Технология обработки материалов

Технология обработки материалов

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия для студентов

по направлению подготовки

151000 Технологические машины и оборудование

Профиль

Металлургические машины и оборудование

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

Новокузнецк 2015 г.

УДК 621.7(075)

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор

Кузбасской педагогической академии

А.Н. Ростовцев

Кандидат технических наук,

директор по производству

ООО «Евраз Сервис-Сибирь»

Морозов П.В.

Кирносов А.М.

Технология обработки металлов давлением: учеб. пособие /

А.М. Кирносов. СибГИУ.- Новокузнецк, 2015. - 1с.

Приведен механизм пластической деформации, рассмотрены основы теории и технологии прокатки, описаны технологии прессования, волочения, ковки, холодной и горячей штамповки. В учебном пособии представлены схемы оборудования для вышеприведенных способов ОМД, применяемый инструмент, некоторые формулы, поясняющие принципы расчета энергосиловых параметров, рассмотрены вопросы литья, обработки резанием, сварки.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование»,

профиль «Металлургические машины оборудование». Квалификация (степень) выпускника - бакалавр

УДК 621.7(075)

@ Сибирский государственный

индустриальный университет, 2013

@ Кирносов А.М., 2015

Оглавление

Предисловие……………………………………………………………....6

1 Пластическая деформация при обработке металлов давлением …...9

1.1 Механизм пластической деформации………………………………… ..9

1.2 Схемы напряженного и деформированного состояний…………….15

1.3 Энергетическое условие пластичности..………………………………19

1.4 Величины, характеризующие пластическую деформацию………21

1.5 Наклеп и рекристаллизация………………………………………...23

2 Основы теории и технологии прокатки…………………………… 26

2.1 Скорость деформации……………………………………………………..26

2.2 Внешнее трение……………………………………………………………..28

2.3 Захват металла валками……………………………………………………31

2.4 Кинематика процесса прокатки………………………………………….35

2.5Поперечнаядеформация……………………………………........................36

2.6 Прокатные изделия………………………………………………….37

2.7 Технологическая схема производства……………………………..38

2.8 Исходный материал и его подготовка…………………………….41

2.9Температурные условия горячей прокатки……………………………42

2.10 Охлаждение металла……………………………………………………..43

2.11 Калибровка прокатных валков……………………………………44

2.12 Оборудование для прокатки……………………………………...47

3 Прессование металла…….……………………………………………51

3.1 Оборудование и инструмент для прессования………………………55

3.2 Определение усилия прессования………………………………………61

4 Волочение металлов……….………………………………………….65

4.1Волочильный инструмент……………………………...………………….67

4.2 Технология волочения…………………………………………………….70

4.3 Машины и оборудование для волочения………………………………72

4.4 Расчет усилий и потребной мощности при волочении…………….76

5 Ковка……………………………………………………….…………..78

5.1 Операции ковки……………………………………………………………..78

5.2 Оборудование для ковки…………………………………………..…......85

6 Горячая объемная штамповка………….…………………………….87

6.1 Формообразование при горячей объемной штамповке…………….88

6.2 Технологический процесс горячей объемной штамповки……...….91

7 Холодная штамповка………...…………….………………………….93

7.1 Объемная холодная штамповка……………………………………….....93

7.2 Листовая штамповка …………………………………………….....96

7.2.1 Операции листовой штамповки………………… ………………98

7.2.2 Формообразующие операции листовой штамповкюю………..…100

8 Штамповка жидкого металла…… …………………………………102

9 Формообразование заготовок из порошковых материалов…….....103

Библиографический список

Предисловие

Для получения заготовок и деталей в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка металла давлением, обработка резанием, сварка, лучевые, плазменные и электрохимические методы.

Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок.

Метод – это группа технологических процессов, в основе которых лежит единый принцип формообразования.

Литье – получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.

Обработка давлением – технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла.

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

При выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия (литье – чугун, стали с обозначением Л).

Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а также по уровню механических свойств, всегда следует изготавливать из заготовок, полученной обработкой давлением.

