Ćwiczenie 4

WALCOWANIE

Celem ćwiczenia jest: - zapoznanie się z procesem walcowania wzdłużnego, - określenie wskaźników odkształcenia charakteryzujących proces walcowania, - wyznaczenie granicznych kątów chwytu na początku i w trakcie walcowania, - zapoznanie się z procesem walcowania kształtowników.

1. INFORMACJE MERYTORYCZNE

1.1. METODY WALCOWANIA W procesie walcowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się za pomocą

odkształcenia plastycznego materiału między obracającymi się i współpracującymi ze sobą walcami, tarczami lub rolkami. Ze względu na rodzaj ruchu walcowanego materiału, kształt i ustawienie walców, rozróżnia się walcowanie:

- wzdłużne (rys.1a), w którym materiał wykonuje ruch postępowy, a walce o osiach wzajemnie równoległych obracają się w kierunkach przeciwnych - otrzymuje się głównie blachy, taśmy, pręty i kształtowniki;

- poprzeczne (rys.1b), w którym materiał wykonuje ruch obrotowy, a walce o osiach równoległych obracają się w zgodnym kierunku – wykonuje się śruby, wkręty i koła zębate;

- skośne (rys.1c), w którym materiał wykonuje ruch postępowo-obrotowy, a walce o osiach wzajemnie skośnych obracają się w zgodnych kierunkach – wytwarza się tuleje rurowe, kule itp.;

- okresowe (rys.1d), w którym materiał wykonuje ruch postępowy lub postępowo-

2

zwrotny, a walce o osiach równoległych (o przekrojach niekołowych) obracają się przeciwnych kierunkach – produkuje się tuleje rurowe, przedkuwki w formie prętów o zmiennym przekroju, wyroby ornamentowe, itp.;

- specjalne, które jest kombinacją omówionych sposobów walcowania - wykonuje się koła wagonowe (rys.1e) i inne wyroby o złożonym kształcie.

Proces walcowania może odbywać się na gorąco lub na zimno. W przypadku stali

węglowej temperatura walcowania na gorąco wynosi ok. 100-1500 C poniżej linii solidusu.

Rys.1. Schematy procesów walcowania: a – wzdłużne, b – poprzeczne, c – skośne, d – okresowe,

e – specjalne

3

1.2. WALCOWANIE WZDŁUŻNE 1.2.1. Wskaźniki odkształcenia charakteryzujące proces walcowania wzdłużnego Walcowanie wzdłużne jest najprostszym przypadkiem walcowania. W czasie

takiego procesu walcowania zmniejsza się przekrój poprzeczny materiału, a wzrasta jego długość. Proces walcowania składa się na ogół z wielu przepustów, których liczba zależy od kształtu i wielkości przekroju poprzecznego materiału wsadowego i gotowego wyrobu po walcowaniu.

W procesie walcowania tylko niewielka część materiału, poddana naciskowi walców, jest odkształcana plastycznie. Obszar zawarty między walcami nazywa się kotliną walcowniczą (rys.2.). Materiał wchodzący do walców ma grubość g0, szerokość b , długość l0 0 i powierzchnie przekroju poprzecznego F0. Po przejściu między walcami, czyli po jednym przepuście, jego wymiary zmieniają się odpowiednio na g1, b , l1 1, F1. Po przewalcowaniu w gładkich walcach grubość materiału zmniejsza się, szerokość niewiele się powiększa i materiał wydłuża się.

Zmianę wymiarów materiału określa się wskaźnikami odkształceń, które zestawiono w tablicy 1.

Rys.2. Kotlina walcownicza.

4

Tablica 1. Zestawienie wskaźników odkształcenia przy walcowaniu

Rodzaj wskaźnika

Gniot Poszerzenie Wydłużenie Ubytek przekroju g b l F

odkształcenia Odkształcenie bezwzględne 10 ggg −=Δ 01 bbb −=Δ 01 lll −=Δ 01 FFF −=Δ

ggg

g10 −=ε

0

10

bbb

b−

=εl

lll

10 −=ε0

10

FFF

F−

=εOdkształcenie względne

Współczynniki odkształcenia

1

01 F

FF == λλ

0

1

gg

g =λ0

1

bb

g =λ0

1

ll

g =λ

Odkształcenie rzeczywiste

0

1lngg

g =ϕ0

1lnbb

b =ϕ0

1lnll

l =ϕ1

0lnFF

F =ϕ

1.2.2. Zmiany objętości Podczas plastycznego odkształcania materiału przyjmuje się, że objętość jego po

odkształceniu jest równa objętości przed odkształceniem (zasada stałej objętości). Wynika to z faktu, iż odkształcenia objętościowe ciał metalicznych są bardzo małe i są rzędu wielkości odkształceń sprężystych. Zgodnie zatem z zasadą stałej objętości:

