Wykład: OBRÓBKA PLASTYCZNA

Dr inż. Ryszard GRZYB

LITERATURA

1. Kajzer St., Kozik R., Wusatowski R.: Wybrane zagadnienia z procesów obróbki plastycznej metali. Wydawnictwo Pol. Śl., Gliwice, 1997.

2. Gorecki W.: Wytwarzanie i przetwórstwo blach. Wydawnictwo Pol. Śl., Gliwice, 2001.

3. Kajzer St., Kozik R., Wusatowski R.: Walcowanie wyrobów długich. Technologie walcownicze. Wydawnictwo Pol. Śl., Gliwice, 2004.

4. Erbel St., Kuczuński K., Marciniak Z.: Techniki wytwarzania. Obróbka plastyczna. PWN, Warszawa 1981.

5. Cywiński M. i in.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki plastycznej metali. Skrypty Uczelniane. Wydanie II i III nr 1666 i 1968. Pol. Śl.

Obróbka plastyczna metali zajmuje czołowe miejsce w produkcji wyrobów metalowych w tym wyrobów hutniczych, elementów maszyn i wyrobów powszechnego użycia. Jest nowoczesną techniką wytwarzania, która w coraz większym stopniu znajduje zastosowanie w różnych przemysłach gospodarki m.in. w przemyśle samochodowym, lotniczym, elektrycznym, elektronicznym, maszynowym i metalowym.

Obróbka plastyczna, w stosunku do innych metod obróbki metali, ma następujące zalety:

• możliwość nadawania wyrobom szerokiego zakresu kształtów, często nieosiągalnych innymi metodami,

• wytwarzanie wyrobów o określonych własnościach mechanicznych i technologicznych np. umocnienie materiału, układ włókien w wyrobach, korzystna struktura itp.,

• wyprodukowane wyroby posiadają odpowiednio wysoką dokładność i określoną, wysokiej jakości powierzchnię, zwłaszcza przy kształtowaniu na zimno,

• oszczędność materiału przy małej ilości odpadów wynikająca z możliwości racjonalnego kształtowania wyrobów ( nie dotyczy metod stosowanych w produkcji jednostkowej),

• niski koszt wytwarzania wyrobów ze względu na dużą wydajność procesów (w produkcji seryjnej i masowej),

• stosunkowa łatwość mechanizacji i automatyzacji procesów.

PODSTAWOWE OKREŚLENIA, PRAWA I ZASADY OBOWIĄZUJĄCE W OBRÓBCE PLASTYCZNEJ METALI

OBRÓBKA PLASTYCZNA jest to nauka o technologii a zarazem technika wytwarzania, w której ukształtowanie lub podzielenie materiału metalowego, zmianę jego struktury, własności fizykochemicznych, gładkości powierzchni osiąga się przez odkształcenie plastyczne, wywołane działaniem sił zewnętrznych. Ze względu na temperaturę odkształcania i zjawiska zachodzące w strukturze materiału rozróżnia się obróbkę plastyczną: na „gorąco” w zakresie (0,6 ÷0,9) T_t ,

na „półgorąco” w zakresie (0,4 ÷0,6) T_t , na „zimno” w zakresie (< 0,4) T_t .

PLASTYCZNOŚĆ jest to podatność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonego zewnętrznego obciążenia, najczęściej naciskiem narzędzi. Plastyczność metali jest wynikiem budowy krystalicznej metali, a odkształcenie plastyczne jest możliwe dzięki przemieszczaniu się dyslokacji w płaszczyznach poślizgu lub za pomocą bliźniakowania.

Rys. Schemat odkształcania kryształów

a- kryształ nie odkształcony, b - odkształcenie przez poślizg, c - odkształcenie przez bliźniakowanie

Podatność do odkształcenia zależy od: materiału i jego składu chemicznego, temperatury oraz od stanu naprężenia (doświadczenie Karmana). Plastyczność różnych materiałów wpływa na wartość odkształcenia w jednym zabiegu (przejściu) oraz na liczbę zabiegów koniecznych do ukształtowania wyrobu.

ODKSZTAŁCENIE jest to zmiana kształtu i wymiarów materiału lub elementu pod działaniem sił zewnętrznych i sił masowych. Rozróżnia się :

• odkształcenie sprężyste, czyli odkształcenie ustępujące po usunięciu obciążenia,

• odkształcenie plastyczne, czyli odkształcenie trwałe, pozostające po usunięciu obciążenia.

Odkształcenie plastyczne w procesach przeróbki plastycznej jest najczęściej niejednorodne i nieproporcjonalne i różne w różnych miejscach ukształtowanego wyrobu, a odkształcenie końcowe jest sumą kolejnych proporcjonalnych stanów odkształcenia.

