Công nghệ cán lăn: Công nghệ làm phẳng chính xác trong chế biến thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cán phẳng là một kỹ thuật gia công kim loại giúp loại bỏ các biến dạng không mong muốn và ứng suất bên trong trong tấm kim loại bằng cách đưa vật liệu qua một loạt các con lăn lệch được định vị chính xác. Quá trình cơ học này tạo ra biến dạng dẻo được kiểm soát trên toàn bộ chiều rộng và chiều dài của tấm, tạo ra một sản phẩm phẳng có các đặc tính cơ học đồng nhất.

Việc san phẳng bằng con lăn có tầm quan trọng đặc biệt trong quá trình gia công vật liệu vì nó đảm bảo độ ổn định về kích thước và độ phẳng của các tấm và tấm kim loại, ảnh hưởng trực tiếp đến các quy trình sản xuất tiếp theo như tạo hình, hàn và lắp ráp. Nếu không san phẳng đúng cách, ứng suất dư có thể gây ra hiện tượng cong vênh không thể đoán trước trong các hoạt động tiếp theo.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, cán phẳng con lăn là một quy trình làm việc nguội thiết yếu, kết nối sản xuất chính (đúc, cán nóng) và chế tạo thứ cấp. Nó đóng vai trò là bước kiểm soát chất lượng quan trọng đảm bảo hành vi vật liệu nhất quán bằng cách trung hòa các tác động của quá trình làm mát không đều, biến dạng không đồng đều và các biến số xử lý khác vốn có trong sản xuất thép.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, san phẳng bằng con lăn hoạt động bằng cách tạo ra biến dạng dẻo có kiểm soát, phân phối lại ứng suất dư trong kim loại. Khi tấm kim loại đi qua các con lăn lệch, ứng suất kéo và nén xen kẽ được áp dụng cho cả hai bề mặt, tạo ra một lượng nhỏ ứng suất dẻo trên toàn bộ độ dày của vật liệu.

Hành động uốn cong và duỗi thẳng lặp đi lặp lại này khiến các sai lệch trong cấu trúc tinh thể di chuyển và phân phối lại. Quá trình này định hướng lại các hạt và sửa đổi mật độ sai lệch trên toàn bộ tấm, vô hiệu hóa các trạng thái ứng suất không đồng đều gây ra cong vênh hoặc vênh.

Mức độ biến dạng dẻo được kiểm soát cẩn thận để vượt quá điểm giới hạn chảy của vật liệu nhưng vẫn ở mức thấp hơn mức có thể gây ra hiện tượng cứng hóa khi làm việc hoặc hư hỏng bề mặt. Điều này tạo ra sự phân bố ứng suất đồng đều hơn trên toàn bộ thể tích của tấm.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính cho quá trình san phẳng con lăn là lý thuyết uốn đàn hồi-dẻo, mô tả cách kim loại biến dạng khi chịu các mô men uốn xen kẽ. Mô hình này giải thích cho sự chuyển đổi từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo khi vật liệu đi qua các con lăn liên tiếp.

Hiểu biết lịch sử về phương pháp san lấp bằng con lăn đã phát triển từ các hoạt động thực nghiệm tại xưởng vào đầu thế kỷ 20 thành các mô hình toán học phức tạp vào những năm 1960 và 1970. Các nhà nghiên cứu như Roberts và Bland đã phát triển các phương pháp phân tích toàn diện đầu tiên về phương pháp san lấp bằng con lăn.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm các mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) mô phỏng các trạng thái ứng suất ba chiều phức tạp trong quá trình san lấp và các mô hình cấu thành kết hợp quá trình làm cứng biến dạng, hiệu ứng Bauschinger và phục hồi đàn hồi. Các mô hình tiên tiến này cho phép kiểm soát chính xác hơn vị trí con lăn và ứng dụng lực.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình san phẳng bằng con lăn tương tác trực tiếp với cấu trúc tinh thể của vật liệu bằng cách tạo ra biến dạng dẻo có kiểm soát. Trong thép, quá trình này ảnh hưởng đến sự sắp xếp của ferit, perlit và các pha khác, tạm thời thay đổi ranh giới hạt và mật độ sai lệch.