Выбор способа получения заготовки сложная задача.

Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким.

Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки:

Характер производства.

Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование в качестве заготовок горячекатаного проката, отливок, полученных в песчано-глинистых формах, поковок, полученных ковкой.

Это обуславливает большие припуски, значительный объем последующей механической обработки, повышение трудоемкости.

В условиях крупносерийного и массового производств рентабельны способы получения заготовок: горячая объемная штамповка; литье в кокиль, под давлением, в оболочковые формы по выплавляемым моделям.

Применение этих способов позволяет значительно сократить припуски, снизить трудоемкость изготовления детали.

Повышение точности формообразующих процессов, выбор наиболее точных и прогрессивных способов получения заготовок на базе увеличения серийности производства является одним из важнейших резервов повышения технического уровня производства.

Материалы и требования, предъявляемые к качеству детали

Материалы должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью.

Для деформируемых материалов необходимым технологическим свойством является технологическая пластичность. Особо жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, из которых детали получают холодной обработкой давлением – выдавливанием, вытяжкой, гибкой, формовкой.

Если металл обладает низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке, то не рекомендуется применять литье в кокиль, под давлением, так как из-за низкой податливости металлической формы могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки, трещины. Целесообразно применять оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы.

Для ответственных, тяжело нагруженных деталей (валы, шестерни, зубатые колеса), для которых предъявляются определенные требования к качеству металла и к физико-механическим свойствам – целесообразно использовать поковки, так как в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, значительно повышающая физико-механические свойства материала.

Размеры, масса и конфигурация детали.

Удельная стоимость отливок и поковок растет с уменьшением их массы. Закономерность общая для всех способов получения заготовок и деталей, так как трудоемкость формообразования определяют общей площадью поверхностей, подлежащих обработке.

Размеры детали часто играют решающую роль. При литье по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением размеры отливки ограничены технологическими возможностями оборудования и инструмента.

Способом горячей объемной штамповки возможно получение поковок до 1000 кг.

Качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности.

Использование точных способов обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок.

Совершенствование ковки и штамповки обеспечивают параметры шероховатости и точность размеров, соответствующих механической обработке и даже финишных операций.

Калибровка, холодное выдавливание обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты).

Возможности имеющегося оборудования.

Учитывают при изготовлении заготовок способами центробежного литья, литья под давлением, горячей объемной штамповкой. Иногда это является определяющим моментом.

Например, наличие в кузнечном цехе ротационно-ковочных машин позволяет получить ступенчатые заготовки практически без механической обработки. То же – при наличии механических прессов двойного действия или гидравлических многоступенчатых прессов.

Мощность кузнечно-штамповочного оборудования определяет номенклатуру изготовления деталей.

Металлургическое производство подразделяется на 2 основные стадии. В первой получают металл заданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлу в пластическом состоянии придают ту или иную форму при практически неизменном химическом составе обрабатываемого материала.

Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используют в технике. При этом изменение формы осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Получение изделий, таким образом, называют обработкой металлов давлением (ОМД). Давящий на металл инструмент придает слитку или заготовке необходимую форму и размеры, так же происходит придание металлу необходимых механических свойств.

Существуют следующие основные виды ОМД:

- прокатка;

- волочение;

-прессование;

- ковка;

- штамповка.

Прокатка металлов является таким видом пластической деформации, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы . Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная, поперечно-винтовая.

При продольной прокатке (Рисунок 1а) деформирование заготовки (2) осуществляется между двумя вращающимися в разные стороны валками (1 и 3). Продвижение заготовки в зеве валков и ее обжатие осуществляется за счет сил трения.

При поперечной прокатке (Рисунок 1б) видно, что оси прокатных валков 1 и 3 и обрабатываемой заготовки 2 параллельны. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка, круглого сечения, противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается от смещения в валках с помощью специальных приспособлений, называемых проводками. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается соответствующей профилировкой (калибровкой) валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни).

Рисунок 1 - Схемы: а – продольной прокатки; б –поперечной прокатки; в – схема поперечно – винтовой прокатки.

