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1、2014年9月,金属塑性加工学-轧制理论与工艺,课程计划：,第一篇 轧制理论（两课时）第二篇 轧制工艺基础（两课时）第三篇 型材和棒线材生产 （两课时）第四篇 板、带材生产（两课时）,第一 篇 轧制理论,1 轧制过程基本概念2 实现轧制过程的条件3 轧制过程中的横变形宽展4 轧制过程中的纵变形前滑和后滑,1 轧制过程基本概念,1.0 基本概念1.1 变形区主要参数1.2 金属在变形区内的流动规律,1.0 基本概念,轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程的作用：外部：使轧件获得一定的形状和尺寸；内部：使组织和性能得到一定程度的改
2、善。,1.1 变形区主要参数,1.1.0 简单轧制过程1.1.1 轧制变形区及其主要参数1.1.2 轧制变形的表示方法,1.1.0 简单轧制过程,简单轧制过程：是指：1)上下轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊；2)轧制过程对两个轧辊完全对称；3)轧辊为刚性；4)轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用；5)轧件在入辊处和出辊处速度均匀；6)轧件的机械性质均匀 的轧制过程。研究简单轧制过程可以搞清楚轧制过程的共性问题。由于生产实践中所使用的轧机结构形式多样，理想的简单轧制过程很难找到。,1.1.1 轧制变形区及其主要参数,轧制变形区：轧件承受轧辊作用而发生变形的部分，即实际变形区。几何变形区：
3、从轧件入辊的垂直平面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域。轧制变形区的主要参数：咬入角接触弧长度,1.1.1.1 咬入角(),咬入角：轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。压下量与轧辊直径及咬入角之间存在如下的关系：,1.1.1.1 咬入角(),h，D和三者关系计算图：已知h，D和三个参数中的任意两个，便可用计算图很快地求出第三个参数。,1.1.1.1 咬入角(),变形区内任一断面高度hx求法：,1.1.1.2 接触弧长度(l),接触弧长度：轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影长度，也叫咬入弧长度、变形区长度。接触弧长度随轧制条件不同而异：两轧辊直径相等时；两轧辊直径不等时；轧辊和轧件产生弹性压缩时。
4、,1.1.1.2 接触弧长度(l),(1)两轧辊直径相等时的接触弧长度所求的接触弧长度实际上是该弧弦的长度。,1.1.1.2 接触弧长度(l),(2)两轧辊直径不相等时接触弧长度设两个轧辊的接触孤长度相等，则：,1.1.1.2 接触弧长度(l),(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度轧辊的弹性压扁轧辊的弹性压缩变形称为轧辊的弹性压扁。由于轧件与轧辊间的压力作用，轧辊会产生局部弹性压缩变形。此变形可能很大，尤其在冷轧薄板时更为显著。轧辊弹性压扁的结果使接触弧长度增加。轧件的弹性压扁轧件在轧辊间产生塑性变形时，也伴随产生弹性压缩变形，称为轧件的弹性压扁。此变形在轧件出辊后即开始恢复，这也会增大
5、接触弧长度。,1.1.1.2 接触弧长度(l),(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度,设轧辊与轧件的弹性压缩量分别为1和2，为使轧件获得h的压下量，必须把每个轧辊再压下1+2，此时轧件与轧辊的接触线为A2B2C曲线。,1.1.1.2 接触弧长度(l),(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度此时接触弧长度为：,1.1.1.2 接触弧长度(l),(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度金属的弹性压缩变形很小时，2可忽略不计，则得西齐柯克公式：,1.1.2 轧制变形的表示方法,1.1.2.1 用绝对变形量表示1.1.2.2 用相对变形量表示1.1.2.3 用变形系数表示1.1.2.4 用
