轧制（2010总12）课件

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1、材料成形工艺及控制 第三篇 塑性成形技术及工艺 第9章 金属轧制理论及工艺 （第1-2次课课件） 郑州大学 李永刚 2011年2月26日,【教学目标】,通过本章的学习： 1）应了解和掌握轧制基本理论知识； 2）掌握轧制生产的基本知识； 3）熟悉各类轧材的生产工艺过程及相应的技术装备； 4）了解当前国内外轧制生产的新技术及新成就。,轧制的概念,轧制是靠两旋转轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拉入辊缝，轧件受到压缩产生塑性变形的过程，通过轧制使轧件的横断面积减小而长度增大，并具有一定的性能。 应用：利用轧制方法可以生产型材、板材和管材等。 优点：轧制是金属发生连续塑性变形的过程，易于实现批量生产，因此生

2、产效率高，是塑性加工中应用最广泛的方法。轧制产品占所有塑性加工产品的90以上，钢铁、有色金属、某些稀有金属及其合金均可以采用轧制方法进行加工。 由此可见，轧制在冶金工业及国民经济生产中占有十分重要的地位。,（成型原理介绍过）,轧制技术发展概况,近年来，轧制技术发展迅速，薄板坯连铸连轧技术、近终形薄带铸轧技术、高精度板带、钢管及型线材轧制技术、无头轧制及自由规程轧制等现代轧制技术日新月异，尤其是自动化控制技术、智能控制技术和现代工程控制管理技术的应用，轧制已成为复杂的系统工程。 本章主要介绍轧制过程的基本理论及常用轧材的生产工艺与生产装备，并对相关新技术的应用进行了介绍。,9.1 轧制基本理论,

3、9.1.1 轧制过程基本概念 1.变形区主要参数 轧制时金属在轧辊间产生塑性变形的区域称为轧制变形区，即从轧件入辊的垂直平面（断面）到轧件出辊的垂直平面（断面）所围成的区域ABCD（如图9.1所示），通常称为几何变形区。 也称为：理想变形区 实际上，在出、入口端面附近（几何变形区之外）局部区域内，轧件也有少许塑性变形存在，这两个区域称为非接触变形区。 一般地轧制过程主要以几何变形区为研究对象。 非接触变形区以外的区域，称为？ 外端、刚端、外区,图9.1 几何变形区示意图,外端的概念 外端：是指变形过程中某瞬间不直接承受轧辊作用而处于塑性变形区以外的部分。外端又称外区或刚端。 即下图（a）中，A

4、BCD变形区（几何变形区）以外的区域。由于不变形的外端与变形区直接相连接，所以在变形过程中它们之间要发生相互作用。 金属的变形、应力及速度分布都受外端的影响；反之它们又影响外端，这种相互作用还波及到一定区域。 在变形不均匀的情况下： 1）变形区可能扩展到几何变形区之外； 2）而外端也可能伸展到几何变形区的内部。,“理想变形区”与实际变形区,加载、受力与变形区的关系？,1.变形区主要参数 轧件的原始高度、宽度、长度、横断面积分别为H、B、LH、FH； 轧件的轧后高度、宽度、长度、横断面积分别为h、b、Lh、Fh； 则轧件的绝对压下量为h=H-h； 相对压下量为=h/ H； 绝对宽展B=b-B；

5、相对宽展为为B/ B 延伸系数=Lh/LH=FH/Fh。,几何变形区的主要参数有：接触角；变形区长度l；轧件在入口和出口处的厚度（H和h）及宽度（B和b）；变形区形状参数l/ 和B/ ，其中： (H+h)/2。 1)接触角 轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角称为接触角，也叫咬入角。由图9.1看出，压下量与轧辊直径及接触角之间存在如下的关系： 在接触角比较小的情况下（1015）， 由于1cos2（sin/2）2 2 /2，所以有：,2)变形区长度 变形区长度是指：接触弧AB的水平投影长度，也叫咬入弧长度，即图9.1中的线段AE。变形区长度的计算分以下二种情况： (1) 不考虑轧辊弹性压扁时变形

