金属塑性加工学—轧制理论与工艺王廷溥 齐克敏 主编

1、赵鸿金赵鸿金 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 绪论绪论n 第一篇第一篇 轧制理论轧制理论n 第二篇第二篇 轧制工艺基础轧制工艺基础n 第三篇第三篇 型材和棒线材生产型材和棒线材生产 n 第四篇第四篇 板、带材生产板、带材生产n 第五篇第五篇 管材生产工艺和理论管材生产工艺和理论 第一第一 篇篇 轧制理论轧制理论n 1 轧制过程基本概念轧制过程基本概念n 2 实现轧制过程的条件实现轧制过程的条件n 3 轧制过程中的横变形轧制过程中的横变形宽展宽展n 4 轧制过程中的纵变形轧制过程中的纵变形前滑和后

2、滑前滑和后滑n 5 轧制压力及力矩的计算轧制压力及力矩的计算n 6 不对称轧制理论不对称轧制理论1 轧制过程基本概念轧制过程基本概念n 1.0 基本概念基本概念n 1.1 变形区主要参数变形区主要参数n 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1.0 基本概念基本概念n 轧制过程轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力：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。形的过程。n 轧制过程的作用：轧制过程的作用：u外部：使轧件获得一定的形状和尺寸；外部：使轧件获得一定的形状和尺寸；u内部：使

3、组织和性能得到一定程度的改善。内部：使组织和性能得到一定程度的改善。n 为了了解和控制轧制过程，须对轧制过程形成的为了了解和控制轧制过程，须对轧制过程形成的变变形区形区及变形区内的及变形区内的金属流动规律金属流动规律有一概括了解。有一概括了解。1.1 变形区主要参数变形区主要参数n 1.1.0 简单轧制过程简单轧制过程n 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 1.1.2 轧制变形的表示方法轧制变形的表示方法1.1.0 简单轧制过程简单轧制过程n 简单轧制过程简单轧制过程：是指：是指：u1)上下轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊；上下轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊；

4、u2)轧制过程对两个轧辊完全对称；轧制过程对两个轧辊完全对称；u3)轧辊为刚性；轧辊为刚性；u4)轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用；轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用；u5)轧件在入辊处和出辊处速度均匀；轧件在入辊处和出辊处速度均匀；u6)轧件的机械性质均匀轧件的机械性质均匀n 的轧制过程。的轧制过程。n 研究简单轧制过程可以搞清楚轧制过程的共性问题。研究简单轧制过程可以搞清楚轧制过程的共性问题。n 由于生产实践中所使用的轧机结构形式多样，理想由于生产实践中所使用的轧机结构形式多样，理想的简单轧制过程很难找到。的简单轧制过程很难找到。1.1.1 轧制变形区及其主要参数轧制变形区及

5、其主要参数n 轧制变形区轧制变形区：轧件承受轧辊作用而发生变形的部分，：轧件承受轧辊作用而发生变形的部分，即实际变形区。即实际变形区。n 几何变形区几何变形区：从轧件入辊的垂直平面到轧件出辊的：从轧件入辊的垂直平面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域。垂直平面所围成的区域。n 轧制变形区的主要参数：轧制变形区的主要参数：u咬入角咬入角u接触弧长度接触弧长度1.1.1.1 咬入角咬入角()n 咬入角咬入角：轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。：轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。n 压下量与轧辊直径及咬入角之间存在如下的关系：压下量与轧辊直径及咬入角之间存在如下的关系：2cos1 cos1cos

6、1sin220sin22hRRDhhDRhR 1.1.1.1 咬入角咬入角()n h，D和和三者关系计算图：三者关系计算图：n 已知已知h，D和和三个参数中的任意两个，便可用计三个参数中的任意两个，便可用计算图很快地求出第三个参数。算图很快地求出第三个参数。1.1.1.1 咬入角咬入角()n 变形区内任一断面高度变形区内任一断面高度hx求法：求法：1 cos1 cos1 coscoscosxxxxxxxhhhDhOrhHhhHDDHD 1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)n 接触弧长度接触弧长度：轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影：轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影长度，也叫长度，也叫咬入弧

7、长度咬入弧长度、变形区长度变形区长度。n 接触弧长度随轧制条件不同而异：接触弧长度随轧制条件不同而异：u两轧辊直径相等时；两轧辊直径相等时；u两轧辊直径不等时；两轧辊直径不等时；u轧辊和轧件产生弹性压缩时。轧辊和轧件产生弹性压缩时。1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(1)两轧辊直径相等时的接触弧长度两轧辊直径相等时的接触弧长度n 所求的接触弧长度实际上是该弧弦的长度。所求的接触弧长度实际上是该弧弦的长度。22222244hlRRhlR hhR hlR h 1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(2)两轧辊直径不相等时接触弧长度两轧辊直径不相等时接触弧长度n 设两个轧辊的接触孤长度相

8、等，则：设两个轧辊的接触孤长度相等，则：1122121212222lRhRhhhhR RlhRR 1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度n 轧辊的弹性压扁轧辊的弹性压扁u轧辊的弹性压缩变形称为轧辊的弹性压缩变形称为轧辊的弹性压扁轧辊的弹性压扁。u由于轧件与轧辊间的压力作用，轧辊会产生局部弹性压缩变由于轧件与轧辊间的压力作用，轧辊会产生局部弹性压缩变形。此变形可能很大，尤其在冷轧薄板时更为显著。形。此变形可能很大，尤其在冷轧薄板时更为显著。u轧辊弹性压扁的结果使接触弧长度增加。轧辊弹性压扁的结果使接触弧长度增加。n

