5. PODSTAWOWE PARAMETRY WALCOWANIA

5.1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z technologią walcowania i sposobami określania podstawowych

parametrów tego procesu.

5.2. Wprowadzenie

5.2.1 Charakterystyka procesu walcowania

W procesie walcowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się za pomocą

odkształcenia plastycznego materiału, wywołanego przez obracające się walce. Czasami
zamiast walców stosuje się tarcze stożkowe lub skośne.

Rys. 5.1. Schemat walcowania wzdłużnego

Rozróżniamy trzy zasadnicze rodzaje walcowania: walcowanie wzdłużne, poprzeczne i

skośne. Przy walcowaniu wzdłużnym (rys. 5.1) odkształcenie dokonuje się między dwoma
walcami o osiach równoległych, obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Na skutek
tarcia, jakie występuje między walcami a metalem, zostaje on wciągnięty między walce i
odkształcony. Początkowa wysokość walcowanego metalu h

o

zmniejsza się do wysokości h

1

,

natomiast długość i szerokość powiększają się, przy czym zwykle długość powiększa się
znacznie więcej niż szerokość i z tego powodu poszerzenie często się pomija. Metal
walcowany otrzymuje ruch prostoliniowy, prostopadły do osi walców, w tym samym
kierunku następuje jego największe wydłużenie.

Za pomocą walcowania wzdłużnego otrzymuje się około 90% wszystkich wyrobów

walcowanych. Walcowanie poprzeczne i skośne stosuje się przy produkcji rur.

104

5.2.2. Parametry procesu walcowania

Do głównych parametrów wpływających na technologię walcowania należą: gniot,

poszerzenie, wydłużenie i wyprzedzenie. W celu umożliwienia ich określenia przyjmuje się
następujące oznaczenia:
h

o

- wysokość (grubość) pasma przed walcowaniem (przepustem),

b

0

- szerokość pasma przed walcowaniem,

l

0

- długość pasma przed walcowaniem,

h

1

-

wysokość pasma po walcowaniu,

b

1

- szerokość pasma po walcowaniu,

l

1

- długość pasma po walcowaniu,

S

0

- powierzchnia przekroju pasma przed walcowaniem.

S

1

- powierzchnia przekroju pasma po walcowaniu.

S

0 =

h

0

b

0

(5.1)

S

1 =

h

1

b

1

(5.2)

W dalszych rozważaniach przyjmować się będzie, że objętość metalu w czasie

walcowania nie ulega zmianie, czyli

V

0

= V

1

( 5.3 )

Jest to tzw. „zasada stałej objętości”, znajdująca całkowite potwierdzenie w praktyce.

Wyrażając objętość odkształcanego materiału przed odkształceniem i po odkształceniu za

pomocą jego podstawowych wymiarów, otrzymuje się:

V

0

= h

0

b

0

l

0

; V

1

= h

1

b

1

l

1

( 5.4 )

Wykorzystując równanie stałej objętości można zapisać

h

0

b

0

l

0

= h

1

b

1

l

1

czyli

1

0

1

0

1

0

1

=

l

l

b

b

h

h

(5.5)

Zmiany odpowiednich liniowych wymiarów będzie się określać wielkością współczynnika
odkształcenia.
Podstawowe określenia parametrów walcowania:
gniot - jest to liniowe zmniejszenie wymiarów przedmiotu odkształconego pod działaniem
siły ściskającej w kierunku jej działania

1

0

1

<

=

γ

h

h

współczynnik gniotu

(5.6)

∆

h = h

0

-h

1

gniot bezwzględny (5.7)

0

h

h

wh

∆

=

ε

gniot względny

(5.8)

105

wh

h

G

ε

100

=

gniot względny procentowy (5.9)

0

1

ln

h

h

h

=

ε

gniot rzeczywisty (5.10)

poszerzenie - jest to przyrost szerokości przedmiotu w każdym procesie przeróbki
plastycznej, powodujący powiększenie szerokości

1

0

1

≥

=

β

b

b

współczynnik poszerzenia (5.11)

∆

b = b

1

- b

0

poszerzenie bezwzględne (5.12)

0

b

b

wb

∆

=

ε

poszerzenie względne (5.13)

wb

b

G

ε

100

=

poszerzenie względne procentowe (5.14)

0

1

ln

b

b

b

=

ε

poszerzenie rzeczywiste (5.15)

wydłużenie - oznacza przyrost długości przerabianego plastycznie przedmiotu

1

1

0

1

>

=

=

λ

S

S

l

l

o

współczynnik wydłużenia (5.16)

∆

l = l

1

- l

0

wydłużenie bezwzględne (5.17)

