轧制过程的基本概念(26页).doc

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1、-轧制过程的基本概念-第 24 页14 轧制过程的基本概念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。为了建立轧制过程的基本概念，就必须研究轧制过程中所发生的基本现象和建立轧制过程的条件。这是本章所要讨论的主要内容。14.1 变形区主要参数图141 简单理想轧制过程图示虽然我们在生产实践中遇到不同的轧辊组合方式，但实际上金属承受压下而产生塑性变形是在一对工作轧辊中进行的。除了一些特殊辊系结构形式（如行星式轧机、Y形轧机）外，均系在一对轧辊间轧制的简单情况，一般都以此做为研究轧制过程的开端。图141表示简单轧制过程图示。所谓简单轧

2、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。参照（17）式，轧制时绝对变形量（压下、延伸、宽展）分别用下式表示式中 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。相对变形量，参照（18）、（19）式。根据体积不变条件，轧制时也可得到与（110）和（111）式同样的表示各向变形系数 的关系式或 由上面的式子可知，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。如果以表示轧件在轧前的横断面积，而为轧后的横断面积，根据体积不变条件，参照（114

3、）式，则 （141）在轧制生产中，坯料一般要经过若干道次轧制才能得到成品，延伸系数则可分为总延伸系数和道次延伸系数。如轧制n道次，各道次轧前轧件横断面积为从上式可得 （142）式中 、轧前、轧后轧件横断面积； 、1（n1）道次轧件轧后之横断面积；、1n道次的延伸系数。由（142）式可得如果设为轧件轧制n道次后的轧制总延伸系数，则 （143）由此可知，总延伸系数为各道次延伸系数之乘积。轧板时，由于宽展甚小可以忽略不计，故常常用压下系数来表示变形程度，而且一般常用相对变形或压下率表示。此时，第1道次至n道次，各道次的压下率为而积累压下率为式中 轧前轧件高度；、1n道次轧后的轧件高度；、1n道次的压

4、下率；1n道次的积累压下率。积累压下率与道次压下率之关系为 （144）如果将上式稍加改写这个结论就很容易明白了，即简化后左右两边相等，为如图（141）所示，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。现在我们来求咬入角，轧辊直径D和压下量的关系。由图141可以得出式中 轧辊半径。但是 代入，得出 （145）或为 （146）如果上面三值中二者为已知，则其余一值能够迅速地按式（146）求得。例如，D=460mm h=29mm时，由公式可求出=2020。又如，D=165mm、=5时，由公式可求得h=0.627mm。根据几何关系，接触弧长s为 （147

5、）接触弧之水平投影叫做变形区长度l（图141）。由图得或 而 故得最后得出 （148）如果忽略，则l可近似用下式表示之 （149）几何变形区在图141中以ABCD表示之。14.2 实现轧制过程的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。1）轧件与轧辊接触时，轧辊对轧件的作用力 如图142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。因此，旋转的轧辊即以与作用力P大小相同方反的力

6、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为亦即 （1410）图142 咬入时轧件受力分析图143 P和T力的分解2）轧件被轧辊咬入的条件 由轧件受力图（图143）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143b、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

7、咬入的临界条件。由上图可知当=时，则为改写成 且由（1410）式，所以 （1411）它是临界条件的另一种表现形式。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。根据物理概念，摩擦系数可以用摩擦角来表示，亦即摩擦角的正切就是摩擦系数f，将此式代入（1411）式，得或 （1412）即轧制过程之咬入条件为摩擦角大于咬入角。如果用图表示，当时，合力R的方向已向轧制方向根据（146）式，压下量h和轧辊直径D、咬入角有关。当式中轧辊直径D为常数式（D=C），则根据上式，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

8、，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。图144 咬入条件根据（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。应指出，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145）。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

9、弧分布均匀，则角的大小为即 （1413）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。在金属进入到变形区中某一中间位置时，与之水平力亦在不断变化，随着减小，增加，减小，水平轧入力比水平推出力越来越大，这说明咬入比开始容易。图145 金属进入变形区情况图146 建成过程咬入条件 金属充满轧辊后，继续进行轧制的条件仍然应当是水平轧入力大于水平推出力，。如图146所示，此时那么，可写为或 亦即 由此得出 （1414）可见，按照金属进入轧辊的程度，咬入条件向有利的一方面转化，亦即最初轧入时，所需摩擦条件最高，随轧件逐渐进入轧辊，越易咬入

10、开始咬入时的咬入条件为，而建成过程则为。如果以通式表示，可写成下式 （1415）开始咬入时，而建成过程。 轧制过程的变形、运动学、力学条件轧件咬入后，发生塑性变形。对其变形情况可从平板压缩分析开始。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147a）。如果压缩时，工具平面不平行（图147b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147c）。金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧流动形