9、 轧件的弹性压扁轧件的弹性压扁u轧件在轧辊间产生塑性变形时，也伴随产生弹性压缩变形，轧件在轧辊间产生塑性变形时，也伴随产生弹性压缩变形，称为称为轧件的弹性压扁轧件的弹性压扁。u此变形在轧件出辊后即开始恢复，这也会增大接触弧长度。此变形在轧件出辊后即开始恢复，这也会增大接触弧长度。n 在热轧薄板和冷轧板过程中，必须考虑轧辊和轧件的在热轧薄板和冷轧板过程中，必须考虑轧辊和轧件的弹性压缩变形对接触弧长度的影响。弹性压缩变形对接触弧长度的影响。1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度n 设轧辊与轧件的弹性压设轧辊与轧件的弹

10、性压缩量分别为缩量分别为1 1和和2 2，为使轧件获得为使轧件获得h h的压下的压下量，必须把每个轧辊再量，必须把每个轧辊再压下压下1 1+2 2，此时轧件，此时轧件与轧辊的接触线为与轧辊的接触线为A A2 2B B2 2C C曲线。曲线。1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度n 此时接触弧长度为：此时接触弧长度为：222210313313121212122002212012122212121202222222112811222lxxRRDBRRB BRDBRB BhRRR hRRR hxxxRRpEEqqEEq

11、x p 1.1.1.2 接触弧长度接触弧长度(l)(3)轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度轧辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度n 金属的弹性压缩变形很小时，金属的弹性压缩变形很小时，2可忽略不计，则得可忽略不计，则得西齐柯克公式：西齐柯克公式：22211111188lR hRpRpEE 1.1.2 轧制变形的表示方法轧制变形的表示方法n 1.1.2.1 用绝对变形量表示用绝对变形量表示n 1.1.2.2 用相对变形量表示用相对变形量表示n 1.1.2.3 用变形系数表示用变形系数表示n 1.1.2.4 用真应变表示用真应变表示1.1.2.1 用绝对变形量表示用绝对变形量表示n 绝对变形量绝对

12、变形量：用轧制前、后轧件绝对尺寸之差表示：用轧制前、后轧件绝对尺寸之差表示的变形量。的变形量。n 绝对压下量绝对压下量：为轧制前后轧件厚度：为轧制前后轧件厚度H、h之差，即：之差，即：n 绝对宽展量绝对宽展量：为轧制前后轧件宽度：为轧制前后轧件宽度B、b之差，即：之差，即：n 绝对延伸量绝对延伸量：为轧制前后轧件长度：为轧制前后轧件长度L、l之差，即：之差，即：n 绝对变形不能正确地表达变形量的大小，但由于习绝对变形不能正确地表达变形量的大小，但由于习惯而常被使用，特别是压下量与宽展量。惯而常被使用，特别是压下量与宽展量。hHh bbB llL 1.1.2.2 用相对变形量表示用相对变形量表示

13、n 相对变形量相对变形量：用轧制前、后轧件尺寸的相对变化表：用轧制前、后轧件尺寸的相对变化表示的变形量。示的变形量。n 相对压下量相对压下量(压下率压下率)：n 相对宽展量相对宽展量(宽展率宽展率)：n 相对延伸量相对延伸量(延伸率延伸率)：n 相对变形只能近似地反映变形的大小，不能反映变相对变形只能近似地反映变形的大小，不能反映变形的过程积累。形的过程积累。100%HhH100%bBB100%lLL100%Hhh100%bBb100%lLl1.1.2.3 用变形系数表示用变形系数表示n 变形系数变形系数：用轧制前、后轧件尺寸的比值表示的变形：用轧制前、后轧件尺寸的比值表示的变形程度。程度。n

14、 压下系数压下系数：n 宽展系数宽展系数：n 延伸系数延伸系数：n 变形系数能够简单而正确地反映变形的大小，因此在变形系数能够简单而正确地反映变形的大小，因此在轧制变形方面得到了极为广泛的应用。轧制变形方面得到了极为广泛的应用。n 根据体积不变原理，三者之间存在如下关系：根据体积不变原理，三者之间存在如下关系：HhbBlL= 1.1.2.3 用变形系数表示用变形系数表示n 实际上型材轧制时宽展系数常用如下习惯表示：实际上型材轧制时宽展系数常用如下习惯表示：bh1.1.2.4 用真应变表示用真应变表示n 真应变真应变：用轧制后、前轧件尺寸之比的自然对数表：用轧制后、前轧件尺寸之比的自然对数表示的

15、变形量。示的变形量。n 相对压下量相对压下量(压下率压下率)：n 相对宽展量相对宽展量(宽展率宽展率)：n 相对延伸量相对延伸量(延伸率延伸率)：n 导自移动体积的概念，能够正确地反映变形的大小。导自移动体积的概念，能够正确地反映变形的大小。lnhHlnbBlnlL1.2 金属在变形区内的流动规律金属在变形区内的流动规律n 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 1.2.2 沿轧件宽度方向上的流动规律沿轧件宽度方向上的流动规律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 关于轧制时变形的分布有两种不同理论：关于轧制时变形的分布有两种不同理论：u

