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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Maschine für das Auswalzen von Metallplattenmaterial bzw.
-blech, Profilstahl, Stangenstahl usw. aus Stahl,
Aluminium und dgl. mit einem verringerten
Reibungskoeffizienten bzw. -beiwert.
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Für das Auswalzen eines Blechbands aus Stahl,
Aluminium o.dgl. wird derzeit beispielsweise zum Warmwalzen
ein Warmbandwalzwerk oder zum Kaltwalzen ein
Tandemkaltwalzwerk eingesetzt. Bei solchen Walzwerken wird das
Platten- oder Blechband dünn ausgewalzt, indem es
zwischen einem Paar oberer und unterer Arbeitswalzen
hindurchgeleitet wird. Zur Herabsetzung der beim
Walzvorgang zwischen der Arbeitswalze und dem Blechband
auftretenden Reibung wurde bisher ein Fluid, wie ein
Walzschmiermittel, auf die Oberfläche der Arbeitswalze aufgebracht,
um die an der plastischen Verformung beteiligte Belastung
zu verringern. Das Schmiermittel vermag dabei die
Entstehung von Abrieb an der Arbeitswalze und von Rissen in
der Oberfläche eines auszuwalzenden Werkstücks wirksam zu
verhindern.
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Beim Warmwalzen erreicht jedoch die Temperatur des
Blechbands etwa 900 - 1200ºC, während dabei das der
Arbeitswalze zugespeiste Walzschmiermittel seine
Schmierfähigkeit verliert, weil es im allgemeinen bei
Temperaturen über 200ºC (ver)brennt. Demzufolge übt das an einem
Teil der Arbeitswalze haftende Walzschmiermittel nur eine
geringe Schmierwirkung aus, so daß sich der Abrieb bzw.
die Abnutzung der Walze erhöht. Mit erhöhtem Abrieb der
Walze steigt auch der Reibungsbeiwert zwischen dem
Blechband und der Walze an; infolgedessen muß zur
Aufrechterhaltung des Reduktionsverhältnisses des Blechbands eine
große Walzbelastung ausgeübt werden.
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Beim herkömmlichen Warmwalzprozeß ist zwischen der
Arbeitswalze und dem Blechband kein Fluid (keine
Flüssigkeit) sondern Luft vorhanden; die Luft kann aufgrund
ihrer Kompressibilität nicht als Grenzflächenfilm wirken,
und es kann daher angenommen werden, daß jeder
Oberflächenbereich des Blechbands in einen
Grenzflächenreibungszustand gelangt, in welchem eine Metall-Metall-Berührung
vorherrscht. Der Reibungsbeiwert zwischen der
Arbeitswalze und dem Blechband erreicht daher 0,2 oder mehr
(u ≥ 0,2); dies hat zur Folge, daß sich die
Walzbelastung erhöht, die Walzenoberfläche rauh wird, die Walze
sich abnutzt usw.
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Als Ergebnis erhält das ausgewalzte Blechband
Oberflächenunregelmäßigkeiten in der Breiten- bzw.
Querrichtung, wie örtliche Erhebungen oder erhabene
Walz(en)narben, eine fehlerhafte Form und ein Zickzackmuster.
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Um beim Kaltwalzen das Reduktionsverhältnis zu
erhöhen, wird der Druck im Berührungsbogenbereich zwischen
dem Blechband und der Arbeitswalze zum Auswalzen
desselben sehr hoch eingestellt. Das Walzschmiermittel kann
mithin nicht ausreichend in den Berührungsbogenbereich
der Walze eindringen, so daß es nur eine mangelhafte
Schmierwirkung entfaltet.
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Die DE-C-635220 offenbart ein Verfahren nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 zum mechanischen oder chemischen
Vorbehandeln eines Werkstücks zwecks Erzielung einer
angerauhten Oberfläche. Sodann wird das Werkstück mit einer
feste und/oder organische Verbindungen enthaltenden
Flüssigkeit überzogen bzw. beschichtet. Nach einer
Trocknungszeit von etwa 15 min bedeckt ein
verfestigter Überzug das Werkstück. Die in der Flüssigkeit
enthaltenen Verbindungen oder Teilchen sollen dabei in die
rauhe Oberfläche des Werkstücks eindringen und eine
innige Berührung mit der Oberfläche herstellen, so daß
sie nicht zu leicht abgestreift werden können. Nach
diesem Beschichten wird das Werkstück kaltgewalzt.
