Прокатка

        металлов, способ обработки металлов и металлических сплавов давлением, состоящий в обжатии их между вращающимися валками прокатных станов (См. Прокатный стан). Валки имеют большей частью форму цилиндров, гладких или с нарезанными на них углублениями (ручьями), которые при совмещении двух валков образуют т. н. калибры (см. Валки прокатные, Калибровка прокатных валков, Профилировка валков).

         Благодаря свойственной П. непрерывности рабочего процесса она является наиболее производительным методом придания изделиям требуемой формы. При П. металл, как правило, подвергается значительной пластической деформации сжатия, в связи с чем разрушается его первичная литая структура и вместо неё образуется структура, более плотная и мелкозернистая, что обусловливает повышение качества металла. Т. о., П. служит не только для изменения формы обрабатываемого металла, но и для улучшения его структуры и свойств.

         Как и др. способы обработки металлов давлением (См. Обработка металлов давлением), П. основана на использовании пластичности металлов. Различают горячую, холодную и тёплую П. Основная часть проката (заготовка, сортовой и листовой металл, трубы, шары и т.д.) производится горячей П. при начальных температурах: стали 1000—1300 °С, меди 750—850 °С, латуни 600—800 °С, алюминия и его сплавов 350—400 °С, титана и его сплавов 950—1100°С, цинка около 150 °С. Холодная П. применяется главным образом для производства листов и ленты толщиной менее 1,5—6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб; кроме того, холодной П. подвергают горячекатаный металл для получения более гладкой поверхности и лучших механических свойств, а также в связи с трудностью нагрева и быстрым остыванием изделий малой толщины. Теплая П. в отличие от холодной происходит при несколько повышенной температуре с целью снижения упрочнения (наклёпа) металла при его деформации.

         В особых случаях для предохранения поверхности прокатываемого изделия от окисления применяют П. в вакууме или в нейтральной атмосфере.

         Известны 3 основных способа П.: продольная, поперечная и винтовая (или косая). При продольной П. (рис. 1, а) деформация обрабатываемого изделия происходит между валками, вращающимися в противоположных направлениях и расположенными в большинстве случаев параллельно один другому. Силами трения, возникающими между поверхностью валков и прокатываемым металлом, он втягивается в межвалковое пространство, подвергаясь при этом пластической деформации. Продольная П. имеет значительно большее распространение, чем 2 др. способа. Поперечная П. (рис. 1, б) и винтовая (косая) П. (рис. 1, в) служат лишь для обработки тел вращения. При поперечной П. металлу придаётся вращательное движение относительно его оси и, следовательно, он обрабатывается в поперечном направлении. При винтовой П. вследствие косого расположения валков металлу, кроме вращательного, придаётся ещё поступательное движение в направлении его оси. Если поступательная скорость прокатываемого металла меньше окружной скорости вследствие его вращения, П. называется также поперечно-винтовой, а если больше — продольно-винтовой. Поперечная П. применяется для обработки зубьев шестерён и некоторых др. деталей, поперечно-винтовая — в производстве цельнокатаных труб, шаров, осей и др. тел вращения (рис. 2). Продольно-винтовая П. находит применение при производстве свёрл.

         При продольной П., когда металл проходит между валками, высота его сечения уменьшается, а длина и ширина увеличиваются (рис. 3). Разность высот сечения металла до и после прохода между валками наз. линейным (абсолютным) обжатием: Δh = h₀ — h₁.

         Отношение этой величины к первоначальной высоте h₀, выраженное в процентах

         Область (объём) между валками, в которой прокатываемый металл непосредственно с ними соприкасается, называется очагом деформации; здесь происходят обжатие металла. Небольшие участки, примыкающие с обеих сторон к очагу деформации, называются внеконтактными зонами деформации; в них металл деформируется лишь в незначительной степени. Очаг деформации состоит из двух основных участков: зоны отставания, в которой средняя скорость металла меньше горизонтальной составляющей окружной скорости валков, и зоны опережения, в которой скорость металла относительно выше. Поэтому скорость выхода прокатываемого металла из валков несколько больше (на 2—6%) их окружной скорости. Граница между этими зонами называется нейтральным сечением. Силы трения, действующие на прокатываемый материал от валков, в зоне отставания направлены по его движению, в зоне опережения — против. Захват металла валками и стабильность протекания процесса обусловливаются силами трения, возникающими на контактной поверхности металла с валками. Для захвата необходимо, чтобы тангенс угла захвата α, т. е. угла между радиусами, проведёнными от оси валков к точкам А и В (см. рис. 3), не превысил коэффициента трения: tgα ≤ μ. В тех случаях, когда к чистоте поверхности изделий не предъявляют высоких требований, для увеличения угла захвата (а следовательно, и обжатия) поверхности валков придаётся шероховатость путём насечки.

