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1、高精度扁钢丝成型工艺的研究动态 王伯健1宋清华1 刘 ( 1 西安建筑科技大学7 1 0 0 5 5 ) 波2 徐萍1 刘世锋1 ( 2 西安交通大学7 1 0 0 4 9 ) 摘要主要研究高精度扁钢丝的平辊压扁轧制成型工艺，重点探讨圆钢丝压扁轧制的变形特点，分析钢丝在压 扁轧制中的变形规律和压力分布情况，总结用于计算宽展的公式，阐述国内外钢丝平辊压扁轧制工艺的研究动态， 指出钢丝压扁轧制成型工艺研究重点。 关键铘扁钢丝；早辊压扁轧制；横向宽展；宽厚比 S t u d yT r e n d so fR o l l i n gP r o c e s so fF l a tW i r ew i t
2、 hh i g hP r e c i s i o n W a n gB o j i a n lS o n gQ i n g h u a l L i uB 0 2X uP i n 9 1L i uS h i f e n 9 1 ( 1 a l lU n i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y7 1 0 0 5 5 ) ( 2 X i n nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y7 1 0 0 4 9 ) A b s t r a c tT oS t U 曲f l a tr o
3、 l l i n gp r o c e s so fh i g hp r e c i s ef i a tw i r e T h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe l r e u l a rw i r ei nf l a t r o l l i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h ed e f o r m a t i o nl a w sa n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ep
4、r o o s 盯es n a l y 蹦1 S e v e r a l c t t t T e n tl a t e r a l5 p r 髓df o r m u l a ss m n m a r i z e d A tt h eB a t t l et i m e ，t h es t u d yt r e n d ss h o u te i r e u l a rw i r ef l a tr o l l i n gp r o c e a r e s e tf o r t ha b r o a da n da th o m e S t u d yd i r e c t i o l Bi n
5、f u t u r ef o rw i r ef l a tr o l l i n gp r o c e s sa r eI x ，i n t e do u t K e y w o r d sf i a tw i r e ；f l a tr o l l i n g ；I a t c r a Is p r e a d ；t h i c k n e s s w i d t hr a t i o 1 概述 宽度大于2 5 m m 厚度小于5 m r f l ，宽厚比大于5 的钢带，也称为扁钢丝，有着广泛的用途，如锯条、弹簧、 活塞环、万吨压力机缠绕用高强度低松弛扁钢丝、航天航空制导系统和军工用合金扁
