Конструкция и расчет калиброванных валков

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

А.Г. Колесников, Р.А. Яковлев 

КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ 
 КАЛИБРОВАННЫХ ВАЛКОВ 

Под редакцией В.И. Борисова 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия по курсу  
«Расчет и конструирование прокатных станов» 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 621.771.07(075.8) 
ББК 34.41 
К60 

Рецензенты: Н.В. Пасечник, О.А. Ряховский 

А.Г. Колесников, Р.А. Яковлев 
К60 
Конструкция и расчет калиброванных валков: Учеб. посо- 
бие / Под ред. В.И. Борисова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 67 с.  

ISBN 978-5-7038-2954-7 

Приведены сведения по конструктивным схемам и материалам 
цельных ненапряженных и предварительно напряженных валков, а 
также составных предварительно напряженных калиброванных 
валков. Рассмотрены методы расчета валков на прочность по максимальным нагрузкам и на усталостную прочность.  
Для студентов старших курсов, изучающих дисциплину «Расчет и конструирование прокатных станов». Пособие может быть 
использовано при курсовом и дипломном проектировании. 
Ил. 28. Табл. 7. Библиогр. 16 назв. 

УДК 621.771.07(075.8) 
                                                                    ББК 34.41 

ISBN 978-5-7038-2954-7 
 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

ВВЕДЕНИЕ 

Валки – это рабочий инструмент любого прокатного стана; в 
процессе прокатки они деформируют металл, улучшают его структуру, придают ему требуемые размеры и форму, воспринимают 
усилие прокатки и передают его на подшипниковые опоры, нажимные механизмы и станины рабочей клети. 
Разнообразие прокатываемых профилей и марок сталей определяет и разнообразие калиброванных валков: по размерам, массе, 
конструкции, твердости [1–4]. 
Наиболее качественные валки изготавливают с литыми ручьями, двухслойными и составными. Износостойкие валки позволяют 
осуществлять прокатку профилей с жесткими допусками по размерам и получать их с чистой качественной поверхностью. Валки 
с высокой стойкостью дают возможность сократить время простоев стана, вызванных перевалками.  
В данном пособии рассмотрены вопросы расчета и конструирования калиброванных цельных валков современных обжимнозаготовочных станов, а также цельных предварительно напряженных и предварительно напряженных составных валков сортовых и 
проволочных станов. 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВАЛКОВ 

Валки для профильного проката можно классифицировать по 
ряду признаков: назначение, конструкция, материал, способ изготовления, твердость рабочего слоя бочки. 
По назначению различают валки обжимных и заготовочных 
станов, черновых и чистовых клетей крупно-, средне-, мелкосортных, а также проволочных станов. 
По конструкции различают валки цельные, бандажированные, 
цельные предварительно напряженные и составные предварительно напряженные валки. 

По материалу валки делятся на чугунные (из серого, легированного и отбеленного чугуна), стальные (литые и кованые) и 
твердосплавные (спеченные из металлического порошка). 
По способу изготовления валки могут быть литыми (однослойными, двухслойными), коваными и спеченными из металлического порошка или наплавленными твердыми сплавами. 
По степени твердости рабочего слоя бочки валки делятся на мягкие (HШ 25…35), полутвердые (HШ 40…60), твердые (HШ 60…85) и  
особо твердые (HШ 85…100). 
Применение валков с поверхностью той или иной твердости определяется условиями работы стана и требованиями качества поверхности проката. Так, для обжимных станов и черновых клетей 
сортовых станов необходимы валки высокой прочности, качество 
поверхности которых не играет существенной роли. Таким условиям отвечают стальные валки, особенно кованые. Валки с высокой 
твердостью применяют там, где требуется высокая точность геометрических размеров профиля и высокая износостойкость поверхности бочки. Таким условиям отвечают чугунные легированные 
валки и предварительно напряженные составные валки (ПНСВ) с 
твердосплавными кольцами, широко применяемые в получистовых 
и чистовых клетях сортовых и проволочных станов. 
Валки для многих сортовых станов отливают с углублениями 
на бочке, конфигурация которых по своей форме приближается к 
конфигурации ручьев будущих калибров. Такие валки целесообразно отливать из легированных чугунов, так как в этом случае 
возможно получить отбеленный слой одинаковой толщины по 
всему контуру ручья. 

2. КОНСТРУКЦИЯ И РАЗМЕРЫ ВАЛКОВ 

Рабочие валки в большинстве случаев изготовляют цельными, 
при этом в них различают три части: рабочую, опорную и соединительную. Рабочая часть диаметром D (рис. 1), называемая бочкой, предназначена для выполнения самого процесса деформации 
металла. Опорная часть с двумя шейками диаметром dш и длиной 
lш служит для монтажа подшипниковых опор, размещаемых и 
фиксируемых в проемах станин. Соединительная часть диаметром dп и длиной lп связывает валок с рабочей линией стана, которая приводит его во вращение. Таким образом, каждая из перечисленных частей валка несет определенную функцию и работает в 
совершенно различных условиях. 

