اصول طراحی مراحل نورد (Design Principles of Rolling Stages)

اصول طراحی مراحل نورد  (Design Principles of Rolling Stages) به طور خاص وابسته به طراحی کالیبر نورد است که در نورد مقاطع اهمیت فراوانی دارد. یعنی عبور دادن قطعه کار از میان کالیبری که بین ۲ شیار، روی سطح غلتک های پایین و بالا ساخته شده است در نهایت شکل مقطع مورد نظر را ایجاد می‌کند. 

در شکل شیار ها (کالیبرهای) روی ۲ غلتک نورد را مشاهده می کنید. ۲ شیار در برابر هم یک کالیبر در فضای بین ۲ غلتک بوجود می آورند. این کار موجب می‌شود که سطح مقطع قطعه کار پس از گذر از کالیبر، شکل آن کالیبر را به خود بگیرد. 

اصول کلی طراحی کالیبرها

اصول کلی طراجی کالیبرها بر پایه شکل پروفیل نهایی، اندازه شمشه یا تختال اولیه تعیین می‌شود. معمولا کالیبرها را از کالیبر آخر به سمت کالیبرهای اولیه، ترسیم و طراحی می‌کنند. برای طراحی هر کالیبر، ابتدا یک محور به عنوان خط گام در صفحه کالیبر و موازی محور غلتک‌های نورد در نظر گرفته می‌شود. جایگاه خط گام به گونه‌ای است که از مرکز ثقل کالیبر گذر می‌کند. در طراحی یک کالیبر کوشش می‌شود که این خط گام درست در میانه راه ۲ محور غلتک های بالا و پایین قرار گیرد، هر چند اینکار لازم نیست. آشکار است که در طراحی کالیبر، مسئله‌های مربوط به طراحی قالب باید به دقت رعایت شود. 

طراحی مراحل نورد، باید از یک سری اصول کلی که در ادامه به آن اشاره می‌شود، پیروی کند تا فرایند نورد به خوبی انجام پذیرد. این اصول عبارتند از:

• شکل دهی قطعه کار تا مراحل پایانی از روش وارد کردن کاهش در سطح مقطع مناسب، پهن کردن و خم کردن شمشه اولیه بدست آید.
• کاهش در سطح مقطع کل شمشه، به گونه ای مناسب بین همه مراحل نورد توزیع شود و مرحله پایانی نورد، به‌عنوان مرحله اندازه سازی در نظر گرفته شود.

اهمیت سیلان فلز در کالیبرها

سیلان فلز در هر کالیبر بگونه‌ای باشد که همه وجه ها و بخش‌های کالیبر بصورت مناسب و یکنواخت تغییر شکل یابند. وضعیت ورود قطعه کار به فضای بین ۲ غلتک در ۲ مرحله پیاپی یک جور و همسو نباشد. این کار موجب پیدایش باله در کناره‌های قطعه کار می‌شود. بنابراین در صورت لزوم ورود به مرحله بعدی همراه با چرخش ۹۰ درجه ای قطعه کار باشد، تا از پیدایش باله جلوگیری شود.

محدودیت‌های طراحی شیارهای عمیق

از ماشین کاری و تراشکاری شیارهای عمیق روی سطح غلتک ها که سبب ضعیف شدن مقاومت غلتک می شود پرهیز شود. از نقطه نظر طراحی، ژرفای شیار یک کالیبر نباید از قطر تئوری غلتک بزرگتر باشد. شکل دهی در کالیبر به‌گونه‌ای باشد که تا آنجا که ممکن است، فشارهای پهلویی به دیواره های کالیبر کوچک باشند.

اصول طراحی ابعاد و مساحت کالیبرها

ابعاد و مساحت قاعده کالیبر، دقیقا محاسبه شود. ابعاد سطح مقطع ورودی قطعه کار نباید در همه راستاها از ابعاد کالیبر بزرگتر باشد، مگر در کالیبرهای قطری که قطر کالیبر با راستای افق، زاویه می سازد.

از آنجا که انتقال حرارت در بخش های نازکتر سطح مقطع قطعه کار بیشتر از بخش های ضخیم تر آن است، بنابراین بخش های نازک تر سریعتر خنک می‌شوند و سبب ناهمگونی دما و در نتیجه ناهمگونی رفتار و سیلان ماده می‌شود.از این‌رو، ایجاد و شکل دهی بخش های نازک سطح مقطع قطعه کار باید در کالیبرهای پایانی نورد انجام گیرد.

اثر انبساط و انقباض حرارتی در طراحی کالیبر

قطعه کار پس از عبور از آخرین کالیبر و یا آخرین مرحله نورد، در اثر سرد شدن منقبض می شود و ابعاد آن اندکی تغییر خواهد کرد. بنابراین برای دست یابی به ابعاد راستین فراورده، لازم است پدیده انبساط حرارتی فلز در ابعاد آخرین کالیبر شکل دهنده، منظور شده باشد. ضریب انبساط حرارتی خطی با رابطه ساده مشخص می‌شود. 

