軋制變形基本原理(1)

1、1 第四章 軋制變形基本原理金屬塑性加工是利用金屬能夠產(chǎn)生永久變形的能力，使其在外力作用下進行塑性成型的一種金屬加工技術(shù)，也常叫金屬壓力加工?；炯庸ぷ冃畏绞娇梢苑譃椋哄懺?、軋制、擠壓、分為：熱加工、冷加工、溫加工。金屬塑性加工的優(yōu)點(1)因無廢屑，可以節(jié)約大量的金屬，成材率較高；(2)可改善金屬的內(nèi)部組織和與之相關(guān)聯(lián)的性能；(3)生產(chǎn)率高，適于大量生產(chǎn)。第一節(jié) 軋鋼的分類軋鋼是利用金屬的塑性使金屬在兩個旋轉(zhuǎn)的軋輥之間受到壓縮產(chǎn)生塑性變形，從而得到具有一定形狀、尺寸和性能的鋼材的加工過程。被軋制的金屬叫軋件；使軋件實現(xiàn)塑性變形的機械設(shè)備叫軋鋼機；軋制后的成品叫鋼材。一、根據(jù)軋件縱軸線與軋輥軸線

2、的相對位置分類軋制可分為橫軋、縱軋和斜軋。如圖、。橫軋：軋輥轉(zhuǎn)動方向相同，軋件的縱向軸線與軋輥的縱向軸線平行或成一定錐角，軋制時軋件隨著軋輥作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。它主要用來軋制生產(chǎn)回轉(zhuǎn)體軋件，如變斷面軸坯、齒輪坯等。圖1 橫軋簡圖1軋輥；2軋件；3支撐輥 縱軋：軋輥的轉(zhuǎn)動方向相反，軋件的縱向軸線與軋輥的水平軸線在水平面上的投影相互垂直，軋制后的軋件不僅斷面減小、形狀改變，長度亦有較大的增長。它是軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種軋制方法，如各種型材和板材的軋制。 斜軋：軋輥轉(zhuǎn)動方向相同，其軸線與軋件縱向軸線在水平面上的投影相互平行，但在垂直面上的投影各與軋件縱軸成一交角，因而軋制時軋件既旋轉(zhuǎn)，又前進，作螺旋運

3、動。它主要用來生產(chǎn)管材和回轉(zhuǎn)體型材。 圖2 縱軋示意圖 圖3 斜軋簡圖 1軋輥；2坯料；3毛管；4頂頭；5頂桿二、根據(jù)軋制溫度不同又可分為熱軋和冷軋。 所有的固態(tài)金屬和合金都是晶體。溫度和加工變形程度對金屬的晶體組織結(jié)構(gòu)及性能都有不可忽視的影響。 金屬在常溫下的加工變形過程中，其內(nèi)部晶體發(fā)生變形和壓碎，而引起金屬的強度、硬度和脆性升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象，叫做金屬的加工硬化。把一根金屬絲固定于某一點在手中來回彎曲多次后，鋼絲就會變硬、變脆進而斷裂，這就是加工硬化現(xiàn)象的一個例子。 經(jīng)加工變形后的金屬，隨著溫度的升高，其晶體組織又重新改組為新晶粒的現(xiàn)象，稱為金屬的再結(jié)晶。再結(jié)晶無晶體類型的變化。

4、金屬進行再結(jié)晶的最低溫度稱為金屬的再結(jié)晶溫度。金屬的再結(jié)晶可以消除在加工變形過程中產(chǎn)生的加工硬化，恢復(fù)其加工變形前的塑性和韌性。金屬的再結(jié)晶溫度的高低，主要受金屬材質(zhì)和變形程度的影響。 將金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上進行軋制叫熱軋。熱軋的優(yōu)點是可以消除加工硬化，能使金屬的硬度、強度、脆性降低，塑性、韌性增加，而易于加工。這是因為金屬在再結(jié)晶溫度以上產(chǎn)生塑性變形（即產(chǎn)生加工硬化）的同時，產(chǎn)生了非常完善的再結(jié)晶。但在高溫下鋼件表面易生成氧化鐵皮，使產(chǎn)品表面粗糙度增大，尺寸不夠精確。 金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的軋制叫冷軋。冷軋的優(yōu)點與熱軋相反。第三節(jié) 金屬塑性變形的力學(xué)條件 一、 內(nèi)力與外力材料（入軋件