6、钢丝、定时器发条、汽车 雨刮器骨架及纺织行业大量使用的钢筘及钢片等o ：o 扁钢丝主要生产方式有2 种；一种是将经热轧或者冷轧后的宽钢带纵剪得到扁钢丝；另一种是将一定规 格圆截面钢丝通过压扁轧制成型。采用纵剪宽带钢生产超窄带钢的工艺比较普遍，所有生产带钢的企业都 可以配备纵剪尺寸精确的纵剪机组生产扁钢丝，可满足普通需求。但是，对于大宽厚比特窄钢带，特别是要 求边部成圆形状的高精度扁钢丝，采用钢丝压扁工艺轧成型具有显著优点：( 1 ) 简化了扁钢丝的生产工艺，一 次成型，可以获得大盘重，降低了生产成本；( 2 ) 钢丝压扁扁钢丝的边部是圆弧状，毛刺、裂纹等一般带钢常有 的缺陷较少。在较大拉应力状
7、态下。压扁钢丝不易出现裂纹等失效源；( 3 ) 经钢丝压扁轧制的扁钢丝具有较 高的抗拉强度、塑性和深冲性能；( 4 ) 平直度较好，钢带尺寸精度高、表面质量高。经表面处理后，外形美观。 总之，利用钢丝压扁轧制工艺生产的扁钢丝比利用纵剪宽带钢得到的扁钢丝成本低、尺寸精确、综合性 能更好，且能得到大盘重，因而有更广泛的应用市场和技术研究前景。 国内外关于平辊压扁轧制圆截面钢丝的研究较少役有统一完善的轧制变形理论，更没有现成的公式可 以使用。平辊压扁轧制变形的宽展控制是决定扁钢丝规格和高精度的关键。 2高精度扁钢丝的压扁轧制成型工艺 钢丝经压扁轧制工艺是将拉拔到一定尺寸的钢丝，采用带有张力控制的2
8、5 平辊连轧机组将圆钢丝轧 1 1 0 制成扁钢丝的工艺。轧制的最大特点是变形钢丝在和轧辊接触的面上只受径向压力，而不受纵向拉力，因 此，钢丝变形量大，塑性好，可大大提高钢丝的一次变形率。图1 是三机架连轧扁丝生产线将圆钢丝轧制成 两边是自由圆弧的扁钢丝变形示意图。 轧制 瞽圃咎圆咎皿 2 1 压扁轧制成型工艺示意图 图2 为圆钢丝轧制变形示意图。 图1圆钢丝轧制变形前后横截面示意图 团2 圆钢丝轧制变形示意图 压扁轧制采用上下工作辊同为主动辊的二辊平轧机。压扁轧制第一道次压下量较大，使得最初的圆形 截面变成中间平侧边鼓的形状，如图1 和图2 所示。随着轧制道次增多，平面应变程度不断增加。第一
9、道次 是横向宽展发生的关键道次，奂定了轧制状态的建立。由于轧制过程中钢丝直径和轧辊间隙恒定，所以可观 察到不同张力对横向宽展的影响。关于该压扁轧制试验的建立细节和结果可见文献 2 】：很容易观察到增加 前后张力( 如图2 示) 可减小横向上的宽展变形。 2 2 钢丝压扁轧制的变形特点及金属流动规律 钢丝压扁轧铜变形时，轧辊与钢丝非同时性接触，变形区形状沿轧件 宽度方向上是变化的，金属沿纵向及横向流动不均匀。接触面的区域从 线接触到面接触，并且逐渐增大。 图3 是利用网格法描述钢丝横截面金属流动规律的示意图。 从图3 网格的变化可以看出，钢丝压扁过程中钢丝边缘部分金属变 形比较小。这是因为钢丝在
10、压扁轧制过程中由于摩擦，接触区是难变形 区，变形小，中心部分是易变形区，边部是自由变形区，无约束。金属流动 的趋势是向阻力最小的方向流动，因此。心部的变形朝着横向宽展的方向 流动，导致钢丝边缘部分的变形量比较小。宽展主要归功于中心部和边 部金属的流动。 M K a z e m i n e z h a d 和A K a r i m iT a b e r i 利用平面应变的有限片单元 分析法( t h ef i n i t ea n ds l a be l e m e n tm e t h o d ) ”J ，分析了平辊压扁轧制时轧 ( a ) ( b ) 图3 钢丝横截面材料流动示意图 件内部金
11、属的流动规律，以及轧件内部金属的剪切变形带，如图4 、图5 、图6 所示。 利用该分析方法，采用不同的压下量从速度场计算出压扁轧制变形时的有效应变场，如图5 、图6 ( A ) 所 示。为了证实计算结果的有效性，笔者测量了压扁钢丝横截面的维氏显微硬度的分布情况，如图6 ( B ) 所示。 与图6 ( A ) 相比较的结果表明，显微硬度的分布印证了计算出的有效应变场的分布。理论计算和试验结果均 表明，圆截面钢丝压扁轧制时，最大的有效应变处于在轧件中心，而最小的有效应变处于在轧件边部。 怠 A 囝4 平辊压扁轧制成型工艺的有限单元片分析法 图5 压下率= 0 4 4 扁平钢丝横截面上的有效应变场
