1、绪 论,课程内容：,课程目的：,变形方式、变形原理、变形过程中的质量问题及解决方法。,变形区,轧制,锻造,板料成形,挤压,拉拔,各种成形方法的特点：,成形工具不同,金属受力形式不同,金属流动不同,产品质量不同,生产效率不同,本课程的主要内容,1.1轧制变形区的几何参数本节应掌握的知识点：1.轧制的概念；2.轧制变形区及变形区参数间的关系；3.变形区长度的近似表达式；4.金属在变形区的流动特点。,1 轧制理论,1.1.1轧制变形区概念：（1）轧制：,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。,（2）简单理想轧制：轧辊直径相同、转速相等、轧辊为圆柱形刚
2、体、轧件为均匀连续体。（3）轧制变形区：,弹性变形区；塑性变形区；弹性恢复区,1.1.2简单轧制时变形区参数间的关系 1.1.2.1咬入角,概念：轧件被咬入轧辊时轧件和轧辊最先接触点（实际上为一条线）和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的角度。,1.1.2.2变形区长度 （概念及公式推导）（1）两轧辊直径相等,（2）两轧辊直径不相等（课后作业）,（3）考虑轧辊和轧件弹性变形,1.1.2.3 接触面积计算,1.1.3 金属在变形区内的流动规律1.1.3.1 沿轧件断面高向上变形的分布,均匀变形理论：不均匀变形理论：,金属流动速度分布1-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
3、度，4-后外端金属流动速度，5一后变形过渡区金属流动速度，6一后滑区金属流动速度，7一临界面金属流动速度，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,应力分布“+”拉应力；“-” 压应力；1-后外端；2-入辊处；3-临界面；4-出辊处；5-前外端,后外端,入辊处,临界面,出辊处,前外端,曲线特点：（1）；（2）；（3）；（4）,图 沿轧件断面高向上变形分布1-表面层；2-中心层；A-A-入辊平面；B-B-出辊平面,图 轧制变形区I-易变形区； II-难变形区； III-自由变形区,总结：(1)沿轧件断面高度上的变形、应力、流动速度分布都是不均匀；(2)在几何
4、变形区内，轧件与轧辊接触表面上，不但有相对滑动，而且还有粘着； (3)变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变形区以外；(4)在粘着区内有一个临界面，在这个面上金属的流动速度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度。,变形不均匀性与变形区形状系数的关系：,1）l/hm 0.51.0时 ：,2）l/hm Tx， ,NxTx， ,箱形孔型中轧制时轧件的咬入条件,1.2.2 型钢轧制的咬入条件,三辊工作机座孔型,特点：,1）轧辊对轧件的作用力,2）咬入时力的平衡方程式和咬入条件(板书),0,T2,P2,T1,P1,T1孔型侧壁作用在轧件前端侧面上的摩擦力；P1孔型侧壁作用在轧件前端侧面上的正压力；
5、0合力作用点与上、下轧辊轴心连线的夹角；孔型侧壁与垂直线的夹角称孔型侧壁斜角；P2孔型槽底作用在轧件前端上的正压力； T2孔型槽底作用在轧件前端的摩擦力；F轧件的惯性力。,箱形孔型咬入条件：,令：,K：咬入系数,当=90或P1=0时，k=1， 即为平辊的咬入条件。当0时k恒大于1。,1.2.3轧制过程建成条件分析（板书）,图16 轧件充填辊缝过程中作用力条件的变化图解a-充填辊缝过程；b-稳定轧制阶段,稳定轧制阶段， ，即 ，故可近似写成 或 。,与极限咬入条件同理，可写出极限稳定轧制条件： y=y/Kx 或者 fy=tan(y/Kx ) 。,结论：假设由咬入阶段过渡到稳定轧制阶段的摩擦系数不
6、变及其他条件相同时，则稳定轧制阶段允许的咬入角比咬入阶段的咬入角大2倍。,1.2.4 咬入阶段与稳定轧制阶段咬入条件的比较极限咬入条件 ：理论上允许的极限稳定轧制条件 ：由此得两者之比值为： 或者,（1）合力作用点位置或系数的影响,（2）摩擦系数变化的影响冷轧 ： ， 从咬入过渡到稳定轧制阶段，摩擦系数近似不变， ，热轧 ： ，从咬入过渡到稳定轧制阶段摩擦系数降低 ， ，,1.2.5 利用和改善咬入条件的方法1.2.5.1 剩余摩擦力的概念,1.2.5.2 改善咬入条件的方法（1）降低 角(原因?)途径：1)增加轧辊直径D 2)减小压下量生产中降低 的方法：1）用钢锭的小头先送入轧辊或以带有楔
