【材料課件】材料成型工程第三講寬展

1、l2.1寬展及其分類l2.1.1寬展與研究寬展的意義l1)寬展:在軋制過程中，當軋件受到壓下后，金屬除按最小阻力法則沿縱向延伸外，在橫向也產(chǎn)生變形，稱之為橫變形。l軋制前、后軋件沿橫向尺寸的絕對差值，稱為絕對寬展簡稱為寬展.l研究軋制過程中寬展的規(guī)律具有很大的實際意義,具體講為:l(1)擬訂軋制工藝時需要確定軋件寬展. (給定坯料尺寸和壓下量，確定軋制后產(chǎn)品的尺寸，或者已知軋制后軋件的尺寸和壓下量，要求定出所需坯料的尺寸)l(2) 孔型軋制中,必須正確地確定寬展的大小，否則不是孔型充不滿，就是過充滿.l由于問題本身的復雜性，到目前為止，還沒有一個能適應多種情況下準確地計算寬展的理論公式。l所以

2、在生產(chǎn)實際中習慣于使用一些經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)，來適應各自的具體情況。l根據(jù)金屬沿橫向上流動的自由程度，寬展可分為：自根據(jù)金屬沿橫向上流動的自由程度，寬展可分為：自由寬展、限制寬展和強制寬展由寬展、限制寬展和強制寬展.l1）自由寬展）自由寬展 ：坯料在軋制過程中，被壓下的：坯料在軋制過程中，被壓下的金屬體積可以自由展寬的量金屬體積可以自由展寬的量。l此時，金屬流動除來自軋輥的摩擦阻力外，不受任何其它的阻礙此時，金屬流動除來自軋輥的摩擦阻力外，不受任何其它的阻礙和限制。因此，自由寬展的軋制是軋制變形中的最簡單的情況。和限制。因此，自由寬展的軋制是軋制變形中的最簡單的情況。在平輥上或者是沿寬度上有很大富

3、余的扁平孔型內(nèi)軋制時，就屬在平輥上或者是沿寬度上有很大富余的扁平孔型內(nèi)軋制時，就屬于這種情況。于這種情況。l 箱形孔型軋制自由寬展l 軋制中，被壓下的金屬與孔型兩側壁接觸，孔型的側壁限制著金屬沿橫向自由流動，金屬被迫取得孔型側邊輪廓的形狀。l此時，軋件得到的寬展不是自由的，除受摩擦力外，還受到孔型的限制。此外，在斜配孔型內(nèi)軋制時，寬展可能為負值。l l被壓下的金屬受軋輥孔型凸峰的切展而強制金屬沿橫向流動，使軋件的寬度增加，這種變形叫做強制度展。l在立軋孔內(nèi)軋制鋼軌時是強制寬展的最好例子，如下圖所示。軋制寬扁鋼時采用的切展孔型也是說明強制寬展的實例。l 確定金屬在孔型內(nèi)軋制時的展寬是十分復雜的，

4、盡管做過大確定金屬在孔型內(nèi)軋制時的展寬是十分復雜的，盡管做過大量的研究工作，但在限制或強制寬展孔型內(nèi)金屬流動的規(guī)律量的研究工作，但在限制或強制寬展孔型內(nèi)金屬流動的規(guī)律還不十分清楚還不十分清楚。l軋輥與軋件接觸摩擦l變形區(qū)幾何形狀和尺寸的不同l使沿接觸表面上金屬質(zhì)點的流動軌跡與接觸面附近的區(qū)域和遠離的區(qū)域是不同的。l組成：l滑動寬展B1l翻平寬展B2 l鼓形寬展B3l滑動寬展變形金屬在軋輥的接觸面上，由于產(chǎn)生相對滑動使軋件寬度增加的量以B1 表示，展寬后此部分的寬度為 ： l B1 BHB1l2）翻平寬展l由于接觸磨擦阻力，軋件側面的金屬在變形過程中翻轉(zhuǎn)到接觸表面，使軋件的寬度增加，增加的量以

5、B 2表示，展寬的后軋件的寬度為 l B 2 B 1B2BHB1 B2 l軋件側面變成鼓形而造成的展寬量，用B3表示,此時軋件的最大寬度為 B3 B2B3B1B1B2 B3 軋件的總展寬量為軋件的總展寬量為: BB1 B2 B 3 l上述寬展的組成及其相互的關系，由下圖清楚地表示出來。l(1)為便于工程計算通常理論上所說的和計算的寬展是將軋制后軋件的橫斷面化為同一厚度的矩形之后,其寬度與軋制前軋件寬度之差。即l BBhB H （軋后寬度B是一個理想值）l(2)摩擦系數(shù) f 值越大，不均勻變形就越嚴重，此時翻平寬展和鼓形寬展的值就越大，滑動寬展越小。l（3）滑動寬展B 、翻平寬展B 和鼓形寬展B