V = V0 1 = g b0 0 l0 = g1 b1 l1 (1)

Po podzieleniu (1) stronami otrzymuje się:

1000

111

0

1 === lbglbglbg

VV

λλλ (2)

Tak więc, aby zasada stałej objętości była spełniona, iloczyn współczynników odkształceń musi być równy jedności. Po logarytmowaniu równania (2) otrzymuje się zasadę stałej objętości wyrażoną w odkształceniach rzeczywistych:

φg +φb +ϕ = 0 (3) 1

Z powyższej zależności wynika, że z trzech głównych odkształceń rzeczywistych

tylko dwa są niezależne. Oznacza to, że znając wartości dwóch odkształceń trzecie można obliczyć za związku (3).

5

1.2.3. Chwyt materiału przez walce

Podczas wprowadzania materiału między walce, w miejscach styku walców z materiałem, powstają siły normalne P do, powierzchni styku oraz siły styczne T spowodowane tarciem (rys.3a). Aby materiał został wciągnięty między walce, składowa pozioma siły, tarcia Th, wciągająca materiał, musi być większa od składowej poziomej siły normalnej P , odpychającej materiał h

αα sincos PT ≥ (4)

gdzie α jest kątem chwytu zawartym między płaszczyzną przechodzącą przez osie walców a płaszczyzną poprowadzoną przez oś jednego walca i punkt styku tego walca z materiałem.

PT μ=Ponieważ , gdzie μ jest współczynnikiem tarcia, warunek (4) przyjmuje postać:

αμ tg≥ (5)

Uwzględniając, że

ρμ tg= (6)

gdzie ρ jest kątem tarcia, warunek chwytu na początku walcowania można przed-stawić

ρα ≤ (7)

Zatem walce chwytają materiał, gdy kąt chwytu jest mniejszy lub równy kątowi tarcia.

Po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem, kąt działania, wypadkowej P, nacisków walców zmienia się w stosunku do kąta chwytu istniejącego na początku walcowania i przyjmuje wartość β (rys.3b). W związku z tym, warunkiem walcowania jest:

ββ sincos PT ≥ (8)

ρββμ ≤≥ itga zatem: .Przyjmując, że siła P działa w połowie długości łuku

stykania się walca z materiałem (pod kątem 2αβ = , warunkiem walcowania jest

ρα 2≤ (9)

Oznacza to, że po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem kąt chwytu można

6

zwiększyć prawie dwukrotnie w stosunku do jego wartości pierwotnej. Często zdarza się jednak, że wypadkowa nacisków walców działa pod kątem

innym niż βα

=k2α

. W procesach walcowania na gorąco wynosi 1,3 - 1,8, a przy walcowaniu na zimno k = 2,0 - 2,4.

Kąt chwytu oblicza się z następującej zależności (rys.3):

DgΔ

−= 1cosα . (10)

gdzie: D- średnica walca. Wartość kąta chwytu zależy przede wszystkim od współczynnika tarcia. Im

współczynnik ten jest większy, tym łatwiej materiał zostaje wciągnięty między walce. Kąt chwytu zależy ponadto od średnicy walców. Temperatura i prędkość walcowania wpływają na wartość kąta chwytu tak, jak zmienia się pod ich wpływem współczynnik tarcia.

Rys.3. Rozkład sił przy walcowaniu wzdłużnym: a – w momencie chwytu materiału, b – przy wypełnionej szczelinie walcowniczej

1.3. URZĄDZENIA DO WALCOWANIA

Podstawowymi urządzeniami do walcowania są walcarki i urządzenia pomocnicze,

tworzące razem tzw. zespoły walcownicze. Walcarką (rys.4) nazywamy urządzenie złożone zwykle z trzech zasadniczych zespołów: klatki walcowniczej, silnika napędowego oraz mechanizmu przenoszącego ruch obrotowy silnika na walce.

