1、軋制變形理論第一至第五章1第1頁，共134頁。1、軋制過程的基本概念 本節(jié)應(yīng)掌握的知識點：軋制變形區(qū)的概念咬入角接觸弧長度l軋制變形的表示方法: 壓下量，寬展量，延伸量金屬在變形區(qū)內(nèi)的流動規(guī)律2第2頁，共134頁。1.1 軋制變形區(qū)的幾何參數(shù) 軋制過程靠旋轉(zhuǎn)的軋輥與軋件之間形成的摩擦力將軋件拖進輥縫之間，并使之受到壓縮產(chǎn)生塑性變形的過程。軋制目的：形狀（shape）尺寸（size）組織 （microstructure）3第3頁，共134頁。4第4頁，共134頁。1.1.1 軋制變形區(qū) 軋制時軋件在軋輥作用下發(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)5第5頁，共134頁。簡單理想軋制過程示意

2、圖簡單理想軋制： 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,軋制時變形均勻，軋件為平板。幾何變形區(qū)： 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 。6第6頁，共134頁。簡單軋制時變形區(qū)參數(shù)間的關(guān)系 1）咬入角 軋件被咬入軋輥時軋件和軋輥最先接觸點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) 7第7頁，共134頁。8第8頁，共134頁。2）變形區(qū)長度 l 軋件和軋輥接觸圓弧的水平投影長度 兩軋輥直徑相等時：9第9頁，共134頁。3）接觸面積 接觸面水平投影面積

3、。 簡單理想軋制過程示意圖10第10頁，共134頁?？紤]軋輥和軋件彈性變形時1）咬入角 1軋輥的彈性變形2軋件的彈性變形 11第11頁，共134頁。2）變形區(qū)長度 l 彈性壓扁造成的接觸弧長增加量可達30100 12第12頁，共134頁。 1和2的值可由彈性理論中關(guān)于兩個圓柱體壓縮時的計算公式來確定?？紤]軋件厚度與軋輥直徑相比非常小 ，忽略軋件彈性變形：1軋輥的泊松系數(shù) E1軋輥的彈性模量13第13頁，共134頁。迭代法求解時變形區(qū)長度 l 公式 P為總軋制壓力，未知。 需要迭代求解14第14頁，共134頁。1.1.2 金屬在軋制變形區(qū)內(nèi)的流動規(guī)律沿軋面高向上的變形分布均勻變形理論 不均勻變形

4、理論15第15頁，共134頁。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)沿軋件斷面高度方向上的變形分布不均勻16第16頁，共134頁。帶鋼表面粗晶區(qū)的形成和軋制狀態(tài)有關(guān)：1）軋制時，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)軋制時潤滑條件不好時，容易在表面層產(chǎn)生粗晶區(qū)，可以通過開啟機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，使得軋件表面層變形量小，從而產(chǎn)生粗晶。粗晶區(qū)的存在會降低帶鋼的延伸率，冷彎性能變差。17第17頁，共134頁。1-表面層金屬流動速度2-中心層

5、金屬流動速度3-平均流動速度沿軋件斷面高度方向上金屬流動分布不均勻表面層流動速度大，中心層流動速度小4后外端金屬流動速度5后變形過渡區(qū)金屬流動速度6一后滑區(qū)金屬流動速度8一前滑區(qū)金屬流動速度9一前變形過渡區(qū)金屬流動速度10一前外端金屬流動速度7一臨界面金屬流動速度流動速度分布均勻臨界面上金屬流動速度分布均勻，等于軋輥水平速度表面層流動速度小，中心層流動速度大流動速度分布均勻18第18頁，共134頁。“+”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-前外端沿軋件斷面高度方向上金屬應(yīng)力分布不均勻19第19頁，共134頁。軋制變形區(qū)I-易變形區(qū)；II-難變形區(qū)；III

6、-自由變形區(qū)20第20頁，共134頁。不均勻變形理論：1）沿軋件斷面高度方向上的變形、應(yīng)力和金屬流動分布都是不均勻的。2）在幾何變形區(qū)內(nèi)，在軋件與軋輥接觸表面上，不但有相對滑動，而且還有粘著，在粘著區(qū)軋件與軋輥之間無相對滑動。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)有一個臨界面，在這個面上金屬的流動速度分布均勻，且等于該處軋輥的水平速度。21第21頁，共134頁。變形不均勻性與變形區(qū)形狀系數(shù)的關(guān)系變形區(qū)形狀參數(shù)：0.51.0時 ：軋件高度相對于接觸弧長不太大時，壓縮變形完全深入到軋件內(nèi)部，中心

