金属轧制变形理论.pptx

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1、1金属的塑性成形方法：轧制(Rolling)(Rolling)、锻造(Forging)(Forging)、挤压(Extrusion)(Extrusion)、拉拔(Drawing)(Drawing)和深冲(Deep(Deep Drawing)Drawing)轧材:将金属坯料(Billet,Bloom,Slab)(Billet,Bloom,Slab)通过两个转动的轧辊(Roller)(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9898以上。第1页/共135页21、轧制过程的基本概念

2、、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第2页/共135页31.1 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：轧制目的：形状（shape）尺寸（size）组织（microstructure）第3页/共135页4第4页/共135页5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第5页/共135页6简单理想轧制过程示意图简单理想轧制过程示意图简单理想轧制：简单理想轧制：轧

3、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：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。第6页/共135页7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)第7页/共135页8第8页/共135页92）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：第9页/共135页103）接触面积 接触面水平投影面积。简单理想轧制过程示意

4、图简单理想轧制过程示意图第10页/共135页11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 第11页/共135页122）变形区长度 l 弹性压扁造成的接触弧长增加量可达30100 第12页/共135页13 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轧辊的弹性模量第13页/共135页14迭代法求解时变形区长度 l 公式 P为总轧制压力，未知。需要迭代求解第14页/共135页15金属在轧制变形区内的流动规律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沿轧面高向上的变形分布

5、均匀变形理论均匀变形理论 不均匀变形理论不均匀变形理论第15页/共135页16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u沿轧件断面高度方向上的变形分布不均匀沿轧件断面高度方向上的变形分布不均匀第16页/共135页17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

6、钢的延伸率，冷弯性能变差。第17页/共135页181-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uu沿轧件断面高度方向上金属流动分布不均匀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第18页/共135页19“+”拉应力；“-”压应力；1-后外端；2-入辊处；3-临界面；4-出辊处；

7、5-前外端uu沿轧件断面高度方向上金属应力分布不均匀沿轧件断面高度方向上金属应力分布不均匀第19页/共135页20轧制变形区I-易变形区；II-难变形区；III-自由变形区第20页/共135页21 不均匀变形理论不均匀变形理论：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

8、轧辊的水平速度。第21页/共135页22 变形不均匀性与变形区形状系数的关系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。0.51.0时金属流动速度与应力分布第22页/共135页23 沿轧件宽度方向上的流动规律沿轧件宽度方向上的流动规律纵向受摩擦阻力3横向受摩擦阻力2根据最小阻力定律可把轧制变形区分成4部分：两侧宽展区：金属横向流动增加宽展前后延伸区

9、：金属纵向流动增加延伸。延伸区在两侧引起张应力AB，削弱延伸，使得宽展区收缩第23页/共135页242、咬入条件和轧制过程的建立知识点：咬入条件稳定轧制条件改善咬入条件的途径 第24页/共135页252.1 2.1 2.1 2.1 平辊轧制的咬入条件平辊轧制的咬入条件 咬入：依靠回转的轧辊和轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间接触瞬间轧件对轧辊的作用力：径向压力P摩擦力T0接触瞬间轧辊对轧件的作用力：径向反作用力N切线摩擦力切线摩擦力T T T T第25页/共135页26接触瞬间轧辊对轧件的作用力：v径向反作用力N：水平分力Nx，垂直分力Nyv切线摩擦力T:水平分力Tx，垂直分力Ty上轧辊

10、对轧件作用力分解上轧辊对轧件作用力分解作用力的功能：v垂直分力Ny和垂直分力Ty对轧件起压缩作用，使轧件产生塑性变形v水平分力Nx阻止轧件进入轧辊辊缝。v水平分力Tx与轧件运动方向一致，力图将轧件咬入轧辊辊缝第26页/共135页27上轧辊对轧件作用力分解上轧辊对轧件作用力分解三种情况：vTx NxTx NxTx Nx不能实现自然咬入平衡状态可以实现自然咬入第27页/共135页28上轧辊对轧件作用力分解上轧辊对轧件作用力分解力的关系分析：Tx Nx Tx Nx 时v摩擦角大于咬入角时才能自然咬入v合力F F的水平分力FxFx与轧制方向相同自然咬入令第28页/共135页29上轧辊对轧件作用力分解上

11、轧辊对轧件作用力分解力的关系分析：Tx=Nx Tx=Nx 时v咬入力和咬入阻力处于平衡状态v轧辊对轧件作用力的合力F F是垂直方向，无水平分力极限咬入条件第29页/共135页30上轧辊对轧件作用力分解上轧辊对轧件作用力分解力的关系分析：Tx Nx Tx B1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，产生宽展第74页/共135页75（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第75页

