金属轧制变形理论.ppt

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(DeepDrawing)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。,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,20,“+”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。,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：,TxB1到l2B2，宽展区增加，宽展增大l2B2到l32,边部金属的延伸受中部金属的抑制，产生宽展,76,（4）受孔型形状的影响限制宽展或强制宽展,切入孔：凸形孔型中孔型侧壁给予轧件的力：正压力P摩擦力T轧件宽度方向上的横向阻力：PxTx,菱形孔：凹形孔型中孔型侧壁给予轧件的力：正压力P摩擦力T轧件宽度方向上的横向阻力：PxTx,77,3.4平辊轧制时宽展的计算1）采里柯夫公式,理论依据：最小阻力定律，体积不变定律,变形区：两个宽展区，前滑区，后滑区,78,ABC区内：由体积不变定律，高度方向的体积减少全部转变为横向移动变为宽展,距离出口断面为(xdx)的ac断面移动dx距离后到达bd位置，在宽展区域内压下的体积都横向移动形成宽展,高向减小的体积,横向增加的体积,79,当h/Hv在后滑区：轧件速度低于轧辊线速度的水平分量，并在入口处的速度vH最小vHvcos在中性面：轧件和轧辊的水平分速度相等。v=vcos,vHvvh,88,单位时间内通过变形区内任意横断面上的金属体积为常数,任意横断面上的速度和出口断面速度的关系为：,中性面上的速度和出口断面速度的关系为：,忽略宽展，则,忽略宽展，则,89,4.2前滑值的计算方法依据：变形区各横断面秒流量体积不变。变形区出口断面金属的秒流量应等于中性面处金属的秒流量。,90,推导过程：,前滑值：,91,前滑值：,影响前滑值的工艺参数为轧辊直径，轧件厚度，中性角,曲线1：前滑与轧件厚度呈双曲线的关系；曲线2：前滑与辊径呈直线关系；曲线3：前滑与中性角呈抛物的关系。,92,前滑值：,当中性角很小时，,爱克隆得前滑公式：,在一般生产条件下，前滑值在210之间。,93,4.3平辊轧制时中性角的确定,中性角：中性面所对应的角为中性角，在此面上轧件运动速度与轧辊线速度的水平分速度相等。在前滑区金属力图相对轧辊表面向前滑动；在后滑区金属力图相对轧辊表面向后滑动，因此，前、后滑区摩擦力的方向相反，都指向中性面。,94,作用在轧件单位宽度上得所有力在水平方向分力之和为零。即,假设单位压力沿接触弧均匀分布，则有,积分后得到中性角公式：,95,前后张力相等或无前后张力时，则,角很小时,中性角简化公式：,96,对公式微分，微分为零时，得到中性角极大值：,即当咬入角等于摩擦角时，中性角有极大值。,中性角最大值为：,97,98,4.4影响前滑的主要因素,99,剩余摩擦力的概念轧件从开始咬入到轧制建成的过程中，有利于轧件咬入的水平分力Tx不断增加，而阻碍轧件咬入的水平分力Nx不断减小，Tx-Nx的差值愈来愈大，也就是咬入过程所要求的靠摩擦作用的曳入力愈来愈富余。剩余摩擦力Ts,当、很小时，tg，cos1，sin,100,1）轧辊直径的影响前滑值随轧辊直径增加而增加原因：轧辊辊径增加，咬入角减小，摩擦角保持不变。稳定轧制阶段的剩余摩擦力增加，使得金属塑性流动的速度增加。,101,2）摩擦系数的影响摩擦系数增加，摩擦角增加，剩余摩擦力增加，前滑增加。