7、形端的钢坯进行轧制 。,优点：保证顺利的自然咬入和进行稳定轧制，并对产品质量无不良影响。2)强迫咬入,（2）提高的方法1)改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩擦角。 2)合理的调节轧制速度，轧制速度提高，摩擦系数降低。 （3）增加轧件与轧辊的接触面积或采用合适的孔型侧壁倾角（在孔型轧制情况下）。,1.3 轧制过程中金属的横变形本节应掌握的知识点：1. 宽展的分类；2. 影响宽展的因素；3. 简单轧制时宽展量的计算；4. 简单断面型钢轧制时宽展的特点。,1.3.1 轧制时金属变形的基本概念及变形系数1.3.1.1基本概念,1.3.1.2 工程变形系数(1)绝对压下量：h=h0-h相对压下量：h=h
8、/h0(2)绝对宽展量： b=b0-b相对宽展量： b= b/b0(3)绝对延伸量： l=l-l0相对延伸量： l= l/l0,1.3.1.3 位移体积及对数变形系数,b0,1.3.2 轧制时金属的宽展1.3.2.1 宽展与其实际意义,宽展：轧制过程中轧件的高度承受轧辊压缩作用，压缩下来的体积，将移向纵向及横向。由移向横向的体积所引起的轧件宽度的变 化。,作用：（1）（2）（3）,a. 未充满; b. 过充满图19 由于宽展估计不足产生的缺陷,1.3.2.2 宽展分类（1）自由宽展 ： 特点：,（2）限制宽展 特点：,图111 限制宽展（a. 箱形孔内的宽展; b.闭口孔内的宽展）,（3）强制
9、宽展 特点：,1.3.2.3 宽展的组成,组成：滑动宽展B1、翻平宽展B2和鼓形宽展B3 。,（1）宽展沿轧件横断面高度上的分布 滑动宽展B1、翻平宽展B2和鼓形宽展B3的数值，依赖于摩擦系数和变形区的几何参数的变化。摩擦系数值越大，不均匀变形就越严重，翻平宽展和鼓形宽展的值就越大，滑动宽展越小。,(2)宽展沿轧件宽度上的分布 两种假说，第一种假说：认为宽展沿轧件宽度均匀分布。,第二种假说：认为变形区可分为四个区域，即在两边的区域为宽展区，中间分为前后两个延伸区。,1.3.2.4 影响宽展的因素基础：最小阻力定律及体积不变定律。实质： 高向移动体积； 变形区内轧件变形的纵横阻力比，即变形区内轧
10、件应力状态中3/ 2关系（ 3为纵向压缩主应力， 2为横向压缩主应力）。,最小阻力定律，三种情况：1）如变形在两个主轴方向是给定的，则质点只有在第三主轴一个方向流动的可能性。,2）如变形在一个主轴方向是给定了的，而在第二个主轴方向受阻，此时，在第三个主轴方向流动的多少由这两方面阻力而定，阻力小者流动的多（如封闭孔型中轧制）。,3）如变形在一个主轴方向是给定了的，而在另外两个主轴方向上，物体有自由流动的可能性，此时向阻力小的主轴流的多（如自由镦粗和平辊轧制）。,（1）相对压下量对宽展的影响：,压下量增加，宽展量也增加。原因： 1）压下量增加时，变形区长度增加；2）h/H增加，高向压下来的金属体积
11、也增加。,图1-15 在h、H和h为常数时宽展指数与压下率的关系,=常数， 线性增加；h（或H）=常数，,？,（2）轧制道次对宽展的影响,表1 轧制道次与宽展量的关系,轧制温度t,%,mm,1 1000 1 74.5 22.4,2 1085 6 73.6 15.6,3 925 6 75.4 17.5,4 920 1 75.1 33.2,N0.,道次数,在总压下量一定的前题下，轧制道次愈多，宽展愈小。,()轧辊直径对宽展的影响,（4）摩擦系数对宽展的影响,后滑区：,前滑区：,宽展与压下量和辊面状况的关系 实线-光面辊；虚线-粗面辊, =(t，V，K1，K3),相对压下量h/H,%,1）轧制温度对
12、宽展的影响,2）轧制速度的影响,3）轧辊表面状态的影响4）轧件的化学成份的影响 5）轧辊化学成分的影响,（5）轧件宽度对宽展的影响,图121 轧件宽度与宽展的关系,（6）前、后张力对宽展的影响,1.3.3 在孔型中轧制时宽展特点（1）沿轧件的宽度上压缩不均匀,（2）孔型形状的影响,图1-22 孔型形状的影响(a)菱形孔；(b)切入孔,（3）轧件与轧辊接触的非同时性,图1-22-1 非同时接触对轧制的影响,（4）轧制时速度差对宽展的影响,1.3.2.5 平辊轧制时宽展的计算 （1）.采里柯夫公式,式中 -代表压下率,C-决定于轧件原始宽度与接触长的比值关系，按下式求出：,系数C与 的关系,（2）
