Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
21
Chơng 2

Các khái niệm cơ bản
của quá trình công nghệ cán thép

2.1. Lỗ hình trục cán

2.1.1. Khái niệm về lỗ hình trục cán
Tất cả các loại thép hình có tiết diện đơn giản nh thép tròn, vuông, chữ nhật
v.v...và có biên dạng phức tạp nh thép chữ I, U, thép đờng ray v.v... đều đợc cán
trên các trục đã đợc tạo các rãnh có biên dạng tơng ứng. Biên dạng rãnh của 2
hay 3, 4 trục tạo thành một biên dạng calip gọi là lỗ hình trục cán. Trong công nghệ cán thép tấm thì quá trình cán đợc tiến hành trên trục
không tạo rãnh (trục phẳng) song việc xác định chế độ ép, phân bố lợng ép và tính
toán xác định biên dạng trục cán để đạt đợc sản phẩm có chiều dày đồng đều cũng
đợc gọi là thiết kế lỗ hình trục cán.
Nói chung trên mỗi lỗ hình chỉ cán một lần, song cũng có thể cán nhiều lần
bằng cách thay đổi khe hở giữa 2 trục cán.

2.1.2. Các thông số cơ bản của một lỗ hình

Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
22
Độ nghiêng thành bên lỗ hình còn gọi là lợng thoát phôi khi cán và đợc
biểu thị bằng tỷ số giữa hiệu số chiều rộng miệng và đáy lỗ hình và chiều cao rãnh
lỗ hình tính theo %.
Độ nghiêng thành bên lỗ hình không những tạo cho phôi ra vào lỗ hình dể
dàng mà còn tạo điều kiện để phục hồi lại đúng kích thớc ban đầu khi phục hồi lại
trục. Độ nghiêng thành bên lỗ hình có thể chọn từ 1 ữ 10% hoặc lớn hơn.
Bán kính góc lợn r và r
1
nhằm loại trừ sự tập trung ứng suất trong trục cán
đồng thời tránh góc nhọn cho vật cán do đó tránh đợc bavia, nứt rạn do rách góc
khi nhiệt độ thấp và giảm tính dẻo.
Có thể chọn: r = (0,1 ữ 0,15)h; r
1
= t.
b) Lỗ hình thoi
Đối với lỗ hình thoi và lỗ hình vuông thì bán kính lợn r
1
ở miệng lỗ hình có
thể lấy lớn hơn một ít để tạo điều kiện cho giãn rộng thuận lợi tránh tạo bavia. Bằng
cách chọn bán kính lợn có thể điều chỉnh đợc chiều cao và chiều rộng của lỗ hình.
h - chiều cao lỗ hình không có bán kính lợn.
h
1
- chiều cao lỗ hình có bán kính lợn
b - chiều rộng hình thoi
b
1
- chiều rộng miệng lỗ hình

r
1


Hình 2.3- Lỗ hình thoi.
b
b
1
r
r
1
h
h
1
t
Hình 2.4- Lỗ hình vuông.
Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
23 đ/ Lỗ hình tròn
Thông thờng lỗ hình tròn có một đờng
kính d, song cũng có một số trờng hợp khi cán

r
Hình 2.5- Các thông số cơ bản của lỗ hình ôvan
a. Ôvan một bán kính; b. Ôvan hai bán kính; c. Ôvan bằng
b
R
1
R
r
h
b
R
1
r
h
d
d
1
Hình 2.6- Lỗ hình tròn.
a)
b)
c)
Hình 2.6- Lỗ hình hở.
x
x
x
x
Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
24
vi rãnh lỗ hình đợc cấu tạo bởi một phần lồi và một phần rãnh của 2 trục cán.

Đờng trung tuyến có thể trùng với đờng trung bình và đờng cán trong
một số trờng hợp.
Nếu nh lực ma sát và hệ số ma sát ở cả hai trục nh nhau thì sự cân bằng
tốc độ có thể thay bằng sự cân bằng đờng kính trung bình 2R
tb
của

trục cán.
R
tbt
= R
tbd

2R
tbt
- đờng kính làm việc trung bình của trục trên.
2R
tbd
- đờng kính làm việc trung bình của trục dới.
x x
Hình 2.7 Lỗ hình kín.
Hình 2.8. Lỗ hình nửa kín.
D
tt
D
tt
D
tt
/2 D
tt

Để xác định đợc đờng trung tuyến của lỗ hình có nhiều phơng pháp.
Đối với các lỗ hình đơn giản: Đối với trục cán có lỗ hình phức tạp (dầm chữ I, đờng ray): loại lỗ hình
này cũng có trục đối xứng vì vậy đờng trung tuyến chính là trục đối xứng
nằm ngang.

