轧制原理1学习.pptx

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1、1 轧制过程的基本概念轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性变形的过程。轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组织性能的产品。第1页/共210页轧钢在钢铁生产中的位置第2页/共210页轧钢产品的种类（按断面形状）钢板 中厚板 薄板 钢管 无缝钢管 焊管型钢 型材（钢轨、工字钢等）棒材 线材 第3页/共210页1.1 简单轧制过程及其变形区简单轧制过程 轧制过程在上下两直径相同的圆柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传动辊、转速相同且转向相反；轧件为各向同性的均匀连续体，只承受来自轧辊的作用力并且满足屈服条件，轧件为矩形断面，轧制前的横截面在变形过程中仍为平面。第4页/共210页轧制过程的简单描述在轧制过程中

2、，轧辊对轧件的作用力要同时产生两个效果：将轧件拖入辊缝同时使之产生塑性变形。在满足屈服条件的前提下，轧制过程能否开始取决于轧辊是否能将轧件拖入辊缝。在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减少的体积，要转移到轧件的宽度和长度方向，这一变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺寸，而且也影响到轧件进出轧辊的速度。第5页/共210页轧制过程的简单描述为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，以通过轧辊提供轧件塑性变形所需的变形力，而所需变形力的大小与轧件本身的性质和应力状态有关。在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作用而影响轧制过程。第6页/共210页1.2 轧制变形区及其主要参数轧制变形区 轧

3、件在轧辊作用下发生塑性变形的区域称为轧制变形区，在简单轧制条件下，即轧件在进出轧辊处的断面与辊面所围成的区域。轧制变形区的主要参数有咬入角和变形区长度。第7页/共210页咬入角 轧件开始进入轧辊时，轧件与轧辊的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圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。第8页/共210页变形区长度 l 轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。第9页/共210页1.3 体积不变条件 对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时金属的密对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性

4、加工时金属的密度变化很小或者不变。度变化很小或者不变。冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略有冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小0.10.10.2%0.2%，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结晶，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结晶，密度将增加到接近加工前的数值。密度将增加到接近加工前的数值。第10页/共210页1.3 体积不变条件 热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产生，变形金属的密度及体积在加工过程中可以认为是不变的。因此，无论冷加工还是热加工，变形金属的

5、密度和体积的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认为塑性变形前后金属的体积是保持不变的，这就是体积不变条件。第11页/共210页1.4 轧件变形程度绝对变形量 轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为：压下、宽展和延伸。第12页/共210页1.4 轧件变形程度相对变形量 工程应变 真应变 变形系数通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为。第13页/共210页1.5 轧制变形速度 变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。变形区中高度为变形区中高度为h hx x的任意断面上的变形速度为：的任意断面上的变形

6、速度为：平均变形速度平均变形速度 第14页/共210页各种轧机的平均变形速度轧机类型轧机类型 （s s-1-1）轧机类型轧机类型 （s s-1-1）初轧机初轧机0.80.83 3中厚板轧机中厚板轧机8 81515大型轧机大型轧机1 15 5热轧宽带钢轧机热轧宽带钢轧机7070100100中型轧机中型轧机10102525冷轧宽带钢轧机冷轧宽带钢轧机可达可达10001000线材轧机线材轧机757510001000以上以上第15页/共210页1.6 咬入条件 第16页/共210页稳定轧制条件 稳定轧制时，/2咬入过程中，第17页/共210页各种轧机的咬入角轧机型式咬入角弧度度冷轧钢和其它金属在磨削轧

7、辊上加润滑剂0.050.0734在未磨削轧辊上无润滑剂0.090.1458热轧钢板0.310.381822铝板（350）0.350.382022镍板（1100）0.3822黄铜板（800 ）0.370.422124普通型钢0.380.422224型钢（轧辊表面有刻槽、网纹或者有堆焊）0.470.592734第18页/共210页各种轧制条件下的允许最大咬入角轧制条件轧制条件咬入角咬入角 ，在有表面刻痕或堆焊的轧辊上热轧在有表面刻痕或堆焊的轧辊上热轧27273434在型钢轧机上热轧在型钢轧机上热轧22222424在钢板轧机上热轧在钢板轧机上热轧15152424在表面粗糙的轧辊上冷轧在表面粗糙的轧辊

