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1、轧制原理与工艺,北京科技大学材料学院 周成,13910082327 zhouc,1 轧制过程的基本概念,轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性变形的过程。 轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组织性能的产品。,第一部分 轧制原理,1.1 简单轧制过程及其变形区,简单轧制过程 轧制过程在上下两直径相同的圆柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传动辊、转速相同且转向相反； 轧件为各向同性的均匀连续体，只承受来自轧辊的作用力并且满足屈服条件，轧件为矩形断面，轧制前的横截面在变形过程中仍为平面。,轧制过程的简单描述,在轧制过程中，轧辊对轧件的作用力要同时产生两个效果：将轧件拖入辊缝同时使之产生塑性变形。在满足屈服条
2、件的前提下，轧制过程能否开始取决于轧辊是否能将轧件拖入辊缝。 在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减少的体积，要转移到轧件的宽度和长度方向，这一变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺寸，而且也影响到轧件进出轧辊的速度。 为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，以通过轧辊提供轧件塑性变形所需的变形力，而所需变形力的大小与轧件本身的性质和应力状态有关。在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作用而影响轧制过程。,1.2 轧制变形区及其主要参数,轧制变形区 轧件在轧辊作用下发生塑性变形的区域称为轧制变形区，在简单轧制条件下，即轧件在进出轧辊处的断面与辊面所围成的区域。 轧制变形区的主要参数有
3、咬入角和变形区长度。,咬入角 ,轧件开始进入轧辊时，轧件与轧辊的最先接触点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。,变形区长度 l,轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。,1.3 体积不变条件,对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时金属的密度变化很小或者不变。 冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小0.10.2%，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结晶，密度将增加到接近加工前的数值。 热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产生，变形金属
4、的密度及体积在加工过程中可以认为是不变的。 因此，无论冷加工还是热加工，变形金属的密度和体积的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认为塑性变形前后金属的体积是保持不变的，这就是体积不变条件。,1.4 轧件变形程度,绝对变形量 相对变形量 工程应变 真应变 变形系数 通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为。,轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为：压下、宽展和延伸。,1.5 轧制变形速度,变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。 轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。 变形区中高度为hx的任意断面上的变形速度为： 平均变形速度,1.6 咬入条件,稳定轧制条件,稳定轧制时，/2,
5、咬入过程中，,改善咬入条件的途径,满足咬入条件，是顺利实现轧制过程的基本保证，而改善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。,发挥稳定轧制阶段咬入潜力 （1）小头进钢 （2）带钢压下 （3）强迫喂钢 提高角 （1）改变轧件或轧辊的表面状态 （2）合理调节轧制速度,2 轧制过程中金属变形的基本规律,2.1 最小阻力定律 如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形体的每个质点将朝阻力最小的方向移动。,2.2 变形区水平投影形状与变形的关系,变形区长度l01时， 宽展量b、延伸量l与变形区宽度b0的关系,2.3 工具形状对变形的影响,由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动阻力不
6、同，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方向相反的摩擦力，而纵向流动阻力是摩擦力的水平分量与正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响宽展与延伸之比。 工具形状有利于延伸。,2.4 轧制时的不均匀变形,引起变形及应力不均匀分布的原因主要有：接触面上的外摩擦、变形区的几何因素、沿宽度上压缩程度的不均匀、变形物体的外端、变形体内温度的不均匀分布以及变形金属性质的不均匀等等。这些因素的单独作用或者共同影响，可使不均匀变形表现得很明显。,圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响,高件镦粗时不同应力状态分区示意图,外端对变形的影响,3 轧制过程中的宽展,轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称
7、为宽展。,3.1 宽展的分类,（1）自由宽展 在轧制过程中，被压下的金属体积向横向移动时，金属流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制（如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸的增加，这种情况称为自由宽展。,（2）限制宽展 轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称为限制宽展。,（3）强制宽展 在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强制宽展大于自由宽展。,(b),3. 2 宽展的分布及宽展组成,决定宽展沿轧件高度分布
