金属塑性加工技术及模具轧制

湖南大学材料学院金属材料专业核心课程,金属塑性加工技术及模具主讲教师：袁武华2009年2月18日,内容介绍,第一部分：轧制理论、工艺与设备基本概念、实现条件、变形特点、轧制压力、工艺流程、轧制工艺、轧制设备第二部分：有色金属挤压技术、模具及设备基本概念、变形特征、组织性能、挤压力计算、挤压设备、挤压工艺、模具设计第三部分：金属拉拔技术、模具及设备基本概念、变形特征、拉拔力、拉拔设备、拉拔工艺,第一部分：轧制理论、工艺与设备,一、轧制基本概念1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,使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,并使轧件具有了一定的性能。2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。3轧制分类：根据轧件运动方向可以分为纵轧、横轧和斜轧；根据金属轧制温度可分为热轧和冷轧；根据轧辊形状可分为平辊轧制和孔型轧制。,4简单轧制两个轧辊均为主传动辊,辊径相同,转速相等,且轧辊为刚性；轧件除受轧辊作用外,不受任何其他外力(张力或推力)作用；轧件的性能均匀；轧件在入辊处和出辊处速度均匀。5轧制变形区及主要参数轧制变形区金属在轧辊间产生塑性变形的区域,即从轧件入辊垂直平面到出辊垂直平面所围成的区域ACDB（几何变形区）。外加两个非接触变形区。几何变形区主要参数：咬入角;变形区长度l(接触弧AB的水平投影长度);变形区形状参数l/h平和B/h平,h平=(H+h)/2。,其中：变形区长度l两轧辊直径相等时变形区长度l=两轧辊直径不相等时变形区长度,假设两个轧辊的接触弧长度相等,即:考虑轧辊弹性压扁时变形区长度变形区几何形状系数:一般忽略宽展,所以l/h平和B/h平用得更多。,二、实现轧制的条件1轧制过程建立在一个道次内,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。如图所示。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。,(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。轧制生产中,一般轧件刚一接触旋转的轧辊就能被咬入。但有时也存在难以被轧辊咬入的情况。与轧辊与轧件尺寸、压下量、是否施加外力,特别是轧辊与轧件接触面的摩擦状况都有关。T=P在无后推力作用下,轧件实现咬入的条件为。称为自然咬入条件。,(2)稳定轧制条件随着轧件的咬入,接触压力水平分量Psin逐渐减小,辊缝完全被轧件充满,进入稳定轧制过程。假设摩擦力沿接触弧均匀分布,摩擦力作用点在接触弧中点,则稳定轧制所需摩擦条件:Tcos/2Psin/20将T=P,=tan得:/2满足自然咬入条件,就能满足稳定轧制条件。,2改善咬入条件的途径根据咬入条件，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。(1)降低咬入角根据式，的大小与压下量和辊径有关。压下量越小或辊径越大,就越小,从而有利于咬入。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。采用大辊径轧辊,可使咬人角减小,以满足大压下量轧制。减小道次压下量,降低其变形率。但h减小,生产效率下降,这种方法在生产中一般不采用。强迫咬入,即给轧件施以轧制方向的水平推力,如用推锭机将轧件推入辊间等。（外力作用使轧件前端被轧辊压扁,实际咬入角减小,而使正压力增加,接触面积增大,摩擦力增加,有利于轧件咬入。咬入时调大辊缝,即减小压下量从而减小咬入角。稳定轧制过程建立后,再减小辊缝,加大压下量,带负荷压下。,(2)提高摩擦因数的方法改变轧件或轧辊的表面状态,以提高摩擦角。改变轧辊的表面状态,主要是通过在粗轧机轧辊上刻槽、焊点、滚花、打砂等,以提高摩擦因数。但在轧制高合金钢时由于质量要求较高,不允许从改变轧辊表面着手,只能是改变轧件的表面状态。合理地调节轧制速度。随轧制速度的提高,摩擦因数是降低的。因此可以低速实现自然咬入,稳定轧制建立后,再提高轧辊速度,以便提高生产率。,三、轧制过程中金属的变形1高向变形在轧制过程中,轧件变形区内的应力、应变分布具有不均匀性,其不均匀性与几何形状系数l/h平有关。按几何形状系数的不同,把轧件沿断面高向的变形分成薄轧件和厚轧件两种情况进行讨论。（1）薄轧件几何形状系数l/h平=0.51.0,热轧薄板和冷轧一般属于这种情况。薄板轧制的变形特点轧件断面高度较小(即为薄轧件),变形容易深透到内部。由于在轧件接触表面(表层)存在摩擦力,前、后滑区接触摩擦力方向均指向中性面,从而阻碍金属的塑性流动。