Рис. 1. Основные типы валков прокатных станов:  

а – валок с цилиндрическими шейками для подшипников скольжения; б – то же 
для подшипников качения; в – валок с коническими шейками для подшипников 

жидкостного трения 

Номинальный диаметр D бочки является основным параметром 
валков сортовых станов. Диаметры D и соответствующие им длины L 
бочек горизонтальных валков для вновь проектируемых двух- и трехвалковых клетей обжимных, заготовочных и сортовых станов регламентированы ГОСТ 5399–69 и приведены в [1]. 
Основные типы цельных валков показаны на рис. 1. Значения 
диаметров и длин бочек валков для профильного проката выбирают по указанному выше стандарту. 
Длину бочки валков L в зависимости от назначения калибров 
обычно принимают из следующих значений отношения L/D: 

Клеть .......................................................................................... L/D 
Обжимная .......................................................................... 2,2 – 2,7 
Черновая ............................................................................ 2,2 – 3,0 
Чистовая ............................................................................ 1,5 – 2,0  
Предварительно напряженная ......................................... 0,5 – 1,5 

В процессе работы прокатные валки изнашиваются. Для восстановления первоначальных размеров ручьев и чистоты поверхности валки перетачивают. При этом диаметр валка уменьшается, 
что снижает его прочность. Поэтому наибольший размер переточки не должен превышать: для обжимных станов – 10…12 %; для 
сортовых – 8…10 %. 

Размеры шеек валков dш и lш выбирают на основании прочностных расчетов. Для увеличения прочности шейки валков стремятся 
делать возможно большего диаметра, чтобы распределить давление 
при прокатке на большую площадь и уменьшить усилие на единицу 
поверхности, что особенно важно в связи с широким применением в 
подшипниках скольжения открытого типа текстолитовых вкладышей, плохо выдерживающих большие усилия прокатки. 
Длину шейки lш принимают равной ее диаметру dш, а диаметр 
концевой части dп обычно на 10…15 мм меньше диаметра шейки dш. 
Диаметр шейки валков с подшипниками качения и подшипниками скольжения закрытого типа выбирают по конструктивным 
соображениям с учетом освоенных промышленностью типоразмеров подшипников. 
Диаметры dш шеек валков под подшипники качения выбирают 
из следующего ряда, мм:  

140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 220, 240, 260, 280, 300, 320, 340, 
360, 380, 400, 420, 440, 460, 480, 500, 530, 560, 600, 630, 670, 710, 

800, 850, 900, 950. 

Диаметр валков выбирают с учетом допустимого угла захвата α. 
Наиболее часто используют максимальные углы захвата 22…24º 
при прокатке сортового металла. Рабочий диаметр валка Dр должен 
удовлетворять условиям 

p
1
cos
h
D
Δ
≥ −
α  или 
p
,
0,07…0,09
h
D
Δ
≥
 

где Δh – обжатие. 
Отношение номинального диаметра бочки D к рабочему диаметру Dр (диаметру по дну ручьев) принимают не большим 1,4, 
чтобы не допустить чрезмерного снижения прочности. 
Диаметры шейки выбирают следующими: 

1
2
к
(0,5…0,7) .
d
d
d
D
=
=
=
 

3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КАЛИБРОВАННЫХ 

ВАЛКОВ 

По форме калибры можно разделить на две большие группы: 
простой формы и фасонные. 

Несмотря на разнообразие фасонных профилей (балки, швеллеры, рельсы и т. п.), общей особенностью их калибровки является 
неравномерность деформации по ширине профиля. Большинство 
из них прокатывают в закрытых калибрах. 
К калибрам простой формы относятся ящичные, квадратные, 
ромбические, шестигранные, овальные, ребровые овальные, круглые и др. (рис. 2). 
Ящичные калибры могут быть открытыми или закрытыми 
(последние используются редко) (см. рис. 2, а). Чтобы избежать 
появления на профиле острых граней, а также уменьшить концентрацию напряжений в углах калибра, их делают закругленными. 
Закругление буртов калибра (в месте разъема) предотвращает образование дефектов поверхности (подрезов) в случае небольшого 
переполнения. Радиусы закругления углов r в ящичных калибрах 
выбирают, учитывая соотношение r = (0,10…0,20)bк, где bк – ширина калибра в месте разъема [5, 6]. Тангенс угла наклона боковых 
стенок калибра к оси валков tgϕ = (bк – bд)/(hк – S) называют выпуском. Здесь S – зазор между гребнями валков, м, S = 0,01D + 1. 
На практике выпуски ящичных калибров колеблются в пределах 
от 0,1 до 0,3. Обозначения геометрических параметров калибра 
показаны на рис. 3. С увеличением выпуска уменьшается обточка 
валков по диаметру при восстановлении калибра. Выпуск зависит 
также от устойчивости задаваемой полосы, т. е. от отношения 
b0/h0, так как чем меньше это отношение, тем менее устойчив раскат и тем меньшим принимают выпуск.  
Квадратные калибры. Вершины черновых квадратных калибров (см. рис. 2, б) закругляют радиусом r, который, как правило, принимают равным 0,2а (в редких случаях 0,15а), где а – сторона квадрата. 
Ромбические калибры (см. рис. 2, в). Угол при вершине ромбического калибра β = arctg(b′/h′) в зависимости от необходимой вытяжки колеблется в широких пределах (от 96о до 120о). Геометрические 
соотношения между размерами ромбического калибра следующие: 

(
)
(
)

(
)

к

к

(0,15…0,20) ;

2
1
ctg
/ 2
1 ;

tg
/ 2 .

r
a

h
h
r

b
b
S

=

=
+
+
β
−
′

=
−
β
′