先进成形与智能技术 课件 第4章轧制成形技术

《先进成形与智能技术》战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS第1章题目第2章题目第3章题目第4章轧制成形技术第5章题目第6章题目第7章题目第8章题目第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造14.1.1中厚板生产工艺中厚板轧制示意图自动超声波探伤技术钢板头尾翘曲控制技术高效表面除鳞装备技术关键技术生产特点精整区域工序及工艺路径多轧钢车间主作业线长需要展宽轧制、往返轧制潜在的瓶颈多，且瓶颈变化多样强力矫直机装配技术中厚板生产多采用控制轧制生产工艺。一般单机架轧机采用两阶段轧制，中间用一段空冷待温阶段来保证第二阶段轧制的开轧温度。该工艺提高了产品性能，但也减少了轧机的产量。为了减少待温阶段造成的产量损失，国内外厂家目前都采用多块轧件交叉轧制的手段提高轧机的生产率。原料装炉加热除磷粗轧精轧冷却矫直检查修磨热处理剪切入库第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造201

中厚板定义中厚板是指厚度4.5-25mm的钢板，厚度25-100mm的称为厚板，厚度超过100mm的为特厚板。02

优异性能强度高、具有良好的塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能，能承受动载荷、冲击、震动等。03

应用领域厚板产品广泛应用于造船、石油化工及输送管道、电站及锅炉钢板和大型桥梁等场景。4.1轧制生产工艺简介4.1.1中厚板生产工艺第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介3战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4.1.1中厚板生产工艺生产原料及轧前准备厚板生产的原料：连铸坯板坯的轧前处理：表面缺陷清理和加热工艺。除磷清除在加热过程中的炉生氧化铁皮和轧制过程中生成的再生氧化铁皮，保证钢板的表面质量。粗轧按厚板坯进入轧机的方式可以分为横轧-纵轧法、全纵轧法和全横轧法三种。细轧制定压下规程板形控制，调节沿板宽压下量的分布，使延伸沿板宽分布均匀。第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造44.1轧制生产工艺简介——除磷4.1.1中厚板生产工艺除磷前除磷后工作系统可靠除净率高适应范围广综合成本低高压水除鳞高压水除磷系统组成示意第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造54.1轧制生产工艺简介——粗轧4.1.1中厚板生产工艺粗轧横轧-纵轧法全纵轧法全横轧法纵向辗平横轧宽展纵轧工序纵轧是指工作轧辊旋转方向相反，轧件的纵轴线与轧辊轴线垂直横轧是轧件在两个旋转方向相同的轧辊间，作平行于轧辊轴线并与轧辊转动方向相反的旋转运动板坯沿长度方向咬入轧机，使板坯端部产生扇形减少横轧宽展道次板坯端部的收缩。当板坯的宽度小于成品宽度时，板坯纵向辗平之后，回转90°，进行横向宽展，达到宽度要求后，再回转90°进行纵轧。在横轧宽度达到要求后拨正，进行纵向轧制，轧到要求的厚度为止。第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造64.1轧制生产工艺简介——细轧4.1.1中厚板生产工艺厚板压下规程制订，就是要确定由板坯到成品的轧制道次和每道的压下量大小。在现代厚板轧机上都采用电动液压压下，压下规程的制订就是确定轧辊各道次的设定位置。影响压下规程的因素可分为设备能力和产品质量两大方面。钢板轧制的板形控制，就是通过调整轧辊的辊型，控制轧辊间有载辊缝形状，调节沿板宽压下量的分布，使延伸沿板宽分布均匀，达到钢板平直度的要求。