16、均匀变形理论均匀变形理论u不均匀变形理论。不均匀变形理论。n 后者比较客观地反映了轧制时金属变形规律。后者比较客观地反映了轧制时金属变形规律。n 均匀变形理论均匀变形理论：u该理论认为，沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金该理论认为，沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动的分布都是均匀的。属流动的分布都是均匀的。u造成这种均匀性的主要原因是由于未发生塑性变形的前造成这种均匀性的主要原因是由于未发生塑性变形的前后外端的强制作用，因此又把这种理论称为后外端的强制作用，因此又把这种理论称为刚端理论刚端理论。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 不均匀变形理论不均匀变

17、形理论：该理论认为，沿轧件断面高度方：该理论认为，沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动分布都是不均匀的。向上的变形、应力和金属流动分布都是不均匀的。n 其主要内容为：其主要内容为：u(1)沿轧件断面高度方向上的变形、应力和流动速度分布沿轧件断面高度方向上的变形、应力和流动速度分布都不均匀；都不均匀；u(2)几何变形区内，几何变形区内，在轧件与轧辊接在轧件与轧辊接触表面上，不但触表面上，不但有相对滑动，而有相对滑动，而且还有粘着，所且还有粘着，所谓粘着系指轧件谓粘着系指轧件与轧辊间无相对与轧辊间无相对滑动；滑动；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

18、但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变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，且变形分布都不均匀。形区以外，且变形分布都不均匀。l轧制变形区可分成轧制变形区可分成变形过渡区变形过渡区、前滑区前滑区、后滑区后滑区和和粘粘着区着区。u(4)在粘着区内有一个临界面，在这个面上金属的流动速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。度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度。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 大量实验证明，不均匀变形理论比较正确，其中以大量实验证明，不均匀变形理论比较正确，其中以. (塔尔诺夫斯基

19、塔尔诺夫斯基)实验最具代表。实验最具代表。n .研究了沿轧件对称轴纵断面上的研究了沿轧件对称轴纵断面上的坐标网格的变化，证明了沿轧件断面高度方向上的坐标网格的变化，证明了沿轧件断面高度方向上的变形分布是不均匀的。变形分布是不均匀的。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 由图可见：由图可见：n 1)在接触弧开始处靠近接触在接触弧开始处靠近接触表面的变形比轧件中心层大，表面的变形比轧件中心层大，且表面层金属流动速度比中且表面层金属流动速度比中心层快。心层快。n 2)曲线曲线1与与2的交点是临界面的交点是临界面的位置，在这个面上金属变的位置，在这个面上金属变形和流动速度

20、是均匀的。形和流动速度是均匀的。n 3)在临界面的右边，即出辊在临界面的右边，即出辊方向，出现了相反现象。轧方向，出现了相反现象。轧件中心层的变形比表面层大，件中心层的变形比表面层大，中心层金属流动速度比表面中心层金属流动速度比表面层快。层快。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 4)在接触弧的中间部分，在接触弧的中间部分，曲线上有一段很长的平行曲线上有一段很长的平行于横坐标轴的线段，说明于横坐标轴的线段，说明在轧件与轧辊相接触的表在轧件与轧辊相接触的表面上存在着粘着区。面上存在着粘着区。n 5)在入辊前和出辊后轧件在入辊前和出辊后轧件表面层和中心层都发生有表面层

21、和中心层都发生有变形，说明在外端和几何变形，说明在外端和几何变形区之间有变形过渡区，变形区之间有变形过渡区，在这个区域内变形和流动在这个区域内变形和流动速度也是不均匀的。速度也是不均匀的。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 . 根据实验研究把轧制变形区绘成根据实验研究把轧制变形区绘成下图，用以描述轧制时整个变形的情况。下图，用以描述轧制时整个变形的情况。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 实验研究还表明，沿轧件断面高度方向上的变形不实验研究还表明，沿轧件断面高度方向上的变形不均匀分布与均匀分布与变形区形状系数变形区形状系数(l/h

22、)有很大关系。有很大关系。n 1)当当l/h 0.51.0时，即轧件断面高度相对于接触弧时，即轧件断面高度相对于接触弧长度不太大时，压缩变形完全深入到轧件内部，形长度不太大时，压缩变形完全深入到轧件内部，形成中心层变形比表面层变形大的现象；成中心层变形比表面层变形大的现象；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 2)当当l/h Nsinuftgu因因f=tan，为摩擦角为摩擦角u故故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之间的关系有以下之间的关系有以下3种情况：种情况：uTx。uTxNx，可以实现自然咬入，此时，可以实现自然咬入，此时N

23、x，Tx=Tcos=Nfycos，Nx=Nsinn 此即此即稳定轧制条件稳定轧制条件xK1xxKK=tantantanyyyyxyyxfKK2.2 稳定轧制条件稳定轧制条件n 一般达到稳定轧制阶段时，一般达到稳定轧制阶段时，=y/2，即，即Kx2，故可，故可近似写成近似写成yy/2或或2yy。n 即：若由咬入阶段过渡到稳定轧制阶段的摩擦系数即：若由咬入阶段过渡到稳定轧制阶段的摩擦系数不变且其他条件均相同时，稳定轧制阶段的允许的不变且其他条件均相同时，稳定轧制阶段的允许的咬入角比咬入阶段的咬入角可大咬入角比咬入阶段的咬入角可大Kx倍或近似大倍或近似大2倍。倍。n 可得：可得：极限稳定轧制条件极限

