1、赵鸿金金 教授教授材料科学与工程学院材料科学与工程学院2012年年9月月金属塑性加工学金属塑性加工学-轧制理论与工艺轧制理论与工艺目录目录n绪论n第一篇第一篇 轧制理制理论n第二篇第二篇 轧制工制工艺基基础n第三篇第三篇 型材和棒型材和棒线材生材生产 n第四篇第四篇 板、板、带材生材生产n第五篇第五篇 管材生管材生产工工艺和理和理论 2江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院第一第一 篇篇 轧制理论轧制理论n1 轧轧制制过过程基本概念程基本概念n2 实现轧制制过程的条件程的条件n3 轧轧制制过过程中的横程中的横变变形形宽宽展展n4 轧制制过程中的程中的纵变形形前滑和后滑前滑
2、和后滑n5 轧制制压力及力矩的力及力矩的计算算n6 不不对称称轧制理制理论3江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1 轧制过程基本概念轧制过程基本概念n1.0 基本概念基本概念n1.1 变形区主要参数形区主要参数n1.2 金属在金属在变形区内的流形区内的流动规律律4江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.0 基本概念基本概念n轧制制过程程：靠旋：靠旋转的的轧辊与与轧件之件之间形成的摩擦力形成的摩擦力将将轧件拖件拖进辊缝之之间，并使之受到，并使之受到压缩产生塑性生塑性变形的形的过程。程。n轧制制过程的作用：程的作用：u外部：使外部：使轧件件获得一定的
3、形状和尺寸；得一定的形状和尺寸；u内部：使内部：使组织和性能得到一定程度的改善。和性能得到一定程度的改善。n为了了解和控制了了解和控制轧制制过程，程，须对轧制制过程形成的程形成的变形区形区及及变形区内的形区内的金属流金属流动规律律有一概括了解。有一概括了解。5江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1 变形区主要参数变形区主要参数n1.1.0 简单轧制制过程程n1.1.1 轧制制变形区及其主要参数形区及其主要参数n1.1.2 轧制制变形的表示方法形的表示方法6江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.0 简单轧制过程简单轧制过程n简单轧制制过程
4、程：是指：是指：u1)上下上下轧辊直径相等，直径相等，转速相同，且均速相同，且均为主主动辊；u2)轧制制过程程对两个两个轧辊完全完全对称；称；u3)轧辊为刚性；性；u4)轧件除受件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用；作用外，不受其他任何外力作用；u5)轧件在入件在入辊处和出和出辊处速度均匀；速度均匀；u6)轧件的机械性件的机械性质均匀均匀n的的轧制制过程。程。n研究研究简单轧制制过程可以搞清楚程可以搞清楚轧制制过程的共性程的共性问题。n由于生由于生产实践中所使用的践中所使用的轧机机结构形式多构形式多样，理想，理想的的简单轧制制过程很程很难找到。找到。7江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大
5、学材料科学与工程学院1.1.1 轧制变形区及其主要参数轧制变形区及其主要参数n轧制制变形区形区：轧件承受件承受轧辊作用而作用而发生生变形的部分，形的部分，即即实际变形区。形区。n几何几何变形区形区：从：从轧件入件入辊的垂直平面到的垂直平面到轧件出件出辊的的垂直平面所垂直平面所围成的区域。成的区域。n轧制制变形区的主要参数：形区的主要参数：u咬入角咬入角u接触弧接触弧长度度8江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.1 咬入角咬入角()n咬入角咬入角：轧件与件与轧辊相接触的相接触的圆弧所弧所对应的的圆心角。心角。n压下量与下量与轧辊直径及咬入角之直径及咬入角之间存在
6、如下的关系：存在如下的关系：9江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.1 咬入角咬入角()nh，D和和三者关系三者关系计算算图：n已知已知h，D和和三个参数中的任意两个，便可用三个参数中的任意两个，便可用计算算图很快地求出第三个参数。很快地求出第三个参数。10江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.1 咬入角咬入角()n变形区内任一断面高度形区内任一断面高度hx求法：求法：11江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)n接触弧接触弧长度度：轧件与件与轧辊相接触的相接触的圆
