金屬軋制變形理論

1、1金屬軋制變形理論陳銀莉北京科技大學(xué)2v金屬金屬的塑性成形方法：的塑性成形方法： 軋制軋制(Rolling)(Rolling)、鍛造、鍛造(Forging)(Forging)、擠壓、擠壓(Extrusion)(Extrusion)、拉拔、拉拔(Drawing)(Drawing)和深沖和深沖(Deep Drawing)(Deep Drawing)v軋材軋材: : 將金屬坯料將金屬坯料(Billet, Bloom, Slab)(Billet, Bloom, Slab)通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥軋輥(Roller)(Roller)，受連續(xù)軋制力而壓伸為長形。，受連續(xù)軋制力而壓伸為長形。 軋制法

2、生產(chǎn)效率高，金屬消耗少，加工容易，生產(chǎn)軋制法生產(chǎn)效率高，金屬消耗少，加工容易，生產(chǎn)成本低，適合大批量生產(chǎn)，成本低，適合大批量生產(chǎn)， 軋制是生產(chǎn)鋼材最主要的方法，軋制鋼材占全部鋼軋制是生產(chǎn)鋼材最主要的方法，軋制鋼材占全部鋼成品的成品的9898以上。以上。 31、軋制過程的基本概念 本節(jié)應(yīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)：v軋制變形區(qū)的概念v咬入角v接觸弧長度lv軋制變形的表示方法: 壓下量，寬展量，延伸量v金屬在變形區(qū)內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律41.1 1.1 軋制變形區(qū)的幾何參數(shù)軋制變形區(qū)的幾何參數(shù) 靠旋轉(zhuǎn)的軋輥與軋件之間形成的摩擦力將軋件拖進(jìn)輥縫之間，并使之受到壓縮產(chǎn)生塑性變形的過程。形狀（shape）尺寸（size）組織

3、（microstructure）56 軋制時(shí)軋件在軋輥?zhàn)饔孟掳l(fā)生變形的部分。彈性變形區(qū)塑性變形區(qū)彈性恢復(fù)區(qū)7 軋輥直徑相同、轉(zhuǎn)速相等、軋輥為圓柱形剛體、軋件為均勻連續(xù)體,軋制時(shí)變形均勻，軋件為平板。 軋件與軋輥接觸面之間的幾何區(qū)，即從軋件入軋輥的垂直平面到軋件出軋輥的垂直平面所圍成的區(qū)域ACBD 。8v簡單軋制時(shí)變形區(qū)參數(shù)間的關(guān)系 1）咬入角 軋件被咬入軋輥時(shí)軋件和軋輥?zhàn)钕冉佑|點(diǎn)和軋輥中心的連線與兩軋輥中心連線所構(gòu)成的角度。 h/2=D/2-D/2*cos hR2 h=D(1-cos) 2/)2/sin(Rh/2)2(sin2cos19Rh/102）變形區(qū)長度 l 軋件和軋輥接觸圓弧的水平投影

4、長度 222)2(hRRl422hhRl42hhRlhRl兩軋輥直徑相等時(shí)：113）接觸面積 接觸面水平投影面積。 hRbBlBFH212v考慮軋輥和軋件彈性變形時(shí)1）咬入角 Rh/ )(11軋輥的彈性變形2軋件的彈性變形 132）變形區(qū)長度 l 彈性壓扁造成的接觸弧長增加量可達(dá)30100 hRx121122hRx2122Rx2132hDB2131BB212121222RhRxxl222xxhRl14 1和2的值可由彈性理論中關(guān)于兩個(gè)圓柱體壓縮時(shí)的計(jì)算公式來確定?？紤]軋件厚度與軋輥直徑相比非常小 ，忽略軋件彈性變形：pREvpREvhRl121212118181軋輥的泊松系數(shù) E1軋輥的彈性模

5、量15hRl迭代法求解時(shí)變形區(qū)長度 l 公式 )1821 (121EvBhPRR P為總軋制壓力，未知。 需要迭代求解16 17沿軋件斷面高向上變形分布1-表面層；2-中心層；3-均勻變形A-A-入輥平面；B-B-出輥平面水平段為表面粘著區(qū)18帶鋼表面粗晶區(qū)的形成和軋制狀態(tài)有關(guān)：1）軋制時(shí)，由于摩擦力的存在，在軋件和軋輥接觸部位存在難變形區(qū)，當(dāng)軋制時(shí)潤滑條件不好時(shí)，容易在表面層產(chǎn)生粗晶區(qū)，可以通過開啟機(jī)架間冷卻水來改善潤滑。2）沿軋件高向上變形分布是不均勻的，表面層變形小。壓下量分配不合理時(shí)，使得軋件表面層變形量小，從而產(chǎn)生粗晶。粗晶區(qū)的存在會(huì)降低帶鋼的延伸率，冷彎性能變差。191-表面層金屬