 یعنی دمای قطعه کار در محدوده ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد است. بنابراین ضریب انبساط حرارتی بالا برای فولادها بین ۱٫۰۱ تا ۱٫۰۱۵ می باشد. افزون بر این، انقباض حرارتی در اندازه زاویه گوشه های قطعه کار نیز اثر می گذارد. برای نمونه، برای داشتن یک پروفیل گوشه دار ۹۰ درجه ای در دمای اتاق، لازم است زاویه گوشه مربوطه در کالیبر شکل دهنده نزدیک به ۹۰٫۵ درجه، طراحی شده باشد.

مشکلات خروج قطعه کار از کالیبرهای عمیق

شکل دهی قطعه کار در کالیبری که شیار روی یکی از غلتک های آن ژرف باشد، باعث اختلاف سرعت بین بخش های ماده موجود در ته شیار، نسبت به بخش های ماده موجود در بالای شیار می شود. این بدلیل غیر یکسان بودن شعاع غلتک برای این دو بخش از ماده است. این کار سبب می شود که خروج قطعه کار از درون کالیبر با دشواری روبرو شود، بنابراین تا آنجا که ممکن است باید از طراحی کالیبرهایی با عمق زیاد پرهیز شود.

 در غیر این‌صورت این دشواری را باید بوسیله بکارگیری غلتک‌هایی با قطرهای متفاوت حل کرد و یا اینکه جایگاه مرکز ثقل کالیبررا نسبت به خط گام کمی بالا و یا پایین تر در نظر گرفت. این بدان معناست که به گونه‌ای مصنوعی خروج قطعه کار از کالیبر، همراه با کجروی به سوی بالا و یا پایین باشد. راه حل دیگر برای مشکل بالا اینست که طراحی کالیبر به گونه ای انجام شود که آن بخش از ماده داخل کالیبر که در شعاع های بزرگتر غلتک قرار دارد، به گونه ای نسبی دچار تغییر شکل کمتری شود. این کار موجب کمتر شدن کشیدگی این بخش از ماده می شود و سرعت آن با دیگر بخش های موجود در کالیبر هماهنگ می شود.

هماهنگی کاهش ضخامت در سطح مقطع

 تا آنجا که ممکن است کاهش ضخامت در همه قسمت های سطح مقطع قطعه کار هماهنگ و یکنواخت باشد. در غیر اینصورت قطعه کار ممکن است پاره شود و یا اینکه دست کم خروج قطعه کار از درون کالیبر مستقیم نباشد. پیش از طراحی یک کالیبر باید از رفتار و چگونگی سیلان فلز در کالیبر اطمینان کامل داشت. به این معنا که ماده همه گوشه ها و زاویه های کالیبر را پر کند.

بهینه‌سازی طراحی برای افزایش راندمان تولید

 بالاخره اینکه طراحی مراحل نورد در تولید یک فراورده ویژه بصورتی باشد که راندمان و سرعت تولید بیشترین شود. در شکل زیر روند تولید و مراحل مختلف عبور یک شمش از کالیبر های مختلف برای تولید مقطع بیم (H) شکل را نشان می‍‍دهد.

آماده‌سازی شابلون و تراشکاری غلتک‌ها

در عمل و در کارخانه های نورد مقاطع، برای تولید یک فراورده ویژه پس از طراحی شکل و اندازه کالیبرها و مشخص کردن مراحل و برنامه نورد، ا زهر کالیبر یک مدل بصورت شاولون آماده می شود. اندازه شاولون کالیبر مرحله نهایی نورد، به دلیل گرم بودن قطعه کار نزدیک به ۰٫۵ تا ۱ درصد از اندازه راستین قطعه کار در دمای اتاق، به منظور جبران انقباض حرارتی، بزرگتر در نظر گرفته می‌شود. به کمک شاولون،غلتک های خام بوسیله ماشین و ابزارهای تراش، براده برداری شده و شیارها در جایگاه های از پیش تعیین شده، روی سطح غلتک ها ایجاد می‌شوند. برای براده برداری غلتک ها و ایجاد شیارها به امکانات و ماشین آلات مناسب نیاز است. شکل، توزیع و جایگاه کالیبرها در فضای بین غلتک ها خود مستلزم رعایت یک سری اصول فنی و طراحی است که مجموعه ای از مسئله های مختلف، غیر از اصولی که در بالا گفته شد را دربر می‌گیرد. 

ضرورت دانش فنی و تجربه صنعتی در طراحی نورد

برای یک طراحی دقیق و بدست آوردن یک فرایند نورد موفقیت آمیز، دانش فنی و تجربه صنعتی ویژه ای لازم است تا همه نکته ها و مسئله های فرایند، بدرستی طراحی شوند. خط تولید نورد زیر مراحل مختلف عبور ورق از کالیبرهای مختلف برای رسیدن به سطح مقطع مورد نظر در مقطع ۵ را نشان می دهد. همانطورکه قابل مشاهده است طراحی کالیبرهای نورد مختلف تا رسیدن به شکل نهایی انجام شده است. در اینجا از غلتک‌های جانبی نیز برای شکل دادن به لبه‌های پروفیل استفاده شده است.