Do określenia zmian wymiarów odkształcanego materiału stosowane są wskaźniki odkształcenia (tabl.1), które wiążą ze sobą odpowiednie wymiary przed i po odkształceniu.

Wskaźniki odkształcenia plastycznego (przykładowo dla walcowania blach) Tablica 1

Wskaźnik odkształcenia	WYDŁUŻENIE	POSZERZENIE	GNIOT
odkształcenie względne
współczynnik odkształcenia
odkształcenie logarytmiczne (rzeczywiste)

Zasada stałej objętości mówi, że odkształcany materiał posiada taką sama objętość przed i po odkształceniu. Z zasady stałej objętości wynikają następujące zależności:

i

Miarą wartości odkształcenia plastycznego w złożonych stanach odkształcenia jest odkształcenie zredukowane (intensywność odkształcenia) φ_H:

gdzie: φ_1-3 - składowe stanu odkształcenia.

Wskaźniki odkształcenia i zależności między nimi pozwalają wyznaczyć wymiary kształtowanego materiału w kolejnych zabiegach oraz ustalić wymiary materiału wsadowego.

NAPRĘŻENIE UPLASTYCZNIAJĄCE σ_p - jest to własność materiału (taka jak R_e, R_m ) wyznaczana w próbach plastometrycznych, a będąca chwilową granicą plastyczności w określonych warunkach odkształcania. σ_p jest funkcją zależną od: φ_H - odkształcenia, T - temperatury i szybkości odkształcenia. Na zimno materiał się umacnia, co można przedstawić w postaci krzywej umocnienia, opisując przebieg za pomocą np. funkcji
(wzór Ludwika), gdzie: C, n - stałe materiałowe wyznaczane doświadczalnie.

Na gorąco wartość naprężenia uplastyczniającego zmniejsza się (dla stali nawet 10-ciokrotnie w temp. 1250 ^oC w stosunku do R_m ) a rośnie z szybkością odkształcenia. Znajomość naprężenia uplastyczniającego w postaci funkcji lub tabel pozwala na wyznaczenie siły, pracy i mocy występującej w procesach przeróbki plastycznej metali.

Umocnienie jest skutkiem obróbki plastycznej na zimno, powodując zmianę struktury (wydłużenie ziarn) połączone ze zmianami własności fizycznych metalu. Następuje wzrost, naprężenia uplastyczniającego, granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardości oraz zmniejszenie zapasu plastyczności powodując spadek wydłużenia, przewężenia i udarności.

WARUNEK PLASTYCZNOŚCI - jest to związek pomiędzy stanem naprężenia występującym w kształtowanym materiale a przejściem tego materiału w stan plastyczny czyli wywołaniem odkształcania plastycznego. Stosuje się często warunek HMH:

^.

Często podaje się warunek plastyczności w postaci uproszczonej:
,

gdzie: σ₁, σ₂, σ₃ - stan naprężenia w osiach głównych, σ₁> σ₂>σ₃,

η = 1÷1,15 -współczynnik zależny od wartości σ₂.

Warunek ten bywa modyfikowany i jest stosowany w obliczeniach teoretycznych np. MES.

PRAWO PŁYNIĘCIA wiąże stan odkształcenia ze stanem naprężenia w zakresie plastycznym w postaci zależności:

,

gdzie : σ_m - naprężenie średnie,

ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - stan odkształcenia w osiach głównych,

i wyraża się tym, że materiał płynie intensywniej w kierunku mniejszych oporów, które przy kształtowaniu mogą pochodzić od tarcia i reakcji bocznych ścianek wykroju narzędzi.

TARCIE w procesach obróbki plastycznej odgrywa istotną rolę przez wytwarzanie dodatkowych oporów płynięcia, zwiększając siłę, pracę i moc w procesach. Wpływa na płynięcie materiału, gładkość powierzchni kształtowanego wyrobu i intensywność zużycia narzędzi. Tarcie w pewnych procesach jest korzystne (walcowanie zwłaszcza na gorąco), a w innych jest nie korzystne (ciągnienie, wyciskanie). Zatem w różnych procesach obróbki należy dążyć do optymalnego tarcia, przede wszystkim przez zastosowanie odpowiednich smarów.

SIŁĘ ODKSZTAŁCANIA (siłę technologiczną) w większości procesów przeróbki plastycznej można wyznaczyć z zależności:

,

,

gdzie: p_śr - średni nacisk jednostkowy na powierzchni styku materiału i narzędzi,

F_d - rzut powierzchni styku materiału z narzędziem,

q > 1 - współczynnik uwzględniający opory tarcia przy odkształceniu,

σ_p - naprężenie uplastyczniające.