11、成前滑，向两侧流动形成宽展。由于工具形状沿轧制方向是圆弧面，沿宽度方向为平面工具，而变形区长度l一般总小于轧件宽度B，所以沿轧制方向受较小的阻力使金属向宽度方向流动少，向延伸方向流的多。图147 金属变形图示当金属由轧前高度H轧到轧后高度h时，由于进入变形区高度逐渐减小，根据体积不变条件，变形区内金属全部质点运动速度不可能一样。各金属质点之间以及金属表面质点与工具表面质点之间就可能产生相对运动。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148）。显然，在这种情况下，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

12、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，并以表示之。由此得出 （1416）而且轧件出口速度大于轧辊圆周速度，即 （1417）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 （1418）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 （1419）图1410 水平轧制力平衡图图149 轧制力学图示图148 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 （1420）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。研究轧制运动学条件有很大的实际意义。例如在连续式轧机上，如欲保持两机架间张

13、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 （1421）式中 、轧件轧后宽度、高度和速度；秒流量体积；常数下角标1、2连轧机座号为了讨论轧件与轧辊接触区间力的作用情况，首先研究接触区内任一微分弧长上作用之力（图149），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。如摩擦力遵守阿蒙顿库伦定律，根据（1410）式可写为式中 轧制单位压力；单位摩擦力。设上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

14、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，之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。当轧件咬入，完全进行变形区时根据沿接触区p及t之值不变的假设，则p之合力P作用在接触弧的中点即/2处。而摩擦力之合力因在前滑、后滑区之方向不同，应分别用T2和T1（图1410）。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，即如图1410所示 （1422）式中 后滑区水平摩擦力之和；正压力的水平分量之和；前滑区水平摩擦力之和。根据上面p、t沿接触弧均匀分布的假设，则 （1423） （14

15、24） （1425）将上式代入（1422），并简化整理，令，得出或 （1426）上式即为M巴甫洛夫等导出的三个特征角（、）间的关系式。总之，轧制过程中，轧件在轧辊作用下发生塑性变形，而轧辊发生弹性变形（轧辊弹性变形问题在后面讨论）。同时，轧件与轧辊表面之间以及轧件内部各质点之间发生相对运动。轧辊作用轧件以力使其不变形，而轧件同样给轧辊以相反的力。上面所述的运动学、变形和力学条件三个方面是相互共存和互为因果的，加上咬入条件我们称它们为轧制的四个条件，它描述了轧制时的基本现象。上边的初步分析，已经揭示了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

16、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。从公式和轧入条件可知，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

17、用支撑辊，因而引起了轧机辊系结构的复杂化。当然，上面的分析仅仅是在一个极其简化的理想的轧制过程基础上进行的。在生产中还有各种非简单轧制情况：（1） 单辊传动（周期式叠轧薄板轧机）；（2） 附有外力张力或推力（连轧薄板及钢坯轧机）；（3） 轧制速度在一道次内变化（初轧及板坯轧机）；（4） 轧辊直径不等或转速不等，如劳特轧机等。（5） 孔型中轧制，等等。实际上，既或在简单轧制情况下，也不象上面所说的那样，因为：（1） 变形沿轧件断面高度和宽度不可能是完全均匀的；（2） 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；（3） 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。（4） 做

18、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。所以，简单轧制过程可以说是一个为了研究方便所设计的理想轧制过程模型。通过地上述最简单、最基本的理想轧制过程模型的分析，可以了解轧制时所发生的运动学、变形、力学以及咬入条件，说明轧制的基本现象，看到轧制过程的矛盾，说明轧制的基本现象，看到轧制过程的矛盾，而建立轧制过程的基本概念。14.3 三种典型轧制情况轧制过程和其它塑性加工一样受许多因素的影响，关于这些影响因素，在前面章节中已做了分析和探讨，此处不予多述，下面仅对众多因素中何者起着更主导的作用做进一步研究。根据实验表明，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

19、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。我们曾用综合测量装置对此问题进行实验研究。实验时同时测量了变形区内金属各点对轧辊的单位压力，单位摩擦力。同时还测量了金属质点沿轧辊表面的相对流动及变形情况。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1412 印痕法测金属滑动路程图1411 综合测力装置综合测力装置如图1411所示，在轧辊1上钻以直径d0之小孔，其内配置直径为d之针式测力仪2，二者之间有微小空隙（= d

20、0d），针式测力仪之另一端由膜式支点3固定，这样装置可容许测力仪2在切力影响下作微小摆动，在其上装置有四个螺钉5固定的筒转换器8，单位压力由测力计2经滚珠、心棒传至转换器8，因为支点3为薄膜式，可容许测力计上下稍作移动，以传递单位压力。在转换器4、8上贴有应变电阻片9，将机械参量转换成电参量记录之。该装置可在同一单元面积上同时测出所有轧制单位压力P和单位摩擦力tx、ty之值，并具有共点性，整理数据简易，是一种较好的综合测量装置。所谓印痕法的原理是根据在轧辊表面上刻以小孔，当金属表面质点与轧辊表面质点有相对滑动时，则压入圆孔的金属将用切力作用而错位，在金属表面上留下痕迹。可想而见，在轧辊表面上如