Поперечно–винтовая прокатка выполняется во вращающихся в одном направлении валках, расположенных под углом друг к другу (Рисунок 1в). Эти станы используют при производстве труб, для прошивки (изготовления отверстия) слитка или заготовки в гильзу.

В момент соприкосновения круглой заготовки с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой заготовки, ей передается вращательно-поступательное (винтовое) движение. Возникают силы, как вдоль ее оси, так и направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил приводит к вращению заготовки, относительно ее оси, втягиванию в суживающуюся щель, происходит деформация, то есть происходит обжатие заготовки валками и ее удлинение вдоль оси бочки.

Волочение металла (Рисунок 2) – это протягивание изделия (1) круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного инструмента, называемого волокой (2). Площадь отверстия выходного сечения волоки меньше площади сечения исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки, панели.

Рисунок 2 - Схема процесса волочения

Прессование металла (Рисунок 3) – это процесс вытеснения металла помещенного в контейнер (1), через отверстие матрицы (2). При этом выходящий конец (3) заготовки получает сечение, соответствующее контуру отверстия матрицы.

Рисунок 3 - Схема процесса прессования

Прессованием получают прутки, трубы, сортовые профили, панели. Наибольшее применение этот способ ОМД нашел при обработке цветных металлов.

Ковка (Рисунок 4) – это деформирование заготовки (2) с помощью универсального подкладного инструмента или бойков (1 и 3).

Рисунок 4 - Схема свободной ковки

Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют врезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно - поступательное движение. В результате многократного воздействия инструмента на заготовку и ее перемещения получают необходимую форму и размеры.

Объемная горячая или холодная штамповка – это придание заготовке заданной формы и размеров путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема объемной штамповки

Листовая штамповка является таким видом ОМД, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других изделий (Рисунок 6) в качестве исходного материала используют лист и ленту. При этом обработка изделия выполняется без значительного уменьшения толщины листа.

Рисунок 6 - Схема листовой штамповки

Среди приведенных выше способов ОМД прокатка занимает главенствующую роль. Примерно 80% всего выплавляемого металла проходят через прокатные станы. Полученные заготовки, лист и сортовой металл используют в строительстве, машиностроении и для других видах обработки.

Для ковки исходным материалом является заготовка, прокат круглого или прямоугольного сечения, при штамповке – лист или лента, для волочения – катанка, получаемая на проволочных станах.

Производство изделий из металлов и сплавов основывается на теории обработки металлов давлением, являющейся базой разработки технологических операций получения изделий, проектирования, эксплуатации оборудования.

Наклеп и рекристаллизация

При пластической обработке металлов исходные размеры деформируемого тела принимают новую форму и размеры. При этом возрастает количество дефектов в кристаллах, меняется их форма, размеры, пространственная ориентировка.

Совокупность изменения свойств металла в процессе пластической обработки называется наклепом или упрочнением.

Различные металлы упрочняются по разному. Поликристаллы[1] упрочняются более интенсивно, чем монокристаллы[2]; металлы с мелкозернистой структурой упрочняется более интенсивно, чем крупнозернистые.

В процессе ОМД наклеп учитывается первое как фактор технологический, определяющий возможность получения изделий данным способом; второе как метод придания изделию необходимых свойств, особенно в сочетании с термообработкой.

В условиях холодной обработки, которая выполняется температуры ниже металла, подвижность атомов небольшая, поэтому исключается снятие внутренних напряжений, наблюдается рост твердости металла, предела текучести и прочности, а также уменьшение пластичности.

Наклеп, при холодной обработке металлов, вызывает понижение пластических свойств, всегда появляется опасность появления трещин, расслоений и других дефектов, такое явление проявляется и в некоторых случаях горячей обработки металлов давлением.

При этом холодной обработкой металлов давлением можно в раза увеличить предел прочности и текучести металла.

