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 обжимно-
заготовочных 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 (одно-
слойными, 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 трех-
валковых 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
′

 

Рис. 2. Виды калибров:  

а – ящичный; б – квадратный; в – ромбический; г – овальный; д – овальный двухрадиусный; е – плоский овал; 

 ж – шестиугольный; з – ребровой овальный; и – круглый 

Овальные калибры. В калибровках валков применяют овалы, 

построенные одним (однорадиусные) (см. рис. 2, г) или двумя радиусами (
двухрадиусные) (см. рис 2, д). Ширину однорадиусного 
овала определяют по формуле 

(
)
(
)
2
к
к
к
2
4,
b
h
S r
h
S
=
−
−
−
 

где 
(
)
(
)

2
2
к
к

к
.
4

b
h
S
r
h
S

+
−
=
−
 

Построение двухрадиусного овала показано на рис. 2, д. Его 
применяют в основном в качестве предчистового калибра для 
крупных круглых профилей с целью приблизить форму овала к 
кругу, а также уменьшить величину притупления m овала при заданной 
ширине овальной полосы 

(
)

2
2
2
2
æ / 4 ,
m
h
r
r
b
=
−
−
−
 

где æ – заполнение овала. 
В практике используют также калибры, сечение которых представляет 
собой плоский овал (см. рис. 2, е). Профили, прокатанные 
в таких калибрах, легче удерживать в простых проводках и роликовых 
коробках, хотя качество поверхности этих профилей хуже, 
чем при использовании обычных овальных калибров. 
Шестиугольные калибры (см. рис. 2, ж). Острый угол калибра 
β принимают равным 90…75о в зависимости от вытяжки. При конструировании 
калибра необходимо знать следующие соотношения: 

(
)
(
)
0
к
к

к

tg
/ 2 ,

1
/
/
1 tg
.
æ
2

b
b
h
S

b
m h
S y
h

=
−
−
β

β
 
 
=
+
−
 
 
 
 

 

Ребровой овальный калибр (см. рис. 2, з). Существует несколько 
методов построения ребровых овальных калибров. Наиболее 
простой – построение калибра двумя радиусами r и r1 по заданным 
размерам hк и 
кb : 

(
)

1
к

к

0,15
;

0,65…0,70
.

r
b

r
b

=

=
 

Круглые калибры (черновые). Построение круглых калибров 
осуществляется радиусом r (см. рис. 2, и). Чтобы избежать переполнения 
калибра или подреза металла, фаски буртов скругляют 
радиусом, или выполняют калибр с развалом под углом 20…40о по 
прямой, касательной к окружности. 
Размеры и расположение калибров на бочках валков обжимного 
стана [6]. Глубину ручьев Нвр принимают равной 
(0,2…0,3) Нmin при отношении сторон раската Н/В ≤ 1,3 и 
(0,35…0,45) Нmin при Н/В > 1,3 (Нmin – минимальная высота раската 
при прокатке в данном калибре). Если на блюминге прокатывают 
слябы, то первый калибр или заменяют гладкой бочкой, или же 
применяют калибр небольшой глубины (2Нвр = 90…130 мм). Необходимая 
высота калибра устанавливается за счет изменения зазора 
между буртами (S = 10…20 мм) (рис. 3). 

Рис. 3. Построение ящичного калибра 

Ширину калибра принимают равной: по дну ручья Вд = В0 min– 
– (0…10 мм); по буртам Ввр = В1 max + (5…10 мм). Здесь В0 min – минимальная 
ширина раската, задаваемого в калибр; В1 max – максимальная 
ширина раската после прокатки в калибре. При прокатке на блюминге 
слябов ширина калибров по дну Вд = В1 max + (100…150 мм). 
Выпуск в последнем калибре принимают равным tgϕ = 0…0,15,  
а в остальных калибрах tgϕ = 0,2…0,35.