24、稳定轧制条件：yyxKyxyKtanyyxfK2.3 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 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 2.3.2 摩擦系数变化的影响摩擦系数变化的影响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 为比较从咬入阶段向稳定轧制阶段过渡时咬入条件为比较从咬入阶段向稳定轧制阶段过渡时咬入条件的变化，现比较其极限条件。的变化，现比较其极限条件。n 极限咬入条件：极限咬入条件： =n 极限稳定轧制条件：极限稳定轧制条件： y=Kxyn 其比值：其比值：n 可见，其差异取

25、决于可见，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变化。用点位置与摩擦系数的变化。yyxyyxKKK2.3.1 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 其他条件不变时，其他条件不变时，Kx愈高，则愈高，则y愈高，即在稳定轧愈高，即在稳定轧制阶段允许实现较大的咬入角。制阶段允许实现较大的咬入角。n 在填充辊缝阶段，随轧件前端在辊缝中前进，轧件在填充辊缝阶段，随轧件前端在辊缝中前进，轧件与轧辊的接触面积增大，合力作用点向出口方向移与轧辊的接触面积增大，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，所以动，由于合力作用点一定在咬入

26、弧上，所以Kx恒大恒大于于1。n 在轧制过程中，产生的宽展愈大，则变形区的宽度在轧制过程中，产生的宽展愈大，则变形区的宽度向出口逐渐扩张，合力作用点愈向出口移动，即向出口逐渐扩张，合力作用点愈向出口移动，即角愈小，则角愈小，则Kx值就愈高。值就愈高。yyxK2.3.2 摩擦系数变化的影响摩擦系数变化的影响n 冷轧及热轧时摩擦系数变化不同冷轧及热轧时摩擦系数变化不同u冷轧时，由于温度和氧化铁皮的影响甚小，可近似地取冷轧时，由于温度和氧化铁皮的影响甚小，可近似地取y/1。u热轧时，热轧时，y/1，即从咬入过渡到稳定轧制阶段摩擦系，即从咬入过渡到稳定轧制阶段摩擦系数在降低。数在降低。n 热轧时产生摩

27、擦系数变化的原因为：热轧时产生摩擦系数变化的原因为：u(1) 轧件端部温度较其他部分低，使咬入时的摩擦系数大轧件端部温度较其他部分低，使咬入时的摩擦系数大于稳定轧制阶段的摩擦系数。于稳定轧制阶段的摩擦系数。u(2) 咬入时轧件与轧辊接触和冲击，易使轧件端部的氧化咬入时轧件与轧辊接触和冲击，易使轧件端部的氧化铁皮脱落，所以摩擦系数较高。铁皮脱落，所以摩擦系数较高。n 影响摩擦系数降低最主要的因素是轧件表面上的氧影响摩擦系数降低最主要的因素是轧件表面上的氧化铁皮。在实际生产中，往往因此造成在自然咬入化铁皮。在实际生产中，往往因此造成在自然咬入后过渡到稳定轧制阶段发生打滑现象。后过渡到稳定轧制阶段发

28、生打滑现象。2.3.2 摩擦系数变化的影响摩擦系数变化的影响n 可见，可见，K值变化较复杂，随轧制条件不同而异。值变化较复杂，随轧制条件不同而异。u冷轧时，可近似地认为摩擦系数无变化。由于冷轧时，可近似地认为摩擦系数无变化。由于Kx值较高，所值较高，所以以K值也较高，说明咬入条件与稳定轧制条件间的差异较大。值也较高，说明咬入条件与稳定轧制条件间的差异较大。一般是：一般是：u热轧时，由于温度和氧化铁皮的影响，使摩擦系数显著的降热轧时，由于温度和氧化铁皮的影响，使摩擦系数显著的降低，所以低，所以K值较冷轧时为小，一般是：值较冷轧时为小，一般是：n 以上说明以上说明u稳定轧制阶段的最大允许咬入角比开

29、始咬入时的最大允许咬稳定轧制阶段的最大允许咬入角比开始咬入时的最大允许咬入角大；入角大；u相应地，稳定轧制阶段的最大允许的压下量比咬入时的最大相应地，稳定轧制阶段的最大允许的压下量比咬入时的最大允许压下量大数倍。允许压下量大数倍。n 在生产实践中有的采用在生产实践中有的采用“带钢压下带钢压下”的技术措施，就的技术措施，就是利用稳定轧制阶段咬入角的潜力。是利用稳定轧制阶段咬入角的潜力。2 2.42 2.4xyKK1.5 1.71.5 1.7yK2.4 改善咬入条件的途径改善咬入条件的途径n 改善咬入条件是进行顺利操作、增加压下量、提高改善咬入条件是进行顺利操作、增加压下量、提高生产率的有力措施，

30、也是轧制生产中经常碰到的实生产率的有力措施，也是轧制生产中经常碰到的实际问题。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：凡是能提高角的角的一切因素和降低一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。2.4.1 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，必须：角，必须：n (1) 增加轧辊直径增加轧辊直径Du当当h等于常数时，轧辊直径等于常数时，轧辊直径D增加，增加，可降低。可降低。n (2) 减小压下量减小压下量hu由由h=H-h可知，可通过降低轧件开始高度可知，可通过降低轧件开始高度H或提高轧后或提高轧后的高度的高度h，