Đối với các lỗ hình kín và các lỗ hình định hình khác
Nói chung với lỗ hình kín thì đờng trung tuyến không trùng với trục đối
xứng, đồng thời với những lỗ hình không có tính đối xứng thì đờng trung tuyến sẽ
là đờng đi qua trọng tâm lủa lỗ hình. Phơng pháp xác định trọng tâm của lỗ hình
phức tạp, trong thực tế dùng phơng pháp chia lỗ hình phức tạp thành những lỗ hình
đơn giản để xác định trọng tâm sau đó tổng hợp toạ độ trọng tâm củacác phần đơn
giản thành trọng tâm của lỗ hình.

tbd
Hình 2.9- Đờng trung tuyến của lỗ hình.
Hình 2.10 Đờng trung tuyến của lỗ hình.
N
N
H
B
h
d
z
y
y
1
y
2
q
2
q
2
q
1
Đờng trung tuyến của lỗ hình
Hình 2.11- Sơ đồ xác định toạ độ trọng tâm thép chữ U.
q
1
, q
2
- diện tích tiết diện từng phần. y
1
- toạ độ trọng tâm

trong đó, M
1
và M
2
- mômen tĩnh của tiết diện.
Phần thân của thép chữ U là một hình chữ nhật, có trọng tâm đi qua đờng
chia đều d.

2
d
y
1
=

Toạ độ trọng tâm phần chân của chữ (hình thang) có cách tính nh sau:







+
+
=
ba
ba2
3
h
y

V
v
vV
S
tx
tr
tr
vc
tr
trvc

=
=

=

Khi cán trong lỗ hình thì tốc độ cán tính theo đờng bao của lỗ hình trên trục
cán. Đờng kính làm việc (tiếp xúc) D
tx
của trục cán khác nhau. Do đó, tốc độ của
vật cán theo chiều rộng của lỗ hình cũng khác nhau. Vì thế phải xác định một
đờng kính làm việc trung bình, trên cơ sở đó xác định tốc độ ra phôi và các đại
lợng biến dạng khác.

=
n
1
tx
tb
n

=

D
0
- Đờng kính ban đầu của trục cán. D
0
thay đổi từ D
max
đến D
min
.
F - diện tích bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và trục cán.
Đờng kính trục cán chọn trên cơ sở công nghệ: điều kiện ăn kim loại, độ
bền, công suất động cơ, tốc độ cán v.v...
Hệ số phục hồi trục cán của từng máy cán cụ thể nh sau:
Máy cán phá, cán phôi : k = 0,08 ữ 0,15
Máy cán hình : k = 0,08 ữ 0,15
Máy cán dây thép : k = 0,05 ữ 0,09
Máy cán tấm nóng : k = 0,04 ữ 0,07
Máy cán tấm nguội : k = 0,03 ữ 0,06
Mức độ giảm đờng kính khi phục hồi D
PH
rãnh lỗ hình hay vành trục trong
phạm vi cho phép sau:
Lỗ hình tinh:
Khi cán sản phẩm đơn giản:
0PH
D
6
1

D
5
1
4
1
D






ữ

Khi cán sản phẩm phức tạp:
0PH
D
4
1
3
1
D






ữ


= D
đ
+ 2R
ov
(1-cos
tb
)
D
đ
- đờng kính làm việc ở đáy lỗ hình; R
ov
- bán kính ôvan.

tb
- góc xác định vị trí đờng kính làm việc trung bình.









+=
ovov
ov
tb
R2
C

m.b.kF
ovovbn
=

ở đây, k
ov
lấy theo đồ thị hình 2.13 chọn theo tỷ số b
ov
/m

22
ovov
C25,0R2R2m =

Đơn giản hơn ngời ta xác định đờng kính làm việc trung bình của trục cán
hình thoi nh sau với hình ôvan một bán kính uốn:
h
3
2
DD
tttb
=
.
Lỗ hình tròn
+ Theo bề mặt tiếp xúc của lỗ hình
D
tb
= D
tt
- 0,785d

Hình 2.12-Lỗ hình ôvan xác định D
tb
.
0,78
0,77
0,76
0,75
0,74
0,73
0,72
0,71
0,70
0,69
0,68
0,67
1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4
B/h.t
K
ov
= Q
ov
/B(h-t)
Hình 2.13. Xác định hệ số ôvan k
ov
d
d
1
D
tt
Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán

75,1
h
b
t
t
=
; = 120
0

D
tb
= D
tt
- h
t
+ 0,2.b
t

D
tb
= D
tt
- h
t
+ 0,35h
t
= D
tt
- 0,65h
t

tb
+
+
=
;
2
h
tDD
ttd
=

Lỗ hình phức tạp

321
nn2211
tx
tb
l...ll
lD...lDlD
l
l.D
D
+++
+++
==



l
1

kkk
kk.akdkk.hH
k.k
a2b2Bh2H2
a.D2b2BDh.D2H.D2
D
+++
+++
=

B
b

r
1
r
h
h
1
t
D
d
D
tt
b
b
1
r
r
1


h
k
D
ah
D
hh
h
h
a
h
b
h
b
k
a
k
Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
30
Từ những phân tích trên có thể tham khảo cách xác định đờng kính làm
việc (tiếp xúc) của một số lỗ hình thờng gặp (bảng 2.1)
Tên lỗ hình Hình minh hoạ Đờng kính làm việc

Lỗ hình phẳng Lỗ hình hộp

D
tx
= D
tt
- 0,55h 1.
3
2 mh
DD
tttx
+
=2.
b
hhb
DD
tttx
2
2,0.
+
=
h
D
tt
D
tx
h
Đứng
D
tt
D
tx
a
D
tt
D
tx
d
D
tt
D
tx
h
D
tx
h
Bằng
D
tt
h
D

D
tx
b
F
F
Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
31

2.1.6. Bố trí lỗ hình trên trục cán
a. Kích thớc trục cán và đờng cán
Để bố trí đợc lỗ hình trên trục cán phải xuất phát từ các kích thớc cơ bản
của trục cán.
Đờng kính trục cán D
tt
của máy cán là khoảng cách giữa 2 đờng tâm của
trục cán trên và dới ở vị trí bình thờng khi cán.

2
DD
D
DT
tt
+
=

Khi 2 trục tiếp xúc nhau hoàn toàn
không có khe hở ta có đờng kính ban
đầu của trục cán:
D

trí lỗ hình trên trục cán thì trục đối xứng nằm ngang của lỗ hình (đờng trung
tuyến) luôn trùng với đờng cán. Trong thực tế nhằm ổn định phôi lúc ra khỏi lỗ
hình đi theo một hớng, ngời ta sử dụng sử chênh lệch đờng kính ban đầu của 2
trục cán. Nếu D
T
> D
D
: ta gọi là có áp lực trên (phôi luôn cong xuống dới lúc ra
khỏi lỗ hình, nếu D
T
< D
D
ta gọi là có áp lực dới. áp lực trên D
T
và áp lực dới
D
T
đợc biểu thị:
D
T
= D
T
- D
D
; D
D
= D
D
- D
T

D
DDTBDTTTBT

+=

+=

Vì D
TTB
= D
DTB
cho nên biểu thức trên có thể viết:
D
T
- D
D
= D
T

Trong trờng hợp sử dụng áp lực dới thì đờng cán sẽ nằm ở vị trí cao hơn
h
t
D
Ttx
D
T
D
tt
D
D

T

=

+=

với D là khoảng cách giữa 2 đờng tâm trục, chính là đờng kính của trục cán.
b. Sắp xếp và bố trí lỗ hình trên giá cán 3 trục
Giá cán 3 trục thờng gặp nhiều ở máy cán hình bố trí hàng, nó làm nhiệm
vụ cán phá, cán thô. Hệ lỗ hình thờng dùng ở các giá này là hệ lỗ hình hộp chữ
nhật - vuông hoặc thoi - vuông tùy theo kích thớc phôi.
Bố trí lỗ hình trên giá 3 trục có hai cách: xen kẽ và lên xuống.

* Bố trí xen kẽ:
Theo cách bố trí này thì trên một chiều dài của trục cán chỉ xếp đợc ít lỗ
hình. Nhng nếu dùng một bộ trục cán 4 trục: một trục trên, một trục dới và hai
trục giữa để phối lỗ hình thì vãn có thể tiết kiệm đợc trục cán. Bố trí xen kẽ thì
thiết kế lỗ hình sẽ đơn giản.

* Bố trí lên xuống:
Trong cách bố trí này thì trục giữa đợc dùng chung cho trục trên và trục
dới, do đó bố trí đợc nhiều lỗ hình, quá trình lật thép đợc thực hiện ở lỗ hình
dới. Sử dụng cách bố trí lên xuống thì khi thiết kế lỗ hình sẽ phức tạp hơn.