5、）由于外力（如軋輥的軋制力）的作用，其內(nèi)部產(chǎn)生的抵抗外力的抗力，叫內(nèi)力。材料單位面積上的內(nèi)力叫應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力分布均勻時，或者應(yīng)力雖不均勻分布，但為例計算簡便時： =F式中：平均應(yīng)力，Mpa；F材料的截面積，P作用于該截面積的內(nèi)力，N。 二、變形 材料受外力所產(chǎn)生的形狀和尺寸的改變，叫變形。當(dāng)外力消除后，能夠恢復(fù)原來形狀尺寸的那部分變形，叫彈性變形；若外力超過某一限度，材料不能恢復(fù)原來形狀尺寸的那部分變形，叫塑性變形。材料產(chǎn)生塑性變形而不破裂的能力叫塑性。軋鋼生產(chǎn)就是利用金屬的塑性使軋件產(chǎn)生塑性變形而成型的。 材料單位尺寸上的變形叫應(yīng)變，應(yīng)力與應(yīng)變是共生共存的。 塑性變形的力學(xué)條件 材料抵抗塑性變

6、形的能力叫強度。材料產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力叫屈服強度或屈服極限（ReL/ReH）。材料破壞前的最大應(yīng)力叫強度極限（Rm）。 顯然，金屬材料產(chǎn)生塑性變形的力學(xué)條件是該材料受外力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力（）必須大于或等于其屈服極限（ReL），而小于其強度極限（Rm）。ReL/Rm因為，當(dāng)< ReL時，材料不可能產(chǎn)生塑性變形，只產(chǎn)生彈性變形，而Rm時，材料會破裂。第四節(jié) 塑性變形的體積不變定律和最小阻力定律 一、 金屬塑性變形的體積不變定律 體積不變定律是金屬塑性變形時，材料的體積保持不變。即軋制前后軋件的體積不變。 如以V、V分別代表軋制前后軋件的體積，則V=V 另H、B、L和hbl分別代表軋件軋制

7、前后軋件的高度、寬度與長度，則有V=HBL;V=hblHBL=hbl上面公式是體積不變定律的數(shù)學(xué)表達式，利用他可以計算定軋制后軋件的尺寸，根據(jù)產(chǎn)品的斷面面積和定尺長度，選擇合理的坯料尺寸。 實際上，金屬在塑性變形過程中，其體積總有一些變化，這是由于： （1）在軋制過程中，金屬內(nèi)部的縮孔、氣泡和疏松被焊合，密度提高，因而改變了金屬體積。這就是說除內(nèi)部有大量存在氣泡的沸騰鋼錠（或有縮孔及疏松的鎮(zhèn)靜鋼錠、連鑄坯）的加工前期外，熱加工時，金屬的體積是不變的。 （2）在熱軋過程中金屬因溫度變化而發(fā)生相變以及冷軋過程中金屬組織結(jié)構(gòu)被破壞，也會引起金屬體積的變化，不過這種變化都極為微小。例如，冷加工時金屬的

8、比重約減少0.10.2。不過這些在體積上引起的變化是微不足道的，況且經(jīng)過再結(jié)晶退火后其比重仍然恢復(fù)到原有的數(shù)值。2 二、塑性變形的最小阻力定律 1、敘述： 最小阻力定律是金屬材料在塑性變形時，其質(zhì)點有向各個方向移動的可能性時，則各質(zhì)點將沿阻力最小的方向移動。2、最小阻力定律的應(yīng)用2.確定金屬流動的方向。（1）利用最小阻力定律分析小輥徑軋制的特點。如圖2-3圖3-3 軋輥直徑對寬展的影響在壓下量相同的條件下，對于不同輥徑的軋制，其變形區(qū)接觸弧長度是不相同的，小輥徑的接觸弧較大輥徑小，因此，在延伸方向上產(chǎn)生的摩擦阻力較小，根據(jù)最小阻力定律可知，金屬質(zhì)點向延伸方向流動的多，向?qū)挾确较蛄鲃拥纳?，故用?/p>