7、弧的水平投影弧的水平投影长度，也叫度，也叫咬入弧咬入弧长度度、变形区形区长度度。n接触弧接触弧长度随度随轧制条件不同而异：制条件不同而异：u两两轧辊直径相等直径相等时；u两两轧辊直径不等直径不等时；u轧辊和和轧件件产生生弹性性压缩时。12江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(1)两两轧辊直径相等直径相等时的接触弧的接触弧长度度n所求的接触弧所求的接触弧长度度实际上是上是该弧弦的弧弦的长度。度。13江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(2)两两轧辊直径不相等直径不相
8、等时接触弧接触弧长度度n设两个两个轧辊的接触孤的接触孤长度相等，度相等，则：14江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和和轧件件产生生弹性性压缩时接触弧的接触弧的长度度n轧辊的的弹性性压扁扁u轧辊的的弹性性压缩变形称形称为轧辊的的弹性性压扁扁。u由于由于轧件与件与轧辊间的的压力作用，力作用，轧辊会会产生局部生局部弹性性压缩变形。此形。此变形可能很大，尤其在冷形可能很大，尤其在冷轧薄板薄板时更更为显著。著。u轧辊弹性性压扁的扁的结果使接触弧果使接触弧长度增加。度增加。n轧件的件的弹性性压扁扁u轧件在件在轧辊间产生塑性生塑性
9、变形形时，也伴随，也伴随产生生弹性性压缩变形，形，称称为轧件的件的弹性性压扁扁。u此此变形在形在轧件出件出辊后即开始恢复，后即开始恢复，这也会增大接触弧也会增大接触弧长度。度。n在在热轧薄板和冷薄板和冷轧板板过程中，必程中，必须考考虑轧辊和和轧件的件的弹性性压缩变形形对接触弧接触弧长度的影响。度的影响。15江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和和轧件件产生生弹性性压缩时接触弧的接触弧的长度度n设轧辊与与轧件的件的弹性性压缩量分量分别为1和和2，为使使轧件件获得得h的的压下量，下量，必必须把每个把每个轧辊再再压下下1+2
10、此，此时轧件与件与轧辊的接触的接触线为A2B2C曲曲线。16江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和和轧件件产生生弹性性压缩时接触弧的接触弧的长度度n此此时接触弧接触弧长度度为：17江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和和轧件件产生生弹性性压缩时接触弧的接触弧的长度度n金属的金属的弹性性压缩变形很小形很小时，2可忽略不可忽略不计，则得得西西齐柯克公式：柯克公式：18江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2 轧制变形
11、的表示方法轧制变形的表示方法n1.1.2.1 用用绝对变形量表示形量表示n1.1.2.2 用相用相对变形量表示形量表示n1.1.2.3 用用变形系数表示形系数表示n1.1.2.4 用真用真应变表示表示19江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2.1 用绝对变形量表示用绝对变形量表示n绝对变形量形量：用：用轧制前、后制前、后轧件件绝对尺寸之差表示尺寸之差表示的的变形量。形量。n绝对压下量下量：为轧制前后制前后轧件厚度件厚度H、h之差，即：之差，即：n绝对宽展量展量：为轧制前后制前后轧件件宽度度B、b之差，即：之差，即：n绝对延伸量延伸量：为轧制前后制前后轧件件长度度
12、L、l之差，即：之差，即：n绝对变形不能正确地表达形不能正确地表达变形量的大小，但由于形量的大小，但由于习惯而常被使用，特而常被使用，特别是是压下量与下量与宽展量。展量。20江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2.2 用相对变形量表示用相对变形量表示n相相对变形量形量：用：用轧制前、后制前、后轧件尺寸的相件尺寸的相对变化表化表示的示的变形量。形量。n相相对压下量下量(压下率下率)：n相相对宽展量展量(宽展率展率)：n相相对延伸量延伸量(延伸率延伸率)：n相相对变形只能近似地反映形只能近似地反映变形的大小，不能反映形的大小，不能反映变形的形的过程程积累。累。21江
