塑性成型原理-第一章

,目的、要求：掌握变形区主要参数及相互关系；掌握咬入条件及改善咬入的途径；熟悉轧制过程变形、运动学、力学条件；熟悉金属在变形区里的流动规律。,第1章轧制过程基本概念,第1章轧制过程基本概念,1.1变形区及其主要参数1.2实现轧制过程的条件1.3轧制过程的变形、运动学、力学条件1.4金属在变形区内的流动规律1.5三种典型轧制,1.预备知识,轧制方法划分：按轧件与轧辊的相对运动关系或轧件在变形区内变形特点划分：纵轧、斜轧和横轧。按轧制温度划分：热轧、冷轧、温轧。按轧制产品的成形特点划分：一般轧制、特殊轧制（周期轧制、旋压轧制、弯曲成形）,纵轧：轧辊的轴线相互平行或在同一平面内，上下工作辊转动方向相反，轧制时轧件沿与轧辊轴线垂直方向作直线运动且延伸的轧制方式。,2.纵、横、斜三种轧法的区别,图1纵轧示意图1轧辊2轧件3行进方向,金属轧制最常用的方式，是冶金生产主要的加工方法。主要用于初轧开坯、板带材轧制、型材轧制和棒线材轧制。,斜轧上下两个轧辊的轴线倾斜互成一定角度，各工作辊旋转方向相同，轧制时轧件沿轧辊夹角平分线作螺旋运动且延伸的轧制方式。横轧上下两个轧辊的轴线相互平行，各工作辊旋转方向相同，轧制时轧件沿轧辊轴线方向作螺旋运动且延伸的轧制方式。,图2二辊斜轧简图l轧辊2坯料3毛管4顶头5顶杆,轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拖入辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能产品的压力加工过程。体积不变定律：在塑性变形过程中，如果忽略金属密度的变化，可以认为变形前后金属体积保持不变。,3.几个基本概念,体积不变定律应用：1.确定轧制后轧件的尺寸。2.根据产品的断面面积和定尺长度，选择合理的坯料尺寸。3.在连轧生产中，为了保证每架轧机之间不产生堆钢和拉钢，则必须使单位时间内金属从每架轧机间流过的体积保持相等，即F1v1=F2v2=Fnvn如果F1、F2Fn为已知，如果vn已知，则其它机架轧辊的转速均可求出。,3.几个基本概念,最小阻力定律：内容：物体在塑性变形过程中，其质点有向各个方向移动的可能时，则物体内的各质点将沿着阻力最小的方向移动。最小阻力定律应用：1.判断金属变形后的横断面形状。2.确定金属流动的方向(延伸、宽展)。,3.几个基本概念,简单轧制过程：1)对轧辊的要求：上下辊均为传动辊的平辊，辊径相同，转速相等转向相反，无外加张力或推力，轧辊为刚性的。2)对轧件的要求：轧制前与轧制后轧件的断面为矩形或方形，轧件变形是均匀的。3)对工作条件的要求：轧件以等速离开轧辊，只受轧辊的作用力。,3.几个基本概念,非简单轧制过程：1)单辊传动；2)带张力轧制；3)轧制速度在一道次内变化；4)轧辊直径不等；5)孔型中轧制。,3.几个基本概念,思考题：1.实际轧制情况与简单轧制的差别；2.讨论最小阻力定律。,1.1.1变形区概念：轧件承受轧辊作用产生塑性变形的空间区域。变形区由两部分组成：几何变形区：轧件直接承受轧辊作用，产生塑性变形的部分，如ABB1A1。物理变形区：由于几何变形区影响，轧件间接承受轧辊作用，产生塑性变形的部分。,1.1变形区及主要参数,物理变形区,接触弧s（咬入弧）：轧制时，轧件与轧辊相接触的圆弧(AB或A1B1）咬入角：接触弧所对应的圆心角。变形区（接触弧）长度（l）：接触弧的水平投影长度。,1.1.2变形区的主要参数,1)咬入角h=D(1-cos)，cos=1-h/D当很小时，h/R,1.1.3各主要参数间相互关系,变形区任一断面高度hx:hx=hx+h=D(l-cosx)+h,实际生产中，压下量的取值轧制类型咬入角压下量h型钢25D/10热轧薄板1020（1.56）%D冷轧薄板35（0.151)%D,最大压下量:,1.1.3各主要参数间相互关系,2）变形区长度l（不考虑弹性变形）1)简单轧制，即上下辊直径相等。2)上下辊直径不相等(异步轧制）,1.1.3各主要参数间相互关系,绝对变形量相对变形量变形系数,1.1.4轧制变形的表示方法,1)绝对变形量压下量h=H-h宽展量b=b-B延伸量l=l-L,计算简单，能直接反映出物体尺寸的变化，但不能正确反映出物体的变形程度。