金属轧制变形理论

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1、1,金属轧制变形理论,陈银莉 北京科技大学,2,金属的塑性成形方法： 轧制(Rolling)、锻造(Forging)、挤压(Extrusion)、拉拔(Drawing)和深冲(Deep Drawing) 轧材: 将金属坯料(Billet, Bloom, Slab)通过两个转动的轧辊(Roller)，受连续轧制力而压伸为长形。 轧制法生产效率高，金属消耗少，加工容易，生产成本低，适合大批量生产， 轧制是生产钢材最主要的方法，轧制钢材占全部钢成品的98以上。,3,1、轧制过程的基本概念,本节应掌握的知识点： 轧制变形区的概念 咬入角 接触弧长度l 轧制变形的表示方法: 压下量，宽展量，延伸量 金属

2、在变形区内的流动规律,4,1.1 轧制变形区的几何参数,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。,轧制目的： 形状（shape） 尺寸（size） 组织 （microstructure）,5,6,1.1.1 轧制变形区 轧制时轧件在轧辊作用下发生变形的部分。,弹性变形区,塑性变形区,弹性恢复区,7,简单理想轧制过程示意图,简单理想轧制： 轧辊直径相同、转速相等、轧辊为圆柱形刚体、轧件为均匀连续体,轧制时变形均匀，轧件为平板。 几何变形区： 轧件与轧辊接触面之间的几何区，即从轧件入轧辊的垂直平面到轧件出轧辊的垂直平面所围成的区域ACBD 。

3、,8,简单轧制时变形区参数间的关系 1）咬入角 轧件被咬入轧辊时轧件和轧辊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角度。,h/2=D/2-D/2*cos,hR2,h=D(1-cos),9,10,2）变形区长度 l 轧件和轧辊接触圆弧的水平投影长度,两轧辊直径相等时：,11,3）接触面积 接触面水平投影面积。,简单理想轧制过程示意图,12,考虑轧辊和轧件弹性变形时,1）咬入角,1轧辊的弹性变形 2轧件的弹性变形,13,2）变形区长度 l 弹性压扁造成的接触弧长增加量可达30100,14,1和2的值可由弹性理论中关于两个圆柱体压缩时的计算公式来确定。考虑轧件厚度与轧辊直径相比非常小 ，忽

4、略轧件弹性变形：,1轧辊的泊松系数 E1轧辊的弹性模量,15,迭代法求解时变形区长度 l 公式,P为总轧制压力，未知。 需要迭代求解,16,1.1.2 金属在轧制变形区内的流动规律 沿轧面高向上的变形分布 均匀变形理论 不均匀变形理论,17,沿轧件断面高向上变形分布 1-表面层；2-中心层；3-均匀变形 A-A-入辊平面；B-B-出辊平面,水平段为表面粘着区,沿轧件断面高度方向上的变形分布不均匀,18,带钢表面粗晶区的形成和轧制状态有关： 1）轧制时，由于摩擦力的存在，在轧件和轧辊接触部位存在难变形区，当轧制时润滑条件不好时，容易在表面层产生粗晶区，可以通过开启机架间冷却水来改善润滑。 2）沿

5、轧件高向上变形分布是不均匀的，表面层变形小。压下量分配不合理时，使得轧件表面层变形量小，从而产生粗晶。 粗晶区的存在会降低带钢的延伸率，冷弯性能变差。,19,1-表面层金属流动速度 2-中心层金属流动速度 3-平均流动速度,沿轧件断面高度方向上金属流动分布不均匀,表面层流动速度大，中心层流动速度小,4后外端金属流动速度 5后变形过渡区金属流动速度 6一后滑区金属流动速度,8一前滑区金属流动速度 9一前变形过渡区金属流动速度 10一前外端金属流动速度,7一临界面金属流动速度,流动速度分布均匀,临界面上金属流动速度分布均匀，等于轧辊水平速度,表面层流动速度小，中心层流动速度大,流动速度分布均匀,2

6、0,“+”拉应力；“-” 压应力； 1-后外端；2-入辊处；3-临界面；4-出辊处；5-前外端,沿轧件断面高度方向上金属应力分布不均匀,21,轧制变形区 I-易变形区；II-难变形区；III-自由变形区,22,不均匀变形理论： 1）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。 2）在几何变形区内，在轧件与轧辊接触表面上，不但有相对滑动，而且还有粘着，在粘着区轧件与轧辊之间无相对滑动。 3）变形不但发生在几何变形区内，也产生在几何变形区以外，其变形分布都是不均匀的，轧制变形区分为变形过渡区，前滑区，后滑区和粘着区。 4）在粘着区有一个临界面，在这个面上金属的流动速度分布均匀，且等

