第8章--轧制过程的基本概念

轧制原理（Therollingprinciple）,辽宁科技大学材料科学与工程学院,轧制,轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90的金属材料涉及轧制工艺。,轧制概述：,极限轧制量：,极限轧制量：,其中：为轧辊与工件之间的摩擦系数,轧制力：,轧制力函数：,其中：Yavg为工件受轧时的平均真应力,轧件的组织变化：,轧机的轧辊数：,轧机有不同的轧辊配置，如：二辊式、三辊式、四辊式、多辊式和串连式等，可以对材料施加前张紧力或后张紧力，以提高工艺可行性或减小轧制力。,冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。,现代化的连续轧制生产线,根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧。,轧制的主要工艺类型,纵轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。,斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。,在轧制过程中，金属棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的小球，轧辊每旋转一周即可轧制出一个钢球。,轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加,金属变形过程,楔横轧主要,用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。,楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。,第八章轧制过程的基本概念,1变形区主要参数2实现轧制过程的条件3三种典型轧制情况,重点内容：轧制的概念，变形区的主要参数，实现轧制过程的条件，轧制过程中变形、运动学、力学条件，三种典型轧制过程。难点内容：简单轧制概念，咬入条件，三种典型轧制情况。,轧制,轧制过程是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形的过程，通过轧制使金属具有一定的尺寸、形状和性能。,8.1变形区主要参数,图11简单理想轧制过程图示,简单轧制过程，即上下轧辊直径相同、转速相等，轧辊无切槽，均为传动辊，无外加张力或推力，轧辊为刚性的。,轧制时绝对变形量（压下、延伸、宽展）,式中h、H轧件轧后、轧前高度；、轧件轧后、轧前长度；、轧件轧后、轧前宽度。,各向变形系数的关系式,由一个主变形方向压下来的金属，按着不同的比例分配到另外两个主变形方向上去，亦即轧制时在一定压下量情况下将会得到一定的延伸量和宽展量。,体积不变条件,以表示轧件在轧前的横断面积，而为轧后的横断面积。,总延伸系数和道次延伸系数,相对变形或压下率,咬入角,咬入角是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心连线与轧辊中心线所构成的圆心角。求咬入角，可以确定轧辊直径D和压下量的关系。,变形区长度,8.2实现轧制过程的条件,1.2.1咬入条件在生产实践中可以发现，有时轧制很顺利，但也有时压下量大了，轧件就轧不入。轧件轧不入，一般称不能咬入。轧制过程是否能建立，决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。因此，研究分析轧辊咬入轧件的条件，具有非常重要的实际意义。,受力分析,轧件与轧辊接触时，轧辊对轧件的作用力如图12所示，当轧件接触到旋转的轧辊时，在接触点（实际上是一条沿辊身长度的线）上轧件以一力P压向轧辊。旋转的轧辊即以与作用力P大小相同方反的力作用到轧件上，同时旋转的轧辊与轧件之间有摩擦力T。