设备能力对压下量限制条件包括三方面：咬入条件、轧辊强度和电动机功率细轧产品质量对压下规程的影响考虑因素：金属塑性、钢板的几何精度采用具有板形调节功能的厚板轧机，通过轧辊初始位置设定影响板形采用板形快速调节方法：液压弯辊、轧辊分段冷却、轧辊的倾辊调整第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造74.1.2热轧带钢生产工艺热轧带钢示意图表面光滑平整尺寸精度要求高板形均匀变形技术要求生产特点轧机设备复杂庞大表面积大，故包容覆盖能力强可任意剪裁、弯曲、冲压、焊接全面计算机控制和自动化生产工艺性能好轧带钢一般是指厚度为1～20mm的成卷带钢，宽度一般为600～2000mm。热轧带钢可以作为热轧钢板直接使用，也可以供给冷轧带钢作为坯料。广泛用于汽车、电机、化工、造船等工业部门，同时也作为冷轧、焊管、冷弯型钢生产的坯料。带钢热连轧机是生产热轧带钢的主要设备，具有生产效率高、产量高、质量好等优点。第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造84.1.2热轧带钢生产工艺热轧带钢是指通过热轧方式生产的带材和板材。一般厚度在1.2～8mm。宽度在600mm以下的带钢称为窄带钢，超过600mm的为宽带钢。宽带钢热连轧宽带钢可逆式热轧窄带钢热连轧核电站军舰跨海大桥海上基建战略潜艇大坝第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9层流冷却系统除鳞1加热炉卷取定宽飞剪保温罩除鳞2粗轧机组精轧机组（F1~F7)保温罩热卷箱轧前准备用连铸板坯或初轧板坯作原料，根据产品的厚度及生产能力，确定板坯的几何尺寸和重量板坯加热，一般1100℃~1250℃出炉，步进式加热炉加热粗轧高压水除磷1：除去板坯炉生氧化铁皮定宽：满足热轧带钢不同宽度的需要粗轧机组：将板坯热轧成适合精轧的中间坯保温输送：改善中间坯温度均匀性精轧切头飞剪：切掉中间坯的头尾高压水除磷2：清除板坯二次氧化铁皮精轧机组：轧成要求的热轧带钢层流冷切：控制冷却温度和速度卷曲：将钢材卷曲成带卷，便于运输4.1.2热轧带钢生产工艺第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10除鳞1加热炉卷取定宽飞剪保温罩除鳞2粗轧机组精轧机组（F1~F7)保温罩热卷箱用连铸板坯或初轧板坯作原料，经步进式加热炉加热，高压水除磷后进入粗轧机，粗轧料经切掉头尾、二次除磷再进入精轧机，实施计算机控制轧制，精轧后即经过层流冷却和卷取机卷取，成为带卷。4.1.2热轧带钢生产工艺层流冷却系统第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造114.1.3冷轧带钢生产工艺热轧带钢酸洗机组十二辊冷轧机组退火热处理拉矫机组冷轧带钢原料热轧带钢为冷轧带钢的原料酸洗去除热轧带钢表面上的氧化铁皮冷轧获得符合尺寸、板形和表面质量要求的带钢热处理对冷轧带钢进行退火，获得符合要求性能精整对经过退火的带钢进行平整、剪切、包装等第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造12早期：酸液深1000～1200mm。深槽酸洗70年代中期：酸液深400～1000mm。浅槽酸洗70年代末期：1983年德国MDS公司开发了紊流酸洗，酸液深小于400mm。紊流酸洗硝酸酸洗混合酸酸洗氢氟酸酸洗盐酸酸洗磷酸酸洗硫酸酸洗酸的种类4.1轧制生产工艺简介——酸洗4.1.3冷轧带钢生产工艺第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13PTPxTx轧件咬入时受力4.1.3冷轧带钢生产工艺——轧制Tx：拉入力；Px：推出力。Tx>Px，顺利咬入；Tx<Px，不能咬入；Tx=Px，临界状态。第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造14张力的拉伸作用会改变轧制时金属的应力状态，有利于金属的塑性变形张力有利于减少轧件厚度，控制张力可以在一定范围内控制带钢厚度张力可以在一定程度上改善板形张力轧制可防止带钢轧制过程中跑偏张力下卷取可使带卷卷得更紧密整齐轧制张力的作用轧件在辊缝中产生塑性变形是在一定的前张力和后张力的作用之下进行的。通常张力作用方向与轧件前进方向相同的称为前张力，而与轧件前进方向相反的称为后张力。4.1.3冷轧带钢生产工艺——轧制张力第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造15