7、于该处轧辊的水平速度。,23,变形不均匀性与变形区形状系数的关系 变形区形状参数：,0.51.0时 ：轧件高度相对于接触弧长不太大时，压缩变形完全深入到轧件内部，中心层变形比表面层变形大,0.51.0时 ：轧件高度相对于接触弧长比较大，外端对变形过程的影响更为突出，压缩变形不能深入到轧件内部，只限于表面层附近，表面层变形比中心层大。,0.51.0时金属流动速度与应力分布,24,沿轧件宽度方向上的流动规律 纵向受摩擦阻力3 横向受摩擦阻力2 根据最小阻力定律可把轧制变形区分成4部分：,两侧宽展区：金属横向流动增加宽展,前后延伸区： 金属纵向流动增加延伸。 延伸区在两侧引起张应力AB，削弱延伸，使

8、得宽展区收缩,25,2、 咬入条件和轧制过程的建立 知识点： 咬入条件 稳定轧制条件 改善咬入条件的途径,26,2.1 平辊轧制的咬入条件 咬入：依靠回转的轧辊和轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间,接触瞬间轧件对轧辊的作用力： 径向压力P 摩擦力T0,接触瞬间轧辊对轧件的作用力： 径向反作用力N 切线摩擦力T,27,接触瞬间轧辊对轧件的作用力： 径向反作用力N： 水平分力Nx，垂直分力Ny 切线摩擦力T: 水平分力Tx，垂直分力Ty,上轧辊对轧件作用力分解,作用力的功能： 垂直分力Ny和垂直分力Ty对轧件起压缩作用，使轧件产生塑性变形 水平分力Nx阻止轧件进入轧辊辊缝。 水平分力Tx与轧

9、件运动方向一致，力图将轧件咬入轧辊辊缝,28,上轧辊对轧件作用力分解,三种情况： Tx Nx,不能实现自然咬入 平衡状态 可以实现自然咬入,29,上轧辊对轧件作用力分解,力的关系分析：,Tx Nx 时,摩擦角大于咬入角时才能自然咬入 合力F的水平分力Fx与轧制方向相同,自然咬入,令,30,上轧辊对轧件作用力分解,力的关系分析：,Tx = Nx 时,咬入力和咬入阻力处于平衡状态 轧辊对轧件作用力的合力F是垂直方向，无水平分力,极限咬入条件,31,上轧辊对轧件作用力分解,力的关系分析：,Tx Nx 时,摩擦角小于咬入角，不能自然咬入 合力F的水平分力Fx逆轧制方向,32,2.2 稳定轧制条件,当轧

10、件被轧辊咬入后开始逐渐填充辊缝， 在此过程中，轧件前端与轧辊轴心连线间的夹角不断减小表示合力作用点的中心角自开始逐渐减小。合力F逐渐向轧制方向倾斜，有利于咬入。 当轧件完全充满辊缝时，0，合力F的作用点的位置也固定下来，中心角不再发生变化，开始稳定轧制阶段,33,稳定轧制阶段中心角为最小值,Kx为合力作用点系数,稳定轧制阶段力的分析,fy，y，y为稳定轧制阶段的摩擦系数，摩擦角，咬入角,34,稳定轧制阶段当沿接触弧应力均匀分布时，在这种情况下，合力作用点在接触弧的中点，合力作用点系数Kx约为2，则,如果假设稳定轧制阶段的摩擦系数不变且其它条件相同时，稳定轧制阶段允许的咬入角比咬入阶段的咬入角可

11、以大Kx倍，或近似地认为大2倍。 在生产实践中“带钢压下”。,35,2.3 咬入阶段和稳定轧制阶段咬入条件的比较,极限咬入条件,理论上允许的极限稳定轧制条件,极限咬入条件和极限稳定轧制条件的差异取决于Kx和y/两个因素，即取决于合力作用点位置与摩擦系数的变化。,36,2.4 改善咬入条件的方法 凡是能增加角的一切因素和减小角的一切因素都有利于咬入,37,（1）降低角途径 1)增加轧辊直径D 2)减小压下量,38,优点：保证顺利的自然咬入和进行稳定轧制，并对产品质量亦无不良影响。 2)强迫咬入,生产中降低 的方法： 1）用钢锭的小头先送入轧辊或以带有楔形端的钢坯进行轧制 。,39,（2）提高的方