6、 的數(shù)值，至今定量的規(guī)律尚未掌握。只能依賴實驗和初步的理論分析了解它們之間的一些定性關系l由圖中的曲線可見當 越小時，則滑動寬展越小,而翻平和鼓形寬展占主導地位。l這是因為越小，粘著區(qū)越大，故寬展主要是由翻平和鼓形寬展組成。而不是由滑動寬展組成。l寬展分布的理論，基本上有兩種假說：均勻分布，變形區(qū)分區(qū)l1）均勻分布：認為寬展沿軋件寬度均勻分布。該假說主要以均勻變形和外端作用為理論的基礎。l因為變形區(qū)內(nèi)金屬與前后外端彼此是同一整體緊密聯(lián)結在一起的。因此對變形起著均勻的作用。使沿長度方向上各部分金屬延伸相同。寬展沿寬度分布自然是均勻的。它可用下圖說明l認為變形區(qū)可分為四個區(qū)域，在兩邊的區(qū)域為寬展區(qū)

7、，中間分為前后兩個延伸區(qū)，它可用下圖來說明。o（1）均勻分布的假說：對于軋制寬而薄的薄板，寬展很小甚至可忽略時，變形可以認為是均勻的。在其它情況下，均勻假說與許多實際情況是不相符合的，尤其是對于窄而厚的軋件更不適應。因此這種假說是有局限性的。l不完全準確，許多實驗證明變形區(qū)中金屬表面質(zhì)點流動的軌跡，并非嚴格地按所畫的區(qū)間進行流動。但是它能定性地描述寬展發(fā)生時變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點流動的總趨勢，便于說明寬展現(xiàn)象的性質(zhì)和作為計算寬展的根據(jù)。l總之，寬展是一個極其復雜的軋制現(xiàn)象，它受許多因素的影響。l寬展的變化與一系列軋制因素構成復雜的關系lBf (H , h , l , B , D ,h , f , t

8、 , m ,p,)l式中式中 :l H 、 h 變形區(qū)的高度；變形區(qū)的高度； ll 、B 、D 變形區(qū)的長度、寬度和軋輥直徑；變形區(qū)的長度、寬度和軋輥直徑；l 變形區(qū)的橫斷面形狀；變形區(qū)的橫斷面形狀；l h 、 - 壓下量和壓下率；壓下量和壓下率；l f 、 t、 m -磨擦系數(shù)、軋制溫度、金屬的化學成分；磨擦系數(shù)、軋制溫度、金屬的化學成分；l p金屬的機械性能；金屬的機械性能；l 、u -軋輥線速度和變形速度。軋輥線速度和變形速度。l H 、h 、 l 、B 、D 和和 表示變形區(qū)特征的幾何因素。表示變形區(qū)特征的幾何因素。l f 、 t、 m、 p、和、和是物理因素，它們影響到變形區(qū)內(nèi)的作是

9、物理因素，它們影響到變形區(qū)內(nèi)的作用力，尤其是對于摩擦力。用力，尤其是對于摩擦力。l幾何因素和物理因素的綜合影響不僅限于變形區(qū)的應力狀態(tài)，同時涉及到軋件的縱向和橫向變形的特征。l軋制時高向壓下的金屬體積如何分配延伸和寬展受體積不變條件和最小阻力定律來支配。l（1）變形在兩個主軸方向是給定的,則質(zhì)點只有在第三主軸一個方向流動的可能性.金屬擠壓變形就是這種變形過程。l（2）如變形在一個主軸方向是給定了的,而在第二個主軸方向受阻,此時，在第三個主軸方向正反兩方面流動的多少由這兩方面阻力而定，阻力小者流動的多。在封閉孔型中軋制就屬于這種情況。l（3）如變形在一個主軸方向是給定了的,而在另個兩個主軸方向上

10、，物體有自由流動的可能性,此時向阻力小的主軸方向流的多.自由鐓粗和平輥軋矩形件就屬這種變形過程。l1）寬展與接觸摩擦及變形區(qū)水平投影的幾何關系l（1）無接觸摩擦情況）無接觸摩擦情況l研究平錘頭鐓粗矩形研究平錘頭鐓粗矩形l六面體變形六面體變形bB:ln2Llln2BbLllnBblnln21lnlnLlBbhHhblHBLlnln0f說明若得由體積不變定理：六面體變形均勻LLlnLB2BblnLlLB2bBLLLb故有平均延伸量：平均寬展量：邊分配四個角部金屬平均向兩寬展金屬量：四個區(qū)域。最小阻力定律粗略分為將不相等，六面體寬展和延伸系數(shù)的流動阻力不同不同的周邊方向上引起在兩長度摩擦存在時，因摩