轧辊位置补偿之后的带钢轧出厚度偏差：

4.1.3冷轧带钢生产工艺——厚度控制第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造16板形的表示方法常用的有相对长度差法和波形表示法。相对长度差法：取一段标准长度带钢，沿宽度切成若干纵条，用最短和最长纵条之间相对长度差大小表示板形状态：

由于冷轧带材要求的板形精度比较高，通常用相对长度差表示。

4.1.3冷轧带钢生产工艺——板形控制第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造17一个测量区测量传感器正弯辊负弯辊4.1.3冷轧带钢生产工艺——板形控制第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18润滑和冷却冷轧过程中，金属变形和金属与轧辊之间的摩擦产生热量使轧辊和轧件温度升高，会使工作辊表面淬火层硬度下降，并有可能使淬火层的残余奥氏体分解而产生附加应力，造成辊面裂纹；轧辊受热温度不均会造成原始辊型破坏，影响板形，因此必须对轧辊和轧件进行工艺冷却和润滑。另外，润滑降低了轧制力，也保证了带钢表面质量；减少了轧辊磨损，提高了轧辊寿命。乳化液型直接应用型直接采用矿物油、动物油和植物油、合成脂将矿物油、动物油或合成脂与脱盐水按一定比例混合轧制油某厂五机架冷连轧机乳化液系统喷嘴布置4.1.3冷轧带钢生产工艺——润滑和冷却第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造194.1.4型钢轧制生产工艺连续式大型型钢轧机连续轧制多品种小批量轧机布置为横列式生产方式产品特点表面质量和性能均匀连续式或半连续式带万能机架承载能力大、截面稳定性好断面尺寸的精度高自动化生产型钢轧制是一种钢轧制方法，可用于型钢轧制或开坯。我国热轧H型钢的生产量从1999年的11.31万t，逐年大幅度增长，从已投产和即将建成的生产线来看，总产能达到1300万t以上，产品规格覆盖大、中、小，最大设计规格为HN900mm×300mm。同时，随着数值计算的不断发展，数值模拟在H型钢轧制过程中的应用也越来越广泛。第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造20表面质量机械性能尺寸精度020301型材机械性能主要受钢水纯净度、化学成分的波动及轧后的热处理工艺等因素影响。简单断面只要求公称尺寸精度，而复杂断面不仅要求公称尺寸精度，还要求断面形状完美性。热轧型钢不允许有过多氧化铁皮及裂纹；冷弯型钢不允许有气泡、裂纹、结疤、折叠、夹杂以及压入的氧化铁皮，也可按需指定表面要求。4.1.4型钢轧制生产工艺第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造21简单断面型钢用孔型法轧制，复杂断面型钢用万能法轧制。热轧钢坯头尾相接，可减少切头和轧废，轧制参数稳定。无头轧制连续式合金钢棒材轧机，根据钢种需要调节粗轧机速度。脱头轧制通过控制轧制工艺参数，进而控制钢材组织性能。控制轧制用特殊轧辊孔型和导卫装置将轧件纵向切分一次多根。切分轧制钢坯温度低于常规加热温度，可以节约能源，降低成本。低温轧制二次加热炉去氧化皮机粗轧机精轧过渡轧机精轧折边轧机终轧机矫直机冷床热轧H钢工艺4.1.4型钢轧制生产工艺第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造224.1.5钢管轧制生产工艺钢管轧制生产工艺斜轧法（孟内斯曼法）挤压法生产工艺产品特点优异的耐腐蚀性良好的结构强度耐久性优良应用范围广钢管轧制是指通过一系列的轧制工艺，将金属坯料加工成各种规格和形状的钢管的过程。钢管轧制是冶金工业中的重要生产工艺，广泛应用于石油、天然气、建筑、机械、汽车、船舶等领域。采用合适的加热方式，如火焰加热、电感应加热等，确保加热均匀、快速。对加热温度进行精确控制，避免温度过高或过低影响轧制效果。第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造23热轧无缝钢管生产根据穿孔和轧管方法以及制管的材质不同，可选用圆形、方形或多边形断面的轧坯、锻坯、钢锭或连铸坯为原料。有时还采用离心铸造或旋转连铸的空心管坯。4.1.5钢管轧制生产工艺钢管分类用途断面形状连接方式材质生产方式第4章轧制成形技术4.1轧制生产工艺简介战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造244.1.5钢管轧制生产工艺轧前准备检查、清理、切断、定心或定型等工序加热提高管坯的塑性，降低变形抗力定心防止穿孔时壁厚不均，一般采用热定心穿孔将实心管坯穿制成空心毛管轧制消除壁厚不均，提高荒管内外表面质量THANKS《先进成形与智能技术》战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS第1章题目第2章题目第3章题目第4章轧制成形技术第5章题目第6章题目第7章题目第8章题目第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.1轧制变形区及其参数战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1纵轧过程就是金属在两个旋转方向相反的轧辊之间通过，并在其间产生塑性变形的过程。在纵轧时塑性变形并非在轧件的整个长度上同时产生，在任一瞬间变形仅产生在轧辊附近的局部区域内，轧件中处于变形阶段的这一区域称为变形区。示意图实物图纵轧过程几何变形区图示第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.1轧制变形区及其参数战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2变形区的基本组成部分是由轧辊和轧件的接触弧及出、入口断面所限定的区域(图4-3中阴影部分)，该区域称为几何变形区。

将接触弧的弦长作为变形区长度

轧辊直径一定

轧辊直径越大

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.2咬入条件及轧制过程的建立战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3轧辊和轧件相互作用的矛盾运动过程是从轧辊咬入轧件开始的。轧辊咬入轧件的实现，接触摩擦起决定的作用。咬入时轧件受力图示

欲使轧辊能自由咬入金属(不对金属施加其他的外力)必须使摩擦系数大于咬入角的正切，或若说，必须使摩擦角大于咬入角。第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.2咬入条件及轧制过程的建立战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4咬入时轧件受力图示欲使轧辊咬入轧件必须使切向摩擦力T的水平分量大于正压力N的水平分量，即满足条件

咬入条件变形：

为咬入摩擦系数

为咬入时的摩擦角

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.2咬入条件及轧制过程的建立战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5在轧辊咬入轧件后，随着轧辊的转动金属被咬入辊缝(变形区)内，在高度方向上被压缩，金属要向纵向及横向流动。随着轧制过程的发展，轧件前端走出出口断面，轧制过程便达到稳定轧制阶段。这时合力作用角将最终减到最小值，而前滑区将相对增至最大值，轧制过程更趋稳定。当咬入角大于摩擦角实现咬入的措施减小咬入角，在轧辊直径给定的条件下，减小绝对压下量𝛥ℎ。增大摩擦系数，在轧辊上刻痕或焊痕以增大摩擦系数。在轧件上加推力，实行强迫咬入。增大摩擦系数原因强化轧制过程，提高各轧制道次的压下量在轧辊上刻痕或焊