6、真应变表示,1.1.2.1 用绝对变形量表示,绝对变形量：用轧制前、后轧件绝对尺寸之差表示的变形量。绝对压下量：为轧制前后轧件厚度H、h之差，即：绝对宽展量：为轧制前后轧件宽度B、b之差，即：绝对延伸量：为轧制前后轧件长度L、l之差，即：绝对变形不能正确地表达变形量的大小，但由于习惯而常被使用，特别是压下量与宽展量。,1.1.2.2 用相对变形量表示,相对变形量：用轧制前、后轧件尺寸的相对变化表示的变形量。相对压下量(压下率)：相对宽展量(宽展率)：相对延伸量(延伸率)：相对变形只能近似地反映变形的大小，不能反映变形的过程积累。,1.1.2.3 用变形系数表示,变形系数：用轧制前、后轧件尺寸的
7、比值表示的变形程度。压下系数：宽展系数：延伸系数：变形系数能够简单而正确地反映变形的大小，因此在轧制变形方面得到了极为广泛的应用。根据体积不变原理，三者之间存在如下关系：,1.1.2.4 用真应变表示,真应变：用轧制后、前轧件尺寸之比的自然对数表示的变形量。相对压下量(压下率)：相对宽展量(宽展率)：相对延伸量(延伸率)：能够正确地反映变形的大小。,1.2 金属在变形区内的流动规律,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布1.2.2 沿轧件宽度方向上的流动规律,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,关于轧制时变形的分布有两种不同理论：均匀变形理论不均匀变形理论。后者比较客观地反映了轧制时金属变
8、形规律。均匀变形理论：该理论认为，沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动的分布都是均匀的。造成这种均匀性的主要原因是由于未发生塑性变形的前后外端的强制作用，因此又把这种理论称为刚端理论。,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,不均匀变形理论：该理论认为，沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动分布都是不均匀的。其主要内容为：(1)沿轧件断面高度方向上的变形、应力和流动速度分布都不均匀；,(2)几何变形区内，在轧件与轧辊接触表面上，不但有相对滑动，而且还有粘着，所谓粘着系指轧件与轧辊间无相对滑动；,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,(3)变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何
9、变形区以外，且变形分布都不均匀。轧制变形区可分成变形过渡区、前滑区、后滑区和粘着区。(4)在粘着区内有一个临界面，在这个面上金属的流动速度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度。,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,大量实验证明，不均匀变形理论比较正确，其中以. (塔尔诺夫斯基)实验最具代表。.研究了沿轧件对称轴纵断面上的坐标网格的变化，证明了沿轧件断面高度方向上的变形分布是不均匀的。,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,实验研究还表明，沿轧件断面高度方向上的变形不均匀分布与变形区形状系数(l/h)有很大关系。1)当l/h 0.51.0时，即轧件断面高度相对于接触弧长度不太大时，压缩变形
10、完全深入到轧件内部，形成中心层变形比表面层变形大的现象；,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,2)当l/h 0.51.0时，随着l/h的减小，外端对变形过程影响变得更为突出，压缩变形不能深入到轧件内部，只限于表面层附近的区域；此时表面层的变形较中心层要大，金属流动速度和应力分布都不均匀。,1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,.柯尔巴什尼柯夫也用实验证明，沿轧件断面高度方向上变形分布是不均匀的。实验方法：采用LY12铝合金扁锭分别以2.8%、6.7%、12.2%、16.9%、20.4%和25.3%的压下率进行热轧，用快速摄影对其侧表面坐标网格进行拍照，观察变形分布，其实验结果如图。,1.