Praca odkształcenia plastycznego
( V- odkształcana objętość) wynikająca z siły odkształcenia, zamieniana jest w ok. 90% na ciepło. Wydzielane ciepło, w skutek odkształcenia plastycznego i tarcia oraz wymiana ciepła z otoczeniem (narzędzia, chłodziwo, powietrze), powoduje wzrost lub spadek temperatury i ma wpływ na przebieg kształtowania materiału poprzez zmiany σ_p i przemiany strukturalne.

WYROBY HUTNICZE

Obecnie dominuje ustalony od kilku lat proces technologiczny wytwarzania półwyrobów hutniczych składający się z etapów pokazanych na rys.1 i 2.

Proces „a” stosowany jest w produkcji małotonażowej stali stopowych, specjalnych i narzędziowych. Proces „b” stosowany jest masowej produkcji stali konstrukcyjnych i stopowych.

KLASYCZNA METODA ODLEWANIA STALI (ODLEWANIE DO WLEWNIC)

Klasyczna metoda odlewania stali (a) polega na:

- wytapianiu stali w piecu,

- wlaniu wytopionej stali do kadzi odlewniczej,

- wlaniu stali z kadzi odlewniczej do wlewnicy.

Stal krzepnąc we wlewnicy przyjmuje jej kształt po zakrzepnięciu wykazuje jamę usadową. Gotowy wlewek otrzymuje się podnosząc wlewnicę (stryperowanie wlewków).

Wady tej metody to:

- zróżnicowana struktura na szerokości i wysokości wlewka,

- mały uzysk metalu z powodu konieczności obcięcia jamy usadowej (strata metalu

od 10 do 15%, uzysk 85 do 90%)

Zalety tej metody odlewania to:

- możliwość odlewania małych ilości stali - od jednego wytopu wzwyż

NOWOCZESNA METODA ODLEWANIA STALI (CIĄGŁE ODLEWANIE)

Nowoczesna metoda odlewania stali - ciągłe odlewanie - (rys. 4b) polega na:

- wytapianiu stali w piecu konwertorowym,

- wlaniu roztopionej stali do pieca kadziowego i określeniu skł. chem.

- zasilaniu, w sposób ciągły, kadzi pośredniej linii ciągłego odlewania w płynną stal.

Stal przechodząc przez krystalizator i strefę chłodzenia krzepnie. Rolki ciągnące urządzenia podają pasmo metalu do nożycy, która obcina kęsiska kwadratowe lub płaskie na wymaganą długość.

Zaletą tej metody odlewania jest: możliwość uzyskania metalu o:

- możliwość uzyskania metalu o określonych, powtarzalnych własnościach na długości

i szerokości odlewanego pasma,

- możliwość uzyskania metalu o stałych, powtarzalnych wymiarach,

- wzrost uzysku metalu o 10 do 15% ( przy produkcji 1mln Mg/rok oznacza to

dodatkowo 100 do 150 tys. Mg stali),

- unika się walcowania wlewków w walcarkach zgniatacz.

Wady tej metody odlewania to:

- przydatność tylko do produkcji masowej.

Rys.1. Etapy wytwarzania stalowych półwyrobów hutniczych

Rys.2. Główne etapy konwencjonalnego procesu wytwarzania wyrobów hutniczych, z których każdy stanowi wyodrębniony zespół połączonych operacji technologicznych.

Produkcję wyrobów metalowych na drodze przeróbki plastycznej metali można podzielić na dwa zasadnicze etapy: masowe wytwarzanie wyrobów hutniczych, które mogą być wykorzystywane jako różnego rodzaju elementy konstrukcyjne ( pręty, kształtowniki, blachy ) lub jako materiał wyjściowy do dalszego przetwarzania na elementy maszyn i wyroby powszechnego użycia.

Technologię obróbki plastycznej stosowaną do wytwarzania wyrobów hutniczych, elementów maszyn i wyrobów użytkowych ze stali i metali nieżelaznych ze względu na sposób odkształcania i rodzaj kształtowanych wyrobów można podzielić na:

• walcowanie,

• kucie,

• tłoczenie,

• ciągnienie.

WALCOWANIE

Procesy walcowania ze względu na kinematykę procesu i rodzaj produkowanych wyrobów można podzielić na:

walcowanie hutnicze obejmujące:

• walcowanie wzdłużne, stosowane do walcowania blach, prętów, walcówki i kształtowników,

• walcowanie skośne, stosowane w produkcji rur bez szwu,

• walcowanie specjalne, stosowane np. w produkcji rur, pierścieni kuto-walcowanych,

walcowanie poza hutnicze, obejmujące wiele różnych sposobów walcowania m.in. okresowe, poprzeczne, planetarne, profilowanie wzdłużne, które są stosowane do wytwarzania półwyrobów do dalszej odróbki oraz gotowych elementów maszyn i innych wyrobów.