13、.热兹公式 广泛应用于表征轧制时金属的横向流动的运动学特征。 （3）C.H.别特罗夫.齐别尔公式 考虑因素：除摩擦、宽度和张力以外的各因素。,（4） C.古布金公式 考虑因素：几何尺寸、接触摩擦，在一定范围内适用。,（5）.巴赫契诺夫公式根据移动体积与其消耗功成正比的关系： 、 向宽度方向移动的体积与其所消耗功； 、 高度方向移动体积与其所消耗的功。考虑因素：摩擦、相对压下量、变形区长度、轧辊形状、轧件宽度、前滑。,（6）S.艾克隆德公式依据：宽展决定于压下量及轧件与轧辊接触面上纵横阻力的大小 。假定：接触面范围内，横向及纵向的单位面积上的单位功是相同的，在延伸方向上，滑动区为接触弧长的2/3
14、及粘着区为接触弧长的 1/3。,1.4 轧制过程中的运动学(金属纵变形）本节应掌握的知识点:(1)前滑与后滑的定义及前滑值的计算；(2)影响前滑的主要因素；(3)中性角的确定。,1.4.1 平辊轧制时的运动学1.4.1.1 轧制时的前滑与后滑的定义轧制过程中的运动形式：轧辊转动、轧件运动、轧件内部金属的流动。现象：前滑和后滑。,概念：前滑： 后滑： 前滑值： 后滑值：,总延伸、前滑、后滑及工艺参数的关系：,1.4.1.2 轧件在变形区内各不同断面上的运动速度,1.4.1.3 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。 推导过程：,
15、结论：前滑与轧件厚度呈双曲线的关系；前滑与辊径呈直线关系；前滑与中性角呈抛物的关系。,D=C，=C,h=C，=C,h=C，D=C,1.4.2 平辊轧制时中性角的确定,中性角：中性面nn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。,前滑区：金属力图相对轧辊表面向前滑动；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。,根据力平衡条件，取此水平分力之和为零：,1.4.3 影响前滑的主要因素1.4.3.1 轧辊直径的影响,原因：,1.4.3.2 摩擦系数的影响,1.4.3.3压下率的影响,1.4.3.4 轧件厚度的影响,1.4.3.5
16、轧件宽度的影响,1.4.3.6 张力的影响,1.5轧制过程中的摩擦 本节应掌握的知识点：金属塑性成形时摩擦的特点；确定轧制时摩擦系数的方法；轧制过程中摩擦系数的测量。,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。影响：（1）加工载荷；（2）咬入能力；（3）工件变形形状、尺寸精度、表面质量和工具磨损；（4）工件内部的组织、性能分布。,1.5.1摩擦的基本概念,1.5.2 轧制时摩擦机理,图1-39-1 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,工件工具间宏观界面,（1）轧件轧辊的表面并非绝对光滑，而是有许多小的峰谷；
17、（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。,（1）高压力下产生的摩擦 。（2）摩擦情况是不断变化的。（3）塑性成形是在高温下进行，实际现象改变了摩擦条件也给润滑带来很大影响。,1.5.3金属塑性成形时摩擦的特点,金属成形时摩擦的影响主要表现在： 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，三种原因：摩擦磨损、化学磨损和热磨损。,摩擦形式：干摩擦：在轧辊与轧件两洁净的表面之间，不存在其他物质。 边界摩擦：在接触表面内，存在一层
18、厚度为百分之一微米数量级的薄油膜。 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。 混合摩擦：,1.5.4接触摩擦理论,摩擦理论：（1）干摩擦理论(库仑Coulomb定律),适用：干摩擦条件，在多数情况下，可以认为反映了混合摩擦力与正压力之间的规律。,（2）常摩擦理论(西贝尔Siebel理论),适用：塑性加工中的粘着状态条件。产生粘着的条件：单位摩擦力等于剪切屈服极限：,适用：良好润滑条件下的高速轧制（v1040m/s）。,（3）液体摩擦理论(Nadai理论),采利科夫根据 之值的大小，将轧制摩擦分为4种：（1）当 时：,靠近变形区入口及出口处 ：趋向变形区中部
