材料课件材料成型工程第三讲宽展

2轧制过程中横变形---宽展2.1宽展及其分类2.1.1宽展与研究宽展的意义1)宽展:在轧制过程中，当轧件受到压下后，金属除按最小阻力法则沿纵向延伸外，在横向也产生变形，称之为横变形。轧制前、后轧件沿横向尺寸的绝对差值，称为绝对宽展简称为宽展.2)研究宽展的意义研究轧制过程中宽展的规律具有很大的实际意义,具体讲为:(1)拟订轧制工艺时需要确定轧件宽展.(给定坯料尺寸和压下量，确定轧制后产品的尺寸，或者已知轧制后轧件的尺寸和压下量，要求定出所需坯料的尺寸)(2)孔型轧制中,必须正确地确定宽展的大小，否则不是孔型充不满，就是过充满.由于问题本身的复杂性，到目前为止，还没有一个能适应多种情况下准确地计算宽展的理论公式。所以在生产实际中习惯于使用一些经验公式和数据，来适应各自的具体情况。孔型轧制宽展意义2.1.2宽展的种类根据金属沿横向上流动的自由程度，宽展可分为：自由宽展、限制宽展和强制宽展.1）自由宽展：坯料在轧制过程中，被压下的金属体积可以自由展宽的量。此时，金属流动除来自轧辊的摩擦阻力外，不受任何其它的阻碍和限制。因此，自由宽展的轧制是轧制变形中的最简单的情况。在平辊上或者是沿宽度上有很大富余的扁平孔型内轧制时，就属于这种情况。

2）限制宽展轧制中，被压下的金属与孔型两侧壁接触，孔型的侧壁限制着金属沿横向自由流动，金属被迫取得孔型侧边轮廓的形状。此时，轧件得到的宽展不是自由的，除受摩擦力外，还受到孔型的限制。此外，在斜配孔型内轧制时，宽展可能为负值。

3)强制宽展

被压下的金属受轧辊孔型凸峰的切展而强制金属沿横向流动，使轧件的宽度增加，这种变形叫做强制度展。在立轧孔内轧制钢轨时是强制宽展的最好例子，如下图所示。轧制宽扁钢时采用的'切展'孔型也是说明强制宽展的实例。

确定金属在孔型内轧制时的展宽是十分复杂的，尽管做过大量的研究工作，但在限制或强制宽展孔型内金属流动的规律还不十分清楚。2.1.3宽展的组成轧辊与轧件接触摩擦变形区几何形状和尺寸的不同使沿接触表面上金属质点的流动轨迹与接触面附近的区域和远离的区域是不同的。组成：滑动宽展ΔB1翻平宽展ΔB2

鼓形宽展ΔB31）滑动宽展滑动宽展变形金属在轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽度增加的量以ΔB1表示，展宽后此部分的宽度为：B1＝BH＋ΔB12）翻平宽展由于接触磨擦阻力，轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面，使轧件的宽度增加，增加的量以ΔB2表示，展宽的后轧件的宽度为B2＝B1＋ΔB2＝BH＋ΔB1＋ΔB2

3)鼓形宽展轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，用ΔB3表示,此时轧件的最大宽度为B3＝B2＋ΔB3＝B1＋ΔB1＋ΔB2＋ΔB3