7、層變形比表面層變形大0.51.0時 ：軋件高度相對于接觸弧長比較大，外端對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。0.51.0時金屬流動速度與應(yīng)力分布22第22頁，共134頁。沿軋件寬度方向上的流動規(guī)律縱向受摩擦阻力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)：金屬橫向流動增加寬展前后延伸區(qū)： 金屬縱向流動增加延伸。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23第23頁，共134頁。2、 咬入條件和軋制過程的建立知識點：咬入條件穩(wěn)定軋制條件改善咬入條件的途徑 24第24頁，共134頁。2.1 平輥軋制的咬入

8、條件 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軋輥的作用力：徑向壓力P摩擦力T0接觸瞬間軋輥對軋件的作用力：徑向反作用力N切線摩擦力T25第25頁，共134頁。接觸瞬間軋輥對軋件的作用力：徑向反作用力N： 水平分力Nx，垂直分力Ny切線摩擦力T: 水平分力Tx，垂直分力Ty上軋輥對軋件作用力分解作用力的功能：垂直分力Ny和垂直分力Ty對軋件起壓縮作用，使軋件產(chǎn)生塑性變形水平分力Nx阻止軋件進入軋輥輥縫。水平分力Tx與軋件運動方向一致，力圖將軋件咬入軋輥輥縫26第26頁，共134頁。上軋輥對軋件作用力分解三種情況：Tx Nx不能實現(xiàn)自然咬入平衡狀態(tài)可以實現(xiàn)自然

9、咬入27第27頁，共134頁。上軋輥對軋件作用力分解力的關(guān)系分析：Tx Nx 時摩擦角大于咬入角時才能自然咬入合力F的水平分力Fx與軋制方向相同自然咬入令28第28頁，共134頁。上軋輥對軋件作用力分解力的關(guān)系分析：Tx = Nx 時咬入力和咬入阻力處于平衡狀態(tài)軋輥對軋件作用力的合力F是垂直方向，無水平分力極限咬入條件29第29頁，共134頁。上軋輥對軋件作用力分解力的關(guān)系分析：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74第74頁，共134頁。（4）受孔型形狀的影響限制寬展或強制寬展切入孔： 凸形孔型中孔型側(cè)壁給予軋件的力： 正壓力P

10、 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：PxTx75第75頁，共134頁。3.4 平輥軋制時寬展的計算 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)：兩個寬展區(qū)，前滑區(qū)，后滑區(qū)76第76頁，共134頁。ABC區(qū)內(nèi)： 由體積不變定律，高度方向的體積減少全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向移動變?yōu)閷捳?距離出口斷面為(xdx)的ac斷面移動dx距離后到達bd位置，在寬展區(qū)域內(nèi)壓下的體積都橫向移動形成寬展 高向減小的體積 橫向增加的體積77第77頁，共134頁。當(dāng)h/Hv在后滑區(qū)： 軋件速度低于軋輥線速度的水平分量，

11、并在入口處的速度vH最小 vHvcos在中性面： 軋件和軋輥的水平分速度相等。 v=vcosvHv vh86第86頁，共134頁。單位時間內(nèi)通過變形區(qū)內(nèi)任意橫斷面上的金屬體積為常數(shù) 任意橫斷面上的速度和出口斷面速度的關(guān)系為： 中性面上的速度和出口斷面速度的關(guān)系為： 忽略寬展，則 忽略寬展，則87第87頁，共134頁。4.2 前滑值的計算方法依據(jù)：變形區(qū)各橫斷面秒流量體積不變。變形區(qū)出口斷面金屬的秒流量應(yīng)等于中性面處金屬的秒流量。88第88頁，共134頁。推導(dǎo)過程：前滑值：89第89頁，共134頁。前滑值：影響前滑值的工藝參數(shù)為軋輥直徑，軋件厚度，中性角曲線1：前滑與軋件厚度呈雙曲線的關(guān)系；曲線