21、在一系列等矩螺旋线上按一定距离刻孔，可能给出金属在变形区滑动路程的清晰景象（图1412）。表141 试件尺寸表金属轧件尺寸（mm）轧制条件HBHLH（）常 值变 值铅20202005D（）72020014.532020034h2.5202004022020050这样，就可在同一轧件上进行力学条件，运动条件等之综合测量研究。试件尺寸如表141所示。实验结果如下：图1414 摩擦力及摩擦系数沿接触弧之分布图1413 轧制薄件时单位压力p及摩擦力t沿接触弧之分布1）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

22、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1413）。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1414所示，摩擦系数沿接触弧的分布，也非常值，而呈曲线形式。其次分析第三种轧制情况。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1415），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

23、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1416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1416 第二种情况p、t分布曲线图1415 第三种情况p、t分布曲线2）运动学及变形特征 在研究金属表面质点对工具表面之相对运动时，常常提出或规定各种标志运动学特征的参数，以使研究方便。用印痕法测出的是金属质点沿接触弧的滑动路程，所以我们取在理想条件下（均匀变形、忽略宽展且沿接触全程发生滑动）金属质点的滑动路程方程式做为轧制运动参数的比较准则。下面就来推导理想滑动方程式。如图1417所示，当轧辊转动角度d，此时轧辊表面质点的移动路程应为另一方面，与轧辊相应点接触

24、的金属质点的移动轨迹，可按下法确定，在假定无宽展和沿轧件横断面质点运动均匀的情况下，如前所述，根据体积不变条件，此金属表面质点的移动轨迹为显然，二者之差值 （a）反映了金属质点在瞬间相对轧辊表面的滑动。式中 轧辊表面瞬时移动路程；于轧辊相应接触点处的金属质点瞬时移动路程；接触弧内任一角度；中性角；，相应及角处的轧件高度；轧辊半径；金属质点在瞬间相对轧辊表面之滑动。图1417 金属与工具之间相对滑动路程将上式（a）积分，则金属对轧辊的滑动路程： （b）参照（146）式 （c）把（a） (c) 代入(b)，则积分整理后得 （1427）上述方程式是代表无宽展和金属质点沿轧件横断面运动均匀的情况下，金

25、属质点的滑移路程。三种典型轧制情况之运动学特征分别示于图1418的a、b、c中。图1418 三种典型情况的金属滑动路程曲线（a）薄件轧制；（b）中件轧制；（c）厚件轧制对于变形来说，薄件轧制呈单鼓形而厚件轧制呈双鼓形。根据上面实验的分析，可知和H/D说明轧件尺寸的影响的有三种典型轧制情况，它们的变形特征、运动学特征和力学特征具有明显的规律性（图1419），对这些规律可用前面所学理论进行解释（读者自做）。由图1419可见，从第一种轧制情况的单鼓形过渡到第三种轧制情况的双鼓形时，宽展区在整个变形区所占的比重逐渐增加。由第一种轧制情况，轧件沿轧辊表面产生滑动过渡到第三种情况，轧件与轧辊表面产生粘着。

26、这种过渡标志着滑动路程的最大值逐次降低，且在第三种轧制情况时，滑动路程曲线出现了标志没有滑动的水平段，即产生粘着。图1420 轧制方坯时的平均单位压力图1419 三种典型轧制情况之力学、运动学和变形特征第一、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。为了确定上述结论是否带有普遍性质，以不同金属做了实验，在冷、热轧铝及轧铅的情况下，它们的轧制特征仅有量的区别，并无质的差异。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1420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

27、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。有上面研究不难得出如下结论：（1） 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。正是因为这些因素作用的差异性，出现了各种轧制工艺，使各轧制工艺具有特殊性。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，都有滑动，这种由基本因素所规定的本质是一致的，这是共性。但是热轧要考虑变形温度与速度的影响，而冷轧中加工硬化影响更为重要。热轧摩擦系数更多地取决于温度和钢种的影响，而冷轧主要决定于润滑剂的选择。热轧时不能施加大张力，而冷轧则相反，没有张力是难以实现冷轧的。（2）理想轧制过程与本节所说的实际轧制过程的轧制特征差异很大。如沿接触弧轧制压力不变的假设实际情况下是不存在的。然而，理想轧制过程这种“科学抽象”，使我们容易建立起轧制过程的概念，但我们还不能停留在这个阶段，而是以它为基础进一步进行深入研究。