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Die US-A-1 490 944 offenbart ein Warmwalzwerk nach
dem Oberbegriff von Anspruch 2 mit einer Vorwalz- und
einer Glättwalzsektion. In der ersten Station werden in
der Oberfläche des Werkstücks Taschen geformt, wobei das
Werkstück unterhalb der die Taschen formenden Walze mit
Wasser gewaschen wird.
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Im Hinblick auf die geschilderten Gegebenheiten
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
Schaffung eines Walzverfahrens gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 und einer Walzmaschine, mit denen der Abrieb
oder die Abnutzung der Walzen eines Walzwerks verringert,
die Walzbelastung herabgesetzt, das Reduktionsverhältnis
auf der gleichen Größe wie beim Stand der Technik gehalten
und das Walzwerk kompakt ausgebildet werden können.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe ist das erwähnte
Walzverfahren durch die Schritte gemäß Anspruch 1
gekennzeichnet.
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Im Betrieb werden durch die an der Einlaufseite des
Walzwerks vorgesehene Vertiefungsprägeeinheit zahlreiche
Vertiefungen in der Oberfläche eines auszuwalzenden
Werkstücks geformt. Beim Auswalzen des Werkstücks durch
das Walzwerk wird dann ein(e) Schmierfluid oder
-flüssigkeit in den Vertiefungen zurückgehalten und
eingeschlossen; wenn sodann das Werkstück unter Druck gesetzt wird,
wird die so eingeschlossene Schmierflüssigkeit unter
Bildung eines Grenzflächenfilms dünn ausgebreitet bzw.
verteilt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Vertiefungen
im Laufe des Auswalzens des Werkstücks verschwinden und
die Oberfläche des Werkstücks nach dem Auswalzen glatt
wird oder ist.
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer Walzmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Darstellung eines wesentlichen Teils dieser
Ausführungsform,
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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer
Klemmwalze mit Vorsprüngen bei dieser
Ausführungsform,
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Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Platten-
oder Blechbands mit darin geformten
Vertiefungen und
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Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen der Walzbelastung und dem
Reduktionsverhältnis.
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Im folgenden ist die vorliegende Erfindung im
einzelnen beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer
Walzmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 zeigt in vergrößertem
Maßstab einen wesentlichen Teil der Walzmaschine. Gemäß
diesen Zeichnungen umfaßt die Walzmaschine 10 ein
Walzwerk 11 zum Auswalzen eines Platten- oder Blechbands M
sowie eine Vertiefungseindrück- oder -prägeeinheit 13
zur Ausbildung von Vertiefungen 12 in beiden Seiten des
Blechbands M an der Einlaufseite des Walzwerks 11.
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Das Walzwerk 11 umfaßt obere und untere
Arbeitswalzen 14 bzw. 15 zum Auswalzen des Blechbands M sowie
in Berührung mit den oberen und unteren Arbeitswalzen 14
bzw. 15 rotierende Stützwalzen 16 bzw. 17 zum Aufnehmen
der Gegenwirkkraft der ersteren; diese einzelnen Walzen
sind in einem Gerüst 18 drehbar gelagert.
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An der Einlaufseite des Blechbands M in bezug auf die
Arbeitswalzen 14 und 15 sind Düsen 19 und 20 zum
Aufsprühen eines (einer) Schmierfluids oder -flüssigkeit L auf
die einzelnen bzw. jeweiligen Berührungsbereiche des
Blechbands M mit den Arbeitswalzen 14 und 15 vorgesehen.