В процессе пластического деформирования металла искажается кристаллическая решетка, что вызывает появление термодинамической неустойчивости[3] структуры металла. В связи с этим холоднодеформируемый металл после некоторого «вылеживания» частично восстанавливает свои свойства: твердость и прочность уменьшаются, улучшается пластичность. Нагревая металл до температуры , повышаем подвижность атомов, обеспечивая активное развитие восстановительных процессов. Заметного изменения размеров зерен или видимой микроструктуры не наблюдается, устраняются локальные искажения кристаллической решетки. Совокупность указанных изменений в холоднодеформированном металле называется возвратом первого рода или отдыхом. Если внутри деформированных кристаллов формируются субзерна[4], то этот процесс называется возвратом второго рода или полигонизацией[5]. При этом субзерна в пределах кристаллографической ориентировки исходных деформированных зерен могут вырасти до весьма больших размеров.

Повышение температуры металла увеличивает амплитуду тепловых колебаний его атомов, а это меняет как поведение самих атомов, так и взаимодействие их друг с другом. Начиная с некоторой температуры, которая зависит от чистоты металла, степенью наклепа и продолжительности процесса (для каждого металла имеется своя температура[6]), ниже которой рекристаллизация не происходит, создаются условия для роста зерна - объединение зерен в более крупные, обладающие меньшей свободной энергией. С этого момента нагрев холоднодеформированного металла обеспечивает значительные изменение микроструктуры, а сам процесс называется рекристаллизацией[7].

Горячая обработка металлов давление происходит при температуре выше , важной особенностью которой является отсутствие в определенных условиях деформационного упрочнения.

При горячей обработке одновременно с деформационным упрочением происходит разупрочнение за счет гомогенизации и рекристаллизации. Горячая ОМД превосходит по объему производства холодную ОМД, находя более широкое применение, чем холодная, несмотря на высокую стоимость и дополнительные технологические трудности, связанных с нагревом. Применение горячей ОМД связано с повышением пластичности и снижением усилий на деформацию. Горячая ОМД применяется, когда требуются значительные абсолютные обжатия изделий больших размеров.

Холодная ОМД используется на заключительных стадиях изготовления изделий, когда необходимо получить точные размеры, высокое качество поверхности и требуемые механические свойства.

Вопросы для самоконтроля:

1. Перечислите основные виды обработки металлов давлением.

2. Что такое предел текучести и предел прочности металла?

3. Что такое обжатие?

4. Что такое вытяжка?

5. Как определяется суммарная вытяжка нескольких операций ОМД?

6. Сформулировать закон постоянства объема.

7. Виды напряженного состояния деформируемого тела?

8. Чему равны касательные и нормальные напряжения при пластической деформации при том или ином виде напряженного состояния?

9. Сформулировать энергетическое условие пластичности.

10.Что такое наклеп металла?

11. Что такое рекристаллизация?

Скорость деформации

Скорость деформации в ОМД определяется относительным изменением размеров тела в единицу времени.

При осадке параллелепипеда (Рисунок 13) скорость деформации определится:

, (21)

где − текущее уменьшение высоты;

− высота параллелепипеда;

− относительная деформация.

Рисунок 13- Схема к расчету скорости деформации.

Выражение является, ни что иное как, линейная скорость деформации, то есть скорость продвижения инструмента в направлении деформации:

. (22)

Подставляя полученное выражение в формулу определения скорости деформации, получим:

. (23)

При прокатке (Рисунок 14) средняя степень деформации:

Рисунок 14 - Схема к определению скорости деформации.

Время прокатки равно длине очага деформации поделенной на окружную скорость валков: , тогда

. (24)

На основании многочисленных исследований можно считать, что при горячей обработке влияние скорости деформации на пластичность металлов определяется совокупным действием двух факторов. С одной стороны, с ростом скорости деформации пластичность понижается, поскольку увеличивается интенсивность упрочнения. С другой стороны, при увеличении скорости деформации возрастает нагрев. Значительная часть энергии деформации превращается в теплоту, что повышает температуру обрабатываемого тела. Это стимулирует разупрочнение и, следовательно, увеличение пластичности.

В условиях холодной обработки малые скорости деформации слабо проявляют свое влияние на пластичность металлов. Высокие скорости способствуют нагреву деформируемого тела, что приводит к разупрочнению и увеличению пластичности, что можно учитывать скоростным коэффициентом .