Hiệu quả của việc san phẳng bằng con lăn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc vi mô của vật liệu. Thép hạt mịn thường phản ứng tốt hơn với quá trình san phẳng so với các biến thể hạt thô, trong khi các vật liệu có tính không đồng nhất pha đáng kể có thể yêu cầu các thông số san phẳng mạnh hơn.

Quá trình này kết nối với các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản bao gồm tiêu chuẩn về độ bền, độ cứng khi làm việc, phục hồi đàn hồi (độ đàn hồi trở lại) và phân phối ứng suất dư. Các nguyên tắc này chi phối cách vật liệu phản ứng với ứng suất được áp dụng và xác định độ phẳng cuối cùng có thể đạt được.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Thông số cơ bản trong quá trình san phẳng bằng con lăn là độ biến dạng dẻo gây ra trong vật liệu, được thể hiện như sau:

$$\varepsilon_p = \frac{t}{2R} - \frac{\sigma_y}{E}$$

Ở đâu:
- $\varepsilon_p$ = biến dạng dẻo
- $t$ = độ dày vật liệu
- $R$ = bán kính con lăn (hoặc bán kính uốn hiệu dụng)
- $\sigma_y$ = giới hạn chảy của vật liệu
- $E$ = mô đun đàn hồi

Công thức tính toán liên quan

Độ sâu thâm nhập (lồng ghép) giữa các con lăn có thể được tính như sau:

$$\delta = 2R - \sqrt{4R^2 - L^2}$$

Ở đâu:
- $\delta$ = độ sâu thâm nhập
- $R$ = bán kính con lăn
- $L$ = khoảng cách giữa các tâm con lăn

Mômen uốn cần thiết để san phẳng có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$M = \frac{\sigma_y \cdot b \cdot t^2}{4}$$

Ở đâu:
- $M$ = mô men uốn
- $\sigma_y$ = cường độ chịu kéo
- $b$ = chiều rộng tờ giấy
- $t$ = độ dày của tấm

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và chính xác nhất đối với các vật liệu đàn hồi hoàn hảo mà không cần phải làm cứng đáng kể.

Các mô hình này có những hạn chế khi áp dụng cho thép cường độ cao có cấu trúc vi mô phức tạp hoặc vật liệu có tính dị hướng rõ rệt từ quá trình xử lý trước đó.

Các phép tính thường giả định điều kiện nhiệt độ phòng; sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng của vật liệu do những thay đổi về giới hạn chảy và mô đun đàn hồi.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM A1030: Tiêu chuẩn thực hành để đo đặc tính độ phẳng của sản phẩm tấm thép - Cung cấp các phương pháp toàn diện để đánh giá độ phẳng của tấm thép đã được san phẳng.

ISO 12780: Thông số kỹ thuật hình học của sản phẩm (GPS) - Độ thẳng - Thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế để đo độ thẳng của các sản phẩm kim loại.

DIN EN 10029: Tấm thép cán nóng dày 3 mm trở lên - Dung sai về kích thước và hình dạng - Chỉ định dung sai độ phẳng được chấp nhận cho các sản phẩm tấm.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Bàn đo độ phẳng sử dụng một loạt cảm biến để phát hiện sự thay đổi độ cao trên bề mặt tấm, tạo ra bản đồ địa hình về độ lệch so với độ phẳng hoàn hảo.

Hệ thống đo quang học sử dụng phương pháp tam giác hóa bằng laser hoặc ánh sáng có cấu trúc để tạo ra bản đồ 3D có độ phân giải cao về đường viền bề mặt mà không cần tiếp xúc vật lý với vật liệu.

