках с обжатием около 40%. С целью сохранения постоянства обжатия вдоль образца целесообразно прокатывать не один образец, а два, сложенные так, чтобы образовался прямоугольник и суммарное усилие двух образцов было постоянным (на рисунке 5.4 положение второго образца показано пунктирной линией). В этом случае необходимо следить, чтобы между образцами был зазор (если образцы будут плотно прилегать друг к другу, это приведет к сдерживанию уширения). После прокатки измеряют размеры образца в сечениях, отмеченных рисками. ОПЫТ 4. Установление зависимости уширения от числа проходов (дробности деформации) В качестве образцов используют две свинцовые полосы сечением 10х10 мм. На боковых поверхностях образцов на расстоянии 100 мм друг от друга наносят вертикальные риски и измеряют исходные размеры образцов h 0 и b 0 Образцы прокатывают с одинаковым суммарным обжатием Δh=5…6 мм, причем первый образец прокатывают за один проход, а второй – за 10…12 проходов с обжатием в каждом проходе по 0,5 мм. Определяют размеры обоих образцов после прокатки. Причем ширину полосы после прокатки целесообразно определять на мерной 100- миллиметровой базе, пользуясь законом постоянства объема b 1 =b 0 h 0 l 0 /h 1 l 1 , где l 0 =100 мм. Полученные данные сводят в таблицу 5.1. ОПЫТ 5. Установление зависимости распределения уширения по ширине полосы Рисунок 5.5 – Схема разметки образца для опыта 5 Для проведения этого опыта берут алюминиевую полосу размерами 150х40х1,0 мм и на половине ее длины наносят координатную сетку, как это показано на рисунке 5.5. Расстояние между штрихами должно быть одинаковым и равно 4 мм. Затем образец сгибают вдоль линии а-а так, чтобы координатная сетка оказалась внутри образца. Образец прокатывают за один-два прохода с суммарным обжатием 1,0…1,2 мм. Чтобы обе половины не сдвинулись одна относительно другой, полосу следует задавать в валки сгибом вперед. После прокатки тщательно измеряют расстояние между рисками. Обработка результатов эксперимента Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.1. При обработке результатов опыта 1 среднюю величину ширины определить, используя метод И.Я.Тарновского. Определить для сечений образца, отмеченных рисками, значения относительного обжатия ε, уширения Δb ф и коэффициента уширения β ф . Подсчитать для этих случаев величину уширения по формуле А.И.Целикова. Построить экспериментальные графики зависимостей Δb ф =f( ε),β ф =f( ε) и расчетные графики Δb p =f( ε). Примечание. Для обработки результатов этого и последующих опытов значение коэффициента а, входящего в формулу (5.2), может быть принято равным 0,65, а значения коэффициентов трения μ при прокатке свинца в сухих валках и со смазкой могут соответствовать данным работы №3. Обработку результатов опыта 2 осуществить так же, как в опыте 1, с представлением таких же экспериментальных и расчетных графических зависимостей. Сравнить результаты первого и второго опытов и сделать заключение о влиянии коэффициента внешнего трения μ на величину уширения. При обработке результатов опыта 3 определить величину абсолютного уширения Δb и коэффициент уширения β. Рассчитать уширение в этих сечениях по формуле А.И. Целикова. Построить расчетные и фактические зависимости Δb=f(b 0 ) и β=f(b 0 ). По результатам опыта 5 построить кривую распределения уширения по ширине полосы. На основе анализа результатов эксперимента сделать выводы, в которых кратко сформулировать выявленные при проведении опытов закономерности зависимости уширения от различных факторов. Контрольные вопросы 1. Что называют зонами стремления к уширению? 2. Какой закон пластической деформации определяет объем зон стремления к уширению? 3. Влияет ли и как объем зон стремления к уширению на величину уширения? 4. Как определяется уширение в зонах опережения и отставания? 5. Как влияют на уширение переднее и заднее натяжения? 6. Как влияют на уширение внешние зоны? Объясните большее уширение на концах полосы. 7. Как влияет на уширение внешнее трение? 8. Как влияет на уширение ширина полосы? 9. Зависит ли уширение от обжатия и диаметра валков? 10. Объясните максимальную величину уширения при b0/l=1. 11. В каких случаях прокатки уширение является отрицательным явлением? Почему? 12. Назовите методы подсчета средней ширины полосы после прокатки. Раскройте сущность этих методов. 