13、西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2.3 用变形系数表示用变形系数表示n变形系数形系数：用：用轧制前、后制前、后轧件尺寸的比件尺寸的比值表示的表示的变形形程度。程度。n压下系数下系数：n宽展系数展系数：n延伸系数延伸系数：n变形系数能形系数能够简单而正确地反映而正确地反映变形的大小，因此在形的大小，因此在轧制制变形方面得到了极形方面得到了极为广泛的广泛的应用。用。n根据体根据体积不不变原理，三者之原理，三者之间存在如下关系：存在如下关系：22江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2.3 用变形系数表示用变形系数表示n实际上型材上型材
14、轧制制时宽展系数常用如下展系数常用如下习惯表示：表示：23江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.1.2.4 用真应变表示用真应变表示n真真应变：用：用轧制后、前制后、前轧件尺寸之比的自然件尺寸之比的自然对数表数表示的示的变形量。形量。n相相对压下量下量(压下率下率)：n相相对宽展量展量(宽展率展率)：n相相对延伸量延伸量(延伸率延伸率)：n导自移自移动体体积的概念，能的概念，能够正确地反映正确地反映变形的大小。形的大小。24江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2 金属在变形区内的流动规律金属在变形区内的流动规律n1.2.1 沿沿轧件断面高向
15、上件断面高向上变形的分布形的分布n1.2.2 沿沿轧件件宽度方向上的流度方向上的流动规律律25江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n关于关于轧制制时变形的分布有两种不同理形的分布有两种不同理论：u均匀均匀变形理形理论u不均匀不均匀变形理形理论。n后者比后者比较客客观地反映了地反映了轧制制时金属金属变形形规律。律。n均匀均匀变形理形理论：u该理理论认为，沿，沿轧件断面高度方向上的件断面高度方向上的变形、形、应力和金力和金属流属流动的分布都是均匀的。的分布都是均匀的。u造成造成这种均匀性的主要原因是由于未种均匀
16、性的主要原因是由于未发生塑性生塑性变形的前形的前后外端的后外端的强制作用，因此又把制作用，因此又把这种理种理论称称为刚端理端理论。26江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n不均匀不均匀变形理形理论：该理理论认为，沿，沿轧件断面高度方件断面高度方向上的向上的变形、形、应力和金属流力和金属流动分布都是不均匀的。分布都是不均匀的。n其主要内容其主要内容为：u(1)沿沿轧件断面高度方向上的件断面高度方向上的变形、形、应力和流力和流动速度分布速度分布都不均匀；都不均匀；u(2)几何几何变形区内，形区内，在在轧件与件与
17、轧辊接接触表面上，不但触表面上，不但有相有相对滑滑动，而，而且且还有粘着，所有粘着，所谓粘着系指粘着系指轧件件与与轧辊间无相无相对滑滑动；27江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布u(3)变形不但形不但发生在几何生在几何变形区内，而且也形区内，而且也产生在几何生在几何变形区以外，且形区以外，且变形分布都不均匀。形分布都不均匀。l轧制制变形区可分成形区可分成变形形过渡区渡区、前滑区前滑区、后滑区后滑区和和粘粘着区着区。u(4)在粘着区内有一个在粘着区内有一个临界面，在界面，在这个面上金属的流个面上金属的流动速速
18、度分布均匀，并且等于度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度。的水平速度。28江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n大量大量实验证明，不均匀明，不均匀变形理形理论比比较正确，其中以正确，其中以.(塔塔尔诺夫斯基夫斯基)实验最具代表。最具代表。n.研究了沿研究了沿轧件件对称称轴纵断面上的断面上的坐坐标网格的网格的变化，化，证明了沿明了沿轧件断面高度方向上的件断面高度方向上的变形分布是不均匀的。形分布是不均匀的。29江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布
19、沿轧件断面高向上变形的分布n由由图可可见：n1)在接触弧开始在接触弧开始处靠近接触靠近接触表面的表面的变形比形比轧件中心件中心层大，大，且表面且表面层金属流金属流动速度比中速度比中心心层快。快。n2)曲曲线1与与2的交点是的交点是临界面界面的位置，在的位置，在这个面上金属个面上金属变形和流形和流动速度是均匀的。速度是均匀的。n3)在在临界面的右界面的右边，即出，即出辊方向，出方向，出现了相反了相反现象。象。轧件中心件中心层的的变形比表面形比表面层大，大，中心中心层金属流金属流动速度比表面速度比表面层快。快。30江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高