轧件的总展宽量为:ΔB＝ΔB1＋ΔB2＋ΔB3

上述宽展的组成及其相互的关系，由下图清楚地表示出来。宽展的组成及其相互的关系4)关关于于宽宽展展的的几几点点说说明明(1)为为便便于于工工程程计计算算通通常常理理论论上上所所说说的的和和计计算算的的宽宽展展是是将将轧轧制制后后轧轧件件的的横横断断面面化化为为同同一一厚厚度度的的矩矩形形之之后后,其其宽宽度度与与轧轧制制前前轧轧件件宽宽度度之之差差。。即即ΔB＝＝Bh－BH（轧轧后后宽宽度度B是是一一个个理理想想值值））(2)摩摩擦擦系系数数f值值越越大大，，不不均均匀匀变变形形就就越越严严重重，，此此时时翻翻平平宽宽展展和和鼓鼓形形宽宽展展的的值值就就越越大大，，滑滑动动宽宽展展越越小小。。（3））滑滑动动宽宽展展ΔΔB、、翻翻平平宽宽展展ΔΔB和和鼓鼓形形宽宽展展ΔΔB的的数数值值，，至至今今定定量量的的规规律律尚尚未未掌掌握握。。只只能能依依赖赖实实验验和和初初步步的的理理论论分分析析了了解解它它们们之之间间的的一一些些定定性性关关系系5））各各种种宽宽展展与与变变形形区区几几何何参参数数之之间间的的关关系系由图图中中的的曲曲线线可可见见当当越越小小时时，，则则滑滑动动宽宽展展越越小小,而而翻翻平平和和鼓鼓形形宽宽展展占占主主导导地地位位。。这是因为为越小，，粘着区区越大，，故宽展展主要是是由翻平平和鼓形形宽展组组成。而而不是由由滑动宽宽展组成成。2.1.4宽展展沿轧件件宽度上上的分布布宽展分布布的理论论，基本本上有两两种假说说：均匀匀分布，，变形区区分区1）均匀匀分布：：认为宽宽展沿轧轧件宽度度均匀分分布。该该假说主主要以均均匀变形形和外端端作用为为理论的的基础。。因为变形形区内金金属与前前后外端端彼此是是同一整整体紧密密联结在在一起的的。因此此对变形形起着均均匀的作作用。使使沿长度度方向上上各部分分金属延延伸相同同。宽展展沿宽度度分布自自然是均均匀的。。它可用用下图说说明均匀分布布2）变形形区分区区：认为变形形区可分分为四个个区域，，在两边边的区域域为宽展展区，中中间分为为前后两两个延伸伸区，它它可用下下图来说说明。3）不同假说说各自特特点（1）均均匀分布布的假说说：对于轧制制宽而薄薄的薄板板，宽展展很小甚甚至可忽忽略时，，变形可可以认为为是均匀匀的。在在其它情情况下，，均匀假假说与许许多实际际情况是是不相符符合的，，尤其是是对于窄窄而厚的的轧件更更不适应应。因此这种种假说是是有局限限性的。。（2）变变形区区分区假假说：不完全准准确，许许多实验验证明变变形区中中金属表表面质点点流动的的轨迹，，并非严严格地按按所画的的区间进进行流动动。但是是它能定定性地描描述宽展展发生时时变形区区内金属属质点流流动的总总趋势，，便于说说明宽展展现象的的性质和和作为计计算宽展展的根据据。总之之，，宽宽展展是是一一个个极极其其复复杂杂的的轧轧制制现现象象，，它它受受许许多多因因素素的的影影响响。。2.2影影响响宽宽展展的的因因素素宽展展的的变变化化与与一一系系列列轧轧制制因因素素构构成成复复杂杂的的关关系系ΔB＝＝f(H,h,l,B,D,ψψ,ΔΔh,εε,f,t,m,p,υυ,)式中中:H、、h—变形形区区的的高高度度；；l、、B、、D—变形形区区的的长长度度、、宽宽度度和和轧轧辊辊直直径径；；ψ—变形形区区的的横横断断面面形形状状；；Δh、、εε—-压压下下量量和和压压下下率率；；f、、t、、m—-磨磨擦擦系系数数、、轧轧制制温温度度、、金金属属的的化化学学成成分分；；p—金属属的的机机械械性性能能；；υ、、u—-轧轧辊辊线线速速度度和和变变形形速速度度。。