Краткий обзор развития ОМД и металлургии в Украине

Введение

В металлургическом производстве процесс обработки металлов давлением (ОМД) является заключительным, т.н. третьим переделом – вслед за первым (доменным) и вторым (сталеплавильным) переделами. Одним из основных он является в машиностроении и металлообработке.

ОМД – способ получения изделий заданной формы и размеров в твердом состоянии без снятия стружки с помощью давящего инструмента. В этом определении заложено отличие способа ОМД от способов получения изделий путем литья (в жидком состоянии) и механообработки (со снятием стружки).

ОМД – один из наиболее интересных курсов металлургического профиля. Она является предметом не только научной и инженерно-технической деятельности, но и своего рода искусством. Достаточно вспомнить рыцарские доспехи, особенно парадные, инкрустированные благородными металлами, садово-парковые ограждения, каминные решетки, светильники и т.п., не говоря уже о такой донецкой достопримечательности, как пальма Мерцалова. Т.е. изделия, получаемые способами ОМД, не только имеют потребительскую ценность в широком понимании этого определения, включая бытовую, но и могут оказывать глубокое эмоциональное воздействие.

Этим ОМД выгодно отличается от других переделов - доменного и сталеплавильного. Металлургия чугуна интереснейший предмет. Достижения доменщиков поистине феноменальны. Они глубоко изучили сложнейшие физико-химические процессы, происходящие в закрытом объеме, недоступном для визуального наблюдения, научились управлять ими и получать чугун заданного химического состава. Но результатом их деятельности является ковш жидкого чугуна. С точки зрения потребительской и эмоциональной он явно уступает изделиям, полученным путем ОМД. То же относится и к сталеплавильному производству.

Не лишним будет напомнить и то, что процессы ОМД в металлургии являются завершающими. И от того, насколько полно удовлетворяют потребности народного хозяйства продукция ОМД, судят о работе металлургии в целом.

А в масштабах завода, от того, насколько плодотворно поработали прокатчики зависит благополучие всего коллектива. Ибо как бы хорошо ни сработали доменщики и сталеплавильщики, если не будет необходимой реализации продукции, не будет средств ни для выплаты заработной платы трудящимся, ни для закупки необходимых сырья, материалов и т.п., т.е. не будет условий для нормальной работы завода.

Практически все средства труда, военного назначения, транспорта, быта, все средства передвижения по земле, воде, в воздушном пространстве изготовлены с использование изделий ОМД.

Отсюда следует, что знание основ ОМД, сортамента производимого металлопроката крайне необходимо не только металлургам, но и инженерно-техническим работникам смежных специальностей.

Основные виды ОМД

Основными видами ОМД являются прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка и гибка. Рассмотрим схемы и особенности этих процессов.

1.1 Прокатка.

Процесс прокатки металлов осуществляется между двумя или несколькими вращающимися приводными валками. При этом площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, длина и ширина увеличиваются, может изменяться форма. В зависимости от направления вращения валков и направления движения слитка (заготовки, раската) относительно осей валков различают три основных способа прокатки: продольный, поперечный, поперечно-винтовой.

Продольная прокатка (рис.1.1.). Основные признаки:

1) Прокатку осуществляют между двумя приводными валками, вращающимися навстречу друг другу. Иногда к двум горизонтальным добавляют два вертикальных, оси которых расположены в одной вертикальной плоскости.

2) Движение заготовки поступательное, ее ось перпендикулярна осям валков.

3) Длина раската (метры, километры) многократно превышает размеры поперечного сечения (миллиметры).

Способом продольной прокатки получают листы, полосы, сортовые профили, бесшовные трубы и катанку, постоянного и переменного (периодического) сечения. Именно этим способом производят основную массу прокатной продукции из черных и цветных металлов. Процесс прокатки осуществляют в горячем (третий передел) и холодном (четвертый передел) состояниях, применяют в основном в металлургии, реже в машиностроении и металлообработке.

Поперечная прокатка (рис.1.2.). основные признаки:

1) Прокатку осуществляют между двумя приводными валками, вращающимися в одном и том же направлении.

2) Движение заготовки вращательно-поступательное, ее ось параллельна осям валков.

3) размеры поперечного сечения изделий соизмеримы или меньше длины.