20、向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n4)在接触弧的中在接触弧的中间部分，部分，曲曲线上有一段很上有一段很长的平行的平行于横坐于横坐标轴的的线段，段，说明明在在轧件与件与轧辊相接触的表相接触的表面上存在着粘着区。面上存在着粘着区。n5)在入在入辊前和出前和出辊后后轧件件表面表面层和中心和中心层都都发生有生有变形，形，说明在外端和几何明在外端和几何变形区之形区之间有有变形形过渡区，渡区，在在这个区域内个区域内变形和流形和流动速度也是不均匀的。速度也是不均匀的。31江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n.根
21、据根据实验研究把研究把轧制制变形区形区绘成成下下图，用以描述，用以描述轧制制时整个整个变形的情况。形的情况。32江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n实验研究研究还表明，沿表明，沿轧件断面高度方向上的件断面高度方向上的变形不形不均匀分布与均匀分布与变形区形状系数形区形状系数(l/h)有很大关系。有很大关系。n1)当当l/h 0.51.0时，即，即轧件断面高度相件断面高度相对于接触弧于接触弧长度不太大度不太大时，压缩变形完全深入到形完全深入到轧件内部，形件内部，形成中心成中心层变形比表面形比表面层变形大的形大
22、的现象；象；33江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院1.2.1 沿轧件断面高向上变形的分布沿轧件断面高向上变形的分布n2)当当l/h Nsinuftgu因因f=tan，为摩擦角摩擦角u故故46江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.1 咬入条件咬入条件n咬入力咬入力Tx与咬入阻力与咬入阻力Nx之之间的关系有以下的关系有以下3种情况：种情况：uTx。uTxNx，可以，可以实现自然咬入，此自然咬入，此时Nx，Tx=Tcos=Nfycos，Nx=Nsinn此即此即稳定定轧制条件制条件49江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.2
23、 稳定轧制条件稳定轧制条件n一般达到一般达到稳定定轧制制阶段段时，=y/2，即，即Kx2，故可，故可近似写成近似写成yy/2或或2yy。n即：若由咬入即：若由咬入阶段段过渡到渡到稳定定轧制制阶段的摩擦系数段的摩擦系数不不变且其他条件均相同且其他条件均相同时，稳定定轧制制阶段的允段的允许的的咬入角比咬入咬入角比咬入阶段的咬入角可大段的咬入角可大Kx倍或近似大倍或近似大2倍。倍。n可得：可得：极限极限稳定定轧制条件制条件：50江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.3 咬入阶段与稳定轧制阶段咬入条件的比较咬入阶段与稳定轧制阶段咬入条件的比较n2.3.1 合力作用点位置或系数
24、合力作用点位置或系数Kx的影响的影响n2.3.2 摩擦系数摩擦系数变化的影响化的影响51江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.3 咬入阶段与稳定轧制阶段咬入条件的比较咬入阶段与稳定轧制阶段咬入条件的比较n为比比较从咬入从咬入阶段向段向稳定定轧制制阶段段过渡渡时咬入条件咬入条件的的变化，化，现比比较其极限条件。其极限条件。n极限咬入条件：极限咬入条件：=n极限极限稳定定轧制条件：制条件：y=Kxyn其比其比值：n可可见，其差异取决于，其差异取决于Kx与与y/两个因素，即合力作两个因素，即合力作用点位置与摩擦系数的用点位置与摩擦系数的变化。化。52江西理工大学材料科学与工
25、程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.3.1 合力作用点位置或系数合力作用点位置或系数Kx的影响的影响n其他条件不其他条件不变时，Kx愈高，愈高，则y愈高，即在愈高，即在稳定定轧制制阶段允段允许实现较大的咬入角。大的咬入角。n在填充在填充辊缝阶段，随段，随轧件前端在件前端在辊缝中前中前进，轧件件与与轧辊的接触面的接触面积增大，合力作用点向出口方向移增大，合力作用点向出口方向移动，由于合力作用点一定在咬入弧上，所以，由于合力作用点一定在咬入弧上，所以Kx恒大恒大于于1。n在在轧制制过程中，程中，产生的生的宽展愈大，展愈大，则变形区的形区的宽度度向出口逐向出口逐渐扩张，合力作用点愈向出口移，合力