Внешнее трение

Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства.

Первым, кто описал закон трения, был Леонардо Да Винчи, годы жизни 1452-1519, утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке, силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш.О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов:

, (25)

где − сила трения;

− нормальное усилие, сила прижатия;

− коэффициент трения.

Значения коэффициента трения для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

В ОМД смещенный объем стремится переместиться по поверхности инструмента. При этом возникают силы трения, препятствующие этому движению. Такое трение называется контактным или внешним.

Контактное трение, в ОМД, выполняет две функции:

- полезная – без контактного трения невозможна прокатка;

- вредная – препятствие свободному заполнению металлом рабочего пространства инструмента.

Переходя к элементарной площадке контакта закон Амонтона можно записать:

, (26)

где − удельная сила трения;

− нормальное удельное давление.

Если тело находится в условиях пластической обработки, то удельное усилие в тонких слоях деформируемого тела и на поверхности инструмента ограничено пределом текучести при сдвиге отсюда .

Отсюда видно, что максимальное удельное усилие трения определяется не состоянием контактируемых поверхностей, а механическими свойствами обрабатываемого металла. Скольжение с предельным трением происходит как на поверхности касания, так и в поверхностном деформируемом слое, толщина которого определяется состоянием контактирующих поверхностей.

Кроме коэффициента трения в ОМД применяют понятие угол трения . При движении контактируемых тел, Рисунок 15, суммарная реакция нормального усиления и силы трения смещается на угол от вертикали (нормали).

Рисунок 15- Схема определенного угла трения.

Тогда и при малых углах

Природу трения можно объяснить как результат взаимного зацепления неровностей инструмента и деформируемого тела. При контактировании эти неровности сминаются, истираются, образуются новые поверхности. Эти поверхности сближаются, образуются условия молекулярного взаимодействия соприкасающихся металлов.

Параметрами, определяющими коэффициент трения являются: состояние поверхностей контактируемых тел, их количественный состав, температура и скорость деформации, удельные усилия, смазка.

При увеличении шероховатостей инструмента коэффициент трения увеличивается. Шероховатость при ОМД не остается постоянной, поэтому изменяется и коэффициент трения.

Состояние поверхности деформируемого тела, определяется видом предварительной обработки (горячая или холодная деформация, наличие окалины, травление) существенно влияет на коэффициент трения. При тщательной очистке поверхности коэффициент трения падает и в условиях больших давлений возможно даже сваривание поверхностей.

Химическое сродство деформируемого тела и металла инструмента определяет величину коэффициента трения. При этом, чем мягче металл, тем выше коэффициент трения. Смазка контактных поверхностей уменьшает коэффициент трения и влечет за собой заметное падение энергосиловых параметров ОМД, снижает износ инструментов. Смазка заполняет шероховатости поверхностей, образует адсорбционную пленку, снижает прилипание.

По мере роста температуры металла коэффициент трения увеличивается. Это связано с облегчением заполнения шероховатостей рабочего инструмента деформируемым металлом. Однако для сталей при температуре выше происходит снижение коэффициента трения.

Рисунок 16 - Зависимость коэффициента трения от .

Это объясняется увеличением податливости металла в приконтактной зоне, облегчением смятия и отрыва металла от выступов.

Скорость относительного смещения инструмента и деформируемого тела оказывает существенное влияние на коэффициент трения. Чем выше скорость, тем меньше коэффициент трения.

Захват металла валками

Непрерывное втягивание металла валками, его деформация обеспечивается наличием контактного трения между полосой и валками. Геометрическую область деформирования при прокатке (Рисунок 17) принято называть очагом деформации. Дугу называют дугой захвата, а отвечающий ей угол − углом захвата.

Тело, деформируемое прокаткой, независимо от размеров его поперечного сечения и формы называется полосой.

Рисунок 17 - Схема прокатки в цилиндрических валках.