11、2.1 沿轧件断面高向上变形的分布,结果表明：在上述压下率范围内沿轧件断面高度方向上的变形分布都是不均匀的。1)当压下率%在2.8%16.9%的范围内， l/h在0.30.92时，轧件中心层的变形比表面层的变形小；2)当压下率等于20.4%和25.3%， l/h等于1.0和1.25时，轧件中心层的变形比表面层的变形大。,1.2.2 沿轧件宽度方向上的流动规律,根据最小阻力定律，由于变形区受纵向和横向的摩擦阻力3和2的作用，大致可把轧制变形区分成四个部分：,ADB及CGE区域内的金属流沿横向流动增加宽展；ADGC及BDGE区域内的金属流沿纵向流动增加延伸。,1.2.2 沿轧件宽度方向上的流动规律
12、,不仅上述四个部分是一个相互联系的整体，它们还与其前后两个外端相互联系着。,外端对变形区金属流动的分布产生一定的影响作用，前后外端对变形区产生张应力。由于变形区的长度l小于宽度b，故延伸大于宽展，在纵向延伸区中心部分的金属只有延伸而无宽展，因而使其延伸大于两侧，结果在两侧引起张应力。,1.2.2 沿轧件宽度方向上的流动规律,事实证明，张应力的存在引起宽展下降。甚至在宽度方向上发生收缩产生所谓“负宽展”。,这两种张应力引起的应力以AB表示，它与延伸阻力s方向相反，削弱了延伸阻力，引起形成宽展的区域ADB及CGE收缩为adb和cge。,2 实现轧制过程的条件,2.1 咬入条件2.2 稳定轧制条件2
13、.3 改善咬入条件的途径,2.1 咬入条件,咬入：依靠回转的轧辊与轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象。实现咬入的关键是轧辊对轧件必须有与轧制方向相同的水平作用力。轧件对轧辊的作用力Q：P、T0轧辊对轧件的作用力N、T,2.1 咬入条件,轧辊对轧件的作用力分解N= Nx + NyT = Tx + Ty,轧辊对轧件各作用分力的作用垂直分力Ny与Ty对轧件起压缩作用。水平分力Nx与Tx对轧件的水平方向运动起作用。Nx与轧件运动方向相反，形成咬入阻力；Tx与轧件运动方向一致，形成咬入力。Nx=NsinTx=Tcos=Nfcosf为摩擦系数,2.1 咬入条件,自然咬入：在没有附加外力作用条件
14、下实现的咬入。自然咬入的条件是咬入力Tx大于咬入阻力Nx。NfcosNsinftg因f=tan，为摩擦角故,2.1 咬入条件,咬入力Tx与咬入阻力Nx之间的关系有以下3种情况：Tx。TxNx，可以实现自然咬入，此时 ，称为自然咬入条件。Tx=Nx，处于平衡状态，此时= ，是自然咬入的极限，称为极限咬入条件。,2.2 稳定轧制条件,轧件被轧辊咬入后，将经历充填辊缝到稳定轧制的变化。,充填辊缝阶段：轧件前端中心角=0。合力作用点中心角也自=开始逐渐减小。轧辊对轧件作用力的合力逐渐向轧制方向倾斜，向有利于咬入的方向发展。稳定轧制阶段：从=0开始。合力作用点的位置固定；达到最小值，不再发生变化。,2.
15、2 稳定轧制条件,设：合力作用点系数则稳定轧制阶段TxNx，Tx=Tcos=Nfycos，Nx=Nsin此即稳定轧制条件,2.2 稳定轧制条件,一般达到稳定轧制阶段时，=y/2，即Kx2，故可近似写成yy/2或2yy。即：若由咬入阶段过渡到稳定轧制阶段的摩擦系数不变且其他条件均相同时，稳定轧制阶段的允许的咬入角比咬入阶段的咬入角可大Kx倍或近似大2倍。可得：极限稳定轧制条件：,2.3 改善咬入条件的途径,改善咬入条件是进行顺利操作、增加压下量、提高生产率的有力措施，也是轧制生产中经常碰到的实际问题。根据咬入条件，可以得出：凡是能提高角的一切因素和降低角的一切因素都有利于咬入。,2.3.1 降低