,轧前、轧后轧件尺寸的绝对差值,例如：有两块金属在宽度和长度上相同，而高度分别为H1=4毫米和H2=10毫米，经过加工后高度分别为h1=2毫米,h2=6毫米，这两块金属的压下量分别为h1=2毫米，h2=4毫米这能说明第二块金属比第一块的变形程度大吗?,1)绝对变形量,相对压下量=（h/H）%e=lnh/H相对宽展量b=（b/B）%eb=lnb/B相对延伸量l=（l/L）%el=lnl/L。,2)相对变形量,轧前、轧后轧件尺寸的相对变化,可以比较全面反映出物体的变形程度的大小。,2.真实相对变形,1.一般相对变形,压下系数：=H/h宽展系数：()=b/B延伸系数：()=l/L根据体积不变原理，三者之间存在如下关系，即HBL=hbl=或ln（1/）+ln+ln=0上式说明，在一定压下量下将会得到一定的延伸量和宽展量。,3)变形系数,轧前、轧后轧件尺寸的比值表示的变化,4）总延伸系数与总压下率（累积压下率）设轧件原始面积为F0,经过n道次轧制后面积为Fn，则,将逐道延伸系数相乘，得,故可得出结论：总延伸系数等于相应各部分延伸系数的乘积。,相应地轧件逐道次的延伸系数为:,(a)总延伸系数,(b)累积压下率与道次压下率之间关系,轧板时由于宽展很小忽略不计，常用相对压下率来表示变形程度，累计压下率为：,轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拖入辊缝，并使之受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能的压力加工过程。轧制过程三阶段：咬入阶段、稳定轧制阶段、和甩出阶段.,1.2实现轧制过程的条件,1.咬入阶段：从轧件前端与轧辊接触的瞬间起到前端达到变形区的出口断面（上、下轧辊轴心连线）特点：1)变形区的长度由零连续地增加到最大值，即增加到2)变形区内的合力作用点、力矩皆不断的变化。3)轧件对轧辊的压力P由零值逐渐增加到该轧制条件下的最大值。4)变形区内断面的应力状态不断地变化。,1.2实现轧制过程的条件,2.稳定轧制阶段：从轧件前端离开轧辊轴心连线开始，到轧件后端进入变形区的入口断面止。特点：变形区的大小、轧件与轧辊的接触面积，金属对轧辊的压力，变形区内各处的应力状态等都是均衡的。,1.2实现轧制过程的条件,3.甩出阶段：从轧件后端进入入口断面时起到轧件完全通过辊缝（轧辊轴心连线）特点：1)变形区的长度由最大变到最小零。2)变形区内的合力作用点、力矩皆不断的变化。3)轧件对轧辊的压力P由最大值变到零。4)变形区内断面的应力状态不断地变化。,1.2实现轧制过程的条件,咬入：依靠旋转的轧辊与轧件间的摩擦力将轧件拖入辊缝的现象。1.2.1.1自然咬入条件受力分析如图1-1,1.2.1咬入条件,图1-1咬入时轧件受力分析,图1-2P和T力的分解,轧辊对轧件的作用力P、TPy、Ty：压缩轧件，使轧件产生塑性变形Px、Tx：决定轧件能否咬入PxTx：不能咬入Px=Tx：临界咬入PxTx：咬入咬入条件：PxTx而Px=PsinTx=Pfcos即sinfcostanf=tan自然咬入条件,1.2.1.1自然咬入条件,热轧型钢：=2025热轧带钢：=1020,在咬入过程中，如图,表示轧件咬入后其前端与中心线所成的夹角，按照轧件进入轧辊的程度，一直是在减少。设压力沿着接触弧均匀分布，则P、T合力作用角在1/2接弧处。受力分析如图。,1.2.1.2稳定轧制时的咬入条件,=（-）/2+=（+）/2,知稳定轧制时放宽了咬入条件。即，稳定轧制阶段的最大允许压下量较自然咬入时的最大允许压下量大。,=时，即=，自然咬入,=0时，即=/2，是实现稳定轧制的临界条件。,当TxPx，实现稳定轧制,而Tx=TcosPx=Psintantan,则/22稳定轧制条件,比较自然咬入条件，,金属进入变形区情况,稳定轧制建成过程咬入条件,问题：实际稳定轧制时的咬入角与自然咬入时的咬入角是2倍的关系吗？,2,由咬入条件：便可以得出凡是能增大和减小的一切因素都利于咬入。对以上两种途径分别讨论：,1.2.2改善咬入条件的途径,1.减小咬入角途径由=arccos（1-h/D）知（a）增加辊径D；当h=C（constant），增加辊径D，咬入角减小。