УДК 621. 774
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОЙ ВАГОННОЙ ОСИ
© Романенко Василий Павлович1, канд. техн. наук, проф., е-mail: romanenko-misis@yandex.ru; Романцев Борис Алексеевич1, д-р техн. наук, проф., е-mail: boralr@yandex.ru; Илларионов Георгий Павлович1, е-mail: zhora34_rus@mail.ru; Фомин Алексей Викторович1, е-mail: fominmisis84@mail.ru; Зимин Владимир Яковлевич2, канд. техн. наук, е-mail: vzimin@omk.ru; Степанов Павел Петрович3, канд. техн. наук, е-mail: stepanov_pp@vsw.ru Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва
2 ЗАО «Объединенная металлургическая компания». Россия, Москва
3 ОАО «Выксунский металлургический завод». Россия, Нижегородская обл., г. Выкса Статья поступила 26.11.2013 г.
Рассмотрен способ получения полой заготовки для производства полой вагонной оси на основе процесса прошивки на двухвалковом стане винтовой прокатки. Предложен режим деформирования и настройки очагов деформации станов винтовой прокатки для получения полой особотолстостенной заготовки высокого качества. Показаны результаты предварительных исследований процесса получения особотолстостенных труб для полых вагонных осей на ТПА 70-270 ОАО «ВМЗ».
Ключевые слова: полые вагонные оси; винтовая прокатка; прошивной стан; толстостенные горячекатаные трубы.
Одним из основных направлений развития инфраструктуры России является развитие железнодорожного транспорта, обеспечивающего потребности современной экономики. На железнодорожный транспорт приходится более 80% грузооборота транспорта всех видов и свыше 40% пассажирооборота транспорта общего пользования в дальнем и пригородном сообщениях [1].
В связи с увеличением скоростей движения, а также грузоподъемности подвижного состава уменьшение массы вагона приобретает особую актуальность. Одним из путей решения этой проблемы является снижение массы неподрессорен-ных частей [2], облегчение колесных пар благодаря применению полых вагонных осей взамен сплошных. Как известно, при передаче крутящего момента в сечении вала возникают внутренние напряжения. При кручении напряжения на оси вала равны нулю, в точках, близких к оси, весьма малы и возрастают по мере удаления от оси, достигая максимального значения у наружной поверхности [3]. Таким образом, материал средней
части вала при передаче крутящего момента практически не нагружен и не используется, служит своеобразным балластом. Поэтому вагонные оси целесообразно изготавливать пустотелыми без ущерба для их прочности при существенно меньшей массе (рис. 1).
В подвижных составах, эксплуатируемых на территории России, используют сплошные вагонные оси. Несмотря на высокую эффективность полых вагонных осей (экономия металла, снижение неподрессоренной массы, уменьшение уровня напряжений от динамических нагрузок и т.д.), в настоящее время не разработана надежная и эффективная промышленная технология производства таких осей, которая отвечала бы всем необходимым требованиям. За рубежом на скоростных и высокоскоростных поездах в основном применяются полые вагонные оси.
Технология производства полой вагонной оси заключается в получении заготовки с осевым отверстием, из которой получают необходимый профиль. Профилирование заготовки возможно
Полая вагонная ось
(технологический конец)
Рис. 1. Вагонная ось полая и сплошная (в разрезе)
различными способами: на станах периодической прокатки, механической обработкой, ковкой, штамповкой и т.д. В настоящее время как сплошные, так и полые оси вагонных колесных пар целесообразно изготавливать ковкой на ра-диально-обжимных машинах, оснащенных двумя манипуляторами [4]. Такие машины оборудованы специальными устройствами для крепления и передвижения оправок, которые могут вращаться. Заготовки вагонных осей можно также ковать без оправок [5].
Одним из узких мест в предлагаемых ранее технологических схемах производства полых вагонных осей является получение качественной исходной полой заготовки, с необходимыми макроструктурой металла, уровнем физико-механических свойств, точностью геометрических параметров (отклонение по диаметру и толщине стенки), состоянием внутренней и наружной поверхности и т.д. [4].
Известно много способов получения осевой полости в исходной сплошной заготовке [4]: центробежное литье, полунепрерывное литье вверх из герметичного промежуточного ковша, литье намораживанием, прошивка на прессе, производство заготовок на трубопрокатных агрегатах и другие, которые не получили дальнейшего развития. Основным способом получения исходных заготовок для последующего деформирования является сверление. Этот процесс малоэффективен из-за низкой производительности и большого расхода дорогостоящего режущего инструмента, что делает его непригодным в массовом производстве. Следует также учитывать наличие большого количества поверхностных дефектов заготовки. В связи с этим внутренняя поверхность заготовки нуждается в дополнительной обработке с целью повышения эксплуатационных свойств осей колесных пар. Но, несмотря на это, машиностроители многих стран используют этот дорогой и весьма трудоемкий способ обработки. И хотя эта операция приводит к существенному удорожанию стальных осей, суммарный экономический эффект от увеличения грузоподъемности и скорости составов оказывается настолько значительным, что перекрывает затраты труда, энергии и материалов на такой способ получения полых осей.