对轧件来说，受有P及T两个力的作用；P力的方向是径向的正压力；T力是摩擦力，与轧辊旋转方向一致，是切线方向的，与P力垂直。按阿蒙顿库伦定律，摩擦系数f为：,图12咬入时轧件受力分析,图13P和T力的分解,受力分析,轧件被轧辊咬入的条件由轧件受力图（图12）可以看出，力P是外推力，而T是拉入力，能否咬入则由它们谁占优势来决定。可以把P和T分解成水平方向的分力和，垂直方向的分力和（图13b、c）。垂直分力和是压缩轧件的，使轧件产生塑性变形，轧件才可咬入。水平分力和直接影响咬入。显然，当大于时，咬不进。当小于时，能够咬入。所以，=是咬入的临界条件。,咬入条件的推导,这个公式说明，咬入角的正切等于轧件与轧辊之间的摩擦系数f时，是咬入的临界条件，当时，能咬入，如果时，则不能咬入。,改善咬入条件的措施,根据上式，在辊径不变情况下，若增加咬入角，压下量h便增加。而的增加又受摩擦角的限制，故欲使增加以提高压下量，必须增大摩擦，例如在初轧机轧辊上刻痕迹或冷轧开坯不用润滑就是这个道理。根据（即为常值），则在相同摩擦条件下，增加辊径是改善咬入的一个好办法。如为常值，随D增加，减少，有利咬入。,建成阶段的咬入条件,图15金属进入变形区情况,图16建成过程咬入条件,建成阶段咬入条件分析,在咬入过程中，金属和轧辊的接触表面，一直是连续地增加的。因此，随着金属逐渐地进入辊隙，轧制压力P及摩擦力T已不作用在处，而是逐渐向着变形区的出口方向移动;对轧件作受力分析如下我们用表示轧件咬入后其前端与中心线所成的夹角（图15）。按照轧件进入轧辊的程度，一直是在减小。,开始咬入时,在金属完全充满辊隙后。随着金属逐渐充填变形区，合力P的作用角由原来的变成角，如设压力沿接触弧分布均匀，则角的大小为显然，随由变至0，将由变化至/2。当时，为金属开始咬入；而当时，金属充填整个变形区，此时一般称做轧制过程建成。,轧制过程的变形、运动学、力学条件,当平板压缩时，金属向两个方向变形，并以其垂直对称线做分界线（图17a）。如果压缩时，工具平面不平行（图17b所示），由于工具形状的影响，金属容易向AB方向流动，因此它的分界线（或称中性线、中性面）便偏向CD一侧。,轧制时的情况与此相类似，金属向入口侧流动容易，向出口侧流动较少，其中性面偏向出口侧。中性面对应的圆心角叫中性角，通常以表示之（图17c）。金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧流动形成前滑，向两侧流动形成宽展。,图17金属变形图示,设轧件无宽展，且轧件沿每一高度断面上质点变形均匀，其运动之水平速度一样（图18）。根据体积不变条件，轧件在前滑区相对于轧辊来说，超前于轧辊，而且在出口处之速度为最大，在后滑区落后于轧辊，并在入口处之速度为最小，在中性面上轧件与轧辊的水平速度相等。由此得出,而且轧件出口速度大于轧辊圆周速度，即轧件入口速度小于轧辊水平速度，在入口处轧辊水平分速度为，则中性面处轧件之水平速度与此处轧辊之水平速度相等，它等于,图18轧制过程速度图示,变形区任意一点轧件的水平速度可以用体积不变条件计算，如果忽略宽展，就可得出下式:式中、变形区内任一点处轧件断面高度及其水平速度；中性面处轧件高度。在连续式轧机上，如欲保持两机架间张力不变，很重要的条件就是要维持前机架轧件出口速度和后机架轧件入口速度相等并保持不变，这也就是通常称之为“秒流量体积不变”条件。如以公式表达，则,图19轧制力学图示图110水平轧制力平衡图,轧件与轧辊接触区间力的作用,首先研究接触区内任一微分弧长上作用之力（图19），它与轧制中心线之夹角为，在其上作用着正压力及摩擦力。摩擦力的作用方向取决于该微分长度在变形区中的位置。在后滑区其作用方向与前滑区者相反。图中的单位压力及单位摩擦力沿接触弧其值不变，在前滑区和后滑区内任一点上力的作用情况在图中已经表示出来。例如在后滑区，与可用合力表示之，如把分解为水平分量，垂直分量，那么显然，水平分量起着把轧件拉入轧辊的作用，而其垂直分量则压缩金属使之产生塑性变形。