33
Nếu hệ số giãn dài sau một lần cán là:

à==
L
l
f
F
1

Nếu quá trình cán phải qua nhiều lần (n) cán, để có đợc sản phẩm cuối cùng
thì hệ số giãn dài à gọi là tổng lợng biến dạng
n
f
F
=à

qua mỗi lần biến dạng,
diện tích tiết diện lần lợt giảm dần và ta lần lợt có các hệ số giãn dài tơng ứng:

n
1n
n
2
1
2
1
1
f
F


Lấy giá trị trung bình cho lợng giãn dài ta có:

n
TB
n
TB
n
hoặc
f
F

à=àà==à

Trị số hệ số giãn dài trung bình là một đại lợng đặc trng cho cờng độ biến
dạng, mức sử dụng phụ tải của thiết bị, sự tiêu hao năng lợng của từng giá cán,
đồng thời nó có mối liên hệ với các thông số công nghệ khác v.v.. Các hệ số giãn
dài từng phần (à
1
, à
2
, à
3
..) phụ thuộc vào nhiều yếu tố chủ yếu là lực ép, lợng giãn
rộng, nhiệt độ, tính chất thành phần hóa học của vật cán, trạng thái bề mặt trục cán,
ma sát...
Quá trình thiết kế lỗ hình thông thờng xuất phát từ điều kiện công nghệ
nh: vật liệu và kích thớc cho trớc (phôi và sản phẩm cần có). Vì vậy, chúng ta có
thể tìm đợc số lần biến dạng từng phần n:



R
h
hoặc
h.R.R

=


Giáo trình: Công nghệ cán và thiết kế lỗ hình trục cán
Trờng Đại học Bách khoa Đà nẵng - 2005
34
Từ hình ta có:

D
h
1cos

=

hoặc h
max
= D(1 - cos)
với, h: lợng biến dạng
Vì góc ăn kim loại cực đại
max

xuất phát từ điều kiện ma sát trên bề mặt
tiếp xúc:


f1
1
1Dh

Để xác định sơ bộ lợng ép cực đại
có thể dùng các biểu thức đơn giản hơn
h
max
=
2
max
.R = R.f
2

Giá trị góc ăn kim loại tuỳ theo máy cán có thể tham khảo theo bảng 2.2
Bảng 2.2 Góc ăn của kim loại khi cán thép
Điều kiện cán và vật liệu trục cán
Góc ăn kim loại (độ) h/D
K
Cán nguội thép và thép hợp kim không nén
trục sau khi ăn kim loại:
Có dung dịch bôi trơn
Không có dung dịch bôi trơn
Cán nóng:
Thép tấm
Thép hình
Thép hình trên trục có hàn vết
Cán nóng kim loại màu:
Nhôm 350
0

ữ
22
21
ữ
24
22
27 1/700
ữ
1/400
1/250
ữ
1/100

1/20
ữ
1/15
1/15
ữ
1/12
1/9
ữ
1/6

1/16
ữ
1/15
1/15

d Xác định lợng ép à ở những lần cán đầu tiên theo góc ăn cho phép, các
lần cán sau phải xem xét theo độ bền trục, công suất động cơ, chất lợng sản phẩm.
e Xác định lợng ép ở lỗ hình tinh và trớc tinh theo điều kiện biến dạng
trong lỗ hình để đạt đợc độ chính xác của sản phẩm và điều kiện mài mòn lỗ hình.
Cụ thể nh sau:
- Với lỗ hình tinh: à = 1,1 ữ 1,2
- Với lỗ hình trớc tinh: à = 1,25 ữ 1,35
f Xác định kích thớc phôi ban đầu trên cơ sở dung sai âm cho phép và
xác định nh sau:
- Kích thớc phôi ở trạng thái nguội a
ng
:
a
ng
= a - /2
- Kích thớc phôi ở trạng thái nóng a
n
:
a
n
= (a - /2).(1,012 ữ 1,015) (mm)
g Thiết kế lỗ hình trục cán phải xuất phát từ kích thớc sản phẩm. Kích
thớc lỗ hình sẽ là kích thớc sản phẩm theo tiêu chuẩn có xét đến hệ số nở nóng
của thép. Ví dụ với thép tròn có đờng kính d

, phụ thuộc vào dung sai kích thớc
để tính kích thớc sản phẩm d
n
ở trạng thái nóng.
h Tính toán lợng giãn rộng b trong lỗ hình phải chính xác. Khoảng trống