31、来降低，来降低，以改善咬入条件。，以改善咬入条件。arccos 1hD2.4.1 降低降低角的方法角的方法n 在实际生产中常见的降低在实际生产中常见的降低的方法有：的方法有：n (1) 钢锭小头进钢钢锭小头进钢n (2) 强迫咬入强迫咬入2.4.2 提高提高角的方法角的方法n (1) 改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩擦角改变轧件或轧辊的表面状态，以提高摩擦角u清除炉生氧化铁皮。清除炉生氧化铁皮。n (2) 合理地调节轧制速度合理地调节轧制速度u低速咬入，高速轧制。低速咬入，高速轧制。复习思考题复习思考题3 轧制过程中的横变形轧制过程中的横变形宽展宽展n 3.1 宽展及其分类宽展及其分类n 3

32、.2 影响宽展的因素影响宽展的因素n 3.3 宽展计算公式宽展计算公式n 3.4 在孔型中轧制时宽展特点及其简化计算方法在孔型中轧制时宽展特点及其简化计算方法3.1 宽展及其分类宽展及其分类n 3.1.1 宽展及其实际意义宽展及其实际意义n 3.1.2 宽展分类宽展分类n 3.1.3 宽展的组成宽展的组成3.1.1 宽展及其实际意义宽展及其实际意义n 宽展宽展：在轧制过程中，轧件沿横向移动的体积所引起：在轧制过程中，轧件沿横向移动的体积所引起的轧件宽度的变化称为宽展。的轧件宽度的变化称为宽展。n 习惯上用轧件在宽度方向线尺寸的变化即习惯上用轧件在宽度方向线尺寸的变化即绝对宽展量绝对宽展量表示。

33、表示。n 轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的。轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的。u当从窄的坯轧成宽成品时希望有宽展，如用宽度较小的钢坯当从窄的坯轧成宽成品时希望有宽展，如用宽度较小的钢坯轧成宽度较大的成品，则必须设法增大宽展。轧成宽度较大的成品，则必须设法增大宽展。u若是从大断面坯轧成小断面成品时，则不希望有宽展，因消若是从大断面坯轧成小断面成品时，则不希望有宽展，因消耗于横变形的功是多余的，在这种情况下，应该力求以最小耗于横变形的功是多余的，在这种情况下，应该力求以最小的宽展轧制。的宽展轧制。u纵轧的目的是为了得到延伸，除特殊情况外，应该尽量减小纵轧的目的是为了得到延伸，除

34、特殊情况外，应该尽量减小宽展，降低轧制功能消耗，提高轧机生产率。宽展，降低轧制功能消耗，提高轧机生产率。n 不论在哪种情况下，希望或不希望有宽展，都必须掌不论在哪种情况下，希望或不希望有宽展，都必须掌握宽展变化规律以及正确计算它，在孔型中轧制则宽握宽展变化规律以及正确计算它，在孔型中轧制则宽展计算更为重要。展计算更为重要。3.1.1 宽展及其实际意义宽展及其实际意义n 正确估计轧制中的宽展是保证断面质量的重要一环。正确估计轧制中的宽展是保证断面质量的重要一环。n 计算宽展计算宽展：用各种模型公式计算估计的宽展。：用各种模型公式计算估计的宽展。n 实际宽展实际宽展：在实际轧制过程中产生的真实宽展

35、。：在实际轧制过程中产生的真实宽展。n 欠充满欠充满：计算宽展大于实际宽展，孔型充填不满，：计算宽展大于实际宽展，孔型充填不满，造成很大的椭圆度。造成很大的椭圆度。n 过充满过充满：计算宽展小于实际宽展，孔型充填过满，：计算宽展小于实际宽展，孔型充填过满，形成耳子。形成耳子。n 以上两种情况均造成轧件报废。以上两种情况均造成轧件报废。3.1.2 宽展分类宽展分类n 3.1.2.1 自由宽展自由宽展n 3.1.2.2 限制宽展限制宽展n 3.1.2.3 强迫宽展强迫宽展3.1.2.1 自由宽展自由宽展n 坯料在轧制过程中，被压下的金属体积其金属质点坯料在轧制过程中，被压下的金属体积其金属质点在横

36、向移动时，具有沿垂直于轧制方向朝两侧自由在横向移动时，具有沿垂直于轧制方向朝两侧自由移动的可能性，此时金属流动除受接触摩擦的影响移动的可能性，此时金属流动除受接触摩擦的影响外，不受其他任何的阻碍和限制，如孔型侧壁、立外，不受其他任何的阻碍和限制，如孔型侧壁、立辊等，结果明确地表现出轧件宽度上线尺寸的增加，辊等，结果明确地表现出轧件宽度上线尺寸的增加，这种情况称为这种情况称为自由宽展自由宽展。n 自由宽展发生于变形比较均匀的条件下，如平辊上自由宽展发生于变形比较均匀的条件下，如平辊上轧制矩形断面轧件，以及宽度有很大富裕的扁平孔轧制矩形断面轧件，以及宽度有很大富裕的扁平孔型内轧制。型内轧制。n 自

37、由宽展轧制是最简单的轧制情况。自由宽展轧制是最简单的轧制情况。3.1.2.2 限制宽展限制宽展n 坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的影响外，还承受孔型侧壁的限制作用，因触摩擦的影响外，还承受孔型侧壁的限制作用，因而破坏了自由流动条件，此时产生的宽展称为而破坏了自由流动条件，此时产生的宽展称为限制限制宽展宽展。n 在孔型侧壁起作用的凹型孔型中轧制时即属于此类在孔型侧壁起作用的凹型孔型中轧制时即属于此类宽展。由于孔型侧壁的限制作用，使横向移动体积宽展。由于孔型侧壁的限制作用，使横向移动体积减小，故所形成的宽展小于自由宽展。减小，故所形成