,102,3）压下率的影响压缩变形量大，参与变形的金属增加，纵向横向变形都增加。,103,4）轧件厚度的影响轧后轧件厚度减小，前滑增加,104,5）轧件宽度对前滑的影响,6）张力的影响张力使得前滑显著增加,105,5轧制过程中的摩擦5.1基本概念摩擦：金属塑性成形时，在金属和成形工具的接触面之间产生阻碍金属流动或滑动的界面阻力。作用：加工载荷；咬入能力；工件变形形状、尺寸精度、表面质量和工具磨损；工件内部的组织、性能分布。,106,5.2轧制时摩擦机理,微观考察工件工具界面1-硬相；2、6-基体；3-吸附膜；4-反应膜；5-表面层,摩擦机理:工具和工件的微观表面凸凹不平,（1）轧件轧辊的表面并非绝对光滑，而是有许多小的峰谷；（2）由于变形热或热加工使接触表面温度上升，会使局部熔化和焊接；（3）很少有纯的金属界面，一般它们为反应层所覆盖；（4）许多情况下，有润滑剂存在。,107,5.3金属塑性成形时摩擦的特点,塑性加工过程中影响摩擦的因素-变形热；-接触表面上原子的相互作用；-润滑时，润滑剂的粘度、膜厚及其化学性质的作用；-塑性加工条件：变形压力、温度、速度、材质、表面状态。,108,摩擦的特点1）是在高压力下产生的摩擦。金属所受的单位压力，热变形时100150MPa，冷变形时5002500MPa，接触面上承受的单位压力愈高，润滑就愈困难。2）塑性成形时，摩擦情况是不断变化的。接触面上金属各点的位移情况也不同，有滑动的，有粘着的。由于金属的变形而不断产生新的接触表面，工具在加工过程中不断受到磨损3）很多塑性成形是在高温下进行的，金属的组织和性能不断发生变化，表面状态也在变化。钢的热轧：开轧1200至终轧900，奥氏体发生再结晶、晶粒长大,轧制变形区I-易变形区；II-难变形区；III-自由变形区,109,摩擦对金属成形时的影响：1)改变金属所处的应力状态，使变形力增加，能耗增多。热轧薄板时可使载荷增加20甚至倍以上。2)引起工件变形不均匀。金属塑性成形时，因接触表面摩擦的作用而使金属质点流动受到阻碍，使工件各部分变形的发生，发展极不均匀。3)金属的粘结。表层金属质点或氧化物从变形工件上转移到轧辊表面，产生轧辊表面粘结金属的现象4)轧辊磨损。板带轧制时，常使辊形和辊面受到破坏，而影响板形和板表面质量。型钢轧制时，常使孔型局部磨损而影响型材形状尺寸精度。,110,5.4接触摩擦理论,四种摩擦状态：干摩擦在轧辊与轧件两洁净的表面之间，不存在其他物质。这种摩擦方式在轧制过程中不可能出现，但在真空条件下，表面进行适当处理后，在实验室条件下，一定程度上可以再现这种干摩擦过程。边界摩擦在接触表面内，存在一层厚度为百分之一微米数量级的薄油膜。其特性是可以承受高的载荷，同时对各层间剪切抵抗不大。在边界润滑条件下，摩擦系数很小，就是因为各层之间剪切抗力很小。,111,液体摩擦在轧件与轧辊之间存在较厚的润滑层（油膜），接触表面不再直接接触。例如在高速冷轧润滑情况下，属此类润滑。混合摩擦（半干摩擦和半液体摩擦）。半干摩擦是干摩擦与边界摩擦的混合，部分区域存在粘性介质薄膜，这是在润滑表面之间，润滑剂很少的情况下出现的。半液体摩擦为液体摩擦与干摩擦或者与边界摩擦的混合。在这种情况下，接触物体之间有一个润滑层，但没有把接触表面之间完全分隔开来。在进行滑动时，在个别点上由于表面凹凸不平处相啮合，即出现了边界摩擦区或干摩擦区。在工艺润滑的冷轧变形区中常出现,112,5.5接触剪应力沿变形接触区的分布摩擦规律采利科夫根据之值的大小，将轧制摩擦分为4种：（1）当时：,1）靠近出口、入口处为滑动区，该区服从干摩擦定律；2）当单位摩擦力因为单位压力p的升高而达到k/2，即出现了黏着区。3）在黏着区中部中性点附近，出现塑性变形停滞区，该区域内没有塑性变形发生，摩擦力近似按直线规律变化。