Способом поперечной прокатки получают тела вращения, в основном специального назначения – шары, шестерни, оси, валы и т.п., которые, по сути, являются готовыми деталями. Поэтому такие станы именуются еще деталепрокатными.

Прокатку осуществляют преимущественно в горячем состоянии и используют в машиностроении, металлообработке и в меньшей мере – в металлургии.

Поперечно-винтовая (косая) прокатка. В станах поперечно-винтовой прокатки используют в основном бочкообразные валки (рис.1.3.). Оси валков в плане – параллельны, а на виде сбоку – наклонены к горизонту под углом 4…15^о. Основные признаки:

1) Валки приводные, вращаются в одном направлении.

2) движение заготовки поступательно-вращательное, ее ось параллельна осям валков.

3) длина раската существенно превышает размеры поперечного сечения.

Благодаря наклону и наличию скосов на валках заготовка силами контактного трения втягивается в зев валков и продвигается вдоль их осей. сверху и снизу заготовка удерживается на оси прокатки дисковыми проводками или линейками.

Вследствие поверхностной деформации внутренние слои заготовки разрыхляются, образуя полость. Для придания ей правильной геометрической формы внутрь полости (в очаг деформации) с обратной стороны вводится оправка на жестко закрепленной штанге. Оправка прошивает разрыхленную центральную область заготовки, в результате из нее получают пустотелую гильзу.

Процесс используют в основном в металлургии для получения полых изделий круглой формы из черных и цветных металлов.

1.2. Волочение

Процесс волочения (рис.1.4.) заключается в протягивании заготовки (прутка, проволоки) через волочильное очко (волоку), поперечное сечение которого меньше сечения заготовки. Предварительно передний конец заготовки заостряют, вводят в отверстие волоки и захватывают клещевым устройством. Способом волочения получают прутки, проволоку сплошного и полого сечения различной формы и размеров с высокой точностью и качеством поверхности. Волочению подвергают черные и цветные металлы в основном в холодном состоянии, реже - в теплом.

Благодаря простоте, процесс волочения используют во многих отраслях народного хозяйства, но главным образом в металлургии, машиностроении и металлообработке.

1.3. Прессование

Процесс прессования заключается в выдавливании металла (круглой заготовки) из контейнера через матрицу с отверстием (рис.1.5). Путем прессования получают профили сплошного и полого сечения самой разнообразной формы в зависимости от формы очка матрицы.

Процесс осуществляют в горячем или холодном состояниях, используют в основном в машиностроении и металлургии.

Внешне процесс прессования сходен с волочением, только вместо приложения тянущего усилия к переднему концу изделия прилагают выталкивающее усилие к заднему концу заготовки посредством пуансона.

1.4. Ковка

Процесс ковки – один из древнейших видов ОМД (рис.1.6.). Свободную ковку осуществляют между двумя бойками, один из которых (нижний) неподвижный, второй (верхний) совершает возвратно-поступательные движения вверх-вниз. При ходе вниз осуществляется пластическая деформация заготовки (рабочий ход), при ходе вверх (холостой ход) заготовку продвигают на ширину бойка. При этом, если необходимо обжимать заготовку по высоте и ширине, ее кантуют поочередно на 90^о.

Процесс осуществляется преимущественно в горячем состоянии, используют для получения крупных поковок из черных металлов для последующей механообработки в машиностроении и механических цехах металлургических заводов.

1.5. Штамповка

различают объемную штамповку (рис.1.7.) и листовую штамповку (рис.1.8.)

Процесс объемной штамповки сродни ковки, только вместо бойков используют штампы, состоящие из двух половин. В каждой из них выполняют полости, по форме соответствующие форме штампуемых изделий. В отличие от свободной ковки течение металла здесь ограничивают полости штампа, а излишек металла уходит в заусенец (облой). Это обеспечивает достаточно высокую точность изделия.

Штампы работают в тяжелых условиях – высокие температуры, частые теплосмены, большие давления. Поэтому их изготавливают из дорогих теплостойких, износостойких сталей. Сам процесс изготовления штампов весьма трудоемок. Вследствие этого объемную штамповку применяют при необходимости изготовления ограниченного сортамента изделий крупными сериями.

При листовой штамповке основным инструментом являются матрица и прижим с центральным отверстием, равным наружному диаметру изделия, и пуансон диаметром, равным внутреннему диаметру изделия (рис.1.8.).