26、作用点愈向出口移动，即，即角愈小，角愈小，则Kx值就愈高。就愈高。53江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.3.2 摩擦系数变化的影响摩擦系数变化的影响n冷冷轧及及热轧时摩擦系数摩擦系数变化不同化不同u冷冷轧时，由于温度和氧化，由于温度和氧化铁皮的影响甚小，可近似地取皮的影响甚小，可近似地取y/1。u热轧时，y/1，即从咬入，即从咬入过渡到渡到稳定定轧制制阶段摩擦系段摩擦系数在降低。数在降低。n热轧时产生摩擦系数生摩擦系数变化的原因化的原因为：u(1)轧件端部温度件端部温度较其他部分低，使咬入其他部分低，使咬入时的摩擦系数大的摩擦系数大于于稳定定轧制制阶段的摩擦系数。
27、段的摩擦系数。u(2)咬入咬入时轧件与件与轧辊接触和冲接触和冲击，易使，易使轧件端部的氧化件端部的氧化铁皮脱落，所以摩擦系数皮脱落，所以摩擦系数较高。高。n影响摩擦系数降低最主要的因素是影响摩擦系数降低最主要的因素是轧件表面上的氧件表面上的氧化化铁皮。在皮。在实际生生产中，往往因此造成在自然咬入中，往往因此造成在自然咬入后后过渡到渡到稳定定轧制制阶段段发生打滑生打滑现象。象。54江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.3.2 摩擦系数变化的影响摩擦系数变化的影响n可可见，K值变化化较复复杂，随，随轧制条件不同而异。制条件不同而异。u冷冷轧时，可近似地，可近似地认为摩擦系
28、数无摩擦系数无变化。由于化。由于Kx值较高，所高，所以以K值也也较高，高，说明咬入条件与明咬入条件与稳定定轧制条件制条件间的差异的差异较大。大。一般是：一般是：u热轧时，由于温度和氧化，由于温度和氧化铁皮的影响，使摩擦系数皮的影响，使摩擦系数显著的降著的降低，所以低，所以K值较冷冷轧时为小，一般是：小，一般是：n以上以上说明明u稳定定轧制制阶段的最大允段的最大允许咬入角比开始咬入咬入角比开始咬入时的最大允的最大允许咬咬入角大；入角大；u相相应地，地，稳定定轧制制阶段的最大允段的最大允许的的压下量比咬入下量比咬入时的最大的最大允允许压下量大数倍。下量大数倍。n在生在生产实践中有的采用践中有的采用
29、带钢压下下”的技的技术措施，就措施，就是利用是利用稳定定轧制制阶段咬入角的潜力。段咬入角的潜力。55江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.4 改善咬入条件的途径改善咬入条件的途径n改善咬入条件是改善咬入条件是进行行顺利操作、增加利操作、增加压下量、提高下量、提高生生产率的有力措施，也是率的有力措施，也是轧制生制生产中中经常碰到的常碰到的实际问题。n根据咬入条件根据咬入条件，可以得出：凡是能提高，可以得出：凡是能提高角的一角的一切因素和降低切因素和降低角的一切因素都有利于咬入。角的一切因素都有利于咬入。56江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2
30、4.1 降低降低角的方法角的方法n由由 n可知，若降低可知，若降低角，必角，必须：n(1)增加增加轧辊直径直径Du当当h等于常数等于常数时，轧辊直径直径D增加，增加，可降低。可降低。n(2)减小减小压下量下量hu由由h=H-h可知，可通可知，可通过降低降低轧件开始高度件开始高度H或提高或提高轧后后的高度的高度h，来降低，来降低，以改善咬入条件。，以改善咬入条件。57江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院2.4.1 降低降低角的方法角的方法n在在实际生生产中常中常见的降低的降低的方法有：的方法有：n(1)钢锭小小头进钢n(2)强迫咬入迫咬入58江西理工大学材料科学与工程学
31、院江西理工大学材料科学与工程学院2.4.2 提高提高角的方法角的方法n(1)改改变轧件或件或轧辊的表面状的表面状态，以提高摩擦角，以提高摩擦角u清除炉生氧化清除炉生氧化铁皮。皮。n(2)合理地合理地调节轧制速度制速度u低速咬入，高速低速咬入，高速轧制。制。59江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院复习思考题复习思考题60江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3 轧制过程中的横变形轧制过程中的横变形宽展宽展n3.1 宽展及其分展及其分类n3.2 影响影响宽展的因素展的因素n3.3 宽展展计算公式算公式n3.4 在孔型中在孔型中轧制制时宽展特点及其展特点
