METODY WALCOWANIA

W procesie walcowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się wskutek odkształcenia plastycznego metalu między obracającymi się walcami. W zależności od kierunku obrotów walców, względem siebie i w stosunku do obrabianej części, ich położenia i kształtu oraz rodzaju ruchu walcowanego materiału, rozróżnia się trzy zasadnicze rodzaje walcowania:

• wzdłużne

• poprzeczne

• 
  skośne

Rys. 1. Geometria procesu oraz podstawowe schematy walcowania wzdłużnego:

a - geometria procesu walcowania

1. materiał wsadowy

2. walcówka

3. walec górny

4. walec dolny

b - walcowanie wzdłużne wyrobów płaskich (beczki walców płaskie)

c - walcowanie wzdłużne kształtowników (beczki walców bruzdowe)

Podczas walcowania wzdłużnego odkształcenie zachodzi między dwoma walcami o osiach równoległych, obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Na skutek tarcia występującego między obrabianym metalem a walcami, materiał zostaje wciągnięty między walce, gdzie następuje jego odkształcenie. W wyniku odkształcenia początkowa wysokość h₀ walcowanego pasma zmniejsza się do wysokości h₁ (gniot), szerokość powiększa się nieznacznie z b₀ do b₁ (poszerzenie), a długość wzrasta w wyraźny sposób z l₀ do l₁ (wydłużenie). Materiał walcowany wchodzący między walce z prędkością v₀ opuszcza je z prędkością v₁ wykonując ruch styczny do walców.

Rys.2. Schematy walcowania poprzecznego:

1. 
   dwoma walcami z dociskiem materiału

2. dwoma walcami z podtrzymką

3. trzema walcami

4. w układzie przestrzennym

1. walec

2. materiał

3. podtrzymką

Przy walcowaniu skośnym dwa lub trzy walce obracają się w tym samym kierunku, ale ich osie są zwichrowane względem siebie i względem osi walcowanego materiału, dzięki czemu wydłużenie materiału skierowane jest pod kątem różnym od 90° (ok. 80°-87°) w stosunku do wektora obwodowej prędkości walców. W związku z tym materiał walcowany uzyskuje ruch śrubowy (złożenie ruchu obrotowego z postępowym) walcowanie takie nazywamy „przelotowym". Walcowanie skośne stosowane jest głównie do produkcji rur (walcowanie dziurujące lub wydłużające) i sporadycznie do redukcji przekrojów poprzecznych prętów okrągłych, zgodnie ze schematami przedstawionymi na rysunku 3.

Rys.3. Schematy walcowania skośnego:

1. walcowanie dziurujące

2. walcowanie wydłużające

3. walcowanie skośne rur w układzie przestrzennym

1 - walec

2 - główka dziurująca

3 - trzpień

4 - materiał wsadowy (pręt lub rura)

5 - walcówka (rura lub tuleja)

WARUEK CHWYTANIA METALU PRZEZ WALCE

Aby mógł nastąpić proces walcowania, materiał doprowadzony do powierzchni obracających się walców musi być przez nie uchwycony. Chwytanie zachodzi dzięki siłom tarcia występującym między powierzchniami walców i powierzchnią zgniatanego między nimi metalu. Zgodnie z drugą zasadą dynamiki metal wprowadzony między walce działa na nie siłą N w punkcie styku, walce zaś oddziałują na metal siłą równą i przeciwnie skierowaną. Kierunek działania tej siły przechodzi przez punkt styku A oraz środek osi walca O, co zostało przedstawione na rysunku 4a. Równocześnie powstaje w punkcie A siła tarcia T, styczna do obwodu walca i skierowana zgodnie z kierunkiem obrotu.

Przedstawiając występujące siły w postaci wektorów i rozkładając je na składowe poziome
i pionowe otrzymamy siły N_H i T_H . Ze względu na symetrię rozpatrujemy siły w odniesieniu
do jednego walca. Rzutując obie siły N i T na oś pokrywającą się z kierunkiem ruchu metalu otrzymamy:

Rys.4. Siły przyłożone do metalu:

1. w chwili chwytu

2. przy ustalonym procesie walcowania

Siła T_H jest siłą wciągającą, a siła N_H odpychającą, przeciwdziałającą uchwyceniu metalu przez walce. Kąt a utworzony między promieniem przechodzącym przez punkt A w którym nastąpiło pierwsze zetknięcie walcowanego materiału z walcem, a prostą pionową łączącą środki obu walców nazywamy kątem chwytu.

Warunkiem chwytu metalu przez walce jest, aby składowa pozioma siły T była większa od składowej poziomej siły N, czyli:

Ponieważ siłę tarcia T można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

- współczynnik tarcia walcowanego materiału o powierzchnię walców

- kąt tarcia

więc nierówność przybierze postać:

czyli

lub inaczej

Chwytanie i wciąganie metalu między walce zachodzi więc wówczas, gdy kąt chwytu jest mniejszy lub co najwyżej równy kątowi tarcia.

W warunkach ustalonego walcowania (rys.4b.), tj. gdy metal wypełnia przestrzeń miedzy walcami, można przyjąć, że wypadkowa nacisku N walca na metal przebiega przez środek łuku AB. Przeprowadzając rozumowanie podobnie jak poprzednio otrzymuje się kolejno:

Oznacza to, że w ustalonym procesie walcowania do jego realizacji wymagana jest zaledwie połowa sił, które są potrzebne w momencie chwytu metalu przez walce oraz, że możemy po uchwyceniu materiału walcować go z większym gniotem.