Walcowanie wzdłużne

Podczas walcowania wzdłużnego odkształcenie pasma materiału następuje w wyniku oddziaływania sił (normalnych i tarcia) spowodowanych naciskiem obracających się walców, przy czym zmniejsza się przekrój i kształt pasma. Kształtowane pasmo, podczas jednego przejścia (przepustu), styka się z gładką lub bruzdową powierzchnią walców na długości łuku styku, doznając założonego odkształcenia. W przypadku walcowania wyrobów płaskich kształtowanie pasma określone jest takimi parametrami jak:

• gniot Δh, opisany współczynnikiem gniotu γ, który zadawany jest nastawą walców,

• poszerzenie Δb, opisane współczynnikiem poszerzenia β, które wnika z naturalnego płynięcia pasma na boki i określa się je za pomocą wzorów teoretyczno-empirycznych np. wzór Siebela:
  , gdzie: 0,34-dla miedzi, 0,45-dla stali,

• wydłużenie pasma, opisane współczynnikiem wydłużenia λ, wynika z zasady stałej objętości.

W przypadku walcowania bruzdowego, płynięcie materiału w wykrojach jest bardzo złożone, i dlatego często współczynniki odkształcenia określa się w sposób przybliżony, wyznaczając średnią grubość i szerokość pasma lub stosuje się wskaźniki cząstkowe.

Po przewalcowaniu pasma w „n” przepustach całkowity współczynnik wydłużenia wynosi:

;
,

gdzie: l₀, l₁, l_2,..l_n, F₀, F_n długość i przekrój początkowy pasma i po kolejnych przepustach.

Aby pasmo zostało przewalcowane musi być wciągnięte miedzy walce przez siły tarcia. Ten warunek, który nazywa się warunkiem chwytu naturalnego opisany jest zależnością α<ρ (α-kąt chwytu, ρ-kąt tarcia) i zależy od współczynnika tarcia, gniotu Δh, oraz od promienia walca R.

Schemat chwytu materiału przez walce	Schemat walcowania płaskiego pasma

Powstała siła nacisku działająca na walce wskutek odkształcania pasma określana jest za pomocą złożonych wzorów empirycznych o ogólnej postaci :

,

gdzie: p_śr - nacisk jednostkowy, F_d - rzut powierzchni styku.

Siła walcowania zależy m.in. od oporów plastycznych materiału (σ_p), gniotu, promienia walca R, wymiarów pasma i prędkości walcowania. Siła ta dla małych przekrojów wynosi kilkadziesiąt kN, natomiast dla walcowania blach grubych o największych szerokościach (do 4,5m) osiąga wartość kilkadziesiąt MN (kilka tysięcy ton).

Przedstawione wskaźniki odkształcenia, analiza chwytu naturalnego, dopuszczalna siła nacisku na walce, moc napędu walcarki oraz znajomość skomplikowanych procesów zachodzących w strukturze walcowanej stali są podstawą do projektowania i sterowania procesem walcowania wyrobów na gorąco i na zimno.

Do walcowania stosuje się bardzo sztywne i wytrzymałe walcarki wyposażone w odpowiednie sztywne walce robocze, niekiedy współpracujące z walcami oporowymi. Walce robocze (1) napędzane są za pomocą układu napędowego, który składa się z silnika elektrycznego dużej mocy, przekładni głównej, klatki walców zębatych (3) i przegubowych łączników (2, 4).

Rys. Schemat napędu walcarki

Ze względu na liczbę walców zabudowanych w walcarce rozróżnia się m.in. walcarki:

• duo (2 walce robocze), stosowane do walcowania kęsów, prętów, walcówki i kształtowników; mogą być nawrotne lub nie nawrotne pracujące w układzie ciagłym,

• trio (3 walce robocze), stosowane do walcowania kęsów, prętów i kształtowników o mniejszej wydajności,

• kwarto (2 walce robocze i 2 walce podporowe), stosowane do walcowania blach grubych na gorąco i na zimno oraz blach cienkich na zimno,

• sześciowalcowa i dwudziestowalcowa i in. do walcowania blach i taśm b. cienkich oraz folii.

Walce robocze do walcowania blach posiadają gładką beczkę, natomiast do walcowania prętów i kształtowników posiadają naciętych szereg bruzd, w celu kolejnego kształtowania pasma. Prześwit pomiędzy dwoma współpracującymi ze sobą bruzdami walców nazywa się wykrojem. Rozróżnia się wykroje otwarte i zamknięte, a pod względem kształtu wykroje dzieli się na: skrzynkowe, płaskownikowe, rombowe, owalne, okrągłe, sześciokątne, kształtowe i in. Ze względu na przeznaczenie wykroje dzieli się na wydłużające (np. system owal - kwadrat - owal; owal - okrąg - owal) i kształtujące stosowane do walcowania kształtowników.