32、及其简化化计算方法算方法62江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1 宽展及其分类宽展及其分类n3.1.1 宽展及其展及其实际意意义n3.1.2 宽展分展分类n3.1.3 宽展的展的组成成63江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.1 宽展及其实际意义宽展及其实际意义n宽展展：在：在轧制制过程中，程中，轧件沿横向移件沿横向移动的体的体积所引起所引起的的轧件件宽度的度的变化称化称为宽展。展。n习惯上用上用轧件在件在宽度方向度方向线尺寸的尺寸的变化即化即绝对宽展量展量表示。表示。n轧制中的制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的。展可能是希望的
33、也可能是不希望的。u当从窄的坯当从窄的坯轧成成宽成品成品时希望有希望有宽展，如用展，如用宽度度较小的小的钢坯坯轧成成宽度度较大的成品，大的成品，则必必须设法增大法增大宽展。展。u若是从大断面坯若是从大断面坯轧成小断面成品成小断面成品时，则不希望有不希望有宽展，因消展，因消耗于横耗于横变形的功是多余的，在形的功是多余的，在这种情况下，种情况下，应该力求以最小力求以最小的的宽展展轧制。制。u纵轧的目的是的目的是为了得到延伸，除特殊情况外，了得到延伸，除特殊情况外，应该尽量减小尽量减小宽展，降低展，降低轧制功能消耗，提高制功能消耗，提高轧机生机生产率。率。n不不论在哪种情况下，希望或不希望有在哪种
34、情况下，希望或不希望有宽展，都必展，都必须掌掌握握宽展展变化化规律以及正确律以及正确计算它，在孔型中算它，在孔型中轧制制则宽展展计算更算更为重要。重要。64江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.1 宽展及其实际意义宽展及其实际意义n正确估正确估计轧制中的制中的宽展是保展是保证断面断面质量的重要一量的重要一环。n计算算宽展展：用各种模型公式：用各种模型公式计算估算估计的的宽展。展。n实际宽展展：在：在实际轧制制过程中程中产生的真生的真实宽展。展。n欠充欠充满：计算算宽展大于展大于实际宽展，孔型充填不展，孔型充填不满，造成很大的造成很大的椭圆度。度。n过充充满：计算算
35、宽展小于展小于实际宽展，孔型充填展，孔型充填过满，形成耳子。形成耳子。n以上两种情况均造成以上两种情况均造成轧件件报废。65江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.2 宽展分类宽展分类n3.1.2.1 自由自由宽展展n3.1.2.2 限制限制宽展展n3.1.2.3 强迫迫宽展展66江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.2.1 自由宽展自由宽展n坯料在坯料在轧制制过程中，被程中，被压下的金属体下的金属体积其金属其金属质点点在横向移在横向移动时，具有沿垂直于，具有沿垂直于轧制方向朝两制方向朝两侧自由自由移移动的可能性，此的可能性，此时金属流
36、金属流动除受接触摩擦的影响除受接触摩擦的影响外，不受其他任何的阻碍和限制，如孔型外，不受其他任何的阻碍和限制，如孔型侧壁、立壁、立辊等，等，结果明确地表果明确地表现出出轧件件宽度上度上线尺寸的增加，尺寸的增加，这种情况称种情况称为自由自由宽展展。n自由自由宽展展发生于生于变形比形比较均匀的条件下，如平均匀的条件下，如平辊上上轧制矩形断面制矩形断面轧件，以及件，以及宽度有很大富裕的扁平孔度有很大富裕的扁平孔型内型内轧制。制。n自由自由宽展展轧制是最制是最简单的的轧制情况。制情况。67江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.2.2 限制宽展限制宽展n坯料在坯料在轧制制过
37、程中，金属程中，金属质点横向移点横向移动时，除受接，除受接触摩擦的影响外，触摩擦的影响外，还承受孔型承受孔型侧壁的限制作用，因壁的限制作用，因而破坏了自由流而破坏了自由流动条件，此条件，此时产生的生的宽展称展称为限制限制宽展展。n在孔型在孔型侧壁起作用的凹型孔型中壁起作用的凹型孔型中轧制制时即属于此即属于此类宽展。由于孔型展。由于孔型侧壁的限制作用，使横向移壁的限制作用，使横向移动体体积减小，故所形成的减小，故所形成的宽展小于自由展小于自由宽展。展。68江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.2.3 强迫宽展强迫宽展n坯料在坯料在轧制制过程中，金属程中，金属质点横向