9、輥徑軋出的軋件長度較長，而寬度較小。(2)為什么在軋制生產(chǎn)中，延伸總是大于寬展？首先，在軋制時，變形區(qū)長度一般總是小于軋件的寬度，根據(jù)最小阻力定律得，金屬質(zhì)點沿縱向流動的比沿橫向流動的多，使延伸量大于寬展量；其次，由于軋輥為圓柱體，沿軋制方向是圓弧的，而橫向為直線型的平面，必然產(chǎn)生有利于延伸變形的水平分力，它使縱向摩擦阻力減少，即增大延伸，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，延伸總是大于寬展第五節(jié) 金屬塑性變形的表示方法 軋制過程中金屬產(chǎn)生塑性變形，其結(jié)果使軋件厚度減小稱為壓縮；寬度增加稱為寬展；長度增加稱為延伸。為表示以上三種變形的程度，另H、B、L和h、b、l分

10、別為軋制前后軋件的厚度、寬度和長度。一 、絕對變形量 絕對壓下量，簡稱壓下量 絕對寬展量，簡稱寬展 絕對延伸量 上述絕對變形量這種表示方法不能正確地反映出物體的變形程度 二、相對變形量 相對變形量是以三個方向的絕對變形量與其各自的相應(yīng)線尺寸的比值表示的變形量。即： 相對壓下量 相對寬展量 相對延伸量 上述相對變形量以相對壓下量使用較為廣泛。 三、變形系數(shù) 變形系數(shù)是另一種表示相對變形的方法，是以軋制前后（或軋制后與軋制前）相應(yīng)的線尺寸的比值表示，即： 壓下系數(shù) 寬展系數(shù) 延伸系數(shù) 上述變形系數(shù)反映了金屬變形前后尺寸變化的倍數(shù)關(guān)系，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，特別是延伸系數(shù)。依據(jù)體積不變定律，延伸

11、系數(shù)又可以用以下式表示： 式中FF 分別表示軋制前后軋件的斷面積。 軋件總的變形程度常用壓縮比來表示，壓縮比就使軋前軋后軋件斷面積之比。用較大的壓縮比軋制，才能充分破碎鋼件的鑄造組織，使鋼材組織致密，改善其性能。第六節(jié) 軋制過程的三階段軋制過程可分為三個階段：咬入階段、穩(wěn)定軋制階段和甩出階段。一 咬入階段咬入階段是軋件前端與軋輥接觸的瞬間起到前端達到變形區(qū)的出口斷面（軋輥中心連線）稱為咬入階段。如圖（7-3）所示。在此階段的某一瞬間有如下特點：圖 軋制時的咬入階段（1）軋件的前端在變形區(qū)有三個自由端（面），僅后面有不參與變形的外端（或稱剛端）。（2）變形區(qū)的長度由零連續(xù)地增加到最大值，即增加到

12、（3）變形區(qū)內(nèi)的合力作用點、力矩皆不斷的變化。（4）軋件對軋輥的壓力由零值逐漸增加到該軋制條件下的最大值。（5）變形區(qū)內(nèi)各斷面的應(yīng)力狀態(tài)不斷變化。二 穩(wěn)定軋制階段從軋件前端離開軋輥軸心連線開始，到軋件后端進入變形區(qū)入口斷面止，這一階段稱為穩(wěn)定軋制階段。變形區(qū)的大小、軋件與軋輥的接觸面積，金屬對軋輥的壓力，變形區(qū)內(nèi)各處的應(yīng)力狀態(tài)等都是均恒的，這就是此階段的特點。三 甩出階段從軋件后端進入入口斷面時起到軋件完全通過輥縫（軋輥軸心連線），稱為甩出階段。這一階段的特點類似于第一階段，即 （1）軋件的后端在變形區(qū)內(nèi)有三個自由端（面），僅前面有剛端存在。（2）變形區(qū)的長度由最大變到最小零。（3）變形區(qū)內(nèi)的合力作用點、力矩皆不斷地變化。（4）軋件對軋輥的壓力由最大變到零。（5）變形區(qū)內(nèi)斷面的應(yīng)力狀態(tài)不斷地變化。第七節(jié) 建立連軋的基本原則 連續(xù)軋制簡稱連軋，它是一根軋件同時在幾架順序排列的軋機中進行軋制。建立連軋必須遵守軋件在各架軋機中金屬秒流量相等的原則。連軋的變形條件 保證連軋過程秒流量相等原則，表示金屬秒流量相等的公式為： 式中、第1、第2至第n架軋機軋后軋