,1.2.2.1减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施,（b）减小压下量h；当D=C，减小压下量h（h=H-h），=arccos（1-h/D）咬入角减小。例如：减小来料厚度或使得本道次辊缝增大,1.2.2.1减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施,2.生产实际中减小咬入角措施（a）小头进钢用钢锭的小头先进入轧辊或把钢坯的一端压扁进行轧制。轧件前端与轧辊接触面越大，轧件越容易咬入这种方法可以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，所以在实际生产中应用较为广泛。,钢锭小头进钢,1.2.2.1减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施,（b）强迫咬入即用外力将轧件强制推入轧辊中，由于外力作用使轧件前端被压扁，合力作用点内移，改善了咬入条件。相当于减小前端咬入角，改善咬入条件。,1.2.2.1减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施,（c）带钢压下利用稳定轧制阶段允许的最大压下量比自然咬入时所允许的最大压下量大。（h=D（1-cos）（d）无头轧制利用稳定轧制阶段咬入条件较自然咬入条件放宽了，减少自然咬入次数。,1.2.2.1减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施,1.提高摩擦角的途径(a)影响（摩擦系数f）的因素金属种类和化学成分的影响总的来说，金属材料硬度、强度越高，摩擦系数越小;凡是能提高材料硬度、强度的化学成分都可使摩擦系数减小。,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,普碳钢的f合金钢的f铸铁的f钢的f,轧制碳钢时，随钢中含碳量的增加，f降低。,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,工具表面状态和材质的影响随着工具表面光洁度的提高，（表面凹凸不平度的减小）f减小。轧辊刻痕、堆焊可使压下量提高2040，多用于初轧机、开坯机及型钢轧机的开坯孔型中。铸铁轧辊的f钢轧辊的f,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,轧制温度的影响轧制温度的影响主要是通过氧化铁皮起作用。氧化铁皮生成可使摩擦系数增加，但另一方面，氧化铁皮的熔点较低，当轧制温度达到一定高度时，它又熔化起着润滑剂的作用。,温度对钢的摩擦系数的影响,轧制速度的影响随着轧制速度的增加，摩擦系数降低。,轧制速度对摩擦系数的影响,（b）提高摩擦角途径改变轧件或轧辊的表面状态;合理的调节轧制速度.2.生产实际中提高摩擦的措施热轧时在轧制前几道次的轧辊上刻痕、堆焊；冷轧时，不涂油或涂粘度系数小的油。,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,去除轧件表面的氧化铁皮。实验表明，钢坯表面的炉生氧化铁皮，使摩擦系数降低。由于炉生氧化铁皮的影响，使咬入困难，或者以极限咬入后在稳定轧制阶段发生打滑现象。由此可见，清除氧化铁皮对保证顺利的咬入及轧制是十分必要的。,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,调速轧制低速实现自然咬入，然后随着轧件充填轧辊使咬入条件的好转，逐渐增加轧制速度，使之过渡到稳定轧制阶段时最大，但必须保证稳定轧制条件。这种方法简单可靠，易于实现，所以在实际生产中是被采用的。讨论：1.摩擦如何测定。2.各种改善方法的优缺点。,1.2.2.2提高摩擦角的途径及生产实际中常用的措施,1.3.1轧制过程的变形1.平板压缩如图,1.3轧制过程的变形、运动学、力学条件,1）工具面平行金属向两边流动变形，以垂直对称线做分界线中性面2）工具面不平行金属容易向AB方向流动，分界线偏向CD侧,1.3.1轧制过程的变形,2.轧制变形金属向入口侧流动容易后滑区，金属向出口侧流动较难前滑区。中性面偏向出口侧；中性角：中性面对应的圆心角。