,轧制过程的内在矛盾,如欲加大压下量以提高轧机生产能力，根据轧入条件则应增加摩擦，但由于金属质点与轧辊表面有相对滑动，摩擦的增加导致轧辊的磨损，使轧件表面质量变坏，而且增加了力、能消耗。为了解决这一矛盾，在开坯轧机，轧入条件成为主要矛盾时，甚至在轧辊上人为地进行刻痕，以增加摩擦改善轧入条件来提高压下量。而当冷轧薄板时，表面质量成为主要矛盾时，则采用润滑剂来降低摩擦，改善表面质量，同时降低力、能消耗。,轧入条件可知，在相同摩擦条件下，增加辊径可以提高压下量，同时可提高轧辊强度，这是有利的一面。但是随着辊径的增加，接触弧长度增加，因而使压应力状态增强，引起轧制压力急剧增加，这是不利的一面。当轧制薄板道次压下量不大而工具的强度和刚度成为主要矛盾时，不得不采用小直径轧辊的轧机来生产，这时要采用支撑辊，因而引起了轧机辊系结构的复杂化。,各种非简单轧制情况,单辊传动（周期式叠轧薄板轧机）；附有外力张力或推力（连轧薄板及钢坯轧机）；轧制速度在一道次内变化（初轧及板坯轧机）；轧辊直径不等或转速不等，如劳特轧机等。孔型中轧制，等等。实际上，既使在简单轧制情况下，也非简单轧制那样，因为：,变形沿轧件断面高度和宽度不可能是完全均匀的；金属质点沿轧件断面高度和宽度的运动速度也不可能是完全均匀的；轧制压力和摩擦力沿接触弧长度上分布也不可能是均匀的。做为变形工具的轧机也不可能是绝对刚性的，它要产生弹性变形。,8.3三种典型轧制情况,对同一金属在相同的温度速度条件下，决定轧制过程本质的主要因素是轧件和轧辊的尺寸。在、D、h皆为常值的情况下，用H/D、可以估价外端及轧件尺寸因素的影响，并有三种典型轧制情况，它们都具有明显的力学、变形、运动学特征。实验研究方法如下：为了进行综合测量，在上辊装以综合测力装置，在下辊表面上在一系列等矩螺旋线上刻孔印痕法，测定金属的滑动路程。,图111综合测力装置图112印痕法测金属滑动路程,力学特征,首先分析第一种轧制情况，即以大压下量轧制薄轧件的轧制过程，=3450。在这种情况下，单位压力沿接触弧的分布曲线有明显的峰值，而且，压下量越大，单位压力越高，且峰值越尖，尖峰向轧件出口方向移动（图113）。前面我们在简单理想轧制过程的分析中，曾假设，单位压力，单位摩擦力沿接触弧的分布是均匀不变的常值，而且摩擦遵从阿蒙顿库伦定律。但由上面实验结果看出，这些假设与实际有很大差别。不仅单位压力p及摩擦力t沿接触弧不均匀分布，如图114所示，摩擦系数沿接触弧的分布，也非常值，而呈曲线形式。,图113轧制薄件时单位压力p及摩擦力t沿接触弧之分布,图114摩擦力及摩擦系数沿接触弧之分布,第三种轧制情况相当于初轧开始道次或板坯立轧道次，它是以小压下量轧制厚轧件的过程，较小，在10以下。这一类轧制过程的单位压力也具有明显的特征（图115），曲线在变形区入口处具有很高的峰值，向着出口方向急剧降低。第二种轧制情况为中等厚度轧件轧制过程。约为15。对于第二种情况，由图116看到，单位压力分布曲线没有明显的峰值，而且它的单位压力小。,图115第三种情况p、t分布曲线,图116第二种情况p、t分布曲线,图117三种典型轧制情况之力学、运动学和变形特征,图118轧制方坯时的平均单位压力,第一、第三种轧制情况，单位压力较高，前者峰值靠近出口处，后者峰值近入口处，第二种轧制情况下单位压力最小，而且没有明显峰值。实验室所揭示的轧制力学、运动学与变形特征也与生产实践中所记录的轧制参数相一致。如图118所示，轧制平均单位压力与之关系曲线呈向下凹的形式，因为轧制方坯时最初几道次相当于第三种轧制情况，因而测得的平均单位压力值较高，而相当于第二种轧制情况的中间道次，轧制平均单位压力之值最小。,结论,根据和H/D因素，使轧制过程分为三种典型轧制情况，具有明显的力学、运动学和变形特征。但其它因素也具有重要影响。各种轧制工艺，各具有特殊性。例如热轧与冷轧薄板，从尺寸因素来说它们同属于第一种轧制情况，它们都具有相同的轧制特征，压力较高，宽展很小甚至无宽展，都有