Круглую заготовку из листов толщиной 0,5…4,0 мм пластичных металлов и сплавов (медь, алюминий, углеродистая и легированная стали и пр.) укладывают на матрицу, прижимают прижимом и пуансоном деформируют заготовку. В результате получают изделия в виде колпачков. Этим способом получают практически всю кухонную посуду – кружки, миски, кастрюли и пр.

1.6. Гибка

Как и при листовой штамповке, при гибке используют листовой материал – заготовки в виде полос. Их укладывают на штампы с полостью и пуансоном придают заготовке заданную форму (рис.1.9.).

Таким способом получают гнутые профили относительно простой формы. Кроме того, их длина ограничивается шириной штампа. Более эффективным является процесс получения гнутых профилей путем последовательного профилирования в валках, подобно продольной прокатке (рис.1.10.). Поэтому такие профили называют гнутыми профилями проката в отличие от штампованных. На профилегибочных агрегатах можно получать профили самой разнообразной формы необходимой длины, и именно этим способом получают основную массу гнутых профилей.

Краткий обзор развития ОМД и металлургии в Украине

история развития ОМД уходит вглубь веков и тысячелетий. Первым, несомненно, возник процесс ковки, как наиболее простой и доступный первобытному человеку. Предметом труда являлись самородные цветные металлы, а затем и метеоритное железо. Об этом свидетельствуют мифы и легенды древнего Египта, Греции, народов Кавказа, где железо называли не иначе, как «небесный», «звездный» металл. Собственно металлургия черных металлов, как процесс получения железа из минерального сырья, появилось значительно позднее.

Первое упоминание о прокатке находим в трудах великого итальянца Леонардо да Винчи (около 500 лет назад). Первоначально прокатывали цветные и благородные металлы, главным образом для украшений.

Для обработки железа прокатные станы начали применять в конце XVII – начале XVIII столетий. Но до конца XVIII века их использовали лишь для отделки кованых полос для придания им гладкой поверхности и одинаковой толщины (т.н. плющильные машины). И только после изобретения паровых машин и использования их в качестве приводных двигателей, начали применять прокатные станы в качестве самостоятельных агрегатов, минуя ковку. С тех пор развитие процессов ОМД тесно связано с развитием способов производства стали.

Современная двухстадийная или коксодоменная схема производства металла сложилась сравнительно недавно – около 150 лет назад и связана с изобретениями выплавки стали в конвертерах (Бессемер, Томас) и подовых печах (братья Сименс, Мартен).

Первоначальная схема производства проката выглядела так: слитки небольшого развеса (в несколько сот килограмм) и сечения нагревали и прокатывали до готовых профилей с одного нагрева. Это объяснялось небольшой емкостью плавильных агрегатов и маломощными прокатными станами.

По мере развития сталеплавильного производства увеличивалась емкость плавильных агрегатов, и все труднее стало разливать большие массы металла в малые изложницы. А прокатчики не имели возможности использовать слитки большей массы, как из-за недостаточной мощности приводных двигателей, так и по ряду технологических причин. Это противоречие было разрешено созданием промежуточного передела – обжимно-заготовочного. По этой схеме получали слитки в несколько тонн, нагревали в колодцах и прокатывали на обжимных станах до квадратных или плоских заготовок, которые с повторного нагрева в методических печах прокатывали на станах готового проката.

Благодаря этому резко возросли мощности плавильных агрегатов и производительность прокатных станов, существенно улучшилось качество проката. Но эта схема страдала и многими недостатками. Кристаллизация больших масс металла сопровождается неравномерностью химического состава по ширине и высоте слитка, образованием значительной усадочной раковины, что приводит к большим потерям металла в виде обрези. Прокатка крупных слитков потребовала создания мощных обжимных станов (блюмингов, слябингов, заготовочных станов). Введение нового передела в технологическую цепочку привело к удорожанию производства, увеличению продолжительности производственного цикла и пр.

В связи с этим на смену этой схеме пришла новая современная схема металлургического производства: сталь выплавляют в мощных конвертерах или электросталеплавильных печах и разливают на машинах непрерывного литья в заготовки, блюмы и слябы, пригодные для получения готового проката с одного нагрева. Это позволило существенно повысить выход годного металла, снизить энергетические, материальные и трудовые затраты, улучшить качество проката и т.п.