,113,（2）当时：,1）靠近出口、入口处为滑动区，该区服从干摩擦定律；2）由于接触弧长度不足以使得单位摩擦力达到k/2，因此单位摩擦力常数区域消失，塑性变形停滞区就开始发生。塑性变形停滞区内，该区域内没有塑性变形发生，摩擦力近似按直线规律变化。摩擦力沿接触弧呈三角形.,114,（3）当时：,黏着发生在整个变形区，金属沿接触弧滑动的趋势非常小，摩擦力可用近似停滞区的三角形分布表示.,115,（4）当时：,金属沿接触弧滑动的趋势更小,摩擦力可用近似停滞区的三角形分布表示.,116,在实际轧制过程中，变形区内各点的摩擦力方向,a)轧辊接触区投影;b)中性面上的摩擦力分布变形区内摩擦力的分布,117,5.6确定轧制时摩擦系数的方法决定摩擦系数的因素：表面接触状态和接触条件；润滑本身的特征。三种类型的摩擦系数：咬入时的摩擦系数轧辊沿整个接触表面打滑时的摩擦系数稳态轧制时的摩擦系数。,118,1)热轧时的摩擦系数的确定,咬入时的摩擦系数：通过用实验方法测定极限咬入角来确定的。,119,艾克隆德研究了热轧低碳钢（0.15%C）咬入时的摩擦系数：e=k(1.05-0.0005t)（不低于）对于冷硬光滑表面铸铁辊k=0.8；对于钢轧辊，k=1.0，t为轧件温度。斯米尔诺夫式：考虑因素：轧件温度，轧辊表面粗糙度、轧件化学成分以及轧辊速度。e=0.7935-0.000356t+0.012(Ra)1.5k1k2Ra轧辊的算术平均表面粗糙度，m。k1=1-(0.348+0.00017t)CC钢中碳含量百分数。k2取决于轧辊速度，,120,对于各种轧辊表面状态时的最大咬入角和咬入时的摩擦系数，乌萨托斯基给出了实验结果。最大咬入角和咬入摩擦系数随轧辊表面粗糙度的增加而增加。,121,稳态轧制时的摩擦系数(1)轧件温度：对一定化学成分的钢轧件的摩擦系数在某温度下达到最大值后再下降。,对于低碳钢：轧制温度在以上=0.55-0.00024t,122,在无润滑情况下热轧低碳钢时的摩擦系数,123,(2)轧件化学成分,热轧时轧件化学成分对摩擦系数的影响通常取决于氧化铁皮形成机制。实验表明轧制碳钢的摩擦系数随钢中碳含量的增加而下降,124,(3)轧辊表面粗糙度稳态轧制时，摩擦系数随轧辊表面粗糙度的增加而显著上升，,125,摩擦系数与轧辊表面粗糙度的关系1、2、3-用蓖麻油润滑，分别为10%、25%、40%；4-用乳化液润滑，25%,126,(4)轧制速度轧制速度增加使稳态轧制时的摩擦系数减小。钢轧辊：=1.05-0.0005t-0.056V铸铁辊：=0.92-0.0005t-0.056V磨光钢轧辊和冷硬铸铁辊：=0.82-0.0005t-0.56V,127,(5)工艺润滑稳态轧制时的摩擦系数随润滑油浓度的增加而减小。当润滑油的浓度达到一定值时，再增加浓度，对降低摩擦系数的作用不明显。,图2-31热轧时使用工艺润滑剂时的摩擦系数a-乳化液；b-水油混合物,128,咬入时：,5.6冷轧时的摩擦系数,碳含量0.080.25%，锰含量0.270.65%范围内，化学成分对咬入摩擦系数无影响,（2）润滑条件的影响,（1）轧件材质的影响,129,(3)轧制速度的影响,随轧制速度的增加，咬入摩擦系数下降。实验轧制3.9mm厚0.3%C碳钢试样，蓖麻油润滑,轧辊表面粗糙度为0.20.4m：轧制速度在0-0.15m/s，咬入摩擦系数下降很快；轧制速度0.15m/s时，咬入摩擦系数随轧制速度的增加缓慢下降。,（4）轧辊材质和表面粗糙度的影响,130,稳定轧制时：,当轧件温度增加时摩擦系数增加。,（2）轧辊表面粗糙度摩擦系数随轧辊表面粗糙度增加而增大,（1）轧件温度的影响,20在20稳态轧制时的摩擦系数；t轧件温度，；a取决于轧辊表面光