         Практически углы захвата находятся в следующих пределах: при горячей П. в гладких валках 20—26°, в насеченных — 27—34°; при холодной П. со смазкой — 3—6°.

         Усилие на валки при П. определяется как произведение контактной поверхности на среднее удельное усилие Р = F․p_cp (удельное усилие распределено по контактным поверхностям неравномерно: его максимум находится вблизи нейтрального сечения, а по направлению к входу и выходу металла из валков удельное усилие уменьшается). При П. полос прямоугольного сечения контактная поверхность рассчитывается по формуле r — радиус валка. При холодной П. полос действительная контактная поверхность больше из-за упругого сжатия валков в местах соприкосновения с прокатываемым металлом. Среднее удельное усилие, называется также нормальным контактным напряжением, зависит от большого числа факторов и может быть выражено формулой p_cp = n₁․n₂․n₃․σ, где n₁ — коэффициент напряжённого состояния металла, зависящий главным образом от отношения длины дуги захвата, т. е. дуги между точками А и В на окружности сечения валка (см. рис. 3), к средней толщине прокатываемой полосы и её ширине, от коэффициента трения и от натяжения прокатываемого металла (натяжение широко применяется при холодной П.); n₂ — коэффициент, учитывающий влияние скорости П.: n₃ — коэффициент, учитывающий влияние величины наклёпа металла; σ — предел текучести (сопротивление деформации) обрабатываемого металла при температуре прокатки. Наибольшее значение имеет коэффициент n₁, изменяющийся в зависимости от указанных выше факторов в широких пределах (0,8—8); чем больше силы трения на контактных поверхностях и меньше толщина прокатываемого металла, тем выше этот коэффициент. В практических расчётах принимается при горячей П. n₃ = 1, а при холодной n₂ = 1. Для углеродистых сталей при горячей П. среднее удельное усилие находится в пределах 100—300 н/м² (10—30 кгс/мм²), при холодной П. 800—1500 н/м² (80—150 кгс/мм²). Равнодействующие усилия на валки при наиболее распространённых условиях П. направлены параллельно линии, соединяющей оси валков, т. е. вертикально (рис. 4).

         Связь между усилием Р и моментом М, необходимым для вращения каждого валка, определяется формулой М = Р (а + ρ), где а — плечо силы Р, находящееся в пределах (0,35—0,5)кн (20—100 тс), а при П. листов шириной 2—2,5 м доходит до 30— 60 Мн (3000—6000 тс). Момент, необходимый для вращения обоих валков при П. стальной проволоки и мелких сортовых профилей, составляет 40—80 кн․м (4—8 тс․м), а при П. слябов и широких листов достигает 6000—9000 кн․м (600—900 тс․м).

         О П. различных стальных профилей и профилей из цветных металлов и сплавов см. в ст. Прокатное производство.

        

         Лит.: Целиков А. И., Основы теории прокатки, М., 1965; Смирнов В. С., Теория прокатки, М., 1967; Целиков А. И., Гришков А. И., Теория прокатки, М., 1970; Тетерин П. К., Теория поперечно-винтовой прокатки, М., 1971; Третьяков А. В., Зюзин В. И., Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением, М., 1973; Луговской В. М., Алгоритмы систем автоматизации листовых станов, М., 1974.

         А. И. Целиков.

        

        Рис. 1. Схема продольной (а), поперечной (б) и винтовой (в) прокатки: 1 — прокатываемый металл; 2 и 3 — валки.

        

        Рис. 2. Схема винтовой прокатки круглых периодических профилей.

        

        Рис. 3. Схема деформации металла при продольной прокатке.

        

        Рис. 4. Направление равнодействующих сил усилия на валки при простом процессе прокатки с учетом влияния трения в подшипниках.