6、区长度。从图9.1中的几何关系可以得到： 由于公式(9-3)中根号里的第二项较第一项小得多，可忽略不计，则变形区长度公式可简化为： (2) 考虑轧辊弹性压扁时变形区长度。在轧制压力作用下，轧辊会产生局部的弹性压缩变形，称为轧辊的弹性压扁，其结果使接触弧长度增加。轧件在变形区内，也伴随产生弹性压缩变形，虽然该变形在轧件出辊后即恢复，但也增大了接触弧长度。,尤其在热轧薄板和冷轧板时，必须考虑轧辊和轧件的弹性压缩变形对接触弧长度的影响。轧辊弹性压扁时变形区长度可由西齐柯克公式计算： 式中，E1轧辊的弹性模数，对于钢轧辊E=2.1105MPa； 1泊松系数，对于钢轧辊=0.3； 考虑轧辊压扁时的平均单

7、位压力，MPa。 实际利用公式(9-5)计算l比较困难，因为公式中还含有未知量 。？ 利用斯通图解法求l则比较方便，详细见9.1.3节的内容。 3)变形区几何形状系数 变形区几何形状系数有l/ 和B/ 两个，其中l/ 反映了对轧制过程纵向的影响，B/ 反映了对轧制过程横向的影响。,轧辊和轧件弹性变形对变形区长度的影响图,B1：最理想的位置,B2：轧件有弹性 恢复，轧辊刚性,B3：轧件有弹性 恢复，轧辊有压扁： 所以，轧辊中心移至O点，不轧制时，轧辊表面在B3点，轧制时实际轧辊位置被压扁至B2点,1轧辊弹性压扁量 2轧件弹性恢复量,（课下了解内容） 对于冷轧板带材和热轧薄板，尤其用粗轧辊轧制硬而

8、薄的合金，因单位压力较大，有时候接触弧长可增加30%50%，这种情况下，轧辊的弹性压扁更不能忽略。轧辊和轧件的弹性压缩对变形区长度的影响，如上图所示。 图中2代表轧件局部的弹性压缩值，1为轧辊的弹性压缩值。考虑轧辊和轧件的弹性压缩值后，为得到所需要的轧件尺寸和压下量，必须使轧辊多压下1 +2的距离，即通过调整压下使轧辊中心由移到点的位置。 此时，金属与轧辊的接触弧是 ，其水平投影长度为变形区长度。 调整后未压扁或空载时假想的接触弧是 ， 为忽略轧辊和轧件弹性变形的接触弧，其水平投影是变形区长度。,3变形区几何形状系数 变形区形状系数 和 可用下式表示： 式中： B轧件宽度（不计宽展）； 轧件平

9、均厚度。 变形区形状系数对轧制时轧件的应力状态有影响。因此，此参数在研究轧制时的金属流动、变形及应力分布等具有重要意义。 （下面的课程会介绍）,2.实现轧制过程的条件 轧制道次：一个完整的轧件从入轧辊、到出轧辊，被轧制一 次的过程。 在一个轧制道次内，轧件的轧制过程可以分为开始咬入、拽入、稳定轧制和轧制终了4个阶段，分别如图9.3（a）、（b）、（c）、（d）所示。 稳定轧制：其中稳定轧制是轧制过程的主要阶段，金属的流动、应力应变状况及轧制工艺的控制、产品质量控制都是基于此过程的。 另外，开始咬入阶段虽然在瞬间完成，但它是轧制过程能否建立的前提条件，不能咬入轧制过程就无法进行。 下面就咬入条件

10、和稳定轧制条件分别介绍。,图9.3 轧制过程示意图 (a)咬入；(b)拽入；(c)稳定轧制；(d)轧制终了,1)咬入条件 依靠轧辊与轧件之间的摩擦力，轧件被拖入轧辊之间的现象称为咬入。轧制过程能否建立，首先决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。因此，咬入是轧制过程的先决条件。 为使轧件进入轧辊，轧辊对轧件必须有与轧制方向相同的水平作用力。轧件咬入时受力分析如图9.4所示。考虑水平方向的受力平衡可以得到： 式中，Q后推力； T摩擦力，T=fP； N轧辊对轧件的正压力。 将T=fN代入式（9-1）得：,图9.4 轧件咬入时的受力图示,根据物理概念f=tg，为摩擦角。如无后推力，即Q=0，则有： tgtg