7

1 32

Rys.4. Schemat walcarki: 1 – walce robocze, 2 –łączniki, 3 – walce zębate, 4 – sprzęgło, 5 – przekładnia zębata, 6 – koła zamachowe, 7 - silnik

Podstawowa klatka walcownicza (rys.5) składa się z walców roboczych 1, łożysk

2, w których obracają się czopy walców 3, urządzenia ustawczego 10 służącego do regulacji wzajemnych odstępów walców, dwóch stojaków 4 połączonych ściągaczami, stanowiących kadłub klatki oraz uzbrojenia walców służących do wprowadzania materiału między walce.

Rys.5. Klatka walcownicza duo: 1 – walce, 2 – łożyska, 3 – czopy, 4 – stojaki, 5 – śruby nastawcze, 6 – nakrętki, 7 – koło stożkowe, 8 – wał, 9 – wskaźnik odległości między

walcami, 10 – koło nastawcze

8

Do walcowania wzdłużnego stosuje się dwa rodzaje walców: gładkie (rys.6a) służce do walcowania blach i taśm oraz bruzdowe (rys.6b) stosowane do walcowania kształtowników, prętów i rur.

Nazwa walców bruzdowych pochodzi stąd, że na walcu wykonane są nacięcia zwane bruzdami. Dwie bruzdy dwóch złożonych i współpracujących za sobą walców, tworzą wykrój, w którym odbywa się walcowanie.

Rys.6. Rodzaje walców: a – walec gładki, b – walec bruzdowy Klatki walcownicze o walcach równoległych dzieli się w zależności od liczby

walców na klatki duo, trio (o trzech walcach roboczych), kwarto i wielowalcowe. Klatki kwarto. W celu zmniejszenia nierównomierności grubości walcowanej

blachy należy wyeliminować bądź znacznie ograniczyć sprężyste uginanie się walców. Można to częściowo uzyskać przez zwiększenie średnicy walców, ale jednocześnie z tym następuje powiększenie się powierzchni styku materiału z walcami. Powoduje to szybki wzrost całkowitego obciążenia walców, które zwiększa się wraz z wielkością powierzchni styku walec – materiał i naciskiem jednostkowym p (rys.7). Nacisk jednostkowy zależy zaś głównie od współczynnika gniotu.

Rys.7. Porównanie sił nacisku P na walce oraz nacisków jednostkowych p, przy walcowaniu z jednakowym gniotem w klatkach: a – duo, b - kwarto

9

Zwiększenie średnicy walców powoduje wzrost ich obciążenia, a tym samym tylko nieznacznie wpływa na zmniejszenie sprężystego uginania się walców (rys.7 a).

Umieszczając między walcami oporowymi o dużej średnicy małe walce robocze (rys.7 b) uzyskuje się zmniejszenie powierzchni styku walec – materiał, a przez to również obniżenie całkowitego obciążenia walców. Dzięki temu w walcarkach takich można stosować znaczne gnioty, przy zachowaniu dużej dokładności geometrii i wymiarów wyrobów. Jest to podstawowa zaleta walcarek kwarto.

1.4. WALCOWANIE BLACH STALOWYCH I TAŚM NA ZIMNO

Walcowanie na zimno stosuje się w celu uzyskania: - blach i taśm o grubości do dziesiętnych części milimetra, - dużych dokładności wymiarów, - małej chropowatości powierzchni, - zmiany własności i struktury materiału. Materiałem wyjściowym do walcowania blach i taśm na zimno są blachy

walcowane na gorąco do grubości ~ 4 mm. Przed walcowaniem na zimno przeprowadza się oczyszczanie powierzchni blachy ze zgorzeliny poprzez wytrawianie. Do walcowania stosuje się walcarki kwarto w układzie ciągłym, składającym się z dwóch do pięciu klatek.

Schemat układu ciągłego składającego się z pięciu klatek kwarto przedstawiono na rys.8. Blacha rozwijana z rozwijarki przechodzi przez kolejne klatki i następnie zwijana jest na zwijarce. Prędkości walcowania są bardzo duże i w ostatniej klatce dochodzą nawet do około 30 m/s, co zapewnia bardzo duża wydajność procesu.