6、流動(dòng)速度2-中心層金屬流動(dòng)速度3-平均流動(dòng)速度表面層流動(dòng)速度大，中心層流動(dòng)速度小4后外端金屬流動(dòng)速度5后變形過渡區(qū)金屬流動(dòng)速度6一后滑區(qū)金屬流動(dòng)速度8一前滑區(qū)金屬流動(dòng)速度9一前變形過渡區(qū)金屬流動(dòng)速度10一前外端金屬流動(dòng)速度7一臨界面金屬流動(dòng)速度流動(dòng)速度分布均勻臨界面上金屬流動(dòng)速度分布均勻，等于軋輥水平速度表面層流動(dòng)速度小，中心層流動(dòng)速度大流動(dòng)速度分布均勻20“+”拉應(yīng)力；“-” 壓應(yīng)力；1-后外端；2-入輥處；3-臨界面；4-出輥處；5-前外端21軋制變形區(qū)I-易變形區(qū)；II-難變形區(qū)；III-自由變形區(qū)22：1）沿軋件斷面高度方向上的變形、應(yīng)力和金屬流動(dòng)分布都是不均勻的。2）在幾何變形區(qū)內(nèi)，

7、在軋件與軋輥接觸表面上，不但有相對(duì)滑動(dòng)，而且還有粘著，在粘著區(qū)軋件與軋輥之間無相對(duì)滑動(dòng)。3）變形不但發(fā)生在幾何變形區(qū)內(nèi)，也產(chǎn)生在幾何變形區(qū)以外，其變形分布都是不均勻的，軋制變形區(qū)分為變形過渡區(qū)，前滑區(qū)，后滑區(qū)和粘著區(qū)。4）在粘著區(qū)有一個(gè)臨界面，在這個(gè)面上金屬的流動(dòng)速度分布均勻，且等于該處軋輥的水平速度。23變形區(qū)形狀參數(shù)：hl /0.51.0時(shí) ：軋件高度相對(duì)于接觸弧長不太大時(shí)，壓縮變形完全深入到軋件內(nèi)部，中心層變形比表面層變形大hl /hl /0.51.0時(shí) ：軋件高度相對(duì)于接觸弧長比較大，外端對(duì)變形過程的影響更為突出，壓縮變形不能深入到軋件內(nèi)部，只限于表面層附近，表面層變形比中心層大。hl

8、 /0.51.0時(shí)金屬流動(dòng)速度與應(yīng)力分布24縱向受摩擦阻力3橫向受摩擦阻力2根據(jù)最小阻力定律可把軋制變形區(qū)分成4部分：兩側(cè)寬展區(qū)：金屬橫向流動(dòng)增加寬展前后延伸區(qū)： 金屬縱向流動(dòng)增加延伸。延伸區(qū)在兩側(cè)引起張應(yīng)力AB，削弱延伸，使得寬展區(qū)收縮252、 咬入條件和軋制過程的建立v咬入條件v穩(wěn)定軋制條件v改善咬入條件的途徑 26咬入：依靠回轉(zhuǎn)的軋輥和軋件之間的摩擦力，軋輥將軋件拖入軋輥之間接觸瞬間軋件對(duì)軋輥的作用力：徑向壓力P摩擦力T0接觸瞬間軋輥對(duì)軋件的作用力：徑向反作用力N27接觸瞬間軋輥對(duì)軋件的作用力：接觸瞬間軋輥對(duì)軋件的作用力：v徑向反作用力N： 水平分力Nx，垂直分力Nyv切線摩擦力T: 水

9、平分力Tx，垂直分力Ty作用力的功能：作用力的功能：v垂直分力Ny和垂直分力Ty對(duì)軋件起壓縮作用，使軋件產(chǎn)生塑性變形v水平分力Nx阻止軋件進(jìn)入軋輥輥縫。v水平分力Tx與軋件運(yùn)動(dòng)方向一致，力圖將軋件咬入軋輥輥縫28三種情況：三種情況：vTx NxTx NxTx Nx不能實(shí)現(xiàn)自然咬入不能實(shí)現(xiàn)自然咬入平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)自然咬入可以實(shí)現(xiàn)自然咬入29力的關(guān)系分析：力的關(guān)系分析：sinNNxcoscosNfTTxTx Nx Tx Nx 時(shí)時(shí)cossinNfNftanv摩擦角大于咬入角時(shí)才能摩擦角大于咬入角時(shí)才能自然咬入自然咬入v合力合力F F的水平分力的水平分力FxFx與軋制方向相同與軋制方向相同自