16、角的方法,由 可知，若降低角，必须：(1) 增加轧辊直径D当h等于常数时，轧辊直径D增加，可降低。(2) 减小压下量h由h=H-h可知，可通过降低轧件开始高度H或提高轧后的高度h，来降低，以改善咬入条件。,2.3.1 降低角的方法,在实际生产中常见的降低的方法有：(1) 钢锭小头进钢(2) 强迫咬入,2.3.2 提高角的方法,(1) 改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩擦角清除炉生氧化铁皮。(2) 合理地调节轧制速度低速咬入，高速轧制。,3 轧制过程中的横变形宽展,3.1 宽展及其分类3.2 影响宽展的因素,3.1 宽展及其分类,3.1.1 宽展及其实际意义3.1.2 宽展分类3.1.3 宽展的
17、组成,3.1.1 宽展及其实际意义,宽展：在轧制过程中，轧件沿横向移动的体积所引起的轧件宽度的变化称为宽展。习惯上用轧件在宽度方向线尺寸的变化即绝对宽展量表示。轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的。当从窄的坯轧成宽成品时希望有宽展，如用宽度较小的钢坯轧成宽度较大的成品，则必须设法增大宽展。若是从大断面坯轧成小断面成品时，则不希望有宽展，因消耗于横变形的功是多余的，在这种情况下，应该力求以最小的宽展轧制。纵轧的目的是为了得到延伸，除特殊情况外，应该尽量减小宽展，降低轧制功能消耗，提高轧机生产率。不论在哪种情况下，希望或不希望有宽展，都必须掌握宽展变化规律以及正确计算它，在孔型中轧制则宽展计
18、算更为重要。,3.1.2 宽展分类,3.1.2.1 自由宽展3.1.2.2 限制宽展3.1.2.3 强迫宽展,3.1.2.1 自由宽展,坯料在轧制过程中，被压下的金属体积其金属质点在横向移动时，具有沿垂直于轧制方向朝两侧自由移动的可能性，此时金属流动除受接触摩擦的影响外，不受其他任何的阻碍和限制，如孔型侧壁、立辊等，结果明确地表现出轧件宽度上线尺寸的增加，这种情况称为自由宽展。,3.1.2.2 限制宽展,坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的影响外，还承受孔型侧壁的限制作用，因而破坏了自由流动条件，此时产生的宽展称为限制宽展。在孔型侧壁起作用的凹型孔型中轧制时即属于此类宽展。,3
19、.1.2.3 强迫宽展,坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，不仅不受任何阻碍，且受有强烈的推动作用，使轧件宽度产生附加的增长，此时产生的宽展称为强迫宽展。凸型孔型中轧制及有强烈局部压缩的轧制条件是强迫宽展的典型例子。,3.2 影响宽展的因素,基本原理：最小阻力定律体积不变条件影响宽展的因素可以归纳为：高向移动体积变形的纵横阻力比,3.2.1 影响轧件变形的基本因素分析,3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系3.2.1.2 轧辊形状的影响,3.2.2 具体工艺因素对轧件宽展的影响,3.2.2.1 相对压下量的影响3.2.2.2 轧制道次的影响3.2.2.3 轧辊
20、直径对宽展的影响3.2.2.4 摩擦系数的影响3.2.2.5 轧件宽度对宽展的影响,3.2.2.1 相对压下量的影响,压下是形成变形的源泉，压下越大，延伸与宽展均增大。,3.2.2.2 轧制道次的影响,在h总一定时，轧制道次愈多，宽展愈小。因为在其他条件及总压下量相同时，一道轧制时l/b较大，所以宽展较大；而当多道次轧制时， l/b较小，所以宽展也较小。,3.2.2.3 轧辊直径对宽展的影响,其他条件不变时，D，b。当D时，l加大，纵向的阻力。,3.2.2.4 摩擦系数的影响,其他条件相同时，随f， b。随f，KG， b。,3.2.2.4 摩擦系数的影响,凡影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数