由于表层金属的摩擦力作用,其延伸比中部小,变形呈单鼓形。此外,因轧制时的工具形状等因素影响,使金属的纵向流动远大于横向流动,所以金属的变形绝大部分趋于延伸,宽展很小。如轧制极薄带或箔材,轧件厚度很小,变形更容易深透到内部,整个变形区受接触摩擦力的影响很大,在轧件表层和中部都呈现较强的三向压应力状态。沿断面高向的应力和变形都趋于均匀,并认为“变形前的垂直横断面,在变形过程中仍保持为垂直平面”,即所谓“平断面假设”,宽展可忽略。,金属质点的水平运动速度平辊轧制时金属质点不仅有塑性流动,而且还有轧辊旋转带动所产生的机械运动。所以变形区内沿高向金属质点水平运动速度是这两种速度叠加的结果。其水平运动速度的不均匀分布主要是受摩擦力的影响。,沿断面高向的应力分布由于金属质点的流动速度沿断面高向分布不均匀,产生附加应力,因此沿断面高向的应力分布也呈现不均匀性。水平法向应力x沿断面高向的分布,如图。在后滑区表层金属质点的水平速度比中部金属高,在前滑区比中部金属低。所以表层金属受水平附加拉应力,而中部金属受水平附加压应力。这种附加应力与接触摩擦引起的基本应力相叠加,就是轧件中实际水平应力x。（x值超过金属的强度极限时,轧件表面会产生横向裂纹）,（2）厚轧件厚轧件的l/h平80%）、成品率D/H=57铸锭宽度（B相变点5070C；避开脆性区！）终轧温度：相变温度5070C，无相变0,650.70TM;轧制速度：低速咬入-高速轧制-低速抛出。Al合金：1100s-1;Cu合金810s-1压下制度：80%（Al），9095%。道次：塑性、咬入、轧辊强度、主电机功率,（5）热轧辊支承辊-平辊，工作辊-凹辊（热精轧凹度-0.30-0.10mm）3铜板带热轧工艺铸锭及加热热轧铣面（正、侧）半连续铸造等，轧前加热T开轧，终轧T相变T。气氛：一般纯铜-低氧化气氛，无氧铜-还原、中性气氛（O变形抗力,润滑存在三种状态：流体润滑、混合润滑、边界润滑。,4工艺润滑,目的作用：保证轧制顺利进行，降低能耗、减少磨损、改善质量、提高效率润滑剂：润滑、冷却、洗涤功能常用润滑剂：轧制油（植物油、动物油、矿物油）、乳液（少量油+水）热轧：润滑油分解成碳+气化（气垫）铝热轧：59L1（苏），A-100HR（日），PROSOL67（Mobil），200#、84#、LRE-88（中）铜热轧：与铝同。但热初轧水冷。冷轧：变形抗力大、变形温升铝冷轧：D80(EXXON)-铝箔、Somemter(ESSO)-板带、Genrex56(Mobil)板带/箔、SUN-1(箔),-2（箔、带）,-3（板）铜冷轧：光亮退火后不形成油污/斑渍乳化液：PROSOL35,66（Mobil）,ea66ap、somenter(Esso)矿物油：Genrex22B、24B、26B、53(Mobil),十管线材轧制,有色金属及其合金的管线材,主要是以铝、铜及其合金的轧材为主。规模不大,但一般是轻金属和重金属分别自成系统进行生产。用轧制法生产有色金属管线材,与挤压法、拉拔法相比较,具有效率高、规模大、能耗少、成本低等优点。不适合生产一些塑性变形能力较差的有色金属材。,1管材轧制,无逢管生产：铸造挤压斜轧管材轧制包括：热加工和冷加工,其中冷加工的应用较为广泛。热加工是指把实心的管坯穿制成空心的毛管,轧制出符合产品要求的热轧管。热轧法生产有色金属及合金管材时,多与其他方法配合使用。例如:斜轧穿孔冷轧拉拔，斜轧穿孔拉拔。（1）管材热轧斜轧法生产管材,生产成本低、建厂投资少、生产效率高以及金属收得率高等优点。但是,产品规格少,而且对锭坯的质量要求高,多数是用来生产塑性较好、批量较大的紫铜、黄铜、钛及其合金、铝合金等无缝管的毛管。,热轧管加工过程：穿孔轧管定径（减径）有色金属的热轧管材主要是斜轧穿孔。三种方法：铜、铝、钛斜轧穿孔工艺（p225).,(2)管材冷轧变形量大（与拉拔比较）、可生产低塑性难变形薄壁管。避免退火、酸洗、制头等。周期式、连续式、行星式周期式冷轧管：圆管、异形管,2线材轧制,线材的品种：断面小、长度长，成盘卷状交货。按线材断面的形状可分为圆形、方形、六角形和异形线材。线材轧制是沿着高速、连续两个方向线材生产沿高速、连续方向发展。有代表性的精轧机有两种,一种是以美国摩根公司为代表的集体传动的二辊水平式轧机,其特点是多线轧制;另一种是以德国施罗曼公司为代表的单独驱动的平、立交替轧机,单线轧制。目前,线材轧机最高设计的轧制速度已能达到140m/s,单机产量已达4105t/a。特殊轧制新技术是:无头轧制技术;高精度定径/减径机组;低温轧制技术;控冷轧制技术;在线热处理。,线材轧制工艺,线材轧制工艺流程：半连续式线材轧机连续式线材轧机：平-立、45度交叉、三辊Y形横列式及复二重式轧机,十一轧制设备,1轧机的组成驱动主电机、传动装置和工作机座三部分组成。驱动主电机的功率大小取决于轧机的用途、轧制品种规格的和生