13. Влияет ли и как дробность деформации на величину уширения? 6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ЗОН НА СРЕДНЕЕ КОНТАКТНОЕ ДАВЛЕНИЕ Цель работы – ознакомление с методик ой выявления влияния внешних зон на среднее контактное давление и практическое изучение закономерностей этого влияния; экспериментальное определение диапазона отношений l /h , в котором проявляется влияние внешних зон. Общие указания Величину среднего контактного давления в очаге деформации определяют две группы факторов. К первой относятся механические свойства прокатываемого материала, степень деформации, скорость деформации и температура. Эти факторы определяют величину практического предела текучести материала σ ф и удвоенного сопротивления чистому сдвигу 2К с =1,15 σ ф . Вторая группа факторов учитывает особенности напряженного состояния металла в очаге деформации, обусловленные особенностями конкретного вида деформации. К ним относятся внешние зоны, условия трения, наличие натяжения или подпора. Количественно их влияние учитывает коэффициент напряженного состояния n σ : "' " ' n n n n σ σ σ σ = , (6.1) где n σ ' – учитывает влияние внешних зон; n σ " – учитывает влияние условий трения; n σ '" – учитывает влияние натяжений или подпоров. Натяжения и подпоры являются внешними силами, прикладываемыми к деформируемому прокату и влияющими на напряженное состояние через внешние зоны. К ним могут относиться также силы, действующие на металл со стороны проводок стана. Условия трения и внешние зоны вызывают неравномерность распределения деформации по высоте и ширине полосы в сечениях, ограничивающих геометрический очаг деформации. В связи с этим в указанных сечениях возникают напряжения растяжения-сжатия, под влиянием которых изменяется напряженное состояние в очаге деформации. Влияние условий трения было изучено в лабораторной работе №1, поэтому более подробно рассмотрим влияние внешних зон. Внешние зоны – это части металла, прилегающие непосредственно к очагу деформации. Количественно особенности внешних зон описывает отношение l /h ср . В зависимости от этого отношения зоны пластической деформации могут занимать определенный объем геометрического очага деформации (рисунок 6.1). При l /h ср <0,12 пластическая деформация локализуется в приконтактных объемах металла и с увеличением этого отношения распространяется на весь объем очага деформации (см. рисунок 6.1). 1 2 3 1 2 3 2 1 3 3 3 1 3 а) б) в) г) а – l/h ср <0.1; б – l/h ср =0.12; в – 0.12 ср <3; г – l/h ср >3 Рисунок 6.1- Зоны пластической деформации (1), внешние зоны внутри (2) и вне (3) очага деформации при различных значениях l/h ср Имеются условия, при которых коэффициент напряженного состояния достигает максимума. Это соответствует разрыву единого очага деформации на прилегающие к валкам зоны. При этом степень неравномерности деформации наибольшая. В этом случае, известном как задача Прандтля, коэффициент напряженного состояния ( ) 57 , 2 K 2 5 , 0 1 K 2 n ' = π + = σ , (6.2) где К – сопротивление металла чистому сдвигу. Это соответствует отношению l /h ср ≈0,12. Для определения коэффициента напряженного состояния n σ', учитывающего влияние внешних зон, используем условие, что внешние зоны и при прокатке, и при осадке оказывают практически одинаковое влияние на напряженное состояние в очаге деформации. Поэтому можно ограничиться изучением влияния внешних зон при осадке. Для этого необходимо провести осадку образцов из одного и того же материала при наличии и отсутствии внешних зон и одинаковых остальных условиях деформации. Сила деформации при наличии внешних зон F Kn 2 P ' ' σ = , (6.3) где F – площадь очага деформации. Очевидно, что без внешних зон n σ '=1 и система осадки P=2KF. Обеспечив для обоих случаев F=const (т.