На Украине первый завод с полным металлургическим циклом был построен в 1872 г. в Юзовке (ныне г. Донецк). Длительное время он был единственным. Это объяснялось трудностями, как освоения новой технологии, так и главным образом в обеспечении сырьем. В регионе было достаточно углей, но мало залежей руды. Преобладали труднообогатимые руды с малым содержанием железа. Доставка сырья и топлива осуществлялось гужевым транспортом.

Положение резко изменилось в 1884г. с постройкой Екатерининской железной дороги (ныне Приднепровской), которая связала криворожскую руду с донецкими углями. И после этого строительство металлургических заводов приняло буквально взрывной характер. До 1900г. за каких-нибудь 13-15 лет были построены большинство ныне действующих и много других заводов. Некоторые из них, не выдержав конкуренции, были закрыты (например, Дружковский, Алмазнянский, Кадиевский и др.)

Накануне первой мировой войны металлургия юга Российской империи (Украины) опережала уральские заводы и по объемам производства, и по технической оснащенности, и по производительности труда.

В советское время в Украине было построено по сути три завода: «Азовсталь», «Криворожсталь» и «Запорожсталь». Впоследствии из завода «Запорожсталь» выделился завод специальной металлургии «Днепроспецсталь».

Неоценимы достижения украинских металлургов. Первые советские блюминг и слябинг, первые непрерывные широкополосные станы горячей и холодной прокатки, самая крупная в мире мартеновская печь емкостью 900т, первые цехи гнутых профилей и периодической прокатки, первая доменная печь объемом 5000м³, первая промышленная установка непрерывного литья заготовок и многие другие получили первую прописку на украинских заводах.

Накануне распада СССР по выплавке стали на душу населения Украина занимала первое место среди крупнейших стран мира. К сожалению, в настоящее время металлургия переживает трудное время. Высок уровень износа основных фондов, сохранилась архаичная структура сталеплавильного производства – более половины стали выплавляют в мартеновских печах, недостаточен уровень непрерывной разливки стали и многое другое. На решение этих задач и направлены усилия украинских металлургов.

Продольная прокатка

Как отмечалось ранее, основным видом ОМД является прокатка. А из трех способов прокатки основным является способ продольной прокатки.

Упомянутые ранее характерные признаки продольной прокатки дополним следующими.

1. Получаемые продольной прокаткой изделия могут иметь постоянное и переменное сечение по длине.

2. Продольная прокатка может быть свободной и несвободной. При свободной прокатке на полосу действуют только два гладких прокатных валка. В противном случае имеет место несвободная прокатка (наличие подпора, натяжения, вертикальных валков и др.).

3. Различают симметричную и несимметричную продольную прокатку. При симметричной прокатке воздействие каждого валка на полосу идентично. В противном случае имеет место несимметричная прокатка (разные диаметры валков, обороты и т.п.).

В теории прокатки обычно рассматривают т.н. простой случай прокатки: это свободная симметричная продольная прокатка прямоугольной полосы постоянного сечения в цилиндрических валках равного диаметра, вращающихся с одинаковой частотой. На нем базируются все более сложные случаи прокатки с учетом дополнительных условий.

3.1. некоторые общие положения теории прокатки

В основе теории прокатки лежит общая теория Омд и теория пластичности, изучаемые в специальных курсах. Мы рассмотрим лишь некоторые общие положения.

Все материалы имеют кристаллическое строение.х Расстояние между атомами в кристаллах зависят от выбранного направления, а от этого зависят и их свойства: они разные в разных направлениях, т.е. кристаллы по своей природе анизотропны (рис.3.1).

Реальный металл состоит из множества кристаллов, произвольно ориентированных в пространстве. При таком беспорядочном, случайном расположении кристаллов (рис. 3.2) свойства металла (поликристалла) оказываются одинаковыми во всех направлениях и определяются средними значениями, хотя каждое зерно остается анизотропным. Внешне металл ведет себя как изотропное тело. Поэтому такие тела принято называть псевдоизотропными, или квазиизотропными.

Под воздействием внешних сил твердые тела могут изменять свою форму и размеры. Свойства металлов изменять свою форму и размеры без нарушения сплошности под воздействием приложенных внешних сил называется пластичностью, а само изменение формы и размеров твердого тела называется деформацией.

Возникающие при этом напряжения определяют как отношение силы, приложенной к телу, к площади его поперечного сечения: Н/мм², где Р – приложенная к телу сила, Н; F – площадь поперечного сечения, мм².

