§ 7. Суть процесу та елементи теорії прокатки

Основними видами прокатки є поздовжній, косий і поперечний (рис. IV.7). Поздовжня прокатка, при якій напрямок витяжки збігається з напрямком обертання валків 1 і напрямком руху заготовки 2, провадиться або між гладкими валками - в цьому випадку продуктами прокатки є листи та стрічки, або між валками з проточенными на їх поверхні концентричними профільними канавками (струмками), що утворюють при суміщенні двох валків калібри.В останньому випадку продуктами прокатки є вироби з постійними по довжині профілями поперечного перерізу: сортовий прокат, рейки, балки і т. п.

Поздовжня прокатка найбільш поширена в промисловості - цим способом виробляється близько 90% всієї продукції прокатних цехів.Поперечну і косу прокатку застосовують для отримання тіл обертання. Відмінною особливістю цих видів прокату є обертання валків в одному напрямку, а знаходиться між валками заготовки - у зворотному. Поперечна прокатка використовується у виробництві циліндричних шестерень з накатаними зубом, коса - у виробництві безшовних труб і прокату періодичного профілю.
  Деформації металу при поздовжньої прокатки. При поздовжньої прокатки на гладких валках мають місце три види деформації:обтискання, розширення і витяжка (рис. IV.8 а,в). Ці деформації пов'язані між собою за законом постійності об'єму металу при пластичній деформації. На рис. IV.8,показана вихідна заготовка з розмірами Н₀, В₀, L₀, і обсягом V₀ і прокатана смуга, що має розміри Пк, Вк, Lk, і обсяг Vk.
Із закону сталості обсягу випливає, що V₀ = Vk і, отже, H₀B₀L₀ = HkBkLk.

Позначимо відносні зміни відповідних розмірів заготовки при прокатці через так звані коефіцієнти деформації: H₀/Нк = γ - коефіцієнт обтиснення; Вк/В₀ = β - коефіцієнт розширення; Lk/L₀ = λ - коефіцієнт витяжки.
Тоді з рівності H₀B₀L₀ = HkBkLk випливає, що: γ = H₀/Нк = BkLk/В₀L₀ = βλ, тобто обтиснення пропорційно витяжці і розширенню; β = Вк/В₀ = H₀L₀/HkLk = γ/λ, тобто уширення пропорційно обтиснення і обернено пропорційно витяжці; λ = Lk/L₀ = Н₀В₀/НкВк = γ/β, тобто витяжка пропорційна обтиснення і обернено пропорційна розширенню.
Таким чином, для отримання максимальної витяжки слід проводити плющення з великими обжатиями і, по можливості, обмежити розширення смуги. Останнє досягається прокаткою металу в калібрах. Коефіцієнт витяжки λ показує також, у скільки разів зменшується переріз заготовки після кожного пропуску заготовки через валки прокатного стану: λ = F₀/Fk.
Значення λ приймається рівним 1,1 - 2 в залежності від матеріалу, температури, швидкості та інших умов прокатки.
  Умова захоплення. Для початку процесу прокатки необхідно, щоб дотримувалося певне співвідношення між товщиною вихідної заготовки, що надходить у валки, величиною зазору між валками і діаметром валків. Це співвідношення встановлюється умовою захоплення.
На рис. IV.8, б видно, що при підході прокатується болванки до валка в точках дотику горизонтальних ребер заготовки з утворюючими валків починають діяти сили нормального тиску валків на метал N, спрямовані по радіусах валків, перпендикулярно до їх поверхні, і сили тертя Т, спрямовані по дотичним до поверхонь валків.
Кут α називають кутом захвату.
Спроектуємо сили N і Т на осі x і y. Вертикальні складові цих сил Ny і Ty називаються кующими силами, обжимається метал по висоті.
Горизонтальні складові Nx виштовхують заготовку з валків, а складові Tx - втягують заготовку в зазор між валками. Для початку процесу прокатки необхідно, щоб виконувалась умова: Tx > Nxx.
З механіки відомо, що сила тертя Т дорівнює нормальної сили N, помноженої на коефіцієнт тертя μ, причому відношення сили тертя до нормальної силі дорівнює тангенсу кута тертя ψ, тобто Т/N = tgψ = μ. Отже (рис. 8, б), Tx = T соѕ α = μN соѕ α і Nx = N sin α.Підставивши отримані вирази у вихідне нерівність, маємо μNcosα > Nsinα; поділивши праву та ліву частини нерівності на Nсоsα, отримуємо μ > tg α або tg ψ > tg α і ψ > α.
Таким чином,для здійснення захоплення металу валками необхідно, щоб коефіцієнт тертя між валками і металом був більше тангенса кута захвату, або кут тертя був більше кута захвату.
Очевидно, що при великих значеннях кута захвату болванка не може бути втягнута силами тертя в зазор між валками, і валки будуть лише ковзати по ребрах заготовки. Максимально допустимий кут захвату залежить від матеріалу валків і прокатується болванки, шорсткості їх поверхонь, наявності або відсутності струмків на валках, температури і швидкості прокатки.За виробничим даними максимальний кут захвату при прокатці блюмів і сортового металу в калібрах складає 30 - 32°, при гарячій прокатці листа і смуги на гладких валках - 20 - 24°, при холодній прокатці тонких листів і стрічок на шліфованих валках з мастилом - 3 - 6°.
Поліпшення умов захоплення при прокатці забезпечується:
1) збільшенням коефіцієнта тертя шляхом насічки або наплавлення валків, що допускається на чорнових обтискних операції прокатки;
2) застосуванням злитків пірамідальної (конусної форми, причому злиток подається у валки меншим підставою, і прокатка починається при малих значеннях кута захвату α₁ і закінчується при великих значеннях α₂;
3) збільшенням діаметра валків при прокатці з великими обжатиями.
З рис. IV.8, а слід: АВ = ОВ - ОА = R - ОА, але відрізок ОА = R cos α, тому АВ = H₀-Нк/2 = R - R cos α, звідки H₀-Нк = D (1 - cos α).
Проаналізуємо останній вираз. Припустивши обтиснення постійним, почнемо подумки збільшувати діаметр валків D, при цьому другий співмножник рівності (1 - cos α) повинен зменшуватися, що, в свою чергу, означає збільшення соѕ α, тобто зменшення кута захвату α.Таким чином, чим більше діаметр валків при прокатці при цьому обтисканні, тим менше кут захвату.
З практики відомо, що прокатку блюмсов, слябів і великосортних заготовок (напівпродуктів прокатки) виробляють на станах з валками великого діаметра (понад 800 - 1200 мм), щоб отримати допустимі кути захоплення при великих обжатиях.
Витрати роботи на деформацію металу при прокатці обчислюють за формулою А = pVIn H₀/Нк кГ∙м (Дж), де р - питомий тиск течії металу в - кГ/мм2 (Мн/м2); V - об'єм прокатується болванки в см3 (м3); Н₀ - висота болванки перед прокаткою; Нк - висота смуги після прокатки.