к. материал одинаков, то 2K=const), получим: P P n ' ' = σ Практически указанный опыт проводится следующим образом. Моделирование осадки с внешними зонами осуществляют, осаживая длинную свинцовую пластину фигурными бойками фиксированной ширины. Моделирование осадки без внешних зон осуществляют, осаживая между гладкими бойками прямоугольный образец фиксированных размеров. Для соблюдения условия F=const ширина образца должна быть равна ширине фигурного бойка, а его длина - ширине свинцовой полосы в первом опыте. Необходимо иметь в виду, что в данном эксперименте величина относительного обжатия ε должна быть не очень большой, так как в противном случае условия подобия деформирования по схемам I и II нарушаются. Действительно, при обжатии по схеме I контактная площадь практически постоянна и равна площади бойка. При обжатии по схеме II она увеличивается обратно пропорционально высоте образца h, в результате чего влияние контактного трения возрастает. Этот факт может заметно исказить результаты эксперимента. Поэтому величина относительного обжатия должна быть не больше 10...15%. Рисунок 6.2- Схема к определению ' n σ при прокатке Аналогичный опыт можно провести и при прокатке. С этой целью следует прокатывать образцы, имеющие по длине два участка: один длиной 10…20 длин дуг контакта, другой, равный одной дуге контакта (рисунок 6.2). Участки разделены прорезью (небольшим пазом). При прокатке таких образцов сравнивается среднее контактное давление на первом и втором участках и определяется ' n σ (как их отношение). Первый участок будет деформироваться при наличии внешних зон, второй – без них. Как показывают опыты, значения ' n σ при прокатке несколько ниже, чем при осадке. Материальное обеспечение 1 Лабораторный гидравлический пресс усилием 39,2 кН, оборудованный индикатором часового типа для фиксации перемещения плунжера. 2 Штангенциркуль. 3 Образцы из технического свинца: прямоугольная полоса размерами 20х40х200 мм - 1 шт.; образцы в виде параллелепипедов размерами 20х40х5 мм, 20х40х10 мм, 20х40х20 мм; 20х40х30 мм по – 1 шт. 4 Набор сменных бойков шириной 5, 10, 20, 30 мм. 5 Приспособление для установки сменных бойков, обеспечивающее их соосность. Порядок проведения экспериментов Работа предусматривает выполнение опытов по двум схемам осадки. По схеме I (рисунок 6.3) между бойками различной ширины l0, что обеспечивает получение различных значений отношения l/h, последовательно деформируют свинцовую полосу с обжатием Δh=2,0 мм. В процессе осадки с помощью индикатора фиксируют положение бойка, отвечающее этому обжатию (относительное обжатие ε=10%), и соответствующее ему давление жидкости под плунжером. I- очаг деформации; II- внешние зоны Рисунок 6.3- Схема осадки полосы 1 фигурными бойками 2 (осадка с внешними зонами) Аналогичный эксперимент повторяется при деформировании по схеме II (рисунок 6.4). В этом случае деформируется не полоса, а четыре образца указанных выше размеров. Размеры l 0 образцов соответствуют размерам l 0 бойков в первом опыте. Рисунок 6.4- Схема осадки образцов конечной ширины 1 гладкими бойками 2 Обработка результатов экспериментов По полученным значениям усилия осадки полосы и образцов определить силу осадки Р(Р') и среднее контактное давление р ср (р' ср ) для различных отношений l /h, но при одинаковом относительном обжатии ε=10%. Для определения силы осадки необходимо показания манометра гидравлического пресса умножить на площадь плунжера: 4 d ) P ( P 2 ' π ρ = где ρ – давление в гидравлическом прессе; d – диаметр плунжера гидравлического пресса. Среднее контактное давление ( ) ( ) ( ) F F p p p p ' ' ' cp cp = Все данные эксперимента занести в таблицу 6.1. Таблица 6.1 Образец 0 h , мм 0 b , мм 0 l , м м Ширина бойка , l 0 мм 1 h , мм h Δ , мм , ε % 0 0 h l ), P ( P ' Н S мм2 ) P ( P ' cp cp Н/мм2 ' n σ На основании полученных экспериментальных данных построить совместно графики изменения ) h / l ( f P cp = . и ) h / l ( f P 1 cp = . Кроме того, по формуле (6.1) подсчитать значение ' n σ и построить графическую зависимость ) h / l ( f n ' = σ На основе анализа результатов эксперимента сделать выводы, в которых выделить диапазон значений l /h, при которых проявляется влияние внешних зон, а также максимальное и минимальное значения ' n σ , полученные экспериментально. Контрольные вопросы 1. Что называют внешними зонами? 2. Каковы причины влияния внешних зон на напряженное состояние металла в очаге деформации? 3. Укажите факторы, определяющие напряженное состояние металла в очаге деформации. 4. Перечислите факторы, влияющие на сопротивление металла деформации. 5. Укажите диапазон l /h ср , в котором проявляется влияние внешних зон. 6. В чем сущность методики определения ' n σ при осадке? 7. Что подразумевают под величиной ' n σ ? 8. Укажите максимальное и минимальное значения ' n σ и соответствующие им значения l /h ср 9. В чем сущность методики определения ' n σ при прокатке? |