10、然咬入自然咬入ftan令令30力的關(guān)系分析：力的關(guān)系分析：sinNNxcoscosNfTTxTx = Nx Tx = Nx 時(shí)時(shí)cossinNfNftanv咬入力和咬入阻力處于咬入力和咬入阻力處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)v軋輥對(duì)軋件作用力的合力軋輥對(duì)軋件作用力的合力F F是垂直方向，無水平分力是垂直方向，無水平分力極限咬入條件極限咬入條件31力的關(guān)系分析：力的關(guān)系分析：sinNNxcoscosNfTTxTx Nx Tx B1到l2B2，寬展區(qū)增加，寬展增大l2B2到l32,邊部金屬的延伸受中部金屬的抑制，產(chǎn)生寬展76（4）受孔型形狀的影響限制寬展或強(qiáng)制寬展切入孔： 凸形孔型中孔型側(cè)壁給予軋件的力： 正

11、壓力P 摩擦力T軋件寬度方向上的橫向阻力：PxTx菱形孔： 凹形孔型中孔型側(cè)壁給予軋件的力： 正壓力P 摩擦力T軋件寬度方向上的橫向阻力：PxTx773.4 平輥軋制時(shí)寬展的計(jì)算平輥軋制時(shí)寬展的計(jì)算 1）采里柯夫公式理論依據(jù)：最小阻力定律，體積不變定律變形區(qū)：兩個(gè)寬展區(qū)，前滑區(qū)，后滑區(qū)78ABC區(qū)內(nèi)： 由體積不變定律，高度方向的體積減少由體積不變定律，高度方向的體積減少全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向移動(dòng)變?yōu)閷捳谷哭D(zhuǎn)變?yōu)闄M向移動(dòng)變?yōu)閷捳?距離出口斷面為(xdx)的ac斷面移動(dòng)dx距離后到達(dá)bd位置，在寬展區(qū)域內(nèi)壓下的體積都橫向移動(dòng)形成寬展2xxdbdxh 高向減小的體積 橫向增加的體積xdhzdxxxxdhz

12、dxdbdxh2xxxhdhzdb279當(dāng)h/Hv 軋件速度低于軋輥線速度的水平分量，并在入口處的速度vH最小 vHvcos 軋件和軋輥的水平分速度相等。 v=vcosvHv 8 0.150 130穩(wěn)定軋制時(shí)：穩(wěn)定軋制時(shí)：當(dāng)軋件溫度增加時(shí)摩擦系數(shù)增加。 （2）軋輥表面粗糙度 摩擦系數(shù)隨軋輥表面粗糙度增加而增大 （1）軋件溫度的影響 5 . 020)20( ta20在20穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)；t軋件溫度，；a取決于軋輥表面光潔度的修正系數(shù)： 光滑輥面 a=0.00110.0015；粗糙輥面 a=0.00350.0073)2 . 0(5 . 01 2 . 0Ra131 碳鋼軋制采用潤滑時(shí)，軋件化學(xué)

13、成分對(duì)摩擦系數(shù)的影響可以忽略。 奧氏體不銹鋼軋制時(shí)，由于存在軋輥粘結(jié)趨勢，因此，其摩擦系數(shù)通常比碳鋼的增大1020。（4）潤滑劑粘度 （3）軋件化學(xué)成分 通常油膜厚度隨潤滑劑粘度增加而增加，因此，摩擦力也隨之下降。03. 0)(5 . 05 . 050c50在50時(shí)潤滑劑粘度，m2/s10；C-對(duì)于礦物油，c=1.4，對(duì)植物油，c=1.0。132 在潤滑條件下，油膜厚度與軋制速度成正比,因此當(dāng)軋制速度增加時(shí)，摩擦系數(shù)下降 （6）道次壓下量 （5）軋制速度 道次壓下量對(duì)摩擦系數(shù)的影響取決于軋件表面粗糙度以及加工硬化程度。 低碳鋼軋制，采用蓖麻油和10礦物油乳液潤滑時(shí)軋件摩擦系數(shù)隨道次壓下量的變化 133 5.7 摩擦系數(shù)的測量法1)最大咬入角法思路：用很小的推力，將軋件送向旋轉(zhuǎn)的軋輥，并在此時(shí)使軋輥的輥縫盡可能小，然后逐漸抬升上輥，使輥縫增大，達(dá)到剛好實(shí)現(xiàn)咬入。2)最大接觸角法思路：采用楔形件，將軋件送入固定輥縫的軋輥中，由于沿軋件長度上，壓下量逐漸增大，直至軋卡為止，此時(shí)變形區(qū)屬于全后滑。1343