12、2：前滑與輥徑呈直線關(guān)系；曲線3：前滑與中性角呈拋物的關(guān)系。90第90頁，共134頁。前滑值：當(dāng)中性角很小時，愛克隆得前滑公式：在一般生產(chǎn)條件下，前滑值在210之間。91第91頁，共134頁。4.3 平輥軋制時中性角的確定中性角：中性面所對應(yīng)的角為中性角，在此面上軋件運動速度與軋輥線速度的水平分速度相等。在前滑區(qū)金屬力圖相對軋輥表面向前滑動；在后滑區(qū)金屬力圖相對軋輥表面向后滑動，因此，前、后滑區(qū)摩擦力的方向相反，都指向中性面。92第92頁，共134頁。作用在軋件單位寬度上得所有力在水平方向分力之和為零。即假設(shè)單位壓力沿接觸弧均勻分布，則有積分后得到中性角公式：93第93頁，共134頁。前后張力

13、相等或無前后張力時，則角很小時中性角簡化公式：94第94頁，共134頁。對公式 微分，微分為零時，得到中性角極大值：即當(dāng)咬入角等于摩擦角時，中性角有極大值。中性角最大值為：95第95頁，共134頁。96第96頁，共134頁。4.4 影響前滑的主要因素97第97頁，共134頁。剩余摩擦力的概念 軋件從開始咬入到軋制建成的過程中，有利于軋件咬入的水平分力Tx不斷增加，而阻礙軋件咬入的水平分力Nx不斷減小，Tx-Nx的差值愈來愈大，也就是咬入過程所要求的靠摩擦作用的曳入力愈來愈富余。剩余摩擦力Ts當(dāng)、很小時，tg，cos1，sin98第98頁，共134頁。1） 軋輥直徑的影響 前滑值隨軋輥直徑增加而

14、增加 原因： 軋輥輥徑增加，咬入角減小，摩擦角保持不變。穩(wěn)定軋制階段的剩余摩擦力增加，使得金屬塑性流動的速度增加。99第99頁，共134頁。2）摩擦系數(shù)的影響 摩擦系數(shù)增加，摩擦角增加，剩余摩擦力增加，前滑增加。100第100頁，共134頁。3）壓下率的影響 壓縮變形量大，參與變形的金屬增加，縱向橫向變形都增加。101第101頁，共134頁。4） 軋件厚度的影響 軋后軋件厚度減小，前滑增加102第102頁，共134頁。5） 軋件寬度對前滑的影響6） 張力的影響 張力使得前滑顯著增加103第103頁，共134頁。5 軋制過程中的摩擦5.1 基本概念摩擦： 金屬塑性成形時，在金屬和成形工具的接觸面

15、之間產(chǎn)生阻礙金屬流動或滑動的界面阻力。作用：加工載荷；咬入能力；工件變形形狀、尺寸精度、表面質(zhì)量和工具磨損；工件內(nèi)部的組織、性能分布。 104第104頁，共134頁。5.2 軋制時摩擦機理微觀考察工件工具界面 1-硬相；2、6-基體；3-吸附膜；4-反應(yīng)膜；5-表面層摩擦機理:工具和工件的微觀表面凸凹不平 （1）軋件軋輥的表面并非絕對光滑，而是有許多小的峰谷；（2）由于變形熱或熱加工使接觸表面溫度上升，會使局部熔化和焊接；（3）很少有純的金屬界面，一般它們?yōu)榉磻?yīng)層所覆蓋；（4）許多情況下，有潤滑劑存在。 105第105頁，共134頁。5.3 金屬塑性成形時摩擦的特點塑性加工過程中影響摩擦的因素

16、 -變形熱； -接觸表面上原子的相互作用； -潤滑時，潤滑劑的粘度、膜厚及其化學(xué)性質(zhì)的作用； -塑性加工條件：變形壓力、溫度、速度、材質(zhì)、表面狀態(tài)。106第106頁，共134頁。摩擦的特點 1）是在高壓力下產(chǎn)生的摩擦。 金屬所受的單位壓力，熱變形時100150MPa，冷變形時5002500MPa，接觸面上承受的單位壓力愈高，潤滑就愈困難。 2）塑性成形時，摩擦情況是不斷變化的。接觸面上金屬各點的位移情況也不同，有滑動的，有粘著的。 由于金屬的變形而不斷產(chǎn)生新的接觸表面，工具在加工過程中不斷受到磨損3）很多塑性成形是在高溫下進行的，金屬的組織和性能不斷發(fā)生變化，表面狀態(tài)也在變化 。 鋼的熱軋：