8、上冷轧5 56 6在表面光滑带润滑的轧辊上冷轧在表面光滑带润滑的轧辊上冷轧3 34 4第19页/共210页改善咬入条件的途径 满足咬入条件，是顺利实现轧制过程的基本保证，而改善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。发挥稳定轧制阶段咬入潜力 （1）小头进钢 （2）带钢压下 （3）强迫喂钢提高角 （1）改变轧件或轧辊的表面状态 （2）合理调节轧制速度 第20页/共210页1.7 最小阻力定律如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形体的每个质点将朝阻力最小的方向移动。中性面中性角第21页/共210页1.8 工具形状对变形的影响 由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动阻力不同

9、，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方向相反的摩擦力，而纵向流动阻力是摩擦力的水平分量与正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响宽展与延伸之比。工具形状有利于延伸。第22页/共210页2 轧制过程中的宽展轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称为宽展。轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的，视轧制产品的断面特点而定。当用窄坯料轧成宽成品时希望有宽展，若是从大断面坯料轧成小断面产品时，则不希望有宽展。无论在那种情况下，均必须掌握宽展变化规律及正确计算它，在孔型中轧制则更为重要。第23页/共210页3.1 宽展的分类（1）自由宽展 在轧制过程中，被压下的金属体积向横向移动时，金属

10、流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制（如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸的增加，这种情况称为自由宽展。第24页/共210页（2）限制宽展 轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称为限制宽展。第25页/共210页（3）强制宽展 在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强制宽展大于自由宽展。(b)第26页/共210页3.2 宽展的分布及宽展组成决定宽展沿轧件高度分布不均匀的主要因素是比值 。轧后轧件侧边形状(a

11、)较大，双鼓形；(b)较小，单鼓形；(c)适中，平直形(a)(b)(c)第27页/共210页宽展一般由以下几个部分组成：滑动宽展b1、翻平宽展b2和鼓形宽展b3。滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽展增加的量；翻平宽展是由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件的宽度增加量；鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，与翻平宽展有密切联系。宽展沿轧件横断面分布第28页/共210页各种宽展与 的关系宽展沿轧件横断面分布第29页/共210页宽展沿轧件横断面分布 计算宽展时，轧件轧后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧计算宽展时，轧件轧

12、后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。根据侧面凸出程度的不同系数根据侧面凸出程度的不同系数a可取可取1/21/22/32/3。第30页/共210页3.3 影响宽展的因素(1)(1)压下压下 压下是形成宽展与延伸的原因，压下量增加，高向压下来的金属体积增加增加，所以宽展增加；同时，随着压下量增加，变形区长度增加，使纵向塑性流动阻力增加，根据最小阻力定律，金属沿横向运动的趋势增大，因而使宽展增加。此时压下率也增加。若压下量不变而增加压下率（减小h0和h1），则宽展的增加要慢一些，因为变形区长度

13、不变。第31页/共210页(a)当h、h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900C和轧制速度为1.1 m/s时，b与r的关系；(b)当h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900C和轧制速度为1.1 m/s时，b与h的关系。第32页/共210页3.3 影响宽展的因素 (2)(2)轧制道次轧制道次 总压下量一定时，轧制道次越多，总宽展越小。多道次轧制时变形区形状参数较小，变形渗透性差，所以宽展较小。No.轧制温度（C）道次数h/h0（）b（mm）11000174.522.421085673.615.63925675.417.54920175.133.2第33页/共210页3.3 影响宽展的因素(3

14、)(3)轧辊直径轧辊直径 在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D D的增加而增加。因为变形区长度增加，延伸阻力增加。(4)(4)摩擦系数摩擦系数 在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化。第34页/共210页摩擦系数对宽展的影响摩擦系数对宽展的影响第35页/共210页轧制温度与宽展指数的关系第36页/共210页 轧制速度与宽展指数的关系第37页/共210页合金钢宽展大于普碳钢组别钢种钢 号影响系数平均数普碳钢10号钢1.0珠光体马氏体钢T（碳钢）1.241.251.32GCr15（轴承钢）1.2916Mn（结构钢）1.294Cr13（不

15、锈钢）1.3338CrMoAl（合金钢）1.354Cr10Si2Mo（不锈耐热钢）1.35奥氏体钢4Cr14Ni14W2Mo1.361.351.462Cr13Ni4Mn9（不锈耐热钢）1.42带残余相的奥氏体（铁素体，莱氏体）钢1Cr18Ni9Ti（不锈耐热钢）1.441.41.53Cr18Ni25Si2（不锈耐热钢）1.441Cr23Ni13（不锈耐热钢）1.53铁素体钢1Cr15（不锈耐热钢）1.55带有碳化物的奥氏体钢Cr15Ni60（不锈耐热合金）1.62b合=m b计第38页/共210页3.3 影响宽展的因素(5)(5)轧件宽度轧件宽度 随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。