11、擦力lnL2Blnln)L2B1 (lnln2Blln)L2B(bln2B0lnlnlnB2代入寬展延伸公式有：得由體積不變定律：ln2Llln2Bbln21lnln無摩擦情況有接觸摩擦和無接觸摩擦相比b ln均增大，而ln l減小。B為常數(shù)，對ln一定值b隨L增，而增大L為常數(shù)，對ln一定值b隨B增，而增大B/L比增， ln降，ln 升同理 B/L1也可得到結論(自學）l變形區(qū)縱向延伸阻力(金屬向入口方向流動）平錘間變形PTW1X1Xxl軋制變形區(qū)與平錘鍛造比縱向阻力小，延伸則大，相應寬展小。l說明軋輥形狀對縱橫變形有重要影響。可用工具形狀系數(shù)表示l1KG=WX/Wy0lWy橫向阻力l（ W

12、yPf)l說明縱向阻力小于橫向阻力延伸大于寬展1）壓下量的影響l（1）因為壓下量增加時，變形區(qū)長度增加，變形區(qū)形狀參數(shù) 增大，因而使縱向塑性流動阻力增加，縱向壓縮主應力數(shù)值加大。根據(jù)最小阻力定律，金屬沿橫向運動的趨勢增大，因而使寬展加大。l(2)壓下增加，高方向壓下來的金屬體積也增加，所以使B 也增加。l l其它條件不變時,寬展B 隨軋輥直徑D的增加而增加。l因為當D 增加時變形區(qū)長度加大,使縱向的阻力增加,根據(jù)最小阻力定律,金屬更容易向?qū)挾确较蛄鲃?l軋輥為圓柱體這一特點，產(chǎn)生有利于延軋輥為圓柱體這一特點，產(chǎn)生有利于延伸變形的水平分力，它使縱向摩擦阻力伸變形的水平分力，它使縱向摩擦阻力減少，

13、有利于縱向變形，即增大延伸。減少，有利于縱向變形，即增大延伸。l所以，即使變形區(qū)長度與軋件寬度相等時，延伸與寬展的量也并不相等，而由于工具形狀的影響，延伸總是大于寬展。v假如變形區(qū)長度 l 一定，當軋件寬度B 逐漸增加時，由l B 到 l B 如下圖所示，寬展區(qū)是逐漸增加的，因而寬展也逐漸增加v當由l B 到 l B 時，寬展區(qū)變化不大，而延伸區(qū)逐漸增加，因此從絕對量上來說，寬展的變化也是先增加，后來趨于不變，這也為實驗所證實在軋制時，通常認為，在變形區(qū)的縱向長度為橫向長度的二倍時( 2) ，會出現(xiàn)縱橫變形相等的條件。為什么不在二者相等 ( 1 ) 時出現(xiàn)呢？這是因為前面所說的工具形狀影響。此

14、外，在變形區(qū)前后軋件都具有外端，外端將起著妨礙金屬質(zhì)點向橫向移動的作用，因此，也使寬展減小。在實際壓力加工過程中影響摩擦的因素繁多，容易變化，很難控制，而且摩擦對寬展和延伸都有影響。一般說來，變形區(qū)的長度總是小于其寬度，根據(jù)最小阻力定律，摩擦對寬展的影響問題，可歸結為摩擦對縱、橫方向塑性流動阻力比的影響。l用Wx及Wy分別表示縱向延伸及橫向?qū)捳沟淖枇?。如圖14-15所示，對后滑區(qū)，縱向的塑性流動阻力TxPx ,在橫向，由于輥身是平的，所以寬展的塑性流動阻力為R yT P f 則縱向與橫向變形的塑性的流動阻力比為 fsincosfsincosfpppwwk111yxG當 f 增加時，kG 增加，

15、即阻礙延伸的作用增大，促進了寬展。由圖可知，寬展是隨摩擦系數(shù)的增加而增加的。由此可以推論，軋制過程中凡是影響摩擦的因素都對寬展有影響l摩擦系數(shù)除與軋輥材質(zhì)，軋輥表面光潔度有關系外，還與軋制溫度、軋制速度、潤滑狀況及軋件的化學成分等因素有關系。從這個表中可以看出來，合金鋼的寬展比碳素鋼大些從這個表中可以看出來，合金鋼的寬展比碳素鋼大些l 金屬性質(zhì)對寬展的影響主要是化學成分對摩擦系數(shù)的影響，一般是通過軋制時所產(chǎn)生的氧化鐵皮的多少及其性質(zhì)對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。這種影響是比較復雜的。l 按一般公式計算出來的寬展，很少考慮合金元素的影響。為了確定合金鋼的寬展，必須將按一般公式計算所求得的寬展值乘上表中的系