H、、h、、l、、B、、D和和ψψ表表示示变变形形区区特特征征的的几几何何因因素素。。f、、t、m、、p、和和υ是是物理理因素素，它它们影影响到到变形形区内内的作作用力力，尤尤其是是对于于摩擦擦力。。几何因因素和和物理理因素素的综综合影影响不不仅限限于变变形区区的应应力状状态，，同时时涉及及到轧轧件的的纵向向和横横向变变形的的特征征。金属体体积如如何分分配延延伸和和宽展展轧制时时高向向压下下的金金属体体积如如何分分配延延伸和和宽展展受体体积不不变条条件和和最小小阻力力定律律来支支配。。（1））变形形在两两个主主轴方方向是是给定定的,则质质点只只有在在第三三主轴轴一个个方向向流动动的可可能性性.金金属挤挤压变变形就就是这这种变变形过过程。。（2））如变变形在在一个个主轴轴方向向是给给定了了的,而在在第二二个主主轴方方向受受阻,此时时，在在第三三个主主轴方方向正正反两两方面面流动动的多多少由由这两两方面面阻力力而定定，阻阻力小小者流流动的的多。。在封封闭孔孔型中中轧制制就属属于这这种情情况。。（3））如变变形在在一个个主轴轴方向向是给给定了了的,而在在另个个两个个主轴轴方向向上，，物体体有自自由流流动的的可能能性,此时时向阻阻力小小的主主轴方方向流流的多多.自自由镦镦粗和和平辊辊轧矩矩形件件就属属这种种变形形过程程。2.2.1影响响轧件件变形形的基基本因因素1）宽宽展与与接触触摩擦擦及变变形区区水平平投影影的几几何关关系（1））无接接触摩摩擦情情况研究平平锤头头镦粗粗矩形形六面体体变形形（2））有接接触摩摩擦情情况结论有接触触摩擦擦和无无接触触摩擦擦相比比△blnββ均增增大，，而lnμμ△△l减小小。B为常常数，，对lnηη一定定值△△b随随L增增，而而增大大L为常常数，，对lnηη一定定值△△b随随B增增，而而增大大B/L比增增，lnβ降降，lnμμ升升同理B/L>1也也可得得到结结论(自学学）2）轧轧辊形形状的的影响响变形区区Ⅰ纵纵向延延伸阻阻力(金属属向入入口方方向流流动））轧制变变形区区与平平锤锻锻造比比纵向向阻力力小，，延伸伸则大大，相相应宽宽展小小。说明轧轧辊形形状对对纵横横变形形有重重要影影响。。可用用工具具形状状系数数表示示1》KG=WX/Wy》0Wy－横向阻阻力（Wy＝Pf)说明纵纵向阻阻力小小于横横向阻阻力延延伸大大于宽宽展2.2.2工艺艺因素素对轧轧件宽宽展的的影响响1）压压下量量的影影响压下增增加宽宽展增增加的的原因因（1））因为为压下下量增增加时时，变变形区区长度度增加加，变变形区区形状状参数数增增大大，因因而使使纵向向塑性性流动动阻力力增加加，纵纵向压压缩主主应力力数值值加大大。根根据最最小阻阻力定定律，，金属属沿横横向运运动的的趋势势增大大，因因而使使宽展展加大大。(2)压下下增加加，高高方向向压下下来的的金属属体积积也增增加，，所以以使ΔΔB也也增增加。。（2）轧轧辊直直径的的影响响其它条条件不不变时时,宽宽展ΔΔB随随轧轧辊直直径D的增增加而而增加加。因为当D增增加时变形区区长度加大,使纵向的阻阻力增加,根根据最小阻力力定律,金属属更容易向宽宽度方向流动动.特别注意轧辊为圆柱体体这一特点，，产生有利于于延伸变形的的水平分力，，它使纵向摩摩擦阻力减少少，有利于纵纵向变形，即即增大延伸。。所以，即使变变形区长度与与轧件宽度相相等时，延伸伸与宽展的量量也并不相等等，而由于工工具形状的影影响，延伸总是大于于宽展。