12、C a ) 响效应变场b ) 妊微硬度分布 图6 压下率= 0 3 5 扁平钢丝横截面 2 3 钢丝压扁轧制压力分布情况 B C a r l s s o n 和J L ，a g e r g r e n 1 - 2 1 采用有限元模型对钢丝轧制第一道次的接触区进行探查，发现该处压力 分布与预期设想不同。可观察到最大压力不在接触表面的中心，而在接触区的人口处，呈马蹄状，如图8 所 示。这种压力分布现象在忽略摩擦系数增大时可明显观察到。 压扁轧制时的钢丝形态是不断变化的，接触面大致成椭圆形。钢丝头部首先进入接触区，如图9 中的A 部分。当这部分材料开始变形时，钢丝周边部分仍在弹性范围内，会抵抗变形。
13、在这种抵抗行为的作用下， 1 1 2 名义压力得以建立。导致接触区的压力显著增加。当变形继续，钢丝大部分屈服，弹性部分的抵抗作用降低， 如图9 中的B 部分，弹性变形结束时的较小影响使材料有可能向宽展方向流动，压力降低摩擦峰开始形成。 如图9 的c 部分，压力峰也形成。这种变形也可以解释如下：在图9 的1 区，金属的流动主要向宽展方向；2 区，金属同时向边部和纵向方向流动，使得中心处正常的摩擦峰与边缘入口处马蹄状压力相互结合。 图7 压下率= 03 5 扁平钢丝横截面的金相图 图8 接触区的压力分布图 比较接触区的压力分布和宽展分布，可观察到压力下降的区域对应于横向宽展的最大区。遗就是说接 触
14、压力的大小是与宽展变形率同时变化的。通过试验证实这种压力分布形式强烈地影响着轧制过程中钢丝 的横向宽展，同时，也影响着轧辊的磨损情况。 + 面= 二= 口；F 图9 从上方观察的变形钢丝形态示意图 3 钢丝压扁轧制宽展的计算公式 平辊压扁轧制变形的宽展控制是决定扁钢丝规格和高精度的关键所在。由于影响宽展的因素较多，如 轧制条件、摩擦系数、压下量、轧辊半径、轧制道次、前后张力和钢材的原始状态等。 关于钢丝压扁轧制宽展的计算也没有一致的说法。常用的宽展公式仍然采用板材轧制时宽展规律，主 要有： ( a ) E S i b e l 宽展量公式： A B = C 昔以- 蕊 ( 3 1 ) 式3 1
15、中：C 一钢材的宽展系数，A h 一压下量，m m ；H 、 一钢材轧压前、后的厚度，m m ；R 一轧辊半径 m m o ( b ) C 1 4 古布金宽展量公式： B = ( 1 + 箐) ( p 瓶_ 丽一譬) 等 ( 3 2 ) 1 1 3 式3 2 中：F 一摩擦系数。 ( c ) C “古布金宽展量公式的修正式 A = ( 1 + 百A h ) ( P 狮_ 丽一竽) 昔+ B ( 3 3 ) 式3 3 中：A B 。一与钢材原始状态和轧压条件( 前后张力、轧制道次、变形速度等) 有关的一个修正量， m m o 一般认为 4 】：计算钢丝压扁第一道次宽展量用E S i b e l
16、宽展量公式，不仅考虑了变形区的形状、道次压 下量对宽展的影响，而且将其它相关因素对宽展的影响合并为宽展系数的函数，计算结果精度较高。第二道 次和第三道次的宽展量可以用c H 古布金宽展量公式及其修正式计算。林吉曙也分析了E S i b e l 和c H 古 布金公式在计算钢丝压扁轧制宽展时的应用，认为c H 古布金宽展量公式的修正式A B = ( 1 + 警) ( p 百_ 五i 一譬) 等+ B f 适于扁钢丝的生产c 4 】。由于板材与圆丝轧扁的条件存在差异，在实际应用中钢丝 的宽展与计算结果差别较大。 4 关于宽展公式的研究新进展 M K a z e m i n e z h a d 和A K a r i r a iT a h e r i 研究了同规格( 中5 5r a m ) 不同材质钢丝利用平辊轧制后的宽展 规律，轧制压下量与轧制接触区宽度( 即图2 中参数b ) 的关系，以及材质和轧制速度对接触区宽度和宽展的 影响。指出结果【5 7 1 如下。 (