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Die an der Stromauf- bzw. Einlaufseite des Walzwerks 11
angeordnete Vertiefungsprägeeinheit 13 enthält zwei mit
Erhebungen bzw. Vorsprüngen versehene Klemmwalzen 22 und
23, die jeweils gemäß Fig. 3 eine große Zahl von
Vorsprüngen 21 aufweisen. Diese Klemmwalzen sind in einem Gerüst
24 drehbar gelagert und dienen zum Verklemmen des
zugeführten Blechbands M.
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Es ist zu beachten, daß die Krümmung (je)der durch
(je)den Vorsprung 21 geformten Vertiefung 12 größer
gewählt ist als die der Arbeitswalze 14; die Form der
Vertiefung 12 kann aber beliebig sein, sofern die
Vertiefung beim Auswalzen vollständig flachgedrückt werden
kann.
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Die Klemmwalzen 22 und 23 verklemmen dabei das
Blechband M (zwischen sich) mit einem so hohen Druck, daß die
(jede) Vertiefung 12 durch den betreffenden Vorsprung 21
mittels plastischer Verformung des zugeführten
Blechbands M geformt werden kann.
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Wenn somit das Blechband M gemäß Fig. 1 nach rechts
transportiert wird, werden zunächst durch die
Vertiefungsprägeeinheit 13 zahlreiche Vertiefungen 12 gemäß
Fig. 4 in beiden Seiten des Blechbands M geformt. Wenn
hierauf das mit den Vertiefungen 12 versehene Blechband
M dem Walzwerk 11 zugeführt wird, wird die auf die
Berührungsbereiche zwischen den Arbeitswalzen 14 und 15 und
dem Blechband M aufgesprühte Flüssigkeit L in den
Vertiefungen 12 zurückgehalten, bevor das Band von den
Berührungsbogenbereichen α der Arbeitswalzen 14 und 15
erfaßt wird. Beim Auswalzen des Blechbands M wird dann
die in den Vertiefungen 12 befindliche
Schmierflüssigkeit L vorübergehend in den Vertiefungen 12
eingeschlossen, weil sich die Oberflächen der Arbeitswalzen 14 und
15 an die Öffnungsränder der Vertiefungen 12 anlegen.
Die an den Oberflächen der Arbeitswalzen 14 und 15
haftende Flüssigkeit wird andererseits bei der Drehung der
Arbeitswalzen 14 und 15 in die Vertiefungen 12
eingeführt. Im Laufe des Auswalzvorgangs bildet hierauf die
in den Vertiefungen 12 eingeschlossene Flüssigkeit L
einen Grenzflächenfilm über die Berührungsbereiche
zwischen den Arbeitswalzen 14 und 15 und dem Blechband M,
weil die Vertiefungen 12 im Berührungsbogenbereich
allmählich oder fortlaufend in einen dünnen und flachen
Zustand aufgeweitet werden. Da aufgrund der Entstehung
des Grenzflächenfilms die Flüssigkeit L beim Auswalzen
des Blechbands M im Gegensatz zum Stand der Technik
weitgehend im Berührungsbogenbereich verbleibt, wird Abrieb
oder Abnutzung der Walze(n) verringert.
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Aufgrund der Ausbildung einer großen Zahl von
Vertiefungen 12 im Blechband M ist die aufgesprühte Menge an
Flüssigkeit L ausreichend, wenn sie in genügender Menge
in den Vertiefungen 12 eingeschlossen ist oder wird; der
Flüssigkeitsverbrauch kann daher im Vergleich zum Stand
der Technik erheblich gesenkt werden.
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Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die
mit Vorsprüngen versehenen Klemmwalzen 22 und 23 für die
Ausbildung der Vertiefungen 12 benutzt werden, wobei die
plastische Verformung durch Auswalzen erreicht wird,
können die Vertiefungen 12 (auch) durch Pressen oder spanende
Bearbeitung geformt werden.