Rys.8. Schemat układu ciągłego walcarek kwarto do walcowania blach i taśm na zimno: 1 – rozwijarka, 2 – zwijarka, 3 – klatki walcownicze kwarto

Do walcowania taśm i blach we wstęgach o grubości od 0,005 do 0,2 mm

używane są walcarki sześciu-, dwunasto- i dwudziestowalcowe (rys.9). Wsadem są blachy lub taśmy walcowane na zimno w walcarkach kwarto. Ugięcie sprężyste

10

walców roboczych, dzięki ich małym średnicom i dużej sztywności walców oporowych zostaje prawie całkowicie wyeliminowane.

Rys.9. Dwudziestowalcowa walcarka Sędzimira

1.5. WALCOWANIE KSZTAŁTOWNIKÓW I PRĘTÓW

Walcowanie kształtowników i prętów przeprowadza się w walcarkach o walcach bruzdowych. W czasie całego procesu walcowania rozstaw między walcami kolejnych klatek walcowniczych jest stały, a walcowany materiał za każdym razem przepuszczany jest przez coraz to mniejszy wykrój walców. Szyny walcuje się zwykle w 8 do 10 przepustach, inne kształtowniki, takie jak dwuteowniki, ceowniki, kątowniki w 9 do 12 przepustach (rys.10).

Rys.10. Walcowanie wyrobów kształtowych

11

1.6. WALCOWANIE RUR

Rury dzieli się na rury bez szwu i rury ze szwem. Rury bez szwu produkuje się o wymiarach średnic nominalnych od 0,5 do około 500 mm, a rury ze szwem o średnicach od ułamków milimetra (np., igły do strzykawek) do około 2000 mm.

Wsadem do produkcji rur bez szwu są zwykle kęsy i kęsiska. Cykl produkcyjny rur bez szwu można podzielić na następujące fazy:

1. Przedziurawienie wsadu i wykonanie tulei rurowej. Tuleje takie są krótkie i maja grube ścianki (rys.1c).

2. Wydłużenie tulei w rurę przez zmniejszenie grubości jej ścianek. Zwykle wykonanie rury z tulei odbywa się w jednym zabiegu wydłużania ścianek przy zachowaniu w przybliżeniu stałego wymiaru średnicy wewnętrznej metodą walcowania okresowego (rys.1d)

3. Wykończanie rur na gorąco w walcarkach kalibrujących lub redukujących. Operacje te mają za zadanie nadanie rurze dokładnie kołowego kształtu przekroju poprzecznego i właściwego wymiaru średnicy.

4. Rury wyższej jakości, cienkościenne, precyzyjne i inne przeznaczone na ogół do celów konstrukcyjnych wymagają dalszego zmniejszania grubości ścianek i średnicy, co jest możliwe do osiągnięcia metodami obróbki plastycznej na zimno, za pomocą walcowania oraz ciągnienia.

Rury ze szwem zwija się z taśm a następnie zgrzewa lub spawa (rys.11), dalsze

fazy odpowiadają fazom produkcji rur bez szwu podanym w p.3 i 4.

Rys.11. Wytwarzanie rur spawanych

12

2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Cel: - wyznaczenie wskaźników odkształcenia charakteryzujących proces

walcowania wzdłużnego, - wyznaczenie granicznego kąta chwytu na początku walcowania, - wyznaczenie granicznego kata chwytu w trakcie walcowania, - zapoznanie się z procesem walcowania kształtowników.

2.1. OPIS BUDOWY I ZASADA DZIAŁANIA WALCARKI LABORATORYJNEJ

Na rys.14. pokazana jest walcarka laboratoryjna duo. Walce 1 o średnicy 164 mm są ułożyskowane w panewkach 2. Dolny walec jest nienastawny, natomiast położenie górnego walca reguluje się za pomocą śrub nastawczych 3, które ustawia się pokrętłami 4. Po doprowadzeniu do równoległości obu walców przez opuszczenie górnego walca na dolny, nastawia się odpowiedni rozstaw miedzy nimi przez równoczesny obrót obu śrub. Jeden obrót śrub nastawczych powoduje przesuw walca górnego o 4 mm. Napęd z silnika 9 przekazywany jest poprzez przekładnię pasową 5 do klatki walców zębatych 6, a następnie przez łączniki 7 na walce robocze 1.