（3）轧件宽宽度的影响假如变形区长长度l一一定，当轧件件宽度B逐逐渐增加时，，由l＞B到l＝B如如下图所示，，宽展区是逐逐渐增加的，，因而宽展也也逐渐增加当由l＝B到l＜B时时，宽展区变变化不大，而而延伸区逐渐渐增加，因此此从绝对量上上来说，宽展展的变化也是是先增加，后后来趋于不变变，这也为实实验所证实特别注意在轧制时，通通常认为，在在变形区的纵纵向长度为横横向长度的二倍时(＝2)，，会出现纵纵横变形相等等的条件。为什么不在二二者相等(＝1)时出现呢呢？这是因为为前面所说的的工具形状影影响。此外，在变形形区前后轧件件都具有外端端，外端将起起着妨碍金属属质点向横向向移动的作用用，因此，也也使宽展减小小。（4）摩擦的的影响在实际压力加加工过程中影影响摩擦的因因素繁多，容易变化，，很难控制，，而且摩擦对对宽展和延伸伸都有影响。。一般说来，变变形区的长度度总是小于其其宽度，根据据最小阻力定定律，摩擦对对宽展的影响响问题，可归归结为摩擦对对纵、横方向向塑性流动阻阻力比的影响响。用Wx及Wy分别表示纵向向延伸及横向向宽展的阻力力。如图14-15所示示，对后滑区区，纵向的塑塑性流动阻力力Tx－Px,在横横向，由由于辊身身是平的的，所以以宽展的的塑性流流动阻力力为Ry＝T＝＝Pf则则纵纵向与横横向变形形的塑性性的流动动阻力比比为当f增增加时，，kG增增加，，即阻碍碍延伸的的作用增增大，促促进了宽宽展。摩擦系数数对宽展展的影响响由图可知知，宽展展是随摩摩擦系数数的增加加而增加加的。由由此可以以推论，，轧制过过程中凡凡是影响响摩擦的的因素都都对宽展展有影响响其他影响响摩擦的的因素摩擦系数数除与轧轧辊材质质，轧辊辊表面光光洁度有有关系外外，还与与轧制温温度、轧轧制速度度、润滑滑状况及及轧件的的化学成成分等因因素有关关系。轧制速度度对摩擦擦的影响响（5）金金属性质质的影响响从这个表表中可以以看出来来，合金金钢的宽宽展比碳碳素钢大大些金属性质质对宽展展的影响响主要是是化学成成分对摩摩擦系数数的影响响，一般般是通过过轧制时时所产生生的氧化化铁皮的的多少及及其性质质对摩擦擦系数产产生影响响。这种种影响是是比较复复杂的。。按一般公公式计算算出来的的宽展，，很少考考虑合金金元素的的影响。。为了确确定合金金钢的宽宽展，必必须将按按一般公公式计算算所求得得的宽展展值乘上上表中的的系数m，也也就是ΔB＝ΔΔB’’×m式式中ΔΔB------所所求求得的合合金钢的的宽展；；ΔB’------按一一般公式式计算的的宽展；；m------考考虑到化化学成分分影响的的系数。。2.3孔孔型轧制制时的宽宽展型钢轧制制变形区区内的主主要几何何参数（（H、、h、、D、、l、αα、Δh)不不再再保持常常数。为说明各各几何参参数沿轧轧件宽度度上的变变化，并并与简单单轧制情情况比较较，给出出下图中中几几种典型型的孔型型中轧制制情况。。2.3.1孔型型中轧制制的宽展展特点1)在在孔型中中轧制时时，沿轧轧件宽度度的压下下量是不不均匀的的。2）孔型形状状的影响响，凸起起及侧壁壁的作用用在孔型中中轧制时时，除摩摩擦阻力力外，还还有孔型型侧壁的的侧向力力起作用用。例如，菱菱形孔就就如前述述的凹形形工具一一样；而而切入孔孔则如凸凸形工具具一样。。如上图在在菱孔中中工具角角ψ＜0，此时时横向变变形阻力力为摩擦擦力T及及压压力P的的水水平分量量之和，，即为P＋T＝P(fcosψ＋sinψ)相反，在切切入孔中，，横向变形形阻力为二二者的水平平分量之差差，即为T－P＝＝P(fcosψ－sinψ)可见，在凸形形孔型中轧制制时，要产生生强制宽展，，而在凹形孔孔型中轧制时时宽展受到限限制。3）轧件与轧轧辊接触的非非同时性轧件与轧辊接接触的非同时时性。