Walec do walcowania blach	Walec bruzdowy do walcowania prętów prostokątnych

Walcowanie blach grubych na gorąco (200÷5mm)

Materiałem wsadowym do walcowania jest kęsisko płaskie z COS ( g=200÷350 mm, b=800÷1500mm, l < 12m ), które najpierw składowane nagrzewa do temp. 1100÷1250^°C w piecach gazowych. Nagrzany wsad transportowany jest na samotokach przez łamacz zgorzeliny do zespołu walcowniczego, gdzie następuje proces walcowania. Po odwalcowaniu określone gatunki blach przechodzą przez chłodnię wodną (w celu nadania im odpowiedniej struktury), a następnie są prostowane i cięte na odpowiednie arkusze i schładzane na chłodni powietrznej do temperatury otoczenia. Blachy wykonane z niektórych gatunków stali są obrabiane cieplnie.

Proces walcowania prowadzi się z automatyczną regulacją grubości, a ugięcie walców roboczych pod działaniem siły walcowania jest kompensowane, najczęściej przez przeginanie w przeciwnym kierunku wraz z walcami oporowymi za pomocą siłowników hydraulicznych. Cały proces produkcji blach, od nagrzewania do chłodzenia jest sterowany komputerowo.

Liczba pojedynczych przepustów (gniotów) podczas walcowania wynosi 5÷15, całkowity współczynnik wydłużenia wynosi λ_c = 6÷50, prędkość walcowania blach w systemie nawrotnym wynosi wartość V_w = 4÷6 m/s, a dla blach walcowanych w sposób ciągły dochodzi do12 m/s.

Zależnie od zakresu wymiarowego produkowanych blach i wydajności, zespół walcowniczy składa się z 1 lub 2 walcarek kwarto w układzie posobnym lub 4÷8 walcarek kwarto w jednej lub dwóch grupach wstępnej i wykańczającej w układzie ciągłym.

Najnowsza generacja walcowni gorących blach, to walcownie zintegrowane, gdzie zespół walcowniczy składający się z kilku walcarek kwarto w układzie ciągłym współpracuje z maszyną COS, a wlewki są przed walcowaniem cięte i dogrzewane.

Rys. Schemat walcowania blach grubych sposobem posobnym

Rys. Schemat walcowania blach grubych w walcarce ciągłej

Rys. Schemat walcowania blach grubych w walcowni zintegrowanej

Walcowanie blach średnich i cienkich na gorąco (12÷1,5mm)

Do walcowania blach cienkich wsadem może być kęsisko płaskie z COS lub walcowane o wymiarach g = 50÷125 mm i odpowiedniej szerokości i długości, które pobierane ze składu nagrzewa się w piecach do temp. 1100÷1250^°C. Nagrzany wsad transportowany jest samotokami przez łamacz zgorzeliny (duo) do zespołu walcowniczego, gdzie następuje proces walcowania.

Dla mniejszych wydajności (do 300 tys Mg/rok) stosowany jest zespół walcowniczy składający się z walcarki wstępnej nawrotnej i walcarki w systemie Steckla ze zwijarkami umieszczonymi w piecach, i znajdującymi się po obu stronach walcarki. Po walcowaniu blacha może być chłodzona wodą i zwijana w kręgi. Walcownie te mogą produkować grubsze blachy w odcinkach prostych.

Zespół walcowniczy dla znacznie wydajniejszych walcowni może się składać z 6÷10 walcarek kwarto w układzie ciągłym w dwóch zespołach z układem zwijarek na końcu układu.

Najnowsze zintegrowane walcownie gorących blach i taśm pracujące na świecie od 1986r., to walcownie, gdzie zespół walcowniczy współpracuje z maszyną COS. Wlewki cienkie z COS tnie się na odcinki do 50m, dogrzewa się w piecach indukcyjnych i walcuje się w zespole składającym się z 1 lub 2 walcarek w układzie Steckla albo 4÷7 walcarek w układzie ciągłym. Tym sposobem jest produkowana blacha o grubości 1÷30 mm taśmowa lub zwijana jest w kręgi.

Proces walcowania w ostatnich przepustach odbywa się z naciągiem (maleją naciski i ugięcie walców) i automatyczną regulacją grubości, a ugięcie walców pod działaniem nacisku jest kompensowane odpowiednim układem przeginania, krzyżowania lub poosiowego przemieszczania walców w celu uzyskania dużej płaskości i dokładności wymiarowej blachy.