16、在有接触摩擦条件下镦粗矩形六面体时的变形图示第39页/共210页3.3 影响宽展的因素(5)(5)轧件宽度轧件宽度 随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。(6)(6)(6)(6)张力张力张力张力 张力减小延伸阻力，张力增加使宽展减小。张力减小延伸阻力，张力增加使宽展减小。第40页/共210页3.4 平辊轧制时的宽展计算公式（1）.热兹公式（2）E.齐别尔公式（3）C.古布金公式 第41页/共210页3.5 侧压后平轧时的宽展板带轧制中，采用侧压（立辊轧制）调整轧件宽度。侧压后轧件横断面呈双鼓形，要再经过一道水平轧制消除双鼓形，然后进入后续轧制道次。侧压后，侧压量为 ，最大厚度hb为，侧

17、压后平轧宽展的组成Re为立辊半径第42页/共210页3.5 侧压后平轧时的宽展侧压后平轧时，轧件的宽展可以认为由两部分组成，一部分是鼓形的回展bb，另一部分是除鼓形回展以外的轧件宽展bs。侧压后平轧宽展的组成第43页/共210页侧压后平轧宽展的组成第44页/共210页侧压调宽后再经过平辊轧制，轧件宽度由于上述宽展而有所回升，侧压调宽的有效减宽量为侧压效率为侧压后平轧宽展的组成第45页/共210页3.6 孔型轧制时宽展的计算常用平均高度法来确定孔型轧制时的宽展：将孔型内轧制条件简化成平板轧制，即用同面积，同宽度的矩形代替曲线边的轧件，计算出轧制前后轧件的平均高度、平均压下量和轧辊工作直径后，代入

18、任意自由宽展公式计算，并认为此宽展就是孔型中的宽展。轧制前轧件的平均高度：轧制前轧件的平均高度：轧制后轧件的平均高度：轧制后轧件的平均高度：平均压下量：平均压下量：轧辊工作直径：轧辊工作直径：第46页/共210页4 轧制过程中的前滑和后滑忽略宽展，由体积不变条件 从变形区入口到中性面，轧件落后于轧辊，称这种现象从变形区入口到中性面，轧件落后于轧辊，称这种现象称为后滑；从中性面到变形区出口，轧件超前于轧辊，称称为后滑；从中性面到变形区出口，轧件超前于轧辊，称这种现象称为前滑。这种现象称为前滑。第47页/共210页平辊轧制时中性角的确定对于简单轧制过程，假定接触面全滑动并遵守库仑摩擦定律，单位压力

19、和单位摩擦力沿接触弧均匀分布，并忽略宽展，则稳定轧制时，带前后张力时，后滑区和前滑区单位压力分布公式中确定的单位压力在中性面处相等，根据这一条件也可以确定中性角。第48页/共210页中性角的计算第49页/共210页上一章讨论咬入条件时，考察的是前滑区等于零、变形金属全部为后滑的极限情况，其中性角为零。当咬入角大于摩擦角时，摩擦力的水平分量大于正压力的水平分量，从运动学角度看，这将引起金属流动速度的加快，结果使变形区内前端的金属力图相对轧辊表面产生前滑，摩擦力反向，使变形区金属受力保持平衡状态。咬入过程完成后临界咬入角增加，发挥这一潜力、继续增加咬入角即增加压下量时，中性角就要响应减小，直至这一

20、潜力发挥殆尽，轧制过程又进入临界状态。从咬入到稳定轧制，整个轧制过程顺利进行的条件可以归纳为中性角大于零，换言之，必须存在前滑区。第50页/共210页4.1 前滑值与后滑值 前滑现象用前滑值来表征，前滑值是变形区出口前滑现象用前滑值来表征，前滑值是变形区出口断面处轧件与轧辊速度的相对速度差，断面处轧件与轧辊速度的相对速度差，后滑现象用后滑值来表征，后滑值是变形区入口后滑现象用后滑值来表征，后滑值是变形区入口断面处轧件的速度与轧辊在该处水平速度的相对差值，断面处轧件的速度与轧辊在该处水平速度的相对差值，第51页/共210页刻痕法测量前滑在轧辊表面上刻出距离为LH 的两个小坑，轧制后轧件表面上相应