Различают деформации упругую и пластическую, остаточную. Деформация называется упругой, если после прекращения действия приложенной силы тело приобретает первоначальные размеры. В противном случае деформация называется пластической, остаточной.

Мерой пластичности металла называют величину относительной деформации (продольной и поперечной) в момент разрушения:

относительное удлинение , %

и относительное поперечное сужение , %,

где L_н и F_н - начальные длина и площадь поперечного сечения образца, соответственно, L_к и F_к - то же, конечные.

Прочностные свойства металла характеризуют твердость (Н) и прочность (s_в).

Упругая деформация всегда предшествует пластической. Это наглядно видно на диаграмме растяжения образца (рис.3.3). В начальной стадии растяжения на участке ОА имеет место упругая деформация: напряжение s возрастает прямо пропорционально увеличению относительной деформации d.

Зависимость между ними подчиняется закону Гука:

s =E×d, где Е – модуль упругости металла.

При дальнейшем растяжении упругая деформация переходит в пластическую. Причем для некоторых материалов такой переход происходит скачкообразно, металл как бы течет при постоянном напряжении (площадка текучести АВ).

Затем вследствие наклепа напряжение возрастает, достигая максимума в точке Д. После чего деформация локализуется в средней части образца и, наконец, в точке М происходит его разрыв на две части.

Если в точке А снять приложенную силу растяжения, то разгрузка образца произойдет по прямой АО, и он примет первоначальный размер (упругая деформация).

Если же снять приложенную нагрузку в точке В, то размеры образца будут изменяться не по кривой ВАО, а по прямой ВN и отрезок ON будет характеризовать величину относительной пластической деформации образца.

Напряжение, при котором деформация из упругой переходит в пластичную, называются пределом текучести (s_т), а максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца – временным сопротивлением (s_в). Они разные для разных материалов и для одного и того же материала в зависимости от температуры, скорости деформации и т.п.

Для большинства металлов переход от упругой к пластической деформации происходит постепенно и на кривой растяжения четко не фиксируется. Поэтому для таких металлов определяют так называемый условный предел текучести, как напряжение при некоторой малой величине пластической деформации, например 0,2%. В таком случае условный предел текучести обозначают s_0,2.

Простейший механизм пластической деформации монокристалла можно представить как скольжение (сдвиг) атомов относительно друг друга в кристаллической решетке. Причем скольжение атомов происходит не по случайным, а по вполне определенным плоскостям, которые так и называют – плоскостями скольжения. Это плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Для объемно-центрированной решетки (a - Fe, W, Cr, Mo, V и др.) – это диагональная плоскость куба (рис.3.4). У гранецентрированной кубической решетки (g - Fe, Ni, Pb, Cu, Ag, Au и др.) – это октаэдрическая плоскость, проходящая через диагональ грани и противоположную вершину куба и т.д.

В поликристаллических телах сдвиговые деформации начинаются в первую очередь в тех зернах, в которых плоскость скольжения расположена под углом 45^о к направлению приложенной силы, где действуют максимальные касательные напряжения. Под воздействием этих зерен происходит поворот соседних зерен, пока их плоскость скольжения тоже повернется под углом 45^о к направлению приложенной силы и начнется сдвиг и т.д. (рис.3.5). Пластическая деформация развивается лавинообразно путем образования новых и новых плоскостей скольжения.

В процессе пластической деформации зерна не только изменяют форму и размеры, но и взаимное пространственное расположение, вытягиваясь в направлении прокатки. Это приводит к образованию строчечной структуры, или так называемой текстуры (рис.3.6).

Образование текстуры характерно для прокатки в холодном состоянии и приводит к различию свойств металла в различных направлениях. Такое различие свойств называется анизотропией. Она выражена тем больше, чем больше степень пластической деформации. При этом увеличиваются твердость и прочность металла, снижается его относительное удлинение и поперечное сужение, т.е. увеличиваются прочностные и снижаются пластические свойства металла. Такое изменение свойств в процессе пластической деформации называется упрочнением (наклепом, нагартовкой) металла.

При нагреве холоднодеформированного металла до температур 500-600^оС прочностные свойства за счет снятия внутренних напряжений снижаются, а пластические – увеличиваются. Такое восстановление свойств металла при нагреве без структурных изменений называется возвратом, или отдыхом.