38、的宽展小于自由宽展。3.1.2.3 强迫宽展强迫宽展n 坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，不仅不坯料在轧制过程中，金属质点横向移动时，不仅不受任何阻碍，且受有强烈的推动作用，使轧件宽度受任何阻碍，且受有强烈的推动作用，使轧件宽度产生附加的增长，此时产生的宽展称为产生附加的增长，此时产生的宽展称为强迫宽展强迫宽展。n 由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强迫宽展大于自由宽展。迫宽展大于自由宽展。n 凸型孔型中轧制及有强烈局部压缩的轧制条件是强凸型孔型中轧制及有强烈局部压缩的轧制条件是强迫宽展的典型例子。迫宽展的典型例子。3.1.3 宽展的组成

39、宽展的组成n 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 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 由于轧辊与轧件的接触表面上存在着摩擦，以及变由于轧辊与轧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质点的流动轨迹与接触面附近的区域和远离的区属质点的流动轨迹与接触面附近的区域和远离的区域是不同的。域是不同的。n 因此宽展可由以下几个部分组成：因此宽展可由以下几个部分组成：u滑动宽展滑动宽展u翻

40、平宽展翻平宽展u鼓形宽展鼓形宽展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 滑动宽展滑动宽展：变形金属在与轧辊的接触面产生相对滑：变形金属在与轧辊的接触面产生相对滑动所增加的宽展量。动所增加的宽展量。n 翻平宽展翻平宽展：由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面：由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属，在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件的金属，在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件增加的宽展量。增加的宽展量。n 鼓形宽展鼓形宽展：轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量。：轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量。n 轧件总展宽量轧件总展宽量11HBBB21212HBBBBBB3231

41、23HbBBBBBBB123BBBB 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 通常通常理论宽展理论宽展及及计算宽展计算宽展是指将轧制后轧件的横断是指将轧制后轧件的横断面化为同厚度的矩形之后，其宽度与轧制前轧坯宽面化为同厚度的矩形之后，其宽度与轧制前轧坯宽度之差，即：度之差，即：n 轧后宽度轧后宽度Bh，是一个为便于工程计算而采用的理想，是一个为便于工程计算而采用的理想值。值。hHBBB3.1.3.1 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 宽展的各组成部分的数值，随摩擦系数和变形区几宽展的各组成部分的数值，随摩擦系数和变形区几何参数的变化

42、而不同。它们有一定的变化规律，但何参数的变化而不同。它们有一定的变化规律，但至今定量的规律尚未掌握。至今定量的规律尚未掌握。n 根据实验和初步的理论分析，它们之间有一些定性根据实验和初步的理论分析，它们之间有一些定性关系。关系。u摩擦系数摩擦系数f值越大，不均匀变形就越严重，翻平宽展和鼓值越大，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。形宽展的值就越大，滑动宽展越小。u各种宽展与变形区几何参数之间有如图所示的关系，当各种宽展与变形区几何参数之间有如图所示的关系，当 宽厚比越小时，则滑动宽展越小，而翻平和鼓形宽展占宽厚比越小时，则滑动宽展越小，而翻平和鼓形宽展占主导地位。这

43、是因为宽厚比越小，粘着区越大。主导地位。这是因为宽厚比越小，粘着区越大。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 关于宽展沿轧件宽度分布的理论，基本上有两种假关于宽展沿轧件宽度分布的理论，基本上有两种假说：说：n 均匀分布假说：宽展沿轧件宽度均匀分布。这种假均匀分布假说：宽展沿轧件宽度均匀分布。这种假说主要以均匀变形和外区作用作为理论的基础。说主要以均匀变形和外区作用作为理论的基础。n 不均匀分布假说：变形区可分为四个区域，即在两不均匀分布假说：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。边的区域为宽展区，中间分为前后两个延伸区。3.1.3.2

44、宽展沿轧件宽度上的分布宽展沿轧件宽度上的分布n 宽展沿宽度均匀分布的假说，对于轧制宽而薄的薄宽展沿宽度均匀分布的假说，对于轧制宽而薄的薄板，宽展很小甚至可以忽略时的变形可以认为是均板，宽展很小甚至可以忽略时的变形可以认为是均匀的。但在其他情况下，均匀假说与许多实际情况匀的。但在其他情况下，均匀假说与许多实际情况是不相符合的，尤其是对于窄而厚的轧件更不适应。是不相符合的，尤其是对于窄而厚的轧件更不适应。因此这种假说是有局限性的。因此这种假说是有局限性的。n 变形区分区假说，也不完全准确，许多实验证明变变形区分区假说，也不完全准确，许多实验证明变形区中金属表面质点流动的轨迹，并非严格地按所形区中金

45、属表面质点流动的轨迹，并非严格地按所画的区间进行流动。但是它能定性地描述宽展发生画的区间进行流动。但是它能定性地描述宽展发生时变形区内金属质点流动的总趋势，便于说明宽展时变形区内金属质点流动的总趋势，便于说明宽展现象的性质和作为计算宽展的根据。现象的性质和作为计算宽展的根据。n 总之，宽展是一个极其复杂的轧制现象，它受许多总之，宽展是一个极其复杂的轧制现象，它受许多因素的影响。因素的影响。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体积不变条件体积不变条件n 影响宽展的因素可以归纳为：影响宽展的因素可以归纳为：u高向移动体积高向移动体积u变形的纵横阻