В связи с совершенствованием технологий и оборудования горячей прокатки труб появилась возможность получения особоточных толстостенных труб непосредственно на станах винтовой прокатки. Анализ способов получения за-
готовок для производства полых вагонных осей показал, что одним из наиболее перспективных способов является прошивка исходной сплошной заготовки (НЛЗ, катаная заготовка и др.) на стане винтовой прокатки. Исследованиями процесса прошивки показано, что в результате ма-кросдвиговых процессов в очаге деформации стана винтовой прокатки интенсивно прорабатывается структура металла и достигается высокий уровень его физико-механических свойств [6, 7]. В результате деформационного воздействия на заготовку при прошивке устраняются дендритная структура металла и осевая зона пористости; происходит измельчение неметаллических включений, являющихся концентраторами напряжений; формируется благоприятная текстура металла и концентрируется дефектная зона вблизи внутренней полости отверстия [8].
На разностенность толстостенных гильз оказывают влияние следующие основные факторы:
- схема напряженно-деформированного состояния заготовки;
- геометрические параметры очага деформации;
- точность зацентровочного отверстия;
- неоднородность механических свойств исходной заготовки по поперечному сечению и длине;
- качество нагрева заготовки перед прошивкой;
- жесткость системы «рабочие валки - заготовка - оправка - стержень - гильза».
Получение качественной полой заготовки можно осуществить на мини-трубопрокатном агрегате 70-270 ОАО «ВМЗ» по технологии, разработанной сотрудниками кафедры ТОТП НИТУ «МИСиС» (рис. 2). Технологические характеристики трубопрокатного агрегата позволяют получать готовые трубы из горячекатаных прутков или НЛЗ диам. 70-270 мм с толщиной стенки 1128 мм и отношением О/Б = 9-14, длиной до 6 м.
Процесс производства полой заготовки реализуется на уникальном высокоэффективном автоматизированном трубопрокатном агрега-
Рис. 2. Трубопрокатный агрегат 70-270 ОАО «ВМЗ»
те с применением универсальной рабочей клети двухвалкового прошивного/раскатного стана винтовой прокатки.
Стабильность процесса прошивки достигается путем использования рациональной калибровки рабочего инструмента. В связи с этим с целью получения точных геометрических размеров прошивку сплошных заготовок целесообразно вести при использовании чашевидных валков с диам. в пережиме 750 мм и общей длиной 600 мм, с углами конусности образующей валка на входном конусе 3°30, на выходном — 4° и с длиной участка пережима 20 мм. В качестве направляющего инструмента используются многократно восстанавливаемые линейки с наплавленной рабочей зоной (жаропрочным сплавом на никелевой основе), при этом используют прошивные и раскатные оправки сферические и конические соответственно, с углом наклона конического участка 6°. Процесс прошивки и раскатки осуществляется при постоянном угле подачи рабочих валков 12°, угле раскатки 7° по чашевидной схеме с обжатием по диаметру перед носком оправки в пределах 6-8%.
Для разработки технологической схемы производства полых вагонных осей были проведены предварительные исследования процесса прошивки на стане винтовой прокатки. В ходе исследования проведена пробная прокатка заготовок диам. 250 мм и длиной 2500 мм (ГОСТ 4728-2010) из стали 45 (близкой по химическому составу стали марки ОС) с целью получения особо толстостенных труб для полых вагонных осей. Геометрические размеры исходных заготовок выбраны с учетом конструктивных особенностей нагревательной печи, а также входной и выходной сторон прошивного стана. Для получения полых
вагонных осей выбрана трубная заготовка размерами Б хБ хЬ = 240x75x3000 мм. Такая заготовка
1. т т т
также подходит для производства вагонной оси любой конструкции. Прошивку осуществляли при следующих параметрах настройки стана винтовой прокатки:
Температура нагрева в индукционной печи, °С 1200 Размеры трубы Б^хБ^хЬ^, мм 240x75x3150
Число заготовок 2
Исходная заготовка:
материал Сталь 45
геометрические размеры БхЬ, мм 250x2500
Расстояние в пережиме между, мм:
валками линейками Диаметр оправки, мм прошивной раскатной Коэффициент овализации Обжатие, % в пережиме перед носком оправки Выдвижение оправки за пережим, мм
225 246
66 88 1,09 10
7
30
Рис. 3. Этапы получения заготовки на прошивном стане: а - очаг деформации прошивного стана; б - прошивка заготовки; в - трубная заготовка
Впервые на агрегате получены трубы с отношением наружного диаметра к толщине стенки D/S = 2,96-3,28. Показано, что прокатка сплошных заготовок при заданных настройках очага деформации протекала устойчиво при нагрузках, не превышающих значений технических характе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.