Các cơ sở tiên tiến có thể sử dụng các kỹ thuật đo ứng suất như phương pháp nhiễu xạ tia X hoặc siêu âm để đánh giá hiệu quả trung hòa ứng suất sau khi san lấp.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử tiêu chuẩn thường trải dài toàn bộ chiều rộng của tấm đã xử lý với chiều dài ít nhất là 1-2 mét để nắm bắt được cả đặc điểm độ phẳng cục bộ và toàn cục.

Bề mặt phải sạch và không có cặn, dầu hoặc các chất gây ô nhiễm khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

Mẫu vật phải được để ổn định ở nhiệt độ đo (thường là 20°C ± 2°C) trong ít nhất 24 giờ trước khi đánh giá để loại bỏ tác động giãn nở vì nhiệt.

Thông số thử nghiệm

Các phép đo thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng (20°C ± 2°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát để tránh biến dạng nhiệt.

Đối với hệ thống đo lường động, tốc độ di chuyển của tấm được chuẩn hóa (thường là 10-30 m/phút) để đảm bảo thu thập dữ liệu nhất quán.

Độ phân giải đo lường thường được chỉ định là ±0,1mm cho các ứng dụng tiêu chuẩn, với yêu cầu độ chính xác cao đạt tới ±0,01mm.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm việc lập bản đồ độ lệch độ cao trên lưới tọa độ bao phủ bề mặt tấm.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán độ lệch chuẩn của phép đo chiều cao, sự khác biệt giữa đỉnh và đáy và chỉ số độ gợn sóng.

Giá trị độ phẳng cuối cùng thường được biểu thị bằng đơn vị I (hệ Anh) hoặc mm/m (hệ mét), biểu thị độ lệch chiều cao trên một đơn vị chiều dài của vật liệu.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Carbon Thấp	3-8 đơn vị I	Nhiệt độ phòng, chiều rộng đầy đủ	Tiêu chuẩn ASTM A1030
Hợp kim thấp cường độ cao	5-12 đơn vị I	Nhiệt độ phòng, chiều rộng đầy đủ	Tiêu chuẩn ASTM A1030
Thép cường độ cao tiên tiến	8-15 đơn vị I	Nhiệt độ phòng, chiều rộng đầy đủ	Tiêu chuẩn ASTM A1030
Thép không gỉ	5-10 đơn vị I	Nhiệt độ phòng, chiều rộng đầy đủ	Tiêu chuẩn ASTM A1030

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt về độ dày, lịch sử xử lý trước đó và thành phần hợp kim cụ thể. Các thước đo mỏng hơn thường đạt được giá trị độ phẳng tốt hơn so với vật liệu dày hơn.

Các giá trị này phải được hiểu là độ phẳng có thể đạt được sau khi san lấp tối ưu. Các ứng dụng có yêu cầu về độ phẳng quan trọng có thể cần xử lý bổ sung hoặc các thông số san lấp chuyên biệt.

Một xu hướng rõ ràng cho thấy vật liệu có độ bền cao hơn thường thể hiện giá trị I-unit tối thiểu có thể đạt được cao hơn, phản ánh độ khó tăng lên trong việc biến dạng dẻo các vật liệu này trong quá trình san phẳng.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường chỉ định dung sai độ phẳng dựa trên các yêu cầu xử lý tiếp theo, với các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt hơn đối với quy trình cắt laser, tạo hình chính xác hoặc lắp ráp tự động.

Hệ số an toàn cho thông số kỹ thuật về độ phẳng thường dao động từ 1,5-2,0 lần độ phẳng tối thiểu cần thiết để tính đến các biến thể vật liệu và những thay đổi tiềm ẩn trong quá trình xử lý tiếp theo.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường xem xét đến phản ứng của thép khi san phẳng, trong đó vật liệu dễ bị đàn hồi trở lại hoặc bị cứng khi gia công đòi hỏi các phương pháp san phẳng tinh vi hơn hoặc các phương pháp làm phẳng thay thế.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Sản xuất ô tô đòi hỏi tấm kim loại cực kỳ phẳng cho các tấm thân xe bên ngoài, nơi mà ngay cả những sai lệch nhỏ cũng có thể gây ra các khuyết tật có thể nhìn thấy trên bề mặt sơn hoặc các vấn đề trong quá trình lắp ráp tự động.