Cały proces nagrzewania, walcowania i chłodzenia w nowoczesnych walcowniach jest sterowany komputerowo. Blacha taśmowa lub zwinięta w kręgi poddawana jest operacjom wykańczającym takim jak: obcinanie brzegów i rozcinanie pasma na żądaną szerokość, cięcie na arkusze, obróbka cieplna dla wybranych gatunków stali, kontrola jakości, pakowanie w pakiety.

Rys. Schemat walcowania blach cienkich na gorąco w walcarce Steckla

Rys. Schemat walcowania blach cienkich na goraco w walcarce ciągłej

Walcowanie blach cienkich na zimno (>3mm)

Materiałem wsadowym może być blacha walcowana na gorąco pokryta zgorzeliną (czarna) lub wytrawiona u dostawcy (biała). Walcowanie blach na zimno może odbywać się w walcarkach kwarto nawrotnych pracujących w systemie Steckla lub w systemie ciągłym 4÷6 klatkowym. Odwalcowana blacha jest zwijana w kręgi o masie do 5000 Mg i jest w stanie umocnionym. W zależności od gatunku stali i przeznaczenia blacha może być wyżarzana w celu usunięcia skutków zgniotu i przywrócenia materiałowi własności plastycznych. Wyżarzanie może być rekrystalizujące (w temp. 680 do 700°C) lub normalizujące (w temp. 830 do 850°C) i przeprowadza się w kręgach w piecach kołpakowych lub ciągłych z atmosferą ochronną.

Blachy cienkie walcowane na zimno przeznaczone do tłoczenia, a zwłaszcza karoseryjne, są wykonane ze specjalnych gatunków stali niskowęglowych (np. ULC - niskowęglowe, HSLA - niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości, DP - dwufazowe) i są produkowane w kilku kategoriach tłoczności (P,T,G,B). W celu uzyskania dobrych własności tłocznych oraz zapobiegania tworzeniom się linii Lűdersa przy tłoczeniu blachy tłoczne po wyżarzaniu poddaje się walcowaniu wygładzającemu ( λ =1,01 ÷ 1,03).

Gotowa blacha może być cięta na taśmy zwinięte w kręgi lub może być prostowana, cięta na arkusze i pakowana w pakiety.

Rys. Schemat walcowni ciągłej blach zimnych

1 - blacha walcowana na gorąco, 2 - akumulator, 3 - wytrawialnia, 4 - zespół walcujący, 5 - zwijarka, 6 - piec kołpakowy, 7 - wygładzarka, 8 - linia cynkowania ogniowego, 9 - kontrola jakości, 10 - magazyn wyrobów

Sterowanie płaskością blach średnich i cienkich walcowanych na gorąco i na zimno

Walcowanie blach cienkich na gorąco i na zimno w ostatnich przepustach odbywa się z automatyczną regulacją grubości oraz z naciągiem pasma, co zmniejsza naciski na walce (mniejsze ugięcie) i prostuje pasmo.

Ponadto ugięcie walców pod działaniem siły walcowania jest kompensowane odpowiednim układem, w celu uzyskania odpowiedniej płaskości i dokładności wymiarowej blachy. Najczęściej sterowanie płaskością blach uzyskuje się za pomocą: przeginania walców, krzyżowania walców lub poosiowego przemieszczania kształtowych walców.

Nacisk metalu na walec

a) bez naciągu i przeciwciągu, b) z naciągiem i przeciwciągiem

Regulacja płaskości za pomocą przeginania walców	Regulacja płaskości za pomocą krzyżowania walców	Regulacja płaskości za pomocą poosiowego przemieszczania kształtowych walców

Przetwarzanie hutnicze blach

Przetwarzanie hutnicze w zakresie blach walcowanych na zimno jest trudne do jednoznacznego zdefiniowania i w pewnym uproszczeniu obejmuje wytwarzanie:

• blach i taśm powlekanych,

• blach profilowanych,

• wyrobów zimnogiętych,

• rur ze szwem.

Wytwarzanie blach i taśm powlekanych

W celu ochrony stali przed korozją stosuje się blachy powlekane i inne wyroby hutnicze, z powłokami metalowymi i niemetalowymi.

Powłoki metalowe cynkowe, cynkowo-aluminiowe, aluminiowe i inne nanosi się na blachy odpowiednio przygotowane: metodą ogniową, metodą elektrolityczną, przez metalizację natryskową oraz przez platerowanie.

Powłoki niemetalowe z żywic akrylowych, poliestrowych nakłada są na blachy z fazy płynnej lub w postaci folii z polichlorku winylu przez nawalcowywanie.