38、移点横向移动时，不，不仅不不受任何阻碍，且受有受任何阻碍，且受有强烈的推烈的推动作用，使作用，使轧件件宽度度产生附加的增生附加的增长，此，此时产生的生的宽展称展称为强迫迫宽展展。n由于出由于出现有利于金属有利于金属质点横向流点横向流动的条件，所以的条件，所以强迫迫宽展大于自由展大于自由宽展。展。n凸型孔型中凸型孔型中轧制及有制及有强烈局部烈局部压缩的的轧制条件是制条件是强迫迫宽展的典型例子。展的典型例子。69江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3 宽展的组成宽展的组成n3.1.3.1 宽展沿展沿轧件横断面高度上的分布件横断面高度上的分布n3.1.3.2 宽展沿展
39、沿轧件件宽度上的分布度上的分布70江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3.1 宽展沿轧件横断面高度上的分布宽展沿轧件横断面高度上的分布n由于由于轧辊与与轧件的接触表面上存在着摩擦，以及件的接触表面上存在着摩擦，以及变形区几何形状和尺寸的不同，因此沿按触表面上金形区几何形状和尺寸的不同，因此沿按触表面上金属属质点的流点的流动轨迹与接触面附近的区域和迹与接触面附近的区域和远离的区离的区域是不同的。域是不同的。n因此因此宽展可由以下几个部分展可由以下几个部分组成：成：u滑滑动宽展展u翻平翻平宽展展u鼓形鼓形宽展展71江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与
40、工程学院3.1.3.1 宽展沿轧件横断面高度上的分布宽展沿轧件横断面高度上的分布n滑滑动宽展展：变形金属在与形金属在与轧辊的接触面的接触面产生相生相对滑滑动所增加的所增加的宽展量。展量。n翻平翻平宽展展：由于接触摩擦阻力的作用，使：由于接触摩擦阻力的作用，使轧件件侧面面的金属，在的金属，在变形形过程中翻程中翻转到接触表面上，使到接触表面上，使轧件件增加的增加的宽展量。展量。n鼓形鼓形宽展展：轧件件侧面面变成鼓形而造成的展成鼓形而造成的展宽量。量。n轧件件总展展宽量量72江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3.1 宽展沿轧件横断面高度上的分布宽展沿轧件横断面高度上
41、的分布n通常通常理理论宽展展及及计算算宽展展是指将是指将轧制后制后轧件的横断件的横断面化面化为同厚度的矩形之后，其同厚度的矩形之后，其宽度与度与轧制前制前轧坯坯宽度之差，即：度之差，即：n轧后后宽度度Bh，是一个，是一个为便于工程便于工程计算而采用的理想算而采用的理想值。73江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3.1 宽展沿轧件横断面高度上的分布宽展沿轧件横断面高度上的分布n宽展的各展的各组成部分的数成部分的数值，随摩擦系数和，随摩擦系数和变形区几形区几何参数的何参数的变化而不同。它化而不同。它们有一定的有一定的变化化规律，但律，但至今定量的至今定量的规律尚未掌
42、握。律尚未掌握。n根据根据实验和初步的理和初步的理论分析，它分析，它们之之间有一些定性有一些定性关系。关系。u摩擦系数摩擦系数f值越大，不均匀越大，不均匀变形就越形就越严重，翻平重，翻平宽展和鼓展和鼓形形宽展的展的值就越大，滑就越大，滑动宽展越小。展越小。u各种各种宽展与展与变形区几何参数之形区几何参数之间有如有如图所示的关系，当所示的关系，当 宽厚比越小厚比越小时，则滑滑动宽展越小，而翻平和鼓形展越小，而翻平和鼓形宽展占展占主主导地位。地位。这是因是因为宽厚比越小，粘着区越大。厚比越小，粘着区越大。74江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3.2 宽展沿轧件宽度
43、上的分布宽展沿轧件宽度上的分布n关于关于宽展沿展沿轧件件宽度分布的理度分布的理论，基本上有两种假，基本上有两种假说：n均匀分布假均匀分布假说：宽展沿展沿轧件件宽度均匀分布。度均匀分布。这种假种假说主要以均匀主要以均匀变形和外区作用作形和外区作用作为理理论的基的基础。n不均匀分布假不均匀分布假说：变形区可分形区可分为四个区域，即在两四个区域，即在两边的区域的区域为宽展区，中展区，中间分分为前后两个延伸区。前后两个延伸区。75江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.1.3.2 宽展沿轧件宽度上的分布宽展沿轧件宽度上的分布n宽展沿展沿宽度均匀分布的假度均匀分布的假说，对于于轧