Rys.12. Schemat walcarki laboratoryjnej

13

2.2. OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKÓW ODKSZTAŁCENIA

Prostopadłościenną próbkę z ołowiu o wymiarach g0, b , l0 0 (rys.15) należy przewalcować w kilku przepustach na walcarce laboratoryjnej duo. Przed walcowaniem należy zmierzyć jej grubość, szerokość i długość. Po każdym przepuście mierzyć jej grubość i szerokość, a długość wyznaczać z zasady stałej objętości. Podczas walcowania należy zwracać uwagę, aby próbkę podawać między walce prostopadle do płaszczyzny przechodzącej przez osie walców. Wyniki zestawić w tablicy 2. Na podstawie uzyskanych wyników należy sporządzić graficznie następujące zależności:

- wydłużenie względne, poszerzenie względne i względny ubytek przekroju w funkcji gniotu względnego;

- wydłużenie rzeczywiste i wydłużenie względne w funkcji gniotu względnego.

Rys.13. Próbka do wyznaczania wskaźników odkształceń

Tablica 2. Wyniki pomiarów wskaźników odkształcenia

Numer przep.

Wymiary próbki Odkształcenie względne

Odkształcenie rzeczywiste

Współczynniki odkształcenia

Objętość V

ε ε ε φ φ φLp. g mm

b mm

l mm

g b l g b l λg λb λ [mm3] l

14

2.3. WYZNACZENIE GRANICZNEGO KĄTA CHWYTU NA POCZĄTKU WALCOWANIA

Stosujemy prostopadłościenną próbkę (rys.13.) o podwyższonej dokładności wymiarowo – kształtowej. Przed przystąpieniem do walcowania walce należy oczyścić ze smaru i górny walec opuścić na dolny. Następnie próbkę, po uruchomieniu walcarki, kładziemy na stół i bardzo lekko dociskamy do obracających się walców. Jednocześnie za pomocą pokręteł podnosimy górny walec do momentu chwycenia próbki przez walce. Po przewalcowaniu próbki mierzymy jej grubość i znając średnicę walców ze wzoru (10) wyznaczamy graniczny kąt chwytu na początku walcowania. Te same czynności wykonujemy przy pokryciu powierzchni walców emulsją i porównujemy otrzymane wartości kątów chwytu.

2.4. WYZNACZENIE GRANICZNEGO KĄTA CHWYTU W TRAKCIE WALCOWANIA Próbkę w postaci klina, wykonaną z ołowiu, poddajemy walcowaniu przy

rozstawie walców 8 mm. Walce wciągają klin do określonego momentu, po czym zaczynają się ślizgać po powierzchni walcowanego materiału. Zatrzymujemy wówczas walcarkę, rozsuwamy walce i wyjmujemy próbkę. Walcowanie to wykonujemy przy oczyszczonej i powleczonej emulsją powierzchni walców.

Graniczny kąt chwytu αgk w trakcie walcowania wyznaczamy ze wzoru (10). Wielkości gp oraz gk wyznaczamy z pomiarów próbki według rys.16.

Znając wartości αgp oraz αgk wyznaczamy współczynnik k dla danych warunków walcowania. Następnie z zależności (5) i (6) wyznaczamy kąty tarcia i współczynniki tarcia.

Rys.14. Próbka klinowa po przewalcowaniu.

2.5. WALCOWANIE KSZTAŁTOWNIKÓW Proces walcowania kształtownika w postaci kątownika wykonujemy na

laboratoryjnej walcarce trio z walcami bruzdowymi, której klatkę walcowniczą pokazano na rys.17. Próbkę w postaci okrągłego pręta wykonanego z ołowiu przepuszczamy kolejno przez różne wykroje walców, aż otrzymamy końcowy wyrób.

15

Rys.15. Widok klatki walcowniczej trio z walcami bruzdowymi

LITERATURA

[1] WESOŁOWSKI Z., Podstawy walcowania, Katowice, WGH, 1960. [2] ŻURAWSKI Z., SIKORA J., PŁUŻEK., Walcowanie gwintów, Warszawa, WNT, 1976. [3] Obróbka plastyczna metali, Srypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1973.