0

1

0

0

S

S

S

l

l

wl

−

=

∆

=

ε

wydłużenie względne (5.18)

1

0

0

1

ln

ln

S

S

l

l

l

=

=

ε

wydłużenie rzeczywiste (5.19)

wl

l

G

ε

100

=

wydłużenie względne procentowe (5.20)

∆

S = S

o

-S

1

ubytek przekroju bezwzględny (5.21)

0

1

0

S

S

S

q

−

=

ubytek przekroju względny (5.22)

%

100

%

0

1

0

⋅

−

=

S

S

S

q

ubytek przekroju względny procentowy (5.23)

106

n

c

S

S

0

=

λ

całkowity stopień przeróbki plastycznej (5.24)

δ

w

b
h

=

współczynnik kształtu (5.25)

W procesie walcowania można wyrazić współczynnik wydłużenia w dowolnym

przepuście w zależności od różnych wielkości

0

0

1

1

0

1

0

1

0

υ

υ

λ

h

l

l

b

b

h

h

S

S

=

=

⋅

=

=

(5.26)

gdzie:

−

0

υ

prędkość wejściowa metalu,

−

h

υ

prędkość wyjściowa metalu.

Dla określenia stopnia odkształcenia w całym cyklu walcowania (za pomocą

współczynników wydłużenia w kolejnych przepustach) wprowadzono pojęcie współczynnika
całkowitego wydłużenia

n

sr

n

n

n

n

c

S

S

S

S

S

S

S

S

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

⋅

⋅

⋅

⋅

=

⋅

⋅

⋅

⋅

=

=

−

....

....

3

2

1

1

3

2

2

1

1

0

0

(5.27)

n

n

sr

S

S

0

=

λ

(5.28)

gdzie:

λ

śr

- średni współczynnik wydłużenia,

n - ilość przepustów.

Wielkości współczynnika wydłużenia

λ

śr

dla poszczególnych rodzajów procesów

walcowania są różne i zależne od kształtu wykroju, od konstrukcji walcarek i mocy napędu.
Przykładowo:
1. w walcowniach wstępnych

λ

śr

= 1,12 - 1,25,

2. w walcowniach bruzdowych

λ

śr

= 1,3 - 1,6,

3. w walcowniach blach cienkich ciągłych na gorąco stosuje się

λ

śr

= 1,6.

W celu określenia ilości przepustów dla danego rodzaju walcowania, znając

λ

śr

, n

wylicza się ze wzoru

sr

n

λ

S

S

n

log

log

log

0

−

=

(5.29)

107

5.2. 3. Warunek chwytu

Aby pasmo mogło być wprowadzone między walce, jego grubość powinna być w

pewnym stosunku do średnicy walców oraz do odległości między nimi. Ze względu na
symetrię wystarczy rozpatrywać siły w odniesieniu do jednego walca. W chwili zetknięcia się
metalu z walcem (np. górnym, rys. 5.2) w punkcie A walec ciśnie na pręt siłą N prostopadłą
do zarysu walca. Wskutek obrotu walca i pod wpływem siły N wystąpi w punkcie A siła
tarcia styczna do obwodu walca i skierowana zgodnie z kierunkiem obrotu. Pasmo zostanie
uchwycone przez walce jeżeli:

2

2

B

N

F

T

H

H

+

>

+

(5.30)

gdzie: F - siła spowodowana ruchem obrotowym samotoku podającego,
B - siła bezwładności.

Rys. 5.2. Zależności pomiędzy kątem chwytu i kątem tarcia: a) w momencie chwytu metalu

przez walce, b) przy ustalonym procesie walcowania

Ponieważ T

H

= T cos

α

; N

H

= N sin

α

więc T cos

α

+

F

2

> N sin

α

+

B

2

( 5.31 )

oraz

α

α

cos

2

F

B

Ntg

T

−

+

>

( 5.32 )

Przyjmując

T =

µ

N

otrzymuje się

α

α

µ

cos

2N

F

B

tg

−

+

>

(5.33 )

108

Jeśli nie ma siły zewnętrznej F, a siłę bezwładności B można pominąć, to warunek

chwytu pasma przy walcu przyjmie postać:

µ

> tg

α

( 5.34 )

albo wyrażając współczynnik tarcia

µ

przez kąt tarcia

ρ

czyli

µ

= tg

ρ

otrzyma się tg

ρ

> tg

α

i ostatecznie:

ρ

>

α

( 5.35 )

Dla chwytu pasma przez walce konieczne jest więc, aby kąt tarcia

ρ

był większy od kąta

chwytu

α

.

Z powyższych rozważań można poczynić, odnośnie chwytu pasma przez walce,

następujące uwagi:
1. Walcowane pasmo będzie tym łatwiej chwytane przez walce, im większa jest siła F

(zewnętrzna, np. wywołana prędkością samotoku) wepchnięcia do walców.