16、數(shù)m ，也就是l B B m 式中 B - 所求得的合金鋼的寬展；l B - 按一般公式計算的寬展；l m - 考慮到化學成分影響的系數(shù)。l 型鋼軋制變形區(qū)內(nèi)的主要幾何參數(shù) （H 、h 、D 、 l 、h) 不再保持常數(shù)。l 為說明各幾何參數(shù)沿軋件寬度上的變化，并與簡單軋制情況比較，給出下圖 中幾種典型的孔型中軋制情況。l1) 在孔型中軋制時，沿軋件寬度的壓下量是不均勻的。l 在孔型中軋制時，除摩擦阻力外，還有孔型側壁的側向力起作用。l 例如，菱形孔就如前述的凹形工具一樣；而切入孔則如凸形工具一樣。l如上圖在菱孔中工具角0，此時橫向變形阻力為摩擦力T 及壓力P 的水平分量之和，即為l PTP(

17、 f cossin)l 相反，在切入孔中，橫向變形阻力為二者的水平分量之差，即為l T P P ( f cossin)l 可見，在凸形孔型中軋制時，要產(chǎn)生強制寬展，而在凹形孔型中軋制時寬展受到限制。l軋件與軋輥接觸的非同時性。變形區(qū)長度沿軋件寬度也是變化的l下圖很清楚地表明了這一點。l.如斷面 -,由于被壓縮部分較小，縱向延伸困難,故可能在此處得到局部寬展。l在 - 斷面，壓縮面積已比未壓縮面積大若干倍。此時，未受壓縮部分金屬受壓縮部分的作用而延伸。相反，壓縮部分延伸受未壓縮部分的抑制。但是寬展增加的不太明顯。l在變形區(qū)終了，由于兩側部分高度很小，可得到大的延伸，但軋件應服從整體性變形將受到中

18、間金屬的牽制，使金屬向橫向流動，寬展增加。圖中畫出了與軋輥軸平行的變形區(qū)內(nèi)若干的橫斷面.軋件開始進入軋輥時,軋件尖角先與孔型接觸l軋輥刻孔型時，則軋輥直徑沿寬度不再相同.l孔型邊部的輥徑為孔型邊部的輥徑為D2 中心部分的輥徑中心部分的輥徑為為 D 1,兩者的差值兩者的差值 D1 D 2hsl式中式中 h -孔型高孔型高度；度；l s - 輥縫輥縫。在同一轉(zhuǎn)數(shù)下,D1 的線速度1 要大于 D2 的2孔型邊部軋輥速度較大，孔型中部較小。但軋件是一個整體，出口速度相同，造成軋件中部和邊部的相互拉扯，如果中部體積大于邊部的，則邊部金屬拉不動中部的，就導致寬展的增加。同時這種速度差導致孔型磨損的不均勻。

19、l1）在孔型中軋制時的寬展不再是自由寬展，而大部分成為強制或限制寬展并產(chǎn)生局部寬展或拉縮。l孔型設計的任務就是正確地計算寬展的數(shù)值。但由于問題的復雜性，單純用理論公式計算往往誤差很大。所以工廠也常喜歡采用經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)來計算，如l BCh l式中 C -稱為寬展指數(shù)。lC 可根據(jù)大量生產(chǎn)實測資料的統(tǒng)計而得?？梢匝杆俚卮_定出寬展值。設計出合理的孔型來。l2）應指出，按 BCh的經(jīng)驗公式來估計寬展有一定的局限性。但是隨連軋型鋼的發(fā)展又要求建立計算孔型中寬展的較精確的數(shù)學模型。目前尚缺乏這方面的資料，這就需要從理論和實踐上進行深入研究。l平輥上軋制時壓下量可按下式確定hHh 。l在孔型中軋制時，確定壓下量就比較復雜。壓下量沿寬度是變化的，不能簡單地按上式計算，此時確定壓下量有不同的方法。l按軋件的最大外廓尺寸來計算壓下量和寬展量，圖所示，即 hHh ,BBhBH 這種方法最簡單，但是不準確。l用具有相同的矩形面積來代替曲線的孔型面積和軋件面積來計算壓下量，如以FH和 Fh 表示軋制前后的斷面積，則軋件軋制前、后的平均高度為: l此時壓下量按下式確定 BFBFhhHHhHhHh例如，在橢圓坯進方形孔軋制時的實際尺寸與換算成的矩形尺寸，如圖所示.除了上述的方法以外，還有移位體積法等。這里就不多講述了。l計算寬展的公式很多，但影響寬展