О консервной банке, пружине и прокатном стане

9

О КОНСЕРВНОЙ БАНКЕ,
ПРУЖИНЕ
И ПРОКАТНОМ СТАНЕ

Доктор технических наук
В. А. ПРУДКОВСКИЙ

Будем считать, что вам не раз приходилось вскрывать консервные банки. И время от времени вы задавались вопросом: неужели металлический лист, из которого сделана банка, нельзя изготовить потоньше? Тогда, например, из материалов для одной консервной банки можно было бы сделать две или даже три. В чем же дело? Почему металлурги не экономит металл? Давайте попробуем разобраться.

Консервные банки делают из стального тонкого листа — жести. Жесть получают холодной прокаткой. Нужно сказать, что с наиболее раннего достоверно упоминания о применении прокатки для деформирования металла прошло более 500 лет. В 1486 году великий художник, архитектор, ученый и инженер Леонардо да Винчи изобразил прокатный стан для получения тонкой ленты из золота и сербра, иушей на украшения. Такой стан имел два гладких валка диаметром около 40 мм, которые врашали вручную. Существу проесса прокатки с тех пор прициппально не изменилась (рисунок 1, а). В зазор между врашающимся в раз-ные стороны валками затягается металлическая полоса, толщина которой ($h_0$) больше величины этого зароза ($S_0$). Полоса под действием валков испытывает пластическое деформацию изменения формы и должны выходить из валков с толщиной, равной, казалось бы, величины зароза между ними (увеличивая при этом в длине и оставаясь той же ширины $B$). Однако фактически только металл прокатной полосы ($h_1$) былает всегда больше зароза между валками. Почему?

Деформация полосы проискодит в результате действия сил, приложенных к ней со стороны валков. Каждый валок действует на полосу, и согласно третьему закону Ньютона полоса действует на валок с такой же по величины сил; ее называют силой сопротивления деформированного или просто сопротивлением деформированного. Под действием этой силы проискодит упругая деформация валков и других деталей прокатного стана, первоначально установленный зазор между валками увеличивается, и на столбко же увеличивается толщина прокатной полосы. Другими словами, мы всегда получаем толщину по-

Рис. 1.
2 Квант № 2

10

Лосы несколько бóльшую, чем зазор ($S_0$) между валками. Для уменьшения деформации рабочих валков применяют опорные валки (рисунок 1,6).

Ну хорошо, скажете вы, тогда надо сделать зазор между валками меньше требуемой толщины жестки и получить нужную толщину. Логично! Хотя это лишь один из способов.

Но так ли все просто? Толщина жестки «нормальной» консервной банки равна 0,2—0,25 мм. Какой зазор нужно установить между валками, чтобы получить такую толщину листа? А какой зазор нужно установить, чтобы получить лист толщиной, скажем, 0,1 мм?

Давайте сначала посмотрим, какystроен прокатный стан (рисунок 2). Валки (1), деформационные полосу, не могут высеть в воздухе. Они крепятся на подшипниках (2) вместе сопорными валками (3) в рамках, называемой станной прокатного стана (4). Требуется зазор между валками при прокатке установливается с помощью винтов, которые называют нажимыми винтими винтими (5).

Сила сопротивления деформирования, действующая на рабочие валки со стороны прокатываемой полосы, вызывает упругую деформацию не только этих валков, но и опорных, а также нажимых винтов, станными и других элементов прокатного стана. Прокатный стан в этом случае ведет себя какружина, правда, не совсем obычной конструкции.

Из курса физики известно, что всякаяружина обладает жесткостью, которая определяет ее степень деформации под действием приложенных сил. От чего зависит жесткость прокатного стана, если его расматри-

12

Пить дальше. С одной стороны, на основании опытов, проведенных на прокатном стане без полосы, мы нашли жесткость стана. С другой стороны, на основании опытов по скатнию полосы в валках мы нашли величины ее сопротивления деформарованию. Теперь мы можем ответить на поставленный ранее вопрос: какой зазор $S_0$ следует установить между валками, чтобы получить толщину полосы, равную $h_1$? Предположим, что мы хотим получить полосу толщиной $h_1$ на прокатном стане, жесткость которого определяется значением tg $\alpha$ из рисунка 3. Для этого сначала мы должны найти по графику зависимости $F_c(h)$ слу сопротивления деформарованию полосы, соответствующую ее прокатке от толщины $h_0$ до $h_1$. Далее необходимо эту силу приравнять слее упруости стана (согласно третьему закону Ньютона) и с учетом жесткости стана определять необходимую величины зазор $S_0$.