19、：中性面附近 ：,1.5.5 接触剪应力沿变形接触区的分布摩擦规律,粘着摩擦,变形停滞区,（2）当 时 ：,（3）当 时：,（4）当 时：,决定摩擦系数的因素：（1）表面接触状态和接触条件 ；（2）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和稳态轧制时的摩擦系数。,1.5.6确定轧制时摩擦系数的方法,艾克隆德 ：斯米尔诺夫 ： k1=1-(0.348+0.00017t)C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 。,1.5.6.1 热轧咬入时的摩擦系数,乌萨托斯基 ：,表16 热轧时最大咬入角和咬入摩擦系数,影响因素：（1）轧
20、件材质,1.5.6.2 冷轧咬入时的摩擦系数,（2）润滑条件的影响,（3） 轧制速度的影响 （4）轧辊材质和表面粗糙度的影响,表19 冷轧时不同轧辊条件的最大咬入角和咬入摩擦系数,1.5.6.3 打滑时的摩擦系数,表110 咬入(e )和打滑时摩擦系数(s)的比值e/s,（1）轧件温度 =0.55-0.00024t,1.5.6.4 热轧稳态轧制时的摩擦系数,(2)轧件化学成分,(3)轧辊表面粗糙度,表112 热轧稳态轧制时轧辊表面粗糙度对摩擦系数的影响,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%,(4)轧制速度 (5)工艺润滑
21、剂,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1-聚合棉子油乳化液；2-矿物油乳化液,影响因素：（1）轧件温度 （2）轧辊表面粗糙度,1.5.6.5 冷轧稳态轧制时的摩擦系数,（3）轧件化学成分 （4）润滑剂粘度,（5）轧制速度,（6）道次压下量,1.最大咬入角法思路：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。,1.5.7 摩擦系数的测量法,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。 两种方法的比较：,3.
22、前滑法思路：测出稳定轧制过程的前滑值Sh（方法），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。,此方法的局限性：,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。,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。,5.轧件强迫制动法,6.扭矩法思路：应用极限压下量或后张力，使前滑Sh=0的条件下，同时测量作用在轧辊上的轧制力矩M和轧制压力P，然后计算摩擦系数。,扭矩法广泛应用于实际
23、生产。,1.6 金属的变形抗力本节应掌握的知识点：1.变形抗力的基本概念2.影响变形抗力的因素3.冷、热轧制变形抗力的公式,1.6.1 变形抗力的基本概念1.6.1.1 变形抗力的一般行为,I,II,III,IV,V,拉伸与压缩实验的比较：Hendky-Mises公式:,1.6.1.2 轧制中的变形抗力,压缩实验温度：850C、 900C、 950C、1000C、1050C、1100C 、 1150C、1200C、1250C、 1300C 应变速率：0.1、0.05、0.10变形范围：0-70,1 Program: LJ Acquisition: 010 Channel Information
24、0 Channel Name Units Time Offset-2 1 Stress MPa 0.0000 -2 2 T/E Strain strain value 0.0681 -2 3 Force Kg 0.1362 -2 4 Stroke cm 0.2043 -2 5 Temperature Celsius 0.2724 0 Time Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5 0 0.0000 0.9766 -0.0049 -9.7656 0.0439 1293.94531 0.3405 10.7422 -0.0049 34.1
25、797 0.0439 1296.38672 0.6810 12.2070 0.0000 34.1797 0.0391 1296.38673 1.0214 12.2070 0.0049 34.1797 0.0391 1296.38674 1.3619 13.1836 0.0098 39.0625 0.0342 1296.38675 1.7024 13.6719 0.0122 34.1797 0.0293 1296.38676 2.0429 14.1602 0.0195 34.1797 0.0293 1296.38677 2.3834 13.6719 0.0244 39.0625 0.0293 1