2. Przy takiej samej średnicy walców i wysokości pasma - im gniot jest mniejszy, tym

mniejszy jest kąt chwytu i tym łatwiej następuje uchwycenie metalu przez walce.

3. Wielkość kąta chwytu zależna jest od średnicy walca.

Z rys. 5.3 widać, że im średnica walca jest mniejsza,
tym (przy niezmienionej wysokości pasma) kąt chwytu
jest większy.

Rys. 5.3. Zależność pomiędzy

kątem chwytu, gniotem i

średnicą walców

4. Chwyt pasma przez walce jest utrudniony przy

temperaturach wyższych, gdyż w zakresie przeróbki
plastycznej stali na gorąco współczynnik tarcia maleje
ze wzrostem temperatury.

5. Z podwyższeniem temperatury wzrasta plastyczność

walcowanego metalu. Jeżeli więc wprowadzi się
gorące pasmo w walce z pewną prędkością

υ nadaną

mu przez samotok, wówczas początek pasma ulega
łatwemu odkształceniu, co ułatwia chwyt, gdyż
zmniejsza się kąt

α.

6. Im większa jest prędkość obwodowa walców, tym

pasmo trudniej jest przez nie chwytane, a zatem
zwiększenie prędkości walcowania zmusza do stosowania mniejszych gniotów.
Z powyższych uwag wynika, że wielkość dopuszczalnego chwytu zależy od bardzo wielu

czynników. Ogólne zależności pomiędzy wielkością gniotu a średnicą walców wyprowadza
się na podstawie rys. 5.3.:

R

OD

OA

OD =

=

α

cos

(5.36)

oraz

2

h

R

DB

OB

OD

∆

−

=

−

=

(5.37)

109

skąd

D

h

R

h

R

h

R

∆

−

=

∆

−

=

∆

−

=

1

2

1

2

cos

α

(5.38)

Im większa jest zatem średnica walców, tym większy jest kąt chwytu (przy tym samym

gniocie). Wynika z tego, że im mniejsza jest średnica walców, tym trudniej pasmo jest przez
nie chwytane.

Z przekształcenia powyższych wzorów wynika:

∆

h = D (1-cos

α

), a ponieważ kąt chwytu

α

może być co najwyżej równy kątowi tarcia, zatem można napisać:

∆

h

max

= D (1-cos

ρ

) (5.39)

Równanie to określa maksymalny dopuszczalny gniot.
Maksymalne kąty chwytu stosowane w praktyce w zależności od rodzaju walcowania

podaje tablica 5.1. Maksymalny kąt chwytu, jaki można stosować przy danym rodzaju
walców i danej średnicy, nazywa się granicznym kątem chwytu.

Tablica 5.1.

Graniczne kąty chwytu w zależności od rodzaju walcowania

Rodzaj walcowania

Współczynni

k

tarcia

µ

Maksymalny

kąt chwytu

α

Maksymalny

stosunek

R

h

∆

walcowanie na gorąco:
kęsiska ( na walcach z
napawaniami)

0,45

÷ 0,62

24

÷ 32

1

5

1
3

÷

kęsy

0,36

÷ 0,47

20

÷25

1

8

1

7

÷

blachy

0.27

÷ 0.36

15

÷ 20

1

14

1

8

÷

walcowanie na zimno:
na walcach gładkich

0,09

÷ 0,18

5

÷10

1

130

1

33

÷

na walcach z dobrze
szlifowaną
beczką

0,05

÷0,09

3

÷ 5

1

350

1

250

÷

5.3. Pomoce i urządzenia

• walcarka duo,

• próbka klinowa,

• próbka o zmiennej szerokości,
• suwmiarka.

5.4. Instrukcja do ćwiczenia

• uruchomić walcarkę,

110

• przeprowadzić próbę pomiaru kąta chwytu,

• przewalcować próbkę o zmiennej szerokości,

• zmierzyć uzyskane wymiary próbek,
• sporządzić sprawozdanie.

5.5. Sprawozdanie

1. Pomiar kąta chwytu

Tablica 5.2.

Kąt chwytu materiału przez walce

Pomiar Prześwit Kąt chwytu Kąt tarcia Średnica

walców

Graniczny
kąt chwytu

Gniot
maksymalny

1.

2.

3.

2. Pomiar parametrów walcowania

Tablica 5.3.

Podstawowe parametry walcowania

Pomiar

h

0

l

0

b

0

h

1

b

1

l

1

∆

h

∆

b

∆

l

λ

β

γ

1.

2.

3.

4.

Literatura

[23,24,27,34,36,37,38,40]

111