17、開軋1200 至終軋900，奧氏體發(fā)生再結(jié)晶、晶粒長大軋制變形區(qū)I-易變形區(qū)；II-難變形區(qū)；III-自由變形區(qū)107第107頁，共134頁。摩擦對金屬成形時的影響：1)改變金屬所處的應(yīng)力狀態(tài)，使變形力增加，能耗增多。 熱軋薄板時可使載荷增加20甚至倍以上。2)引起工件變形不均勻。 金屬塑性成形時，因接觸表面摩擦的作用而使金屬質(zhì)點流動受到阻礙，使工件各部分變形的發(fā)生，發(fā)展極不均勻。3)金屬的粘結(jié)。 表層金屬質(zhì)點或氧化物從變形工件上轉(zhuǎn)移到軋輥表面，產(chǎn)生軋輥表面粘結(jié)金屬的現(xiàn)象4)軋輥磨損。 板帶軋制時，常使輥形和輥面受到破壞，而影響板形和板表面質(zhì)量。型鋼軋制時，常使孔型局部磨損而影響型材形狀尺寸精

18、度。108第108頁，共134頁。5.4 接觸摩擦理論 四種摩擦狀態(tài)：干摩擦 在軋輥與軋件兩潔凈的表面之間，不存在其他物質(zhì)。 這種摩擦方式在軋制過程中不可能出現(xiàn)，但在真空條件下，表面進行適當(dāng)處理后，在實驗室條件下，一定程度上可以再現(xiàn)這種干摩擦過程。邊界摩擦 在接觸表面內(nèi)，存在一層厚度為百分之一微米數(shù)量級的薄油膜。 其特性是可以承受高的載荷，同時對各層間剪切抵抗不大。在邊界潤滑條件下，摩擦系數(shù)很小，就是因為各層之間剪切抗力很小。109第109頁，共134頁。液體摩擦 在軋件與軋輥之間存在較厚的潤滑層（油膜），接觸表面不再直接接觸。 例如在高速冷軋潤滑情況下，屬此類潤滑?；旌夏Σ粒ò敫赡Σ梁桶胍后w

19、摩擦）。 半干摩擦是干摩擦與邊界摩擦的混合，部分區(qū)域存在粘性介質(zhì)薄膜，這是在潤滑表面之間，潤滑劑很少的情況下出現(xiàn)的。 半液體摩擦為液體摩擦與干摩擦或者與邊界摩擦的混合。在這種情況下，接觸物體之間有一個潤滑層，但沒有把接觸表面之間完全分隔開來。在進行滑動時，在個別點上由于表面凹凸不平處相嚙合，即出現(xiàn)了邊界摩擦區(qū)或干摩擦區(qū)。在工藝潤滑的冷軋變形區(qū)中常出現(xiàn)110第110頁，共134頁。5.5 接觸剪應(yīng)力沿變形接觸區(qū)的分布摩擦規(guī)律 采利科夫根據(jù) 之值的大小，將軋制摩擦分為4種：（1）當(dāng) 時： 1）靠近出口、入口處為滑動區(qū)，該區(qū)服從干摩擦定律；2）當(dāng)單位摩擦力因為單位壓力p的升高而達到k/2，即出現(xiàn)了黏

20、著區(qū)。3）在黏著區(qū)中部中性點附近，出現(xiàn)塑性變形停滯區(qū)，該區(qū)域內(nèi)沒有塑性變形發(fā)生，摩擦力近似按直線規(guī)律變化。111第111頁，共134頁。（2）當(dāng) 時 ：1）靠近出口、入口處為滑動區(qū)，該區(qū)服從干摩擦定律；2）由于接觸弧長度不足以使得單位摩擦力達到k/2，因此單位摩擦力常數(shù)區(qū)域消失，塑性變形停滯區(qū)就開始發(fā)生。塑性變形停滯區(qū)內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)沒有塑性變形發(fā)生，摩擦力近似按直線規(guī)律變化。摩擦力沿接觸弧呈三角形.112第112頁，共134頁。（3）當(dāng) 時： 黏著發(fā)生在整個變形區(qū)，金屬沿接觸弧滑動的趨勢非常小，摩擦力可用近似停滯區(qū)的三角形分布表示.113第113頁，共134頁。（4）當(dāng) 時： 金屬沿接觸弧滑動的