变形区区长度沿轧件件宽度也是变变化的下图很清楚地地表明了这一一点。关于接触非同同时性的影响响.如断面ⅣⅣ-Ⅳ,由由于被压缩部部分较小，纵纵向延伸困难难,故可能在在此处得到局局部宽展。在Ⅲ-ⅢⅢ断面，，压缩面积已已比未压缩面面积大若干倍倍。此时，未未受压缩部分分金属受压缩缩部分的作用用而延伸。相相反，压缩部部分延伸受未未压缩部分的的抑制。但是是宽展增加的的不太明显。。在变形区终了了，由于两侧侧部分高度很很小，可得到到大的延伸，，但轧件应服服从整体性变变形将受到中中间金属的牵牵制，使金属属向横向流动动，宽展增加加。图中画出了与与轧辊轴平行行的变形区内内若干的横断断面.轧件开开始进入轧辊辊时,轧件尖尖角先与孔型型接触4)轧制时的的速度差现象象轧辊刻孔型时时，则轧辊直直径沿宽度不不再相同.孔型边部的辊辊径为D2中心部分的辊辊径为D1,两者的差值D1－D2＝h－s式中h------孔型型高度；s------辊辊缝。对轧制的影响响在同一转数下下,D1的线速度υ1要大于D2的υ2孔型边部轧辊辊速度较大，，孔型中部较较小。但轧件件是一个整体体，出口速度度相同，造成成轧件中部和和边部的相互互拉扯，如果中部体积积大于边部的的，则边部金属属拉不动中部部的，就导致致宽展的增加加。同时这种种速度差导致致孔型磨损的的不均匀。2.3.2孔孔型中轧制时时的宽展计算算问题1）在孔型中轧制制时的宽展不不再是自由宽宽展，而大部分成成为强制或限限制宽展并产产生局部宽展展或拉缩。孔型设计的任任务就是正确确地计算宽展展的数值。但但由于问题的的复杂性，单单纯用理论公公式计算往往往误差很大。。所以工厂也也常喜欢采用用经验公式和和数据来计算算，如ΔB＝C·ΔΔh式中C------称为为宽展指数。。C可根据据大量生产实实测资料的统统计而得。可可以迅速地确确定出宽展值值。设计出合合理的孔型来来。2）应指出，，按ΔB＝＝CΔh的经经验公式来估估计宽展有一一定的局限性性。但是随连连轧型钢的发发展又要求建建立计算孔型型中宽展的较较精确的数学学模型。目前前尚缺乏这方方面的资料，，这就需要从从理论和实践践上进行深入入研究。2.3.3孔孔型中轧制时时的宽展计算算方法平辊上轧制时时压下量可按按下式确定ΔΔh＝H－h。在孔型中轧制制时，确定压压下量就比较较复杂。压下下量沿宽度是是变化的，不不能简单地按按上式计算，，此时确定压压下量有不同同的方法。1）外形形轮廓法法按轧件的的最大外外廓尺寸寸来计算算压下量量和宽展展量，图图所示，，即ΔΔh＝H－h,ΔΔB＝Bh－BH这种方法法最简单单，但是是不准确确。2）平均均高度法法用具有相相同的矩矩形面积积来代替替曲线的的孔型面面积和轧轧件面积积来计算算压下量量，如以以FH和Fh表示轧制制前后的的断面积积，则轧轧件轧制制前、后后的平均均高度为为:此时压下下量按下下式确定定例如，在在椭圆坯坯进方形形孔轧制制时的实实际尺寸寸与换算算成的矩矩形尺寸寸，如图图所示.除了上上述的方方法以外外，还有有"移位位体积"法等。。这里就就不多讲讲述了。。2.4宽宽展计计算公式式计算宽展展的公式式很多，，但影响响宽展的的因素也也很多，，只有在在深人分分析轧制制过程的的基础上上，正确确考虑主主要因素素对宽展展的影响响后，才才能获得得比较完完善的公公式。本节介绍绍几个宽宽展公式式，这些些公式考考虑的影影响因素素并不很很多，而而只是考考虑了其其中最主主要的影响因素素，并且且其计算算结果和和实际出出入并不不太大。。现在很多多公式是是按经验验数据整整理的，，使用起起来有很很大局限限性。目前前在在实实际际生生产产中中很很多多情情况况是是按按经经验验估估计计