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Unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Senkung
des Beiwerts oder Koeffizienten der Reibung zwischen der
Arbeitswalze und dem Blechband läßt sich eine allgemeine
Formel der Reibungsscherbeanspruchung τ wie folgt angeben:
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τ =aτb + (1 - a) τf
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Darin bedeuten: τb (= uP) = Grenzflächenreibungszone;
τf (=η δu/δh) = Fluid- bzw. Flüssigkeitsreibungszone;
u = Koeffizient (Beiwert) der Grenzflächenreibung;
P = Lagerdruck der Walze; η = Viskosität der Flüssigkeit;
u = Geschwindigkeit der Flüssigkeit; h = Dicke der
Flüssigkeit; und a = Flächenverhältnis der
Grenzflächenreibungszone.
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Im allgemeinen gilt u = 0,2 - 0,5 und τb τf.
Demzufolge kann die Reibungsscherbeanspruchung τ
herabgesetzt werden, wenn das Flächenverhältnis a verkleinert
wird.
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Um das Flächenverhältnis a zu verkleinern, werden
gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Auswalzen
zahlreiche Vertiefungen 12 in der Oberfläche des Blechbands
M ausgebildet; das Auswalzen erfolgt, während die
Flüssigkeit L in den Vertiefungen 12 eingeschlossen ist. Der
Wert des Flächenverhältnisses a kann mithin durch
Einschließen der Flüssigkeit L in den im Blechband M
ausgebildeten Vertiefungen 12 beliebig oder wahlfrei eingestellt
werden.
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Im Vergleich zum Stand der Technik kann ferner der
Flüssigkeits-Schmiereffekt dadurch verbessert werden,
daß lediglich eine kleine Menge der Flüssigkeit L in
den Vertiefungen 12 eingeschlossen wird.
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Als Schmierflüssigkeit wird gemäß der vorliegenden
Erfindung Wasser benutzt.
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Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der
vorliegenden Erfindung der Reibungsbeiwert beim Kaltwalzen des
Platten- oder Blechbands M reduziert werden.
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Im folgenden ist ein zur Belegung der Wirksamkeit
der vorliegenden Erfindung durchgeführter Versuch
beschrieben.
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Bei diesem Versuch bestand das Blechband aus einem
10 mm dicken Al-Blech, das bei Raumtemperatur mittels
eines Walzwerks mit Arbeitswalzen von 200 mm
Durchmesser ausgewalzt wurde.
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Als Schmiermittel wurde Wasser benutzt. Das Al-Blech
wurde maschinell bzw. spanend bearbeitet, um
Vertiefungen von 3 mm Durchmesser in Abständen von 3 mm
auszubilden.
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Als Vergleichs- oder Bezugswerkstück wurde ein Al-
Blech ohne Vertiefung(en) auf ähnliche Weise dem
Versuch unterworfen.
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Fig. 5 veranschaulicht das Versuchsergebnis. Gemäß
Fig. 5 war die Walzbelastung erfindungsgemäß im Vergleich
zum Bezugswerkstück ohne Vertiefung(en) um etwa 20 - 40%
reduziert, wodurch die Wirksamkeit der vorliegenden
Erfindung belegt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mithin die
Walzbelastung im Vergleich zum Stand der Technik erheblich
verringert werden. Infolgedessen können die einzelnen
Bauteile des Walzwerks, wie Stützwalzen und Gerüst zum
Lagern der Arbeitswalzen, kompakt ausgebildet werden,
so daß das Walzwerk als solches kostensparend gebaut
werden kann.
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Wie vorstehend anhand der Ausführungsform und des
Versuchs im einzelnen beschrieben, ermöglicht die
vorliegende Erfindung die Verkleinerung des Reibungsbeiwerts
des Werkstücks beim Auswalzen desselben und die
Einhaltung eines großen Reduktionsverhältnisses auch dann, wenn
die Walzbelastung sehr niedrig gehalten wird. Ferner
werden Oberflächenrauhigkeit und Abrieb bzw. Abnutzung
der Arbeitswalze verringert; die Flüssigkeit (das Fluid)
wirkt effektiv als adiabatisches Mittel, und die
Wärmebeständigkeit der Walze ist oder wird verbessert. Darüber
hinaus kann bei reduzierter Walzbelastung das Walzwerk
kompakt gebaut sein.