21、产生距离为Lh的两处个凸起。测出Lh即可用上式计算出该轧制条件下的前滑值。第52页/共210页第53页/共210页轧件入口速度与出口速度的关系第54页/共210页前滑值与后滑值的关系第55页/共210页当延伸系数和轧辊圆周速度v已知时，知道前滑值就可以计算轧件进出变形区的实际速度vH 和vh以及后滑值；当和咬入角一定时，前滑值增加，后滑值就必然减少。第56页/共210页4.2 前滑值的计算按秒流量体积不变条件，变形区出口断面金按秒流量体积不变条件，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。属的秒流量应等于中性面处金属的秒流量。第57页/共210页 第58页/共210页孔型轧制时的前

22、滑 在孔型轧制过程中，通常沿孔型周边各点轧辊的线速度不同，但由于金属的整体性和外端的作用，轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊。可采用平均高度法：把孔型和来料化为矩形断面，然后按平辊轧矩形断面轧件的方法，来确定轧辊的平均线速度 和平均前滑值 。并按下式确定轧件平均出辊速度：第59页/共210页4.3 影响前滑的主要因素（1 1）轧辊直径）轧辊直径 D D 前滑值随辊径增加而增加。（2 2）摩擦系数）摩擦系数 f f 摩擦系数越大，前滑值越大。（3 3）压下率）压下率 r r （）前滑值随着压下率的增加而增加。（4 4）轧件厚度）轧件厚度 h h1 1 随着轧件轧后厚度的减小，前滑值增加。（5

23、5）轧件宽度）轧件宽度 b b0 0 轧件宽度b b0 0小于一定值（4040毫米）时，前滑值随宽度的增加而增加，而轧件宽度大于一定值时，前滑值趋于不变。（6 6）张力）张力 随着前张力的增加，前滑值增加；反之，后张力增加则前滑值减小。第60页/共210页5 轧制时的不均匀变形5.1 不均匀变形的影响因素5.1.1接触面的外摩擦 考察圆柱体镦粗时的变形情况。由于接触面上有摩擦力存在，接触表面附近金属变形流动困难，因而圆柱形坯料转变成鼓形。此时，可将变形金属整个体积大致分为三个区域：区表示由于外摩擦影响而产生的难变形区；区表示与作用力约成45角的最有利方位的易变形区；区表示变形程度居于中间的自由

24、变形区。第61页/共210页在区及区内产生附加拉应力。在区，由于附加拉应力作用的结果，环向（切向）出现拉应力，并且越靠近外层越大，镦粗有时在侧面出现纵向裂纹，即为此环向拉应力作用的结果。此时，接触面上的单位压力分布不均匀，单位压力在试料边缘等于金属的屈服点（变形抗力），由边缘向中心部位逐渐升高。同时，与形成鼓形有密切关系的是经常发现侧面金属局部地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。第62页/共210页5.1.2变形区的几何因素镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比H/d2.0 时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较大（H/d2.0）且变形程度甚小时，则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生

25、塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。随着压下量的增加，H/d比值不断减小，两个区逐渐靠近，就由双鼓形逐渐过渡到单鼓形。第63页/共210页在镦粗矩形件时，也会形成单鼓形或双鼓形。一般认为，当H/l或H/B2时产生双鼓形。产生双鼓形说明沿试样高度上塑性变形深入程度较小，变形分布很不均匀。当压下量一定时，变形深入程度取决于上述的变形区几何因素之外，还与变形速度有关，变形速度越大，则在试样高度上塑性变形深入的程度越小。第64页/共210页5.1.3变形体的外端 所谓变形体的外端，是指在变形过程中某一瞬间不直接承受工具作用而于变形区以外的部分。由于外端的强迫“拉齐”作用，会使纵向变形的不均匀性

26、减小，横向变形的不均匀性增加。此时，在变形区和外端的交界面上要产生剪变形，工具向下移动时就必须克服因剪变形而引起的剪切抗力。第65页/共210页5.1.4 其它影响因素加工工具和变形物体的轮廓形状。其影响实质是造成沿某方向上所经受的变形量不一致，从而使物体内的变形与应力分布不均匀。变形体内温度分布不均匀。高温部分金属的变形较大，并引起附加应力。另外，金属产生不均匀的热膨胀，引起附加热应力。这两种附加应力叠加的结果，在变形体内某些区域可能会产生较大的附加拉应力，对塑性较低的金属，在这些区域将会造成断裂。当金属内部化学成分、组织结构、杂质以及加工硬化状态等分布不均匀时，都促使变形体内应力及变形分布