Kąt chwytu zależy od wielu czynników, z których najważniejszymi są:

• średnica walców - przy tej samej wartości gniotu kąt chwytu jest tym większy, im mniejsza jest średnica walców;

• temperatura - chwyt materiału przez walce jest trudniejszy w podwyższonej temperaturze, ponieważ współczynnik tarcia maleje ze wzrostem temperatury;

• prędkość obwodowa walców - im większa jest prędkość obwodowa walców, tym materiał trudniej jest przez nie chwytany;

• stan powierzchni - im bardziej jest chropowata powierzchnia walców i materiału, tym większy współczynnik tarcia.

Maksymalny kąt chwytu, jaki można stosować przy danym rodzaju walców i danej średnicy, nazywamy granicznym kątem chwytu.

ZJAWISKA ZACHODZĄCE W KOTLINIE WALCOWNICZEJ

Analizując proces walcowania, pod kątem zjawisk zachodzących w kotlinie walcowniczej, należy stwierdzić, że podstawowymi z nich są:

• poszerzenie

• wyprzedzenie

• opóźnienie

• POSZERZENIE

Przy danym gniocie wydłużenie jest tym większe, im mniejsze jest poszerzenie na odwrót. Inaczej mówiąc, poszerzenie zachodzi kosztem wydłużenia i nie przyczynia się do zmniejszenia powierzchni przekroju poprzecznego materiału, a zatem ze wzrostem poszerzenia obniża się wydajność procesu. W związku z tym w czasie walcowania powinno się dążyć do zmniejszenia poszerzenia w możliwie największym stopniu.

Na wartość poszerzenia wpływają głównie następujące czynniki:

• Gniot - ze wzrostem gniotu zwiększa się poszerzenie.

• Średnica walców - ze wzrostem średnicy walców poszerzenie wzrasta.

• Prędkość walcowania - największe poszerzenie występuje przy małych prędkościach walcowania i wzrasta wraz ze wzrostem tej prędkości.

• Współczynnik tarcia - współczynnik tarcia powoduje większy wzrost oporów tarcia w kierunku „wzdłuż materiału walcowanego" niż w kierunku „w poprzek". Z tego powodu zwiększeniu współczynnika tarcia towarzyszy zmniejszenie wydłużenia i zwiększenie poszerzenia.

• Temperatura - im wyższa jest temperatura, tym współczynnik tarcia jest mniejszy, a tym samym maleje poszerzenie.

• Stosunek szerokości materiału walcowanego do jego wysokości b/h - jeżeli stosunek ten wzrasta, to poszerzenie maleje. Przy b/h > 20 opór tarcia w kierunku poprzecznym do walcowania jest tak duży, że metal ulega wyłącznie wydłużeniu.

• Liczba przepustów — im liczba przepustów potrzebna do osiągnięcia tego samego gniotu jest większa, tym poszerzenie mniejsze.

• Skład chemiczny materiału - czynnik ten wywiera znaczny wpływ na poszerzenie w czasie walcowania. Na przykład stal stopowa daje znacznie większe poszerzenie niż stal węglowa.

• WYPRZEDZENIE I OPÓŹNIENIE

W momencie uchwytu metalu przez walce jego prędkość jest mniejsza niż prędkość obwodowa walców. W miarę postępu procesu walcowania prędkość materiału w kotlinie walcowniczej stale wzrasta i swoje maksimum osiąga przy jego wyjściu z pomiędzy walców i prędkość ta jest większa niż prędkość obwodowa walców. W takim razie. zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 5, w pewnym przekroju C - C istnieje strefa, w której prędkość walcowanego materiału jest równa prędkości obwodowej walców. Przekrój poprzeczny C - C nosi nazwę przekroju krytycznego, a kąt
pod jakim on przebiega, nazywany jest kątem krytycznym. Zwiększenie prędkości wyjściowej materiału za przekrojem C - C w stosunku do prędkości obwodowej walców nazywa się wyprzedzeniem, występowanie zaś mniejszych prędkości metalu od strony wejściowej przed przekrojem C — C określa się mianem opóźnienia.

Wyprzedzenie i opóźnienie przy walcowaniu określają w znacznym stopniu rozkład i wielkość naprężeń w strefie odkształcenia. Z wielkościami tymi związana jest także wielkość poszerzenia przy walcowaniu. Znajomość wyprzedzenia i opóźnienia jest szczególnie ważna dla prawidłowego obliczenia prędkości wejścia i wyjścia pasma z walców na walcowniach ciągłych, co pozwala uniknąć powstawania między klatkami nadmiernego naciągu lub zwisu walcówki.

Rys.5. Schemat kotliny walcowniczej ze strefą opóźnienia i wyprzedzenia.

Praktycznie wielkość wyprzedzenia można wyznaczyć metodą nacinania znaku na obwodzie walca pomiaru długości odcinka L między śladami na walcówce.

gdzie:

- obwód walca,

- odstęp śladów na metalu po walcowaniu.

Na wartość wyprzedzenia wpływa szereg czynników, z których najważniejszymi są:

• średnica walców - im średnica walców większa , tym wyprzedzenie większe

• współczynnik tarcia - wzrost współczynnika tarcia zwiększa wyprzedzenie

• gniot - im gniot większy, tym wyprzedzenie większe

• temperatura - im temperatura wyższa, tym wyprzedzenie większe

Opóźnienie określa wielkość różnicy między prędkością wejściową pasma a prędkością obwodową walców, więc możemy je zdefiniować zależnością:

a ponieważ warunek stałej objętości walcowanego materiału dla wejścia i wyjścia z kotliny odkszta-łcenia ma postać:

więc prędkość wejścia pasma pomiędzy walce równa jest prędkości wyjścia walcówki z walców, podzielonej przez współczynnik wydłużenia
, czyli:

Podstawiając tak wyliczoną wartość v₀ do wzoru na S_op otrzymamy w rezultacie zależność pozwa-lającą wyznaczyć opóźnienie podczas walcowania, w postaci:

---