При нагреве металла до более высоких температур происходит так называемая рекристаллизация структуры: вытянутые зерна дробятся, округляются, объединяются в более крупные. Это приводит к резкому падению прочностных и росту пластических свойств металла. Рекристаллизация металла по своему действию обратная по отношению к холодной деформации.

При горячей деформации процессы наклепа и рекристаллизации протекают одновременно, т.к. горячая деформация осуществляется при температурах, выше температуры рекристаллизации металла.

Таким образом, границей между холодной и горячей деформацией является температура рекристаллизации металла. Если температура прокатки выше температуры рекристаллизации данного металла, имеет место горячая прокатка, в противном случае – холодная.

По этой причине прокатка, например, свинца при комнатной температуре считается горячей, т.к. при этой температуре происходит его рекристаллизация. Поэтому свинец очень часто используют в качестве модельного металла при изучении различных видов ОМД.

Некоторые законы пластической деформации.

1. Закон постоянства объема. Он гласит: в процессе пластической деформации изменяется форма и размеры тела, а объем остается постоянным. В символах закон записывают так – Н × В × L = h × b × l , где символы обозначают высоту, ширину и длину деформируемого тела до и после деформирования, соответственно.

Этот закон имеет некоторые исключения. При горячей деформации литого металла происходит его уплотнение в первых проходах за счет пористости. Так, плотность кипящей стали составляет 6,3 г/см³, спокойной – до 7,0 г/см³, а деформированной – 7,85 г/см³.

При холодной прокатке, наоборот, происходит некоторое разуплотнение металла, но оно составляет всего 0,1-0,2 % и им пренебрегают.

2. закон наименьшего сопротивления.

В соответствии с этим законом каждая частица свободно деформируемого тела перемещается по пути наименьшего сопротивления своему перемещению. Таким путем является кратчайший путь, проходящий через частицу к периметру сечения, т.е. по перпендикуляру к нему. Например, при осадке цилиндрического образца движение частиц будет происходить по радиусу, и в конечном итоге исходная форма круга сохраняется. При осадке образца с квадратным основанием (рис.3.7) частицы будут перемещаться по перпендикуляру к поверхности. Таким образом, его основание диагоналями будет поделено на поля истечения. В результате в конечном итоге квадратное основание превратится в круглое, т.е. тело стремится к уменьшению периметра при той же площади основания. Поэтому этот закон еще называют законом наименьшего периметра.

В обоих рассматриваемых случаях предполагаются идентичные условия контактного трения во всех направлениях

3.2. Основные понятия и определения продольной прокатки

Линейные размеры прокатываемых полос, мм (рис.3.8):

Н, В, L – соответственно высота, ширина и длина заготовки;

h, b, l – то же раската;

R и D – радиус и диаметр валков;

АА’ – точки начального соприкосновения металла с валками;

ВВ’ – точки конечного соприкосновения металла с валками;

АВ – дуга захвата;

a - угол захвата; град.;

b_c - средняя ширина полосы: ;

h_c – средняя высота полосы , или более точно ,

F – площадь контактной поверхности металла с валками, мм².

Плоскость входа металла в валки – вертикальная плоскость, проходящая через точки начального соприкосновения металла с валками.

Плоскость выхода металла из валков – вертикальная плоскость, проходящая через линию центров валков.

Область, ограниченная дугами захвата, плоскостями входа и выхода металла из валков, а также боковыми гранями полосы (заштрихована) называется геометрическим очагом деформации или зоной, поясом деформации.

l_d – длина очага деформации;

l_d/h_c – показатель формы очага деформации. Весьма важный фактор, определяющий многие параметры процесса прокатки.

Показатели деформации:

1. Абсолютные -

обжатие Dh = H – h, мм;

уширение Db = b – B, мм;

удлинение Dl = l – L, мм.

2. Относительные -

обжатие .

Аналогично определяют относительные уширение и удлинение, но они практически не употребляются.

Показатель уширения показывает, какая часть обжатого металла расходовалась на уширение.

При продольной прокатке обжимаемый металл смещается в длину и ширину, т.н. смещенный объем V_c. Он равен V_c = (H - h) × B × L. Относительный (удельный) смещенный объем будет , т.е. удельный смещенный объем численно равен относительному обжатию.

3. Коэффициенты -

обжатия ,

уширения ,

удлинения (вытяжки) .