27、不均匀。第66页/共210页5.2 轧制时的不均匀变形5.2.1薄轧件的变形轧制板、带材通常属于这种情况。此时，轧件中部到接触表面的距离较小，整个塑性变形区受接触摩擦力的影响都很大，无论在接触表面附近还是在轧件的中部都呈现较强的三向压缩应力状态。加之外端的作用，应力沿横断面高度的分布明显地趋于均化，应变沿断面高度的分布也趋于均化。此时，接触表面主要由滑动区所构成。第67页/共210页这时，可以采用“平面假设，即认为变形前的垂直横断面在变形过程中保持为一平面，在变形区内沿断面高度金属质点的流动速度相同。第68页/共210页中等厚度轧件的变形型材的轧制多数属于此种情况。此时，摩擦力对中部区域的影响

28、减弱，应力应变沿垂直横断面分布的不均匀性明显地增大。这时的不均匀变形状态与产生单鼓形的不均匀镦粗相当。轧制后轧件的侧表面出外凸，有侧表面转移为接触表面的现象存在，有粘着区存在。第69页/共210页塔尔诺夫斯基关于轧制变形区应变分布的实验研究采用以水平和垂直截面为剖分面的焊合铅试件。先在剖分面上刻画出直线网格，然后用低熔点合金将试件按预先选定的剖分面焊合在一起。轧后将试件加热到合金熔化的温度，便可将试件按剖分面分开，使变形后的网格显露出来。求出平面网格在两个坐标方向上的应变值，从而确定出变形区内应变的分布。在试件的断面2060 mm、压下量8.05 mm、的条件下，实验结果如图所示。图2-14

29、塔尔诺夫斯基的研究(a)延伸系数沿变形区长度的分布；（b)测量应变的网格在横断面上的位置第70页/共210页接触表面中部的表层金属的对数延伸系数沿变形区长度的变化如曲线1所示。可见，表层金属在进入几何变形区之前，从A点起即产生塑性变形。进入几何变形区后，在不大的区域BC内，金属相对轧辊表面产生后滑，延伸系数以较快的速度继续增大。金属沿轧制方向继续前移即到达CD段，在这一段上表层金属的延伸系数保持不变，这表明在接触表面的中部有较长的粘着区存在，粘着区的位置偏向入口断面。随后从D点起金属的延伸系数又继续增大，表明在区段DE内表层金属相对轧辊表面产生前滑。在离开出口断面后表层金属继续有变形产生。靠近

30、侧边的表层金属的对数延伸系数的变化如曲线2所示。第71页/共210页在纵向水平对称面上，中部金属的对数延伸系数沿变形区长度的变化如曲线3所示。可见，中部金属的变形与表层金属有很大的不同。虽然同是从A点附近开始产生塑性变形，但在AB段上中部金属的延伸为负值。在 BD段上延伸逐渐增大。随后在DE上延伸达最大值并保持不变。直到金属离开出口断面之后不见再有塑性变形产生。在水平对称断面上，靠近侧边的金属的对数延伸系数的变化曲线4所示。第72页/共210页由体积不变原理，由体积不变原理，图2-15 轧件水平流动速度和水平法向应力沿断面高度的分布(a)速度图；（b)应力图（为拉应力，为压应力）(b)(a)第

31、73页/共210页5.2.3 高轧件的变形 在初轧机和大型开坯机上轧制钢坯时，前面的若干道次多属此种情况。滑移线计算表明，（1）在轧制高轧件的情况下，外端对于塑性区内的应力分布及接触表面上的平均单位压力值有很大影响，随比值 的减小，外端的作用不断增强，直到轧件完全产生表面变形止。（2）沿变形区的高度，在轧件的表面层有水平压应力产生，在轧件的中部有水平拉应力产生。比值 愈小，这些应力的数值（绝对值）愈大。（3）在接触表面下面有刚性移动区（难变形区）存在。第74页/共210页轧制铝合金时轧件变形沿断面高度的分布AH克尔巴斯尼柯夫的实验研究结果，可做为变形沿断面高度不均匀分布的一个例子。所列数据是在

32、轧制侧表面上刻有网格的铝合金（LYl6）板坯时得到的。第75页/共210页6 轧制过程中的摩擦 6.1 摩擦的概念 金属塑性成形时，在金属和成形工具（如轧件和轧辊）的接触面之间产生阻碍金属流动或滑动的界面阻力，这种界面阻力称为接触摩擦（外摩擦）。摩擦在金属塑性成形过程中的作用极为重要，它不仅影响加工载荷，咬入能力，而且直接影响工件变形形状、尺寸精度、表面质量和工具磨损，同时也间接影响工件内部的组织、性能分布。因此，长期以来，摩擦一直是塑性加工领域中的重要课题之一。第76页/共210页金属塑性成形时摩擦的特点金属塑性成形时的摩擦与机械传动时的摩擦有很大差别；首先，它是在高压力下产生的摩擦。塑性成