21、引起宽展的变化，这主要有：(1) 轧制温度的影响t通过影响氧化铁皮的性质影响f，从而影响b。t较低时， t，氧化铁皮形成，f，b；t较低时， t，氧化铁皮熔化，f，b。(2) 轧制速度的影响v，f， b。,3.2.2.4 摩擦系数的影响,(3) 轧辊表面状态的影响轧辊表面粗糙度， f，b。旧辊比新辊b大；轧辊表面润滑后， b减小。(4) 轧件的化学成分的影响不同钢种硬度不同，氧化皮性质不同，故f不同。一般合金钢比碳素钢b大。用化学成分影响系数m考虑。(5) 轧辊的化学成分对的影响钢轧辊比铸铁辊b大。,3.2.2.5 轧件宽度对宽展的影响,据最小阻力定律：(1) l一定时，随B， b先增加，后趋
22、于不变；(2) 随FB/FL， b/B；(3) B一定时，随l，b；(4) 随FB/FL， b/B。故一般，b 。,4 轧制过程中的纵变形前滑和后滑,4.1 轧制过程中的前滑和后滑现象4.2 轧件在变形区内各不同断面上的运动速度4.3 中性角的确定4.4 前滑的计算公式4.5 影响前滑的因素,4.1 轧制过程中的前滑和后滑现象,前滑现象：在轧制过程中，轧件出口速度vh大于轧辊在该处的线速度v，即vhv的现象称为前滑现象。后滑现象：在轧制过程中，轧件进入轧辊的速度vH小于轧辊在该处线速度v的水平分量vcos的现象称为后滑现象。,4.1 轧制过程中的前滑和后滑现象,前滑值：轧件出口速度vh与对应点
23、的轧辊圆周速度的线速度之差与轧辊圆周速度的线速度之比值称为前滑值。后滑值：轧件入口速度与轧辊在该点处圆周速度的水平分量之差同轧辊圆周速度水平分量之比值称为后滑值。前滑值的实验测定方法刻痕法：热轧试验的温度修正：,4.2 轧件在变形区内各不同断面上的运动速度,轧制过程中，轧件在变形区中高度逐渐减小，根据体积不变条件，变形区内各质点运动速度不同。金属各质点之间以及金属表面质点与工具表面质点之间产生相对运动。设轧件无宽展，且沿每一高度断面上质点变形均匀，水平速度一致，则：,4.3 中性角的确定,中性面：轧件运动速度与轧辊线速度的水平分速度相等的横断面。中性角：中性面所对应的中心角为中性角。,4.3
24、中性角的确定,根据力平衡条件求中性角 。取决于和f。,4.4 前滑的计算公式,即前滑与轧制参数的关系式。据秒流量相等(无宽展时)此即为E.芬克前滑公式。,4.4 前滑的计算公式,可见，影响前滑的主要工艺参数为轧辊直径D，轧件厚度h及中性角。显然，在轧制过程中凡是影响D，h及的各种因素必将引起前滑值的变化。如图：曲线1 Sh=f(h)，D=300mm，=5；曲线2 Sh=f(D)，h=20mm，=5；曲线3 Sh=f()，h=20mm，D=300mm。可知：前滑与中性角呈抛物线的关系；前滑与辊径呈直线关系；前滑与轧件厚度呈双曲线的关系。,4.4 前滑的计算公式,当中性角很小时：此即为爱克伦得前滑
25、公式。一般D/h1，故：此即D.得里斯顿公式。当考虑宽展时，实际前滑值将小于上述公式计算结果。,4.5 影响前滑的因素,4.5.1 压下率的影响4.5.2 轧件厚度的影响4.5.3 轧件宽度的影响4.5.4 轧辊直径的影响4.5.5 摩擦系数的影响4.5.6 张力对的影响4.5.7 孔型形状的影响,4.5.1 压下率的影响,前滑随压下率的增加而增加。其原因是由于高向压缩变形增加，纵向和横向变形都增加，因而前滑值Sh增加。,4.5.2 轧件厚度的影响,轧件厚度h减小，前滑增加。因为轧辊半径R和中性角不变时，轧件厚度h越减小，则前滑值Sh愈增加。,4.5.3 轧件宽度的影响,轧件宽度较小时，随宽度
26、增加前滑亦增加；但轧件宽度大于一定值时，宽度再增加时，其前滑值则为一定值。,4.5.4 轧辊直径的影响,轧辊直径增加，前滑值增加。但应指出，辊径较小时，前滑值随辊径的增加而增加得较快；而辊径较大时，前滑增加得较慢。,4.5.5 摩擦系数的影响,摩擦系数f越大，其前滑值越大。凡影响摩擦系数的因素，均能影响前滑的大小。 如轧辊材质，表面状态，轧件化学成分，轧制温度和轧制速度等；如：轧制温度对前滑的影响。,4.5.6 张力的影响,张力存在，前滑显著增加。因为张力使纵向延伸阻力减小，故前滑增加。,4.5.7 孔型形状的影响,孔型轧制时，沿孔型周边各点轧辊的线速度不同，但轧件出辊速度又一致，故各点前滑值不同。孔型形状对前滑的影响很复杂，目前尚未很好地解决。,