Các ứng dụng xây dựng yêu cầu các tấm thép kết cấu phải có độ phẳng đồng đều để đảm bảo lắp ráp chính xác trong quá trình hàn và lắp ráp, ngăn ngừa ứng suất gây ra có thể làm giảm tính toàn vẹn của kết cấu.

Sản xuất thiết bị gia dụng sử dụng tấm cán phẳng cho các bề mặt dễ thấy khi yêu cầu về mặt thẩm mỹ đòi hỏi độ phẳng đồng đều để tránh hiệu ứng đóng hộp dầu và đảm bảo vẻ ngoài đồng nhất.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Việc san phẳng bằng con lăn quá mức có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền của vật liệu do tạo ra hiện tượng cứng hóa, có khả năng khiến các hoạt động tạo hình tiếp theo trở nên khó khăn hơn.

Chất lượng hoàn thiện bề mặt thường không tương xứng với độ phẳng có thể đạt được, vì các thông số san lấp mạnh có thể tạo ra vết lăn hoặc các khuyết tật bề mặt khác.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa yêu cầu về độ phẳng với tốc độ sản xuất và chi phí, vì để đạt được độ phẳng đặc biệt thường đòi hỏi tốc độ xử lý chậm hơn và thiết bị tinh vi hơn.

Phân tích lỗi

Sự cố đàn hồi xảy ra khi ứng suất đàn hồi dư vẫn còn trong vật liệu sau khi san phẳng, khiến vật liệu dần trở về trạng thái không phẳng trong quá trình lưu trữ hoặc sau các hoạt động cắt tiếp theo.

Cơ chế hỏng hóc này tiến triển thông qua sự phân bổ lại ứng suất theo thời gian, thường được tăng tốc bởi rung động, biến động nhiệt độ hoặc giải phóng trạng thái ứng suất cân bằng khi tấm kim loại bị cắt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm uốn cong quá mức trong quá trình san lấp, ủ giảm ứng suất sau khi san lấp hoặc sử dụng các quy trình san lấp kết hợp kéo giãn với san lấp bằng rulo.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng san lấp, thép có hàm lượng carbon cao hơn đòi hỏi lực lăn lớn hơn và nhiều lượt cán hơn để đạt được độ phẳng tương đương.

Các nguyên tố còn sót lại như phốt pho và lưu huỳnh có thể tạo ra những biến thể cục bộ về tính chất cơ học, gây khó khăn cho việc san phẳng đồng đều trên toàn bộ chiều rộng của tấm.

Tối ưu hóa thành phần thường tập trung vào việc đạt được các tính chất cơ học đồng nhất trên toàn bộ vật liệu để đảm bảo phản ứng nhất quán với quá trình san phẳng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường phản ứng tốt hơn với quá trình san phẳng bằng con lăn, cho phép biến dạng dẻo đồng đều hơn và có kết quả phẳng hơn.

Sự phân bố pha, đặc biệt là trong thép hai pha hoặc nhiều pha, tạo ra những biến thể cục bộ về giới hạn chảy có thể dẫn đến phản ứng san lấp không đồng đều trên toàn bộ tấm thép.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là những chất tập trung ứng suất có thể gây ra hiện tượng chảy cục bộ trong quá trình san lấp, có khả năng tạo ra các vấn đề về độ phẳng mới thay vì giải quyết các vấn đề hiện có.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt trước khi san phẳng có tác động đáng kể đến kết quả, trong đó vật liệu ủ thường đạt độ phẳng tốt hơn so với vật liệu đã tôi và ram.

Tốc độ cán nguội ảnh hưởng đến biên độ và sự phân bố của ứng suất dư cần được trung hòa trong quá trình san phẳng.