8、不均匀的主要因素是比值 。,轧后轧件侧边形状 a双鼓形；b单鼓形；c平直形,宽展一般由以下几个部分组成：滑动宽展b1、翻平宽展b2和鼓形宽展b3 。 滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽展增加的量； 翻平宽展是由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件的宽度增加量； 鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，与翻平宽展有密切联系。,宽展沿轧件横断面分布,计算宽展时，轧件轧后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。,根据侧面凸出程度的不同系数a可取1/22/3。,3. 3 影响宽展的因
9、素,(1) 压下量 压下是形成宽展与延伸的原因，压下量愈大，宽展愈大。 (2) 轧制道次 在总压下量一定的前提下，轧制道次越多，宽展越小。 (3) 轧辊直径 在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D的增加而增加。 (4) 摩擦系数 在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化。 (5) 轧件宽度 随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。,3. 4 平辊轧制时的宽展计算公式,（1）.热兹公式 （2）E. 齐别尔公式 （3）C.古布金公式 ,3. 5 侧压后平轧时的宽展,板带轧制中，采用侧压（立辊轧制）调整轧件宽度。侧压后轧件横断面呈双鼓形
10、，要再经过一道水平轧制消除双鼓形，然后进入后续轧制道次。 侧压后平轧时轧件的宽展可以认为由两部分组成，一部分是鼓形的回展bb，另一部分是除鼓形回展以外的轧件宽展bs 。,侧压后平轧宽展的组成,侧压调宽后再经过平辊轧制，轧件宽度由于上述宽展而有所回升，侧压调宽的有效减宽量为 侧压效率为,侧压后平轧宽展的组成,3. 6 孔型轧制时宽展的计算,常用平均高度法来确定孔型轧制时的宽展：将孔型内轧制条件简化成平板轧制，即用同面积，同宽度的矩形代替曲线边的轧件，计算出轧制前后轧件的平均高度、平均压下量和轧辊工作直径后，代入任意自由宽展公式计算，并认为此宽展就是孔型中的宽展。,轧制前轧件的平均高度：,轧制后轧
11、件的平均高度：,平均压下量：,轧辊工作直径：,4 轧制过程中的前滑和后滑,4. 1 前滑值与后滑值 从变形区入口到中性面，轧件落后于轧辊，称这种现象称为后滑；从中性面到变形区出口，轧件超前于轧辊，称这种现象称为前滑。 前滑现象用前滑值来表征，前滑值是变形区出口断面处轧件与轧辊速度的相对速度差， 后滑现象用后滑值来表征，后滑值是变形区入口断面处轧件的速度与轧辊在该处水平速度的相对差值，,前滑值与后滑值的关系,当延伸系数和轧辊圆周速度v已知时，知道前滑值就可以计算轧件进出变形区的实际速度vH 和vh以及后滑值； 当和咬入角一定时，前滑值增加，后滑值就必然减少。,4. 2 前滑值的计算,按秒流量体积
12、不变条件，变形区出口断面金属的秒流量应等于中性面处金属的秒流量。,平辊轧制时中性角的确定,对于简单轧制过程，假定接触面全滑动并遵守库仑摩擦定律，单位压力和单位摩擦力沿接触弧均匀分布，并忽略宽展，则稳定轧制时， 带前后张力时， 后滑区和前滑区单位压力分布公式中确定的单位压力在中性面处相等，根据这一条件也可以确定中性角。,孔型轧制时的前滑,在孔型轧制过程中，通常沿孔型周边各点轧辊的线速度不同，但由于金属的整体性和外端的作用，轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊。 可采用平均高度法：把孔型和来料化为矩形断面，然后按平辊轧矩形断面轧件的方法，来确定轧辊的平均线速度 和平均前滑值 。 并按下式确定轧件平
13、均出辊速度：,4. 3 影响前滑的主要因素,（1）轧辊直径 D 前滑值随辊径增加而增加。 （2）摩擦系数 f 摩擦系数越大，前滑值越大。 （3）压下率 r （） 前滑值随着压下率的增加而增加。 （4）轧件厚度 h1 随着轧件轧后厚度的减小，前滑值增加。 （5）轧件宽度 b0 轧件宽度b0小于一定值（40毫米）时，前滑值随宽度的增加而增加，而轧件宽度大于一定值时，前滑值趋于不变。 （6）张力 随着前张力的增加，前滑值增加；反之，后张力增加则前滑值减小。,5 轧制过程中的摩擦,摩擦的概念 金属塑性成形时，在金属和成形工具（如轧件和轧辊）的接触面之间产生阻碍金属流动或滑动的界面阻力，这种界面阻力称为
14、接触摩擦（外摩擦）。 摩擦在金属塑性成形过程中的作用极为重要，它不仅影响加工载荷，咬入能力，而且直接影响工件变形形状、尺寸精度、表面质量和工具磨损，同时也间接影响工件内部的组织、性能分布。因此，长期以来，摩擦一直是塑性加工领域中的重要课题之一。,金属塑性成形时摩擦的特点,金属塑性成形时的摩擦与机械传动时的摩擦有很大差别； 首先，它是在高压力下产生的摩擦。塑性成形时，金属所受的单位压力，热变形时有100150MPa，冷变形时可达5002500MPa。而受重载荷的轴承，工作时的单位压力仅为2040MPa。接触面上承受的单位压力愈高，润滑就愈困难。 其次，塑性成形时，常常由于金属的变形而不断产生新的
15、接触表面以及工具在加工过程中也不断受到磨损，因此，摩擦情况是不断变化的。接触面上金属各点的位移情况也不同，有滑动的，有粘着的。 另外，很多塑性成形是在高温下进行的。例如，钢的热轧和热锻变形温度一般在8001200 范围，在这样高的温度下进行塑性变形，金属的组织和性能不断发生变化，表面状态也在变化，如原生氧化层的脱落和新氧化层的形成以及工具表面的粘结等，这些实际现象改变了摩擦条件，也给润滑带来很大影响。,金属成形时摩擦的影响,（1）改变金属所处的应力状态，使变形力增加， 能耗增多。 （2）引起工件变形不均匀。 （3）金属的粘结。 （4）轧辊磨损。,接触摩擦理论,（1）干摩擦 在轧辊与轧件两洁净的
16、表面之间，不存在其他物质。 （2）边界摩擦 在接触表面内，存在一层厚度为百分之一微米数量级的薄油膜。 （3）液体摩擦 在轧件与轧辊之间存在较厚的润滑层(油膜)，接触表面不再直接接触。 在实际中最常遇到的是混合摩擦，即半干摩擦和半液体摩擦。 半干摩擦是干摩擦与边界摩擦的混合，部分区域存在粘性介质薄膜，这是在润滑表面之间，润滑剂很少的情况下出现的。 半液体摩擦可理解为液体摩擦与干摩擦或者与边界摩擦的混合。在这种情况下，接触物体之间有一个润滑层，但没有把接触表面之间完全分隔开来。在进行滑动时，在个别点上由于表面凹凸不平处相啮合，即出现了边界摩擦区或干摩擦区。在具有工艺润滑的冷轧变形区中，常出现这种润滑。,干摩擦理论（库仑Coulomb定律）,接触表面上的切应力与正应力成正比，