33、形时，金属所受的单位压力，热变形时有100100150MPa150MPa，冷变形时可达5005002500MPa2500MPa。而受重载荷的轴承，工作时的单位压力仅为202040MPa40MPa。接触面上承受的单位压力愈高，润滑就愈困难。其次，塑性成形时，常常由于金属的变形而不断产生新的接触表面以及工具在加工过程中也不断受到磨损，因此，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。第77页/共210页另外，很多塑性成形是在高温下进行的。例如，钢的热轧和热锻变形温度一般在8008001200 1200 范围，在这样高的温度下进行塑性变形，金属的组织和性能不断发生变化

34、，表面状态也在变化，如原生氧化层的脱落和新氧化层的形成以及工具表面的粘结等，这些实际现象改变了摩擦条件，也给润滑带来很大影响。第78页/共210页金属成形时摩擦的影响（1）改变金属所处的应力状态，使变形力增加，能耗增多。（2）引起工件变形不均匀。（3）金属的粘结。（4）轧辊磨损。第79页/共210页6.2 接触摩擦理论（1 1）干摩擦 在轧辊与轧件两洁净的表面之间，不存在其他物质。（2 2）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。（3 3）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。第80页/共210页在实际中最常遇到的是混合摩擦，即半干

35、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。半液体摩擦可理解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。在具有工艺润滑的冷轧变形区中，常出现这种润滑。第81页/共210页干摩擦理论（库仑Coulomb定律）接触表面上的单位摩擦力与单位正压力成正比，即单位摩擦为 式中，p接触面上的单位正压力；f摩擦系数。在多数情况下，认为它可以反映混合摩擦力与正压力之间的规律。第82页

36、/共210页常摩擦理论（西贝尔Siebel理论）接触面上的单位摩擦力与单位正压力无关，是一个常数式中，m摩擦因子，0m1；k剪切屈服极限。常摩擦理论通常用于塑性加工中的粘着状态条件。如在轧制中沿接触弧上金属与工具间无滑动，此时称为粘着。在有粘着的情况下，当沿接触表面产生切向滑动时，必须切断粘结面，一般都把产生粘着的条件定为单位摩擦力等于剪切屈服极限。式中，k剪切屈服极限；K平面变形抗力。第83页/共210页液体摩擦理论(Nadai理论)认为摩擦阻力来自于液体润滑层的内摩擦，单位摩擦力与润滑剂粘度及相对速度成正比。式中，润滑剂的动力粘度；h润滑层厚度；v 接触表面间的相对滑动速度。这一理论是针对

37、良好润滑条件下的高速轧制（v140 m/s）的。第84页/共210页通常的工程应用，无论是热轧还是冷轧，摩擦力都可采用干摩擦公式计算，不同的摩擦情况可以通过摩擦系数的大小来反映。第85页/共210页6.3 确定轧制时摩擦系数的方法在轧制过程的不同阶段，摩擦条件不完全相同，因此摩擦系数具有不同的数值。在咬入阶段，轧件的前棱与轧辊相接触，接触面积很小，压力较低。此外在咬入时，特别是在咬入角接近极限数值的情况下，轧辊与轧件产生短时间的打滑的现象是经常的，这将造成轧件前棱明显磨损。因此，在咬入时轧件的前梭（接触面）上附着有氧化皮及其他中间物质的可能性很小，变形金属与轧辊的接触面比较纯净。第86页/共2

38、10页热轧条件下，高温区内氧化铁皮处于软化状态，进入变形区后将使摩擦系数显著降低。此时，咬入时轧件前棱上不可能保持有氧化皮，咬入摩擦系数fe将大于稳定轧制的摩擦系数f。实际上，当钢坯在炉内加热时间较长而温度又较高时，由于表面上有较厚的塑性氧化皮，常可看到咬入后出现打滑的现象。在采用工艺润滑的条件下，通常也是咬入摩擦系数fe明显地大于稳定轧制摩擦系数f。因为咬入时接触面很小，润滑剂容易被挤出。因此，在一般情况下，须将咬入摩擦系数fe与稳定轧制摩擦系数f加以区别。第87页/共210页（1）最大咬入角方法 用很小的推力将试件送向旋转的轧辊，并使轧件与轧辊的接触角大于可能的最大咬入角数值，然后逐渐抬升