11、 （9-3） （9-4） 因此： （1）当时，称为自然咬入条件。它表示在无张力（或推力）作用的情况下，轧件被轧辊咬入的条件是必须使摩擦角大于咬入角，这是咬入的充分条件； （2）当=时，称为咬入的临界条件。此时的咬入角称为最大咬入角，用max表示； 最大咬入角max取决于轧辊和轧件的材质，以及润滑条件、轧制温度和轧制速度等。 （相当于某一轧制条件下的摩擦角） （3）当时，无法实现自然咬入。 表9-1为几种有色金属热轧时最大咬入角和摩擦因数。 表9-2是钢铁材料在冷轧及热轧时的最大咬入角和摩擦因数。,表9-1 有色金属热轧时的最大咬入角与摩擦因数,表9-2 钢铁材料轧制时的最大咬入角与摩擦因数,课

12、下复习：摩擦条件,一般都属于滑动摩擦。可分为三种基本类型：干摩擦、液体摩擦和边界摩擦。 一、干摩擦理论 机械摩擦理论、粘着摩擦理论和分子机械摩擦理论。,（2）粘着摩擦理论 T=Fzb,（1）机械摩擦理论 T=fN=fnFH 或 T/FH=f=fn,（3）分子机械摩擦理论 T=FzN或f=Fz/N+,二、液体摩擦理论（来自粘性流体力学）,工具与工件的接触面间被润滑油完全隔开，两表面的相对滑动阻力只与液体的性质和速度梯度有关，而与接触面状态无关时，这种摩擦称为液体摩擦。,液体摩擦定律,三、边界摩擦理论,边界摩擦定义：工具与工件的接触面间仅存在厚度小于1m的润滑剂吸附层的润滑摩擦称为边界摩擦或吸附摩

13、擦。,在此摩擦条件下，接触面上的摩擦力显然比液体摩擦大，而比干摩擦小。影响边界摩擦的主要因素，是边界润滑膜的性质和它与金属表面的结合强度，如吸附能力越强，则效果将更为显著。因此，接触表面的压力、温度等是选择合适润滑膜的重要条件。,影响摩擦系数的主要因素,1.工具表面状态和材质的影响 2.金属化学成分的影响 3.加工温度的影响 4.加工速度的影响 5.润滑剂种类的影响 6.压下率的影响 7.其它因素的影响,塑性加工时接触表面摩擦力的计算,在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑： 1库仑摩擦条件 这时不考虑接触面上的粘合现象（即认为全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下： （1）摩

14、擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关； （2）摩擦力与滑动速度的大小无关； （3）静摩擦系数大于动摩擦系数。,其数学表达式为： F= N 或 式中 F 摩擦力； 外摩擦系数； N 垂直于接触面正压力； 接触面上的正应力； 接触面上的摩擦切应力。 由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称为常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。,2最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动 时的临界切应力k，即： = k 如厚板的热轧 3摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是

15、常数，即常摩擦力定律，其表达式为： =mk 式中，m为摩擦因子,2)稳定轧制条件 随着轧件的咬入，接触压力水平分量逐渐减小，辊缝完全被轧件充满，进入稳定轧制过程，如图9.5所示。 假设摩擦力沿接触弧均匀分布（实际上摩擦力的分布不是均匀的，当然，也假定正压力均匀分布），摩擦力及正压力的作用点在接触弧中点，则有稳定轧制所需的摩擦条件： 式（9-11）即为稳定轧制的条件。,将其和咬入条件相对比，可看出: （1）开始咬入时所要求的摩擦条件高，即摩擦系数相对要大一些。 （2）而稳定轧制条件比自然咬入条件要“宽松”，只要满足了自然咬入条件，就一定能满足稳定轧制条件。 （3）当无法实现自然咬入时，但若在外力作用下实现了强迫咬入，仍有可能进行稳定轧制。,图9.5 稳定轧制阶段受力图,3)改善咬入条件的途径 根据咬入条件，便可以得出： 凡是能够提高角的一切因素； 和降低角的一切因素都有利于咬入。 降低咬入角的方法有： 轧件前端做成锥形或圆弧形，以减小咬入角，易于实现自然咬入； 减小H，等于减小减小h 采用大辊径轧辊，可使咬入角减小，以满足大压下量轧制； 必要时减小道次压下量，降低其变形率；减小h，等于减小减小h 强迫咬入，即给轧件施以顺轧制方向的水平推力； 咬入时调大辊缝，即减小压下量从而减小咬入角。,提高摩擦系数（角）的方法有： 改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩擦角。 如在粗轧机轧辊上刻槽、焊