26、296.3867,变形抗力随变形程度的变化,变形速率对应力-应变曲线的影响 T=1100C,根据在Gleeble上进行热压缩的实验数据，采用Metlab软件对Crl2钢的变形抗力公式进行了回归，回归结果为公式(1)：,图4 Crl2钢变形抗力模型计算结果与实验数据对比图中实线为实测结果；虚线为模型计算结果,1.6.1.3 平均变形抗力,K-与材料有关的常数；n-加工硬化指数；m-应变速度敏感性指数。,内因：化学成分、组织结构；外因：变形温度、变形速度、变形程度。1.6.2.1 化学成分的影响1）；2）；3）,1.6.2 影响变形抗力的因素,1.6.2.2 组织结构,霍耳配奇公式,1.6.2.3
27、 变形温度,Ti/T熔,图151 各种金属的真实强度极限与温度的关系,图152 碳钢的屈服应力与温度的关系,1.6.2.4 变形速度,1.6.2.5 变形程度,三向同号与异号主应力图时的塑性条件,1.6.2.6应力状态,1.6.3冷变形抗力木原 ：志田 ：,（1）温度和应变速度的影响,1.6.3.2冷变形抗力的影响因素,（）成分和晶粒直径的影响,平均应变速度： 当ttm-575 当t5 II 25 III 0.52 IV T0); b)后张力大于前张力(T0T1),T0T1时, 为正，T1T0时, 为负。,轧件的平衡条件：,两个轧辊上的轧制力矩 ：,1.7.4.3 轧制力矩的计算确定轧制力矩的
28、方法有三种：(1)按金属作用在轧辊上的总压力计算轧制力矩： (2) 按金属作用在轧辊上的切向摩擦力计算轧制力矩：轧制力矩等于前滑区与后滑区的切向摩擦力与轧辊半径之乘积的代数和 (3) 按轧制时的能量消耗确定轧制力矩。,1.7.4.4 主电机传动轧辊所需的力矩及功率（1） 传动力矩的组成轧制力矩，用于使轧件塑性变形所需的力矩；Mf克服轧制时发生在轧辊轴承，传动机构等的附加摩擦力矩；Mk空转力矩，即克服空转时的摩擦力矩；Md动力矩，此力矩为克服轧辊不匀速运动时产生的惯性力所必须的；i轧辊与主电机间的传动比。,静力矩：轧机效率：动力矩：转动部分的重量；转动部分的惯性直径； 角加速度。,（2） 附加摩
29、擦力矩的确定 ）轧辊轴承中的附加摩擦力矩作用在四个轴承上的总负荷，它等于轧制力；d1 轧辊辊颈直径；1 轧辊轴承摩擦系数，它取决于轴承构造和工作条件。,）传动机构中的摩擦力矩 Mf2换算到主电动机轴上的传动机构的摩擦力矩；1传动机构的效率，即从主电动机到轧机的传动效率 。换算到主电动机轴上的附加摩擦力矩应为：,或,（3） 空转力矩的确定空载转矩：所有转动机件空转力矩之和： Mk=Mkn式中 Mkn换算到主电动机轴上的转动每一个零件所需的力矩。如果用零件在轴承中的摩擦圆半径与力来表示Mkn，则：,经验公式： Mk=(0.030.06)MH式中 MH电动机的额定转矩。,（4）电机负荷图负荷图 ：当
30、计算传动功率时，除了要知道负荷大小外，由于轧制过程中力矩是变化的，还必须知道负荷随时间的变化。作用：在建立了负荷图以后，按图上的最大力矩和均方根力矩来选择或校核驱动轧机电动机的功率大小。,图1-76-1 各种轧机的静负荷图(a)单独传动的连轧机或一道中轧一根轧件者,图1-76-1 各种轧机的静负荷图(b)单机架轧机轧数道者,图1-76-1 各种轧机的静负荷图(c)同时轧数根轧件者,图1-76-1 各种轧机的静负荷图(d)集体驱动的连轧机,图1-76-2 可逆式轧机传动负荷图,（5） 主电机的功率计算对电机的功率进行计算包括两部分：一是由负荷图计算出等效力矩不能超过电机的额定力矩；二是负荷图中的
31、最大力矩不能超过电机的允许过载负荷和持续时间。1）等效力矩计算及电机的校核,）电机功率的计算对于新设计的轧机，需要根据等效力矩计算电机的功率，即： 式中 电机的转速，r/min；由电机到轧机的传动效率。,本节应掌握的知识点：1.连续轧制的基本概念；2.连续轧制的基本规律；3.连轧过程堆、拉钢的计算。,1.8 连续轧制理论,1.8.1 连轧基本规律1.8.1.1 连轧常数,1.8.1.2 连轧速度条件1.8.1.3 连轧力学条件,1.8.2.1秒流量计算,1.8.2 考虑前滑值的秒流量和堆、拉钢计算,1.8.2.2 堆、拉钢计算）堆拉系数 ）堆拉率,1.8.2.3 影响型钢轧制连轧常数计算值的几个主要因素（1）轧件断面面积计算的影响 （2）轧辊工作直径计算的影响 轧辊工作直径： 轧件和轧辊接触处的轧辊直径。等效矩形法 ：（3）前滑的影响,