46、力比变形的纵横阻力比n 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n 3.2.2 具体工艺因素对轧件宽展的影响具体工艺因素对轧件宽展的影响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n 3.2.1.1 有接触摩擦时金属的宽展与变形区水平投影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的几何尺寸的关系n 3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响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 有接触摩擦存在时，金属流动受到阻碍，由于轧制有接触摩擦存在时，金属流动受

47、到阻碍，由于轧制变形区长宽不等，故阻力不同，纵横变形也不同。变形区长宽不等，故阻力不同，纵横变形也不同。n 现以平锤头镦粗矩形六面体模拟讨论平辊轧制。现以平锤头镦粗矩形六面体模拟讨论平辊轧制。n (1) 当无接触摩擦存在时，六面体产生均匀变形。当无接触摩擦存在时，六面体产生均匀变形。1lnlnln2lnlnlnln22ln2blBLBLblbB 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) 当有接触摩擦存在时当有接触摩擦存在时n 摩擦系数足够大时，可根据最小阻力定律将变形区摩擦系数足够大时，可根据最小阻力

48、定律将变形区分区。分区。n 分以下两种情况讨论：分以下两种情况讨论：u当当BL时时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时时222/ 222lnlnlnlnln0ln2lnln1ln22lnlnln22LBBbLLlbBBLlLLBBBbBLLBBlL 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时时n 可见：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=

49、常值时，对一定常值时，对一定ln，b随随L增大而增大。增大而增大。u3) L=常值时，对一定常值时，对一定ln，b随随B增大而增大。增大而增大。u4) B/L增大时，增大时，ln减小，减小，ln增大。增大。2lnln1ln22lnlnln22BBbBLLBBlL 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时时n 将上述将上述B与与L对换，对换，ln与与ln对换对换n 可见：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=常值

50、时，常值时，b不变不变.u3) 随随B/L增大，增大，ln减小而减小而ln增大。增大。2lnlnln22lnln1ln22LLbBLLlLBB 3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响n 轧制时变形区纵断面上，轧辊为一圆弧，故作用在轧轧制时变形区纵断面上，轧辊为一圆弧，故作用在轧件上的径向压力件上的径向压力P的水平分量不为零，此力将对纵向流的水平分量不为零，此力将对纵向流动阻力产生影响。动阻力产生影响。n 在前滑区在前滑区(II区区)，中心角较小，且区域较小，故该水平，中心角较小，且区域较小，故该水平分量较小，影响不大。分量较小，影响不大。n 在后滑区在后滑区(I区区)，影响较大。，影响较

51、大。n 该影响可用工具形状系数予以考虑：该影响可用工具形状系数予以考虑：n 式中：式中：uWx代表纵向延伸阻力；代表纵向延伸阻力；uWy代表横向宽展阻力。代表横向宽展阻力。xGyWKW3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响n 设在设在I区压力分布均匀，其合力将作用于区压力分布均匀，其合力将作用于1222sinsincoscos22cossin122cossin22,IIIxxxyIIxIxGIIIIIIIxxIIIGIIGWTPWTTPKTPPPTTP fP fPKP ffhhfDDKfD3.2.1.2 轧辊形状的影响轧辊形状的影响n 将此函数关系绘成图。将此函数关系绘成图。n 可见：可

52、见：n 说明：说明：u由于轧辊形状的影响，纵向阻力小于横向阻力，延伸由于轧辊形状的影响，纵向阻力小于横向阻力，延伸大于宽展，极限时大于宽展，极限时KGI=1，此时，此时D无限大。无限大。uKG愈小，延伸越大，宽展越小。愈小，延伸越大，宽展越小。l增大，增大， KG减小；减小；lf减小，减小， KG减小。减小。,IGKfD10IGK3.2.2 具体工艺因素对轧件宽展的影响具体工艺因素对轧件宽展的影响n 3.2.2.1 相对压下量的影响相对压下量的影响n 3.2.2.2 轧制道次的影响轧制道次的影响n 3.2.2.3 轧辊直径对宽展的影响轧辊直径对宽展的影响n 3.2.2.4 摩擦系数的影响摩擦系

53、数的影响n 3.2.2.5 轧件宽度对宽展的影响轧件宽度对宽展的影响3.2.2.1 相对压下量的影响相对压下量的影响n 压下是形成变形的源泉，压下越大，延伸与宽展均压下是形成变形的源泉，压下越大，延伸与宽展均增大。增大。n h，b。uh，l，l/b，Wx，KG，故，故b。n h/H，b。uh/H，压下体积增加，故，压下体积增加，故b。3.2.2.1 相对压下量的影响相对压下量的影响n H=C和和h=C时，随时，随h/H， b速度快。而速度快。而h=C时，随时，随h/H， b速度慢。速度慢。u当当H=C或或h=C时，欲增加时，欲增加h/H，需增加，需增加h，使，使l增加，增加，因而因而Wx增加，