39、上轧辊，使辊缝增大，直到实现咬入为止。根据轧件的原始高度h0、轧件的轧后高度h1及轧辊的半径R，确定给定条件下的极限咬入角(e)max，再按下式计算咬入摩擦系数fe。第88页/共210页（2）强迫打滑法在轧件的后端作用一制动力Q，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。此时变形区金属在水平及垂直方向的受力平衡方程式为，再假设P和T均作用于轧制接触弧的中心（=/2），由上两式可得摩擦系数为，第89页/共210页（3）轧制力矩法同时测定作用在轧辊上的轧制力矩M及轧制力P，通过改变压下量（增大）或增大后张力Q，使前滑值 不断减小。当前滑值 为零、即打滑时，轧辊表面上的摩擦力

40、便指向同一方向（指向入口断面），因此可根据测定的前滑值 为零时的轧制力矩M及轧制力P的数值，按下式计算摩擦系数，上式是近似的。如果同时还测定后张力Q的数值，可按下式计算摩擦系数，维特恩等用这一方法研究了冷轧钢及有色金属时的摩擦系数。实验表明，从前滑等于零到产生3的负前滑，比值MPR几乎是不变的，表明由这种方法得到的实验结果是稳定的。第90页/共210页（4）极限压下量法用轧制楔形轧件或减小轧辊开口度的方法增大压下量 及咬入角。在极限的情况下轧件相对轧辊打滑。根据测得的极限压下量 计算极限咬入角max后，按下式确定摩擦系数。（5）前滑法测定稳定轧制过程的前滑值，然后计算摩擦系数值。第91页/共2

41、10页（6）直接测定法在测力轧辊中装上能同时测量正压力及摩擦力的测压装置，直接地测定正压力及摩擦力的分布，从而计算摩擦系数。（7）轧制力方法应用轧制力和摩擦系数的函数关系，决定稳态摩擦系数。第92页/共210页6.4 热轧摩擦系数6.4.1 热轧咬入时的摩擦系数艾克隆德曾经用10 mm225 mm的试样研究了热轧低碳钢（0.15%C）咬人时的摩擦系数。使用的轧辊直径为427 mm，热轧温度范围为700l100。根据实验结果，艾克隆德推荐用下式来确定咬入摩擦系数：对于冷硬光滑表面铸铁辊，k=0.8；对于钢轧辊，k1.0，t为轧件温度（）。第93页/共210页斯米尔诺夫提出了考虑轧件温度、轧辊表面

42、粗糙度、轧件化学成分以及轧辊速度与摩擦系数的关系式，式中，Ra轧辊的算术平均表面粗糙度，；k1取决于轧制温度和轧件化学成分的系数，C钢中碳的质量百分数，；k2取决于轧制速度的系数。轧制速度v（m/s）0223 3k210.1v1.440.28v0.5第94页/共210页乌萨托斯基给出了各种轧辊表面状态时的最大咬人角和咬入时的摩擦系数，实验结果见下表。最大咬人角和咬人摩擦系数随轧辊表面粗糙度的增加而增加。轧辊最大咬入角（）咬入摩擦系数fe光滑磨削辊12150.2120.268厚板轧机轧辊15220.2680.404小型轧机光滑辊22240.4040.445扁槽孔型轧辊24250.4450.466

43、箱形孔型轧辊28300.5320.577刻痕箱形孔型轧辊28340.5320.675第95页/共210页6.4.2 热轧稳态轧制时的摩擦系数 热轧稳态轧制时的摩擦系数受许多因素的影响，包括：（1）轧件温度 低碳钢在温度高于700 轧制时，摩擦系数随轧制温度的增加而下降，可近似表示为，t为轧件温度，。通常，对一定化学成分的钢，轧件的摩擦系数在某一温度下达到最大值 温度（）轧制速度（m/s）0.20.30.50.51.01.01.51.52.58000.530.560.440.490.340.390.290.330.170.209000.500.570.380.460.320.370.240.32

44、0.170.2410000.450.540.370.440.280.340.250.290.170.2311000.410.490.330.380.260.340.260.290.180.2312000.400.430.320.380.300.340.220.270.180.21第96页/共210页（2）轧件化学成分热轧时轧件化学成分对摩擦系数的影响与氧化铁皮形成机制有关。实验表明，轧制碳钢时，摩擦系数随钢中碳含量的增加而下降，这种影响随温度的升高而变弱。这种现象有时也可以解释为：随钢中碳含量的增加，金属表面之间的分子吸引力减弱。轧制奥氏体不锈钢时，轧件有粘辊的趋势，摩擦系数比碳钢轧制时大1.