Рисунок 5 проясняет, как проводится эта операция. На рисунке даны совместно графики зависимости $F_y(S)$ и $F_c(h)$. Из точки $A$ на рисунке 5, $\delta$ восстанавливает перpendикуляр до пересечения с кривой $L_2$ (точка $B$). Из точки $B$ проведем горизонталь до пересечения с perpendикуляром, восстанавливаемых из точки $K$ (рисунок 5, $a$), соответствующей величины $S_1$ зазор между валками, который будет равен толщине полосы $h_1$ ($S_1=h_1$). Через точку $D$ пересечения горизонтали $BD$ и вертикали $KD$ проведем прямую $L_1$, параллельную $L_0$ и определяющегоружину прокатного стана с заданной жесткостью tg $\alpha$. Тогда точка $E$ пересечения прямой $L_1$ с осью $S$ и дает нам необходимую величины $S_0$ зазор между валками, который следует установить перед прокаткой, чтобы получить заданную толщину полосы, равную $h_1$.

Предположим теперь, что нам надо получить полосу толщиной $h_2$ (см. рисунок 5, $\delta$). Проведяя аналогичные рассудения, мы оказываемся в точке $E'$, что соответствует отрицательному зазору между валками. Следовательно, такой процесс прокатки мы осуществить не сможем и данный прокатный стан позволяет в пределе получения минимального возможного толщину полосы, равную $h_{np}$. Таким образом, для каждого прокатного стана есть свой предельный минимальный толщина полосы, зависимости от свойств прокатываемого металла и размеров полосы. Полосу с толщиной меньше этой предельной на данном стане получить нельзя.

А если нужна более тонкая полоса?

Посмотрите на рисунок 5. Увеличивая угол $\alpha$, можно уменьшить предельную возможную толщину полосы. Значит, надо увеличить жесткость стана, в первую очередь — жесткость валков, так как доля их деформации в упругой деформации всего стана очень велика. Мы уже говорили, что

13

это можно добиться, используя опорные валки, число которых в реализации станах достигает восемнадцати (по девять на каждый рабочий валок).

Как вы договоратесь, консервные банки отнюдь не основная продукция, которую изготовляют из стальной полосы. Например, для кинесопов цветных телевизоров нужна полоса из специальной стали толщиной 0,15 мм с допустимыми отклонениями от этой толщины ±3 мм. Конечно, технологии получения такой полосы существенно отличается от технологических полосей для изготовления консервных банок. Большое значение и прокатные станы.

При изготовлении конденсаторов и прокладок в магнитных головках для малогабаритной аппаратуры необходима фольга (тончайшая лента) из алюминия, tantала и бериллевой бронзы толщиной 1—3 мкм. Как получить такой лент? Надо отметить, что она, как правило, довольно узкая, 400—600 мм по ширине (в то время как полоса для консервных банок достигает 1,5 м в ширину). Конечно, для более узкой полосы сопротивление деформированного меньше, чем для широкой. Для прокатки такой узкой и тонкой ленты используетрезвящаяно жесткие двадцативальные прокатные станы; прокатка производится в двух рабочих валках длиной 400—1200 мм, каждый из которых опирается на прямыду из опорных валков. А вообще станы листовой прокатки определяются длиной валка (шириной полосы); так что когда говорят «стан 1700», то это означает, чтолина рабочей части валков 1700 мм.

Есть еще один путь уменьшения предельно возможной толщины полосы. Он состоит из изменению формы кривой $L_2$ (см. рисунок 5, 6), т. е. к уменьшению силы сопротивления деформированного. Это можно достигаать различными путями: изменением условий треня между валками и полосой с помощью смазок, натяжением полосы во время прокатки, уменьшения ее ширины и других.

Проводят определенную термическую обработку металла (отжиг), снижающий сопротивление деформированного, что, кстати, широко использовется при производстве ленты для кинесопов. Однако все мероприятия, связанные с повышением жесткости стана и уменьшением сопротивления деформированного, как правило, связаны с дополнительными затратами. Так, полоса для кинесопов стоит значительно дороге полосы, ищей на изготовление консервных банок. Стоимость тончайших лент из некоторых металлов иногда в 20 раз больше стоимости золота той же массы. Вот и нужно думать: что выгоднее — прокатывать более толстую и болеедешевую жесть или более тонкую и более дорогую. Очевидно, в каждом конкретном случае нужно использовать из реальных возможностей.

Не так давно на Карагандинском металлургическом комбинате пущен в экспертацию новый стан, позволяющий получить жесть толщиной 0,18 мм. Для консервных банок начинает использоваться тонкий лист из алюминия сплавов. Сопротивление деформированного при прокатке алюминиязающего нijже, чем при прокатке стан. Так что вопрос с консервными банками будет решен. Но дело, как мы уже говорили, не только в консервных банках, хотя без них иногда не обойтись. Дело в другом. Проблема деформиции инструмента при обработке металлов давлением является очень серьезной проблемой. В нашем случае инструментом были валки, и прокатка — один из процессов обработки металлов давлением. Таких процессов существует очень много, и они постепенно вытесяют обработку металлов резанием, так как более экономичны и малоотходны. Однако точность размеров изделия при обработке давлением, особенно в холодном состоянии, существенно зависит от жесткости инструмента и самих обработывающих агрегатов. Задча повышения жесткости еще далеко от решения и ждет своего часа.