По закону постоянства объема Н × В × L = h × b × l откуда или . Следовательно, при одном и том же обжатии уширение тем больше, чем меньше вытяжка, и наоборот.

Прокатку обычно осуществляют в несколько проходов. В связи с этим различают общий (суммарный) коэффициент вытяжки и частные. , откуда ,

где - общий коэффициент вытяжки за n проходов,

m₁, m₂, и тд. – частные коэффициенты вытяжки,

m_с – средний коэффициент вытяжки.

Кроме того , где F_н и F_к – начальная и конечна площади поперечного сечения полосы.

Зависимости между параметрами очага деформации.

1. Зависимость между длиной очага деформации, обжатием, радиусом валков и углом захвата. Из рис.3.8 следует АС² = ОА² – ОС², или .

Пренебрегая вторым членом из-за его малости по сравнению с первым, окончательно получим .

Из того же рисунка .

2. Зависимость между обжатием, углом захвата и диаметром (радиусом) валков. Из рис. 3.8 СВ = ОВ – ОС или , откуда - одна из основополагающих зависимостей теории продольной прокатки.

Поскольку или в радианах - , то упрощенное выражение для определения обжатия будет . Расчетные данные по полной и упрощенной формуле даже при больших углах захвата не превышает 1,5%.

Контактное трение

Процессы ОМД осуществляются благодаря трению, возникающему между инструментом и обрабатываемым металлом. Это так называемое контактное или внешнее трение. Оно является физической основой процессов ОМД и прокатки, в частности.

Если посмотреть на поверхности инструмента и обрабатываемого металла под увеличением, окажется, что внешне гладкие они на деле имеют довольно развитый рельеф со множеством микро- и макровыступов и неровностей. Природу трения можно объяснить механическим взаимодействием шероховатости инструмента и деформируемого тела. Кроме того, на участках контакта микровыступов происходит взаимодействие металла и инструмента на молекулярном уровне (адгезия, прилипание). Первоначально контактирование поверхностей металла и инструмента осуществляется на некоторых микроучастках, число которых возрастает при увеличении нагрузки и шероховатости.

Согласно закону Амонтона-Кулона сила трения равна произведению нормальной силы на коэффициент трения: T = f N.

В теории ОМД кроме понятия коэффициент трения при решении многих задач используют понятие угол трения. Чтобы уяснить физическую сущность угла трения, представим тело, свободно лежащее на наклонной поверхности ОА под углом b к горизонту (рис. 3.9). на тело действует сила тяжести Р. Касательная составляющая этой силы Р_х стремится сдвинуть тело по наклонной плоскости, чему препятствует сила трения Т_х, и пока Т_х > Р_х, тело будет находиться в состоянии покоя.

Начнем увеличивать наклон плоскости ОА. При этом сила Р_х будет возрастать, и как только она сравняется с Т_х – тело начнет скользить по наклонной поверхности. Угол наклона b в момент начала скольжения тела и будет углом трения. В момент начала скольжения Р_х = Т_х. Из рис. 3.9 отношение силы трения к нормальной силе равняется тангенсу угла трения, т.е. . Но отношение силы трения к нормальной силе по закону Амонтона-Кулона равно коэффициенту трения. Тогда , или при малых значениях угла трения , т.е. угол трения в радианах численно равен коэффициенту трения.

3.3 Условия захвата металла валками

В момент соприкосновения полосы с валками она находится под воздействием нормальной силы давления N и касательной силы трения Т (рис. 3.10). Горизонтальные проекции этих сил будут N_х и Т_х, направленные в разные стороны. Сила N_х стремится оттолкнуть полосу от валков, а сила Т_х, наоборот – втянуть полосу в валки. Пока N_х > Т_х захват полосы невозможен. Но как только установится условие N_х £ Т_х , произойдет так называемый естественный начальный захват металла валками.

Каково будет при этом соотношение угла захвата и коэффициента (угла) трения? Из рис. 3.10 следует: и .

Тогда условие начального захвата будет .

Разделив левую и правую части на , получим , или . А поскольку , то это же условие примет вид , или в радианах .

Т.е., при естественном захвате металла необходимо, чтобы коэффициент (угол) трения был равен или превышал угол захвата.

Таким образом, чем больше коэффициент (угол) трения, тем больше угол захвата, тем больше захватывающая способность валков, а, следовательно, и обжатие.