45、31.5倍，这一事实可以佐证上述解释。第97页/共210页（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增大。下表为采用淬火钢辊热轧时轧辊表面粗糙度对稳态摩擦系数的影响，摩擦系数由强迫打滑法测定。轧辊直径（mm）平均表面粗糙度（m）稳态摩擦系数 f1930.630.200.281930.81.60.210.3118812.5500.510.69第98页/共210页（4）轧制速度 轧制速度增加使稳态轧制时的摩擦系数减小。对于钢轧辊，对于铸铁辊，对于磨光钢轧辊或铸铁辊，式中，v轧制速度，m/s；t轧件温度，。第99页/共210页（5）润滑剂 在热轧条件下，采用润滑剂可大大地减小

46、轧辊的磨损、降低轧制压力、减小功率消耗、改善轧件表面质量。在热轧时可使用乳化液、水和油的混合液及纯油作润滑剂。热轧时用乳化液和水油混合液润滑的摩擦系数(a)乳化液 1聚合棉籽油乳化液，2矿物油乳化液；(b)水油（HJ-30）混合液含油量（）ff润滑剂摩擦系数 f范围平均值水（轧辊表面有氧化皮粘结斑点）0.2960.3100.302机械油（HJ-20）0.1860.1990.192黑机油（尼格罗油）0.1810.1950.187重油0.1780.2020.187蓖麻油0.1540.1650.160聚合棉籽油0.1510.1640.157第100页/共210页6.5.1 冷轧咬入时的摩擦系数通常，

47、当冷轧带钢来料厚度小于4 mm时，最大压下量不受工作辊咬入能力的限制。冷轧咬入摩擦系数的影响因素：（1）轧件成分 轧辊粗糙度为0.20.4m时，碳钢 0.080.25C、0.270.65Mn，咬入摩擦系数无实质性变化。不锈钢（18Cr，10%Ni）的咬人摩擦系数比碳钢大520。润滑条件fe0.08%C0.10%C0.2%C0.25%C无润滑0.1360.1310.1330.131棉籽油0.1160.1180.1160.117蓖麻油0.1090.1090.1010.1156.5 冷轧摩擦系数第101页/共210页（2）润滑条件 润滑剂对咬入摩擦系数的影响相对较弱，原因在于带钢头部咬入辊缝时，润滑

48、膜的形成条件太差。润滑条件fe范围平均值水0.1520.1600.156煤油0.1540.1570.156变压器油0.1480.1610.152机油0.1280.1390.136葵花籽油0.1330.1380.137蓖麻油0.1150.1240.122第102页/共210页（3）轧制速度实验条件：以蓖麻油为润滑剂，以不同的轧制速度轧制3.9 mm厚的0.3C碳钢，轧辊表面粗糙度为0.20.4。当轧制速度在00.15 m/s时，咬人摩擦系数下降很快，超过这一范围时，随着轧制速度的增加，咬入摩擦系数的降低变得平缓。（4）轧辊材质和表面粗糙度轧辊及润滑最大咬入角（）咬入摩擦系数 fy光滑研磨辊，矿物

49、油340.0520.07铬钢辊，中等研磨，矿物油670.1050.12无润滑粗糙辊80.150第103页/共210页6.5.2 冷轧稳态摩擦系数第104页/共210页第105页/共210页润滑剂粘度对冷轧稳态摩擦系数的影响第106页/共210页轧制速度对冷轧摩擦系数的影响（润滑条件下）第107页/共210页 道次压下率对冷轧稳态摩擦系数的影响第108页/共210页润滑剂道次道次压下率（）摩擦系数 f无润滑（轧辊和轧件表面清洁干燥）115.00.085煤油116.50.080煤油322.00.060煤油5硬脂酸铜216.80.063煤油5硬脂酸钠324.00.060煤油5硬脂酸铅217.30.0

50、58煤油1月硅酸324.30.053煤油1棕榈酸322.00.043石墨68/615加油115.50.072石墨615加油424.50.047橄榄油218.10.057蓖麻油423.00.045羊毛油427.50.041第109页/共210页热轧摩擦系数 热轧咬入时的摩擦系数 轧辊轧辊最大咬入角最大咬入角（）咬入摩擦系数咬入摩擦系数光滑磨削辊光滑磨削辊12150.2120.268厚板轧机轧辊厚板轧机轧辊15220.2680.404小型轧机光滑辊小型轧机光滑辊22240.4040.445扁槽孔型轧辊扁槽孔型轧辊24250.4450.466箱形孔型轧辊箱形孔型轧辊28300.5320.577刻痕箱