Весь процесс прокатки полосы, с момента захвата и до момента выхода полосы из валков, из-за различных условий деформирования делится на 3 периода:

1. Захват полосы валками – заполнение очага деформации до момента образования некоторого переднего конца за пределами линии центров валков.

2. Установившейся период – характеризующийся постоянством условий деформации при наличии заднего конца.

3. Заключительный – период ухода металла из очага деформации.

В дальнейшем считаем, что оба валка цилиндрические, одного диаметра, вращаются с одной скоростью, имеют одинаковые условия трения, упругая деформация их не учитывается.

Увеличение обжатия зависит от увеличения угла захвата. Из рисунка 12 видно, что:

. (27)

Тогда , если ,то D.

Кроме угла захвата на увеличение обжатия оказывает влияние диаметр валков: чем больше диаметр - тем больше обжатие при равных условиях трения.

Практикой установлено максимальные углы захвата и коэффициенты трения при прокатке различных металлов (таблица 1):

При прокатке стали можно пользоваться формулами по определению коэффициента трения:

− для стальных валков,

− для чугунных,

где t – температура проката.

Таблица 1 - Коэффициенты трения и углы захвата

	Коэффициент трения	угол захвата
Горячая прокатка
блюмов	0.45 ¸ 0.62	24 ¸ 32
стальных профилей	0.36 ¸ 0.47	20 ¸ 25
стальных листов	0.27 ¸ 0.36	15 ¸ 20
Холодная прокатка
со смазкой	0.04 ¸ 0.09	3 ¸ 5
без смазки	0.09 ¸ 0.18	5 ¸ 10

При соприкосновении полосы с вращающимися валками полоса оказывает радиальное давление на валки. В результате образуется сила трения T, которая стремится подать полосу в область деформирования, Рисунок 18. Чтобы определить захватывающую способность валков, необходимо сопоставить действие сил Tи R. Захват полосы возможен, если проекция силы на направление движения больше, чем проекция силы R:

.

Разделим левую и правую часть неравенства на ,

Тогда .

Из условия Амонтона , тогда

Так как ,

где − угол трения.

Это означает, что для захвата металла валками необходимо, чтобы угол захвата был меньшем, чем угол трения, то есть .

Равенство углов и отвечает крайним условиям. При захват металла невозможен.

Рисунок 18 - Схема силового взаимодействия полосы и валков в первый период.

По мере заполнения очага деформации, появления переднего конца полосы и перехода к установившемуся процессу, положение равнодействующей смещается ближе к плоскости выхода (Рисунок 19). Если принять, что контактные напряжения по дуге захвата равномерные, то реакция полного усиления металла на валки будет делить область деформирования пополам:

. (28)

Так же, как и в момент захвата, прокатка может выполняться, если:

, , то

, (29)

Рисунок 19 - Схема силового взаимодействия полосы и валков в установившийся период

По данным ряда исследований установлено, что коэффициент контактного трения при установившемся процессе на меньше, чем при захвате:

. (30)

Однако, сравнивая предельные условия при установившемся процессе и в момент захвата, можно отметить, что установившейся процесс имеет большие резервы по трению:

, (31)

где .

Поэтому определяющим для прокатки, по условиям трения, является условия захвата, т.е. .

Для повышения обжатий с целью использования резервных сил трения, присущих установившемуся процессу прокатки, можно использовать принудительную задачу заготовки в валки (прикладывая какую - то силу к заднему концу полосы) или использовать специальную технологию поджатия заготовки прокатным валком.

Поперечная деформация

При прокатке смещенный объем по высоте деформируемого тела увеличивает преимущественно длину полосы. Наряду с этим имеет место и увеличение ее ширины. Это явление называется уширением:

. (35)

Более полно поперечную деформацию характеризует относительное уширение: .

Установлено, что на величину и характер развития уширения при прокатке влияет множество факторов: обжатие , распределение обжатий по проходам, относительное обжатие , форма очага деформации, т.е. отношение между длиной очага деформации и средней высотой полосы, диаметр валков, коэффициент трения, переднее и заднее натяжение и др.

По данным ряда исследований, вполне удовлетворительные результаты дает формула В. П. Бахтинова для расчета уширения при