Tốc độ làm nguội trong quá trình cán nóng tạo ra các gradient nhiệt dẫn đến các kiểu ứng suất dư không đồng nhất, đòi hỏi các thông số san phẳng mạnh hơn đối với các vật liệu có lịch sử làm nguội không kiểm soát được.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền kéo, khiến việc san lấp hiệu quả hơn nhưng có khả năng tạo ra ứng suất nhiệt mới khi làm mát.

Môi trường ẩm ướt có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn ứng suất ở một số hợp kim, có khả năng làm giảm tính ổn định của trạng thái cân bằng theo thời gian.

Việc lưu trữ lâu dài có thể cho phép giảm ứng suất dần dần thông qua những thay đổi về cấu trúc vi mô, đặc biệt là ở những vật liệu không ổn định hoặc những vật liệu có ứng suất dư đáng kể.

Phương pháp cải tiến

Cân bằng lực căng kết hợp kéo giãn theo chiều dọc với cân bằng bằng con lăn để vượt quá giới hạn chảy của vật liệu trên toàn bộ độ dày của nó, đạt được độ phẳng vượt trội trên các vật liệu khó gia công.

Quy trình san lấp nhiều giai đoạn với các điều chỉnh ngày càng tinh vi hơn cho phép kiểm soát độ phẳng cuối cùng chính xác hơn mà không tạo ra quá nhiều vết hằn trên bề mặt.

Cấu hình con lăn chuyên dụng với đường kính hoặc khoảng cách thay đổi theo chiều rộng có thể giải quyết các vấn đề phẳng phổ biến như độ cong ở giữa hoặc các cạnh lượn sóng hiệu quả hơn so với cách sắp xếp con lăn thông thường.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

San phẳng theo lực căng là quá trình kết hợp kéo giãn theo chiều dọc với san phẳng bằng con lăn để đạt được độ phẳng vượt trội ở những vật liệu không đáp ứng được phương pháp san phẳng thông thường.

Làm phẳng bằng máy căng là một quá trình liên quan áp dụng lực kéo thuần túy vượt quá giới hạn chảy của vật liệu để loại bỏ ứng suất dư mà không cần sử dụng con lăn.

Hiệu chỉnh hình dạng bao gồm các kỹ thuật rộng hơn như san phẳng bằng con lăn, kéo giãn và ép phẳng để giải quyết các dạng sai lệch độ phẳng khác nhau trong các sản phẩm kim loại.

Các thuật ngữ này đại diện cho một loạt các công nghệ làm phẳng, trong đó công nghệ cán lăn mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa tốc độ sản xuất và chất lượng độ phẳng cho hầu hết các ứng dụng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1030 cung cấp các phương pháp thử nghiệm toàn diện để đánh giá độ phẳng trong các sản phẩm tấm thép, bao gồm các quy trình cụ thể cho các loại độ lệch độ phẳng khác nhau.

EN 10029 thiết lập các tiêu chuẩn Châu Âu về dung sai độ phẳng trong các tấm thép cán nóng, với các cấp dung sai khác nhau dựa trên độ dày và yêu cầu ứng dụng.

JIS G 3193 nêu chi tiết các tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản về phép đo độ phẳng và dung sai cho phép, thường nêu rõ các yêu cầu nghiêm ngặt hơn so với các tiêu chuẩn tương đương của phương Tây.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào phép đo độ phẳng theo thời gian thực và hệ thống điều khiển thích ứng có thể tự động điều chỉnh các thông số con lăn dựa trên điều kiện vật liệu đầu vào.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống phân phối áp suất đa điểm có thể giải quyết các vấn đề về độ phẳng cục bộ mà không ảnh hưởng đến các vùng phẳng sẵn có của tấm thép.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để cân bằng dự đoán, trong đó các đặc tính vật liệu và lịch sử xử lý sẽ cung cấp thông tin về các thông số cân bằng tối ưu trước khi tấm vật liệu đi vào máy cân bằng.