54、延伸减小，宽展增加，延伸减小，宽展b增加。增加。u同时同时h增加，使金属压下体积增加，也促使增加，使金属压下体积增加，也促使b增加，二增加，二者综合作用的结果，将使者综合作用的结果，将使b增加得较快。增加得较快。uh=C时，增加时，增加h/H需减少需减少H，l不变，故不变，故b的增加慢。的增加慢。3.2.2.1 相对压下量的影响相对压下量的影响n h/H与与b/h(宽展指数宽展指数)之关系也可说明上述结之关系也可说明上述结论：论：uh/H，b，故，故b/h直线增加。直线增加。u当当H=C或或h=C时，增加时，增加h/H，需增加，需增加h，故，故b/h 增加增加的慢。的慢。u且到一定程度后且到一

55、定程度后h增加超过增加超过b/增加，增加， b/h反而会下降。反而会下降。3.2.2.2 轧制道次的影响轧制道次的影响n 在在h总总一定时，轧制道次愈多，宽展愈小。一定时，轧制道次愈多，宽展愈小。u因为在其他条件及总压下量相同时，一道轧制时因为在其他条件及总压下量相同时，一道轧制时l/b较大，较大，所以宽展较大；而当多道次轧制时，所以宽展较大；而当多道次轧制时， l/b较小，所以宽展较小，所以宽展也较小。也较小。3.2.2.3 轧辊直径对宽展的影响轧辊直径对宽展的影响n 其他条件不变时，其他条件不变时，D，b。u当当D时，时，l加大，纵向的阻力加大，纵向的阻力。3.2.2.4 摩擦系数的影响摩

56、擦系数的影响n 其他条件相同时，随其他条件相同时，随f， b。u随随f，KG， b。n 摩擦系数是轧制条件的复杂函数，可写成：摩擦系数是轧制条件的复杂函数，可写成：n 式中：式中：ut轧制温度；轧制温度；uv轧制速度；轧制速度；uKl轧辊材质及表面状态；轧辊材质及表面状态；uK3轧件的化学成分。轧件的化学成分。13, ,ft v K K3.2.2.4 摩擦系数的影响摩擦系数的影响n 凡影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽凡影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化，这主要有：展的变化，这主要有：n (1) 轧制温度的影响轧制温度的影响ut通过影响氧化铁皮的性质影响通过影响氧化铁皮

57、的性质影响f，从而影响，从而影响b。ut较低时，较低时， t，氧化铁皮形成，氧化铁皮形成，f，b；ut较低时，较低时， t，氧化铁皮熔化，氧化铁皮熔化，f，b。n (2) 轧制速度的影响轧制速度的影响uv，f， b。3.2.2.4 摩擦系数的影响摩擦系数的影响n (3) 轧辊表面状态的影响轧辊表面状态的影响u轧辊表面粗糙度轧辊表面粗糙度， f，b。u旧辊比新辊旧辊比新辊b大；轧辊表面润滑后，大；轧辊表面润滑后， b减小。减小。n (4) 轧件的化学成分的影响轧件的化学成分的影响u不同钢种硬度不同，氧化皮性质不同，故不同钢种硬度不同，氧化皮性质不同，故f不同。不同。u一般合金钢比碳素钢一般合金钢

58、比碳素钢b大。大。u用化学成分影响系数用化学成分影响系数m考虑。考虑。n (5) 轧辊的化学成分对的影响轧辊的化学成分对的影响u钢轧辊比铸铁辊钢轧辊比铸铁辊b大。大。bmb计合3.2.2.5 轧件宽度对宽展的影响轧件宽度对宽展的影响n 据最小阻力定律：据最小阻力定律：u(1) l一定时，随一定时，随B， b先增加，后趋于不变；先增加，后趋于不变；u(2) 随随FB/FL， b/B；u(3) B一定时，随一定时，随l，b；u(4) 随随FB/FL， b/B。n 故一般故一般，b 。/ l B/ 2R hl BBb3.3 宽展计算公式宽展计算公式n 3.3.1 .采里柯夫公式采里柯夫公式n 3.3

59、.2 .巴赫契诺夫公式巴赫契诺夫公式n 3.3.3 S.爱克伦得公式爱克伦得公式n 3.3.4 .古布金公式古布金公式n 3.3.5 西斯公式西斯公式n 3.3.6 谢别尔公式谢别尔公式3.3.1 .采里柯夫公式采里柯夫公式n 略去前滑区的宽展，且当略去前滑区的宽展，且当h/Hv2n 但金属是一整体，但金属是一整体，v出出相等，中部受拉，边部受压。相等，中部受拉，边部受压。n 中部金属体积大时，边部金属拉不动中部，导致宽中部金属体积大时，边部金属拉不动中部，导致宽度增加。度增加。n 可见，在孔型中轧制时不再是自由宽展，非常复杂。可见，在孔型中轧制时不再是自由宽展，非常复杂。1212DDhsDD

60、3.4.2 在孔型中轧制时计算宽展的简化方法在孔型中轧制时计算宽展的简化方法n 平均高度法：将孔型内轧制条件简化成平板轧制，即平均高度法：将孔型内轧制条件简化成平板轧制，即用同面积、同宽度的矩形代替曲线边的轧件。用同面积、同宽度的矩形代替曲线边的轧件。n 轧前：轧前：n 轧后：轧后：n 平均压下量：平均压下量：n 轧辊工作直径：轧辊工作直径：n 然后用任一自由宽展公式计算。然后用任一自由宽展公式计算。0FHBFhbhHh 00pFDDhDb复习思考题复习思考题4 轧制过程中的纵变形轧制过程中的纵变形前滑和后滑前滑和后滑n 4.1 轧制过程中的前滑和后滑现象轧制过程中的前滑和后滑现象n 4.2