前滑+后滑延伸。,1.3.1轧制过程的变形,设轧件无宽展，轧件在变形区内沿高度上变形均匀，即水平运动速度一样。在变形区内任取一微分体，,1.3.2轧制过程的运动学,根据体积不变定律，知vxhx=vhh得，vHvvh轧件出口处速度vh大于轧辊圆周速度v即vhv轧件入口处速度vH小于轧辊水平分速度vcos，即vHvcos中性面处轧件的水平速度v与此处轧辊的水平速度vcos相等，即v=vcos实际意义：应用于连轧中。,1.3.2轧制过程的运动学,假设的条件同前，所以单位压力p的合力P作用于接触弧的中点处，即/2处;而单位摩擦力t的合力因在前、后滑区的方向不同，分别用T2、T1表示。力平衡条件：T1x-Px-T2x=0T1x后滑区水平摩擦力之和；Px正压力的水平分量之和；T2x前滑区水平摩擦力之和。,1.3.3轧制过程的力学条件,根据力平衡条件，在无外力作用下，轧制作用力的水平分量之和为零。,力学条件反映了咬入、摩擦、中性角（三个特征角）之间的关系。,1.3.3轧制过程的力学条件,1.4.1沿轧件断面高向上变形的分布1.均匀变形理论（刚端理论）,沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动的分布都是均匀的.,1.4金属在变形区内的流动规律,(1)变形的物体是等向性的;(2)在物体内任意质点所处的物理状态完全均匀,特别是物体内任意质点处的温度相同,变形抗力相等;(3)接触面上任意质点的绝对及相对压下量相同;(4)整个变形物体同时处于工具的直接作用下,即变形是在没有外端(外区)的情况下进行;(5)接触面上完全没有外摩擦,或者没有外摩擦所引起的阻力.,塔尔诺夫斯基指出,为了实现均匀变形必须满足下列条件:,2.不均匀变形理论1）沿轧件断面高度方向上的变形、应力和流动速度分布都是不均匀.,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，所谓粘着系指轧件与轧辊间无相对滑动；,2.不均匀变形理论,3）变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变形区以外，其变形分布都是不均匀的；存在变形过渡区、前滑区、后滑区和粘着区；,4）在粘着区内有一个临界面，在这个面上金属的流动速度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度中性面。,研究沿轧件对称轴的纵断面上的坐标网格的变化证明了不均匀理论的正确性。,1.均匀变形理论沿轧件宽度上金属的变形、应力和流动的分布都是均匀的。2.不均匀变形理论沿轧件宽度上金属的变形、应力和流动的分布也是不均匀的；,1.4.2沿轧件宽度方向上的流动规律,变形区受接触面上纵、横向摩擦阻力的作用，分为四个部分，两个区域即宽展区金属沿横向流动增加宽展；延伸区金属沿纵向流动增加延伸；,依据压下率（)和(H/D)或变形区形状系数把轧制过程分为三种典型轧制情况，具有明显的力学、运动学、变形特征。,1.5三种典型轧制情况,实验证明，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尺寸。,：以大压下量轧薄轧件=34%50%，H/D值较小：中等厚度轧件轧制过程约为15%，H/D值中等：以小压下量轧制厚轧件10%，H/D值较大，初轧开始道次或板坯立轧道次,1.5三种典型轧制情况,变形区形状系数()：轧件断面高度相对于接触弧的长度。,1.5.1变形特征,当变形区形状系数时，薄件变形,轧件横断面呈单鼓形；,当变形区形状系数时，即厚件变形,轧件横断面呈双鼓形。(0.51),变形区形状系数,中等厚度变形:压缩变形刚好深透到整个变形区高度，变形比较均匀变形后轧件两侧面基本平直。,1.5.2运动学特征,薄件轧制时，由于受摩擦阻力影响，在后滑区，金属横断面中心部份要比表面速度慢，而在前滑区，金属横断面中心部份要比表面速度快。,对于厚轧件轧制的情况，由于接触表面产生粘着，金属表面速度等于轧辊表面速度；而变形区中部由于没有变形，可近似视为刚体运动,单位接触面积上的轧制压力（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.,1.5.3力