Краткие сведения об обработке металлов давлением

Под обработкой давлением понимают изменение формы и размеров металла в результате воздействия на него внешних сил. Обработка металлов давлением производится прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой.

При волочении обрабатываемый металл в холодном состоянии протягивается через отверстие − волоку, которое меньше поперечного сечения металла. В результате сечение металла уменьшается. Волочением производят прутковый металл, тонкие трубы, проволоку. При прессовании требуемая форма получается путем выдавливания металла через специальное отверстие. При ковке и штамповке обработка металлов производится при помощи молота и штампа.

Производство жести прокаткой между двумя валками предложено Леонардо да Винчи (1452-1519). Итальянский художник, архитектор, инженер описал многие механизмы: вертолет, велосипед, резьбонарезной станок, нарезные винтовки, шлюз, червячный механизм. Многие его идеи опередили свое время и не реализованы на практике до сих пор.

Прокаткой называется процесс деформации металла между вращающимися валками. Различают продольную, поперечную и косую прокатки. При продольной прокатке металл деформируется между двумя валками вращающимися навстречу друг другу. Данный вид прокатки имеет наибольшее распространение (около 90% всего проката).

Рисунок 1.1 - Схема продольной и поперечной прокатки

 При косой и поперечной прокатке валки вращаются в одном направлении, а металл приобретает поступательно-вращательное движение. Косая прокатка используется для получения из сплошного металла полой трубы, а поперечная для изготовления тел вращения.

Различают холодную и горячую прокатки. Так при температуре 1150-1200°С сопротивление деформации стали примерно в 10 раз меньше, чем в холодном состоянии. Холодная прокатка ведется при прокатке очень тонких листов (толщиной менее 1 мм). Такой тонкий лист не может быть получен при горячей прокатке из-за образования на поверхности металла окалины, толщина которой соизмерима с толщиной листа. В процессе холодной прокатки у металлов увеличивается сопротивление деформации. Одновременно он становится хрупким. Прокатка стали при температуре ниже 400-450° С соответствует холодной прокатке, а при температуре выше 600-650°С − горячей прокатке.

Основные понятия теории прокатки

 Пропуск − однократный проход металла через вращающиеся валки. Обычно прокатка осуществляется несколько пропусков металла.

Коэффициент вытяжки − отношение длины металла после прокатки к длине до прокатки

Различают частичный коэффициент вытяжки  и полный коэффициент вытяжки .

Дуга захвата − дуга окружности рабочего валка, по которой он соприкасается с прокатываемым металлом.

Угол захвата − центральный угол, опирающийся на дугу захвата.

Зона деформации − пространство между двумя валками.

Основное уравнение при пластической деформации − уравнение постоянства объема:

,

где  и  − толщина, ширина и длина металла до прокатки и после;

F₀ и F₁ − площадь сечения до прокатки и после.

Абсолютное обжатие: Dh=h₀-h₁.

Относительное обжатие: . 

Абсолютная вытяжка: Dl=l₁-l₀. 

Относительная вытяжка: .

Уравнения связи величины обжатия, диаметра валков и угла захвата:

Dh=D×(1-cosa). 

С изменением диаметра валков при одной и той же толщине полосы изменяется угол захвата. С увеличением диаметра валков угол захвата уменьшается и захват металла облегчается.

Полное давление металла на один валок:

Р=р_ср×Q, 

где р_ср− среднее удельное давление металла на валки, ;

     Q − поверхность соприкосновения металла с одним валком, мм².

Среднее удельное давление на один валок по формуле А.И. Целикова:

,

где k_f − предел текучести металла, ;

       − коэффициент;

      f− коэффициент трения;

      h_к− высота прокатываемого металла в критическом сечении, мм;

      D − диаметр рабочего валка, мм.

Соотношение .

Поверхность соприкосновения металла с одним валком:

Q=B×l,   

где −средняя ширина металла, мм;

      − длина дуги захвата, мм;

      a − угол захвата, град.

Угол захвата зависит от пластичности прокатываемого металла. Чем выше пластичность, тем лучше захват. Значение максимального угла захвата при холодной прокатке стали может составлять 3-8°, а при горячей 15-34°.

Рисунок 1.2 - Схема деформации при прокатке

Момент прокатки:

М_пр=Р×а,

где а − плечо приложения силы давления.

Момент, необходимый для привода рабочих валков прокатного стана:

М=М_пр+М_тр+М_хх+М_дин,

где М_тр − момент сил трения в подшипниках и в передаточных устройствах;

      М_хх −момент холостого хода;

      М_дин − динамический момент.

Момент сил трения:

,

где −момент от сил трения в подшипниках валков;

 − момент сил трения в передаточных устройствах стана;

m₁ − коэффициент трения в подшипниках валков.

Момент холостого хода: М_хх=3¸5%М_ном.

Динамический момент:  проявляется лишь в реверсивных и регулируемых станах, работающих с переменной скоростью.

На основании расчета момента прокатки строят нагрузочную диаграмму и тахограмму движения.