44、制制宽而薄的薄而薄的薄板，板，宽展很小甚至可以忽略展很小甚至可以忽略时的的变形可以形可以认为是均是均匀的。但在其他情况下，均匀假匀的。但在其他情况下，均匀假说与与许多多实际情况情况是不相符合的，尤其是是不相符合的，尤其是对于窄而厚的于窄而厚的轧件更不适件更不适应。因此因此这种假种假说是有局限性的。是有局限性的。n变形区分区假形区分区假说，也不完全准确，也不完全准确，许多多实验证明明变形区中金属表面形区中金属表面质点流点流动的的轨迹，并非迹，并非严格地按所格地按所画的区画的区间进行流行流动。但是它能定性地描述。但是它能定性地描述宽展展发生生时变形区内金属形区内金属质点流点流动的的总趋势，便于，便
45、于说明明宽展展现象的性象的性质和作和作为计算算宽展的根据。展的根据。n总之，之，宽展是一个极其复展是一个极其复杂的的轧制制现象，它受象，它受许多多因素的影响。因素的影响。76江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2 影响宽展的因素影响宽展的因素n基本原理：基本原理：u最小阻力定律最小阻力定律u体体积不不变条件条件n影响影响宽展的因素可以展的因素可以归纳为：u高向移高向移动体体积u变形的形的纵横阻力比横阻力比n3.2.1 影响影响轧件件变形的基本因素分析形的基本因素分析n3.2.2 具体工具体工艺因素因素对轧件件宽展的影响展的影响77江西理工大学材料科学与工程学院江西理
46、工大学材料科学与工程学院3.2.1 影响轧件变形的基本因素分析影响轧件变形的基本因素分析n3.2.1.1 有接触摩擦有接触摩擦时金属的金属的宽展与展与变形区水平投影形区水平投影的几何尺寸的关系的几何尺寸的关系n3.2.1.2 轧辊形状的影响形状的影响78江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系投影的几何尺寸的关系n有接触摩擦存在有接触摩擦存在时，金属流，金属流动受到阻碍，由于受到阻碍，由于轧制制变形区形区长宽不等，故阻力不同，不等，故阻力不同，纵横横变形也不同。形也不同。
47、n现以平以平锤头镦粗矩形六面体模粗矩形六面体模拟讨论平平辊轧制。制。n(1)当无接触摩擦存在当无接触摩擦存在时，六面体，六面体产生均匀生均匀变形。形。79江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系投影的几何尺寸的关系n(2)当有接触摩擦存在当有接触摩擦存在时n摩擦系数足摩擦系数足够大大时，可根据最小阻力定律将，可根据最小阻力定律将变形区形区分区。分区。n分以下两种情况分以下两种情况讨论：u当当BL时80江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.
48、1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系投影的几何尺寸的关系n当当BL时81江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系投影的几何尺寸的关系n当当BL时n可可见：u1)与无摩擦相比，与无摩擦相比，b和和ln增大，增大，l和和ln减小。减小。u2)B=常常值时，对一定一定ln，b随随L增大而增大。增大而增大。u3)L=常常值时，对一定一定ln，b随随B增大而增大。增大而增大。u4)B/L增大增大时，ln减小，减小，ln增大。增
49、大。82江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影的几何尺寸的关系投影的几何尺寸的关系n当当BL时n将上述将上述B与与L对换，ln与与ln对换n可可见：u1)与无摩擦相比，与无摩擦相比，b和和ln减小，而减小，而l和和ln增大。增大。u2)b与与L成正比，成正比，L=常常值时，b不不变.u3)随随B/L增大，增大，ln减小而减小而ln增大。增大。83江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响n轧制制时变形区形区纵断面上，断面上，
50、轧辊为一一圆弧，故作用在弧，故作用在轧件上的径向件上的径向压力力P的水平分量不的水平分量不为零，此力将零，此力将对纵向流向流动阻力阻力产生影响。生影响。n在前滑区在前滑区(II区区)，中心角，中心角较小，且区域小，且区域较小，故小，故该水平水平分量分量较小，影响不大。小，影响不大。n在后滑区在后滑区(I区区)，影响，影响较大。大。n该影响可用工具形状系数予以考影响可用工具形状系数予以考虑：n式中：式中：uWx代表代表纵向延伸阻力；向延伸阻力；uWy代表横向代表横向宽展阻力。展阻力。84江西理工大学材料科学与工程学院江西理工大学材料科学与工程学院3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响n设在
免费区 