21、趨勢更小,摩擦力可用近似停滯區(qū)的三角形分布表示.114第114頁，共134頁。在實際軋制過程中，變形區(qū)內(nèi)各點的摩擦力方向 a)軋輥接觸區(qū)投影 ; b)中性面上的摩擦力分布變形區(qū)內(nèi)摩擦力的分布 115第115頁，共134頁。5.6 確定軋制時摩擦系數(shù)的方法決定摩擦系數(shù)的因素：表面接觸狀態(tài)和接觸條件 ；潤滑本身的特征 。三種類型的摩擦系數(shù)：咬入時的摩擦系數(shù)軋輥沿整個接觸表面打滑時的摩擦系數(shù)穩(wěn)態(tài)軋制時的摩擦系數(shù)。 116第116頁，共134頁。1)熱軋時的摩擦系數(shù)的確定咬入時的摩擦系數(shù)： 通過用實驗方法測定極限咬入角來確定的。 117第117頁，共134頁。艾克隆德研究了熱軋低碳鋼（0.15%C）咬

22、入時的摩擦系數(shù)： e=k(1.05-0.0005t) （不低于）對于冷硬光滑表面鑄鐵輥k=0.8；對于鋼軋輥，k=1.0，t為軋件溫度。斯米爾諾夫式： 考慮因素：軋件溫度，軋輥表面粗糙度、軋件化學(xué)成分以及軋輥速度 。 e =0.7935-0.000356t+0.012(Ra)1.5k1k2 Ra軋輥的算術(shù)平均表面粗糙度，m。k1=1-(0.348+0.00017t)C C鋼中碳含量百分?jǐn)?shù)。k2取決于軋輥速度， 118第118頁，共134頁。 對于各種軋輥表面狀態(tài)時的最大咬入角和咬入時的摩擦系數(shù)，烏薩托斯基給出了實驗結(jié)果。最大咬入角和咬入摩擦系數(shù)隨軋輥表面粗糙度的增加而增加。 119第119頁，

23、共134頁。穩(wěn)態(tài)軋制時的摩擦系數(shù)(1)軋件溫度：對一定化學(xué)成分的鋼軋件的摩擦系數(shù)在某溫度下達到最大值后再下降。對于低碳鋼：軋制溫度在以上=0.55-0.00024t120第120頁，共134頁。在無潤滑情況下熱軋低碳鋼時的摩擦系數(shù)121第121頁，共134頁。(2)軋件化學(xué)成分 熱軋時軋件化學(xué)成分對摩擦系數(shù)的影響通常取決于氧化鐵皮形成機制。實驗表明軋制碳鋼的摩擦系數(shù)隨鋼中碳含量的增加而下降122第122頁，共134頁。(3)軋輥表面粗糙度 穩(wěn)態(tài)軋制時，摩擦系數(shù)隨軋輥表面粗糙度的增加而顯著上升， 123第123頁，共134頁。摩擦系數(shù)與軋輥表面粗糙度的關(guān)系1、2、3-用蓖麻油潤滑，分別為10%、

24、25%、40%；4-用乳化液潤滑，25% 124第124頁，共134頁。(4)軋制速度 軋制速度增加使穩(wěn)態(tài)軋制時的摩擦系數(shù)減小。鋼軋輥：=1.05-0.0005t-0.056V鑄鐵輥：=0.92-0.0005t-0.056V磨光鋼軋輥和冷硬鑄鐵輥： =0.82-0.0005t-0.56V 125第125頁，共134頁。(5)工藝潤滑 穩(wěn)態(tài)軋制時的摩擦系數(shù)隨潤滑油濃度的增加而減小。當(dāng)潤滑油的濃度達到一定值時，再增加濃度，對降低摩擦系數(shù)的作用不明顯。圖2-31 熱軋時使用工藝潤滑劑時的摩擦系數(shù)a-乳化液；b-水油混合物126第126頁，共134頁。咬入時：5.6 冷軋時的摩擦系數(shù)碳含量0.080.25%，錳含量0.270.65%范圍內(nèi)，化學(xué)成分對咬入摩擦系數(shù)無影響 （2）潤滑條件的影響 （1）軋件材質(zhì)的影響 127第127頁，共134頁。(3) 軋制速度的影響 隨軋制速度的增加，咬入摩擦系數(shù)下降。 實驗軋制3.9mm厚0.3%C碳鋼試樣，蓖麻油潤滑,軋輥表面粗糙度為0.20.4m： 軋制速度在0-0.15m/s，咬入摩擦系數(shù)下降很快； 軋制速度0.15m/s時，咬入摩擦系數(shù)隨軋制速度的增加緩慢下降。（4）軋輥材質(zhì)和表面粗糙度的影響 128第128頁，共134頁。穩(wěn)定軋制時：當(dāng)軋件溫度增加時摩擦系數(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