12、/共135页763.4 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，后滑区第76页/共135页77ABC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 横向增加的体积第77页/共135页78当h/Hv在后滑区：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：在中性面：轧件和轧辊的水平分速度相等。v=vcosvHv vh第86页/共135页87单位时间内通过

13、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，则第87页/共135页884.2 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。第88页/共135页89推导过程：前滑值：第89页/共135页90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。第90页/共135页91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2

14、10之间。第91页/共135页924.3 平辊轧制时中性角的确定中性角：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。第92页/共135页93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：第93页/共135页94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：第94页/共135页95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

15、性角最大值为：第95页/共135页96第96页/共135页974.4 影响前滑的主要因素第97页/共135页98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第98页/共135页991）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。第99页/共135页1002）摩擦系数的影响 摩擦系数增

16、加，摩擦角增加，剩余摩擦力增加，前滑增加。第100页/共135页1013）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。第101页/共135页1024）轧件厚度的影响 轧后轧件厚度减小，前滑增加第102页/共135页1035）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第103页/共135页1045 轧制过程中的摩擦5.1 基本概念摩擦：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。第104页/共135页1055.2 轧制时摩擦机

17、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。第105页/共135页1065.3 金属塑性成形时摩擦的特点v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。第106页/共135页107v摩擦的特点 1）是在

18、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-自由变形区第107页/共135页108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

19、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。第108页/共135页1095.4 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

20、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。第109页/共135页110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

21、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第110页/共135页1115.5 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。第111页/共135页112（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

22、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。n摩擦力沿接触弧呈三角形.第112页/共135页113（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.第113页/共135页114（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.第114页/共135页115在实际轧制过程中，变形区内各点的摩擦力方向 a)a)轧辊接触区投影 ;b);b)中性面上的摩擦力分布变形区内摩擦力的分布 第115页/共135页1165.6 确定轧

23、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。第116页/共135页1171)1)热轧时的摩擦系数的确定热轧时的摩擦系数的确定咬入时的摩擦系数：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。第117页/共135页118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

24、。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)C C钢中碳含量百分数。k2取决于轧辊速度，第118页/共135页119 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。第119页/共135页120稳态轧制时的摩擦系数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。n对于低碳钢：轧制温度在以上n=0.55-0.00024t第120页/共135页121n在无润滑情

25、况下热轧低碳钢时的摩擦系数第121页/共135页122(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第122页/共135页123(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，第123页/共135页124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%第124页/共135页125n(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

26、.056V磨光钢轧辊和冷硬铸铁辊：=0.82-0.0005t-0.56V 第125页/共135页126(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-水油混合物第126页/共135页127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）轧件材质的影响第127页/共135页128(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%

27、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第128页/共135页129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取决于轧辊表面光洁度的修正系数：光滑辊面 a=0.00110.0015；粗糙辊面 a=0.00350.0073第129页/共135页130 碳钢轧制采用润滑时，轧件化学成分对摩擦系数的影响可以忽略。奥氏体

28、不锈钢轧制时，由于存在轧辊粘结趋势，因此，其摩擦系数通常比碳钢的增大1020。（4）润滑剂粘度（3）轧件化学成分通常油膜厚度随润滑剂粘度增加而增加，因此，摩擦力也随之下降。50在50时润滑剂粘度，m2/s10；C-对于矿物油，c=1.4，对植物油，c=1.0。第130页/共135页131 在润滑条件下，油膜厚度与轧制速度成正比,因此当轧制速度增加时，摩擦系数下降（6）道次压下量（5）轧制速度 道次压下量对摩擦系数的影响取决于轧件表面粗糙度以及加工硬化程度。低碳钢轧制，采用蓖麻油和10矿物油乳液润滑时轧件摩擦系数随道次压下量的变化 第131页/共135页132 5.7 摩擦系数的测量法1)最大咬

29、入角法思路：用很小的推力，将轧件送向旋转的轧辊，并在此时使轧辊的辊缝尽可能小，然后逐渐抬升上辊，使辊缝增大，达到刚好实现咬入。2)最大接触角法思路：采用楔形件，将轧件送入固定辊缝的轧辊中，由于沿轧件长度上，压下量逐渐增大，直至轧卡为止，此时变形区属于全后滑。第132页/共135页1333)前滑法思路：测出稳定轧制过程的前滑值Sh，由芬克前滑公式计算出中性角，代入三个特征角（、）公式中，求得摩擦角。4)压力法思路：根据实测轧制压力，计算出平均单位压力作为实测的平均单位压力。同时选择恰当的平均单位压力公式，代入适当的金属变形抗力及摩擦系数值，使实测的平均单位压力与计算的平均单位压力一致。第133页/共135页1345)轧件强迫制动法思路：在轧件的后端作用一制动力，强迫轧件在轧辊间停止下来，在开始打滑的瞬间测定制动力Q及轧制力P。第134页/共135页135感谢您的观看。第135页/共135页