12、法 1)改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩 擦角。 2)合理的调节轧制速度，轧制速度提高， 摩擦系数降低。 （3）增加轧件与轧辊的接触面积或采用合 适的孔型侧壁倾角（在孔型轧制情况下）。,40,3 轧制过程中金属的变形 本节应掌握的知识点： 1. 宽展的分类 2. 影响宽展的因素 3. 简单轧制时宽展量的计算,41,3.1 轧制时金属变形的基本概念及变形系 数 1)基本概念 压下：高度方向变形 宽展：宽度方向变形 延伸：长度方向变形,42,2） 工程变形系数 (1)压下：h=h0-h 相对压下：h=h/h0 (2)宽展： b=b0-b 相对宽展： b= b/b0 (3)延伸： l=l-l0 相

13、对延伸： l= l/l0,43,3 ）位移体积及对数变形系数,变形前:h0,b0,l0 变形后:h1,b1,l1 设f为单元形变阶段内六面体垂直Z轴的断面面积，则有,整个变形过程中Z轴方向的位移体积：,44,相对位移体积：位移体积与物体的体积之比。,Z轴方向的相对位移体积：,Y轴,X轴方向的位移体积：,Y轴，X轴方向的相对位移体积：,45,体积不变，则：,为延伸系数，为宽展系数，为压下系数,46,3.2 轧制时金属的宽展 1） 宽展与其实际意义 宽展： 轧制过程中轧件的高度承受轧辊压缩作用，压缩下来的体积，将移向纵向及横向。由移向横向的体积所引起的轧件宽度的变 化。 金属在孔型中轧制时，宽展规

14、律很复杂,a. 未充满-椭圆度大; b. 过充满产生耳子 由于宽展估计不足产生的缺陷,47,2） 宽展分类 （1）自由宽展 特点： 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，轧件宽度上线尺寸增加。 产生条件：变形比较均匀。 平辊轧制矩形断面板带轧制 宽度有很大富裕的孔型内轧制扁平孔型,48,（2）限制宽展 特点： 金属质点横向移动时，除受接触摩擦作用外，还受孔型侧壁的限制，不能产生自由流动,a. 箱形孔内的宽展; b.闭口孔内的宽展 限制宽展,带立辊轧制,49,（3）强制宽展 特点： 金属质点横向流动不受任何阻力，而且受推动作用，使得轧件宽度产生附加的增长。强迫宽展大于自由宽展。

15、,a-凹形孔型 b-两侧金属受强烈压缩时,50,3) 宽展的组成,滑动宽展B1： 变形金属与轧辊的接触面产生相对滑动所增加的宽展量。 翻平宽展B2； 由于接触摩擦阻力的作用，使得轧件两侧的金属在变形过程中翻转到接触表面上，使得轧件宽度增加。,鼓形宽展B3 ： 由于摩擦阻力的作用，轧件两侧变为鼓形而造成的宽展,理论宽展b ： 将轧制后的轧件的横断面化为同厚度的矩形之后，其宽度与轧制前轧坯宽度之差。 bBhBH,51,（1）宽展沿轧件横断面高度上的分布 滑动宽展B1、翻平宽展B2和鼓形宽展B3的数值，依赖于摩擦系数和变形区的几何参数的变化。,摩擦系数值越大，不均匀变形就越严重，翻平宽展B2和鼓形宽

16、展B3的值就越大，滑动宽展越小。,52,宽展与 的关系,小，粘着区越大，因此滑动宽展小，宽展主要由翻平宽展和鼓形宽展组成。,53,沿横截面上宽展的分布,大：变形深入到中心，表面由于接触摩擦的存在，轧件侧面为单鼓形。,小：变形仅在轧件表面，不能深入到中心，宽展也仅产生在接触表面附近，轧件侧面为双鼓形。一般为轧制高轧件时发生。,一定范围：宽展在接触表面和中心层的分布时均匀的，轧件侧面为平直。,54,(2)宽展沿轧件宽度上的分布 第一种假说： 以均匀变形和外区作用做为理论基础，认为宽展沿轧件宽度均匀分布。 理由： 变形区与前后外区彼此时同一块金属，紧密结合在一起，对变形起着均匀作用，沿长度方向上各部分金属延伸相同，宽展