Do produkcji blach powlekanych, w niektórych hutach, istnieją bardzo rozbudowane ciągłe linie, przeznaczone do nanoszenia określonych typów powłok wielowarstwowych n p. z powłokami cynkowymi i żywicznymi.

Schemat nowoczesnej linii cynkowania ogniowego

1 - rozwijarka, 2 - nożyca, 3 - zgrzewarka, 4 - wózek pętlowy, 5 - przygotowanie powierzchni,

6 - piec wstępny, 7 - piec do wyżarzania,8 - kąpiel cynku, 9 - dysze powietrzne,10 - zmniejszanie kwiatu, 11 - piec do “galvannealingu”, 12 - chłodzenie pasma,13 - wygładzarka kwarto,

14 - prostownica naciągowa, 15 - chromianowanie lub oliwienie, 16 - zwijarka

Wytwarzanie blach profilowych i kształtowników zimnogiętych

Blachy profilowe, w postaci blach trapezowych i falistych i innych, wytwarza się przeważnie z blach zimno walcowanych pokrytych powłokami cynkowymi i żywicznymi.

Natomiast kształtowniki t.z. zimnogięte, obejmujące szeroki asortyment wyrobów na konstrukcje i stosowane w budownictwie, wytwarza się z taśm ciętych walcowanych na gorąco lub na zimno.

Wyroby te produkuje się w profilarkach (5 do 32 klatek duo w układzie ciągłym) przez kolejne podginanie, o niewielki kąt, blachy lub taśmy o szerokości, wynikającej z rozwinięcia przekroju profilu. Liczba kolejnych podgięć i ułożenie rolek kształtujących zależy m.in. od grubości i kształtu wyrobu. Stosuje się rolki kształtujące o osiach poziomych, które są napędzane, ponadto stosuje się nie napędzane rolki skośne i pionowe.

Schemat procesu kształtowania profili zimnogiętych	Profilarka do produkcji blachy trapezowej

Rys. Schemat linii profilowania taśm

1 - rozwijarka taśmy, 2 - prostownica rolkowa, 3 - nożyca, 4 - dół pętlowy, 5 - rolki pociągowe (napędzane), 6 - rolki profilujące, 7 - układacz wyrobów

Wytwarzanie rur ze szwem

Rury ze szwem dzieli się na:

- rury ze szwem wzdłużnym (okrągłe, kształtowe),o mniejszych wymiarach,

- rury ze szwem spiralnym (okrągłe), o większej średnicy.

Rury ze szwem wzdłużnym wytwarza się z taśm na specjalnych liniach w skład której wchodzi: rozwijarka kręgów, prostarka, zgrzewarka do łączenia taśm, profilarka wielorolkowa, urządzenie do zgrzewania lub spawania wzdłużnego rury i urządzenie do cięcia w biegu. Rury mogą być poddane dalszej obróbce plastycznej przez ciągnienie, w celu zwiększenia dokładności i zmiany wymiarów.

Rury ze szwem spiralnym wytwarza się z taśm w kręgach, frezowanych na dokładną szerokość, zwijając spiralne taśmę w specjalnych zwijarkach, którą następnie się spawa.

Schemat kolejnych faz profilowania rury okrągłej ze szwem wzdłużnym	Schemat urządzenia do produkcji rury ze szwem spiralnym

Walcowanie prętów i walcówki

Pręty oraz walcówkę walcuje się masowo w walcowniach, o odpowiednich i bardzo zróżnicowanych układach, dostosowanych do założonej wydajności i produkowanego asortymentu wyrobów.

Wsadem do walcowania prętów grubych i średnich jest nagrzane kęsisko kwadratowe z COS, natomiast dla prętów drobnych i walcówki kęs z COS.

Walcowanie pasma odbywa w wykrojach o stopniowo zmniejszających się przekrojach o różnych kształtach, przy czym wartość średniego współczynnika wydłużenia wynosi od 1,25 do 1,32 i zależna jest od rodzaju wyrobu, gatunku stali i warunków walcowania. Decyduje to o liczbie przepustów (n=lnλ_c/lnλ_śr), których jest kilkanaście do 32 i więcej.

Walcarki mogą być ułożone w zespoły:

- wstępny, walcarki duo nawrotne, trio lub układ ciągły duo,

- pośredni, składający się z układu ciągłego duo,

-wykańczający, układy ciągłe duo lub bloki walcownicze.

Stosuje się w fazie: wstępnej wykroje skrzynkowe, w pośredniej kwadrat - owal, w końcowej n p. owal -okrąg, romb - kwadrat.

Rys. Schemat wykrojów wydłużających systemem kwadrat - owal.

Po walcowaniu pręty są chłodzone na chłodni powietrznej (czasami na wodnej) oraz cięte na długości handlowe. Natomiast do chłodzenia walcówki stosuje się często system Stelmor, w którym po intensywnym chłodzeniu wodnym do temp. Ar₃ walcówka jest rzucana w pętle na transporter, dalej chłodzona powietrzem i zbierana w kręgi.

Walcowanie kształtowników

Kształtowniki są grupą wyrobów o bardzo zróżnicowanym kształcie i wymiarach. Produkuje się je masowo w walcowniach o wyposażeniu i układzie dostosowanym do określonej wydajności i programu produkcyjnego. Ze względu na wymiar produkowanych kształtowników rozróżnia się walcownie duże, średnie i małe. Stosuje się posobne i ciągłe oraz mieszane układy walcowania, składające się z walcarek duo, duo uniwersalne, trio.

Wsadem do walcowania są kęsiska lub kęsy kwadratowe z COS o dostosowanym wymiarze do pewnej grupy kształtowników. Walcowanie pasma odbywa w wykrojach o zmniejszających się przekrojach i stopniowo zmieniających się kształtach, od kwadratu do końcowego wykroju gotowego (kalibrującego).

Wykroje do walcowania kształtowników dzieli się na:

- wstępne (wykroje skrzynkowe),

- rozcinające i kształtujące,

- wykańczające (dwa przedostatnie wykroje),

- wykrój gotowy (ma kształt gotowego wyrobu z uwzględnieniem rozszerzalności cieplnej).

Podczas walcowania występują znaczne różnice odkształceń w poszczególnych częściach kształtownika, co sprawia, że współczynnik wydłużenia stopniowo dla kolejnych przepustów jest zmniejszany. Dla wykrojów wstępnych i kształtujących wynosi ok. 1,5, w wykańczających <1,3, w gotowym ≤ 1,15.

Całkowita liczba przepustów zależy od wielkości i rodzaju kształtownika i przykładowo wynosi: dla kątowników 4-8, dla dwuteowników 6-17,

dla ceowników 5-13, dla szyn 5-11.

Rys. Schemat wykrojów stosowanych do walcowania przykładowych kształtowników

Wytwarzanie rur stalowych bez szwu

Rury stalowe bez szwu wytwarza się masowo, w specjalnych oddziałach hut, za pomocą różnych metod dostosowanych do określonego zakresu wymiarowego oraz gatunku rur. Obecnie walcuje się rury na gorąco w zakresie średnic od 20 do 720 mm i ściankach od 2 do 80 mm.

Proces technologiczny produkcji rur bez szwu obejmuje kilka etapów przeróbki plastycznej:

- wykonanie grubościennej tulei,

- walcowanie redukcyjne w celu uzyskania wymiarów rury

zbliżonych do końcowych,

- wykańczające walcowanie kalibrujące zapewniające

końcowe wymiary rury.

We wszystkich systemach produkcji rur bez szwu pierwszym etapem jest wytworzenie tulei grubościennej metodą:

a) dziurowania w walcarkach skośnych z wlewków z COS

o przekroju okrągłym(n p. metodą Mannesmana),

b) dziurowania przez wyciskanie przeciwbieżne na prasach

hydraulicznych z wlewków z COS o przekroju kwadrat.,

c) dziurowania na walcarko-wyciskarkach,

d) ciągłego odlewania tulei.

W kraju stosowane są dwie pierwsze metody.

Schemat dziurowania tulei grubościennej w walcarce skośnej	Schemat dziurowania tulei grubościennej na prasie

Następnym etapem produkcji rur bez szwu jest znaczna redukcja tulei grubościennej grubości ścianki i w mniejszym stopniu średnicy, do wymiarów zbliżonych do końcowych.

Najczęściej stosuje się następujące metody walcowania redukcyjnego rur:

a) walcowanie w walcarkach skośnych,

b) walcowanie w walcarkach pielgrzymowych,

c) walcowanie ciągłe lub przepychowe,

d) walcowanie planetarne.

W kraju stosowane są trzy pierwsze metody.

Rys. Schemat walcowania wydłużającego w walcarce skośnej

Rys. Schemat walcowania wydłużającego rur w walcarce ciągłej

1. walce, 2-trzpień, 3-rura,

a,b,c- ułożenie walców w walcarce dwu,trzy i czterowalcowej

Końcowym etapem produkcji jest proces walcowania wykańczającego rur za pomocą metod:

a) w walcarkach wzdłużnych dwu, trzy i czterowalcowych,

b) walcowanie w walcarkach pielgrzymowych na zimno,

d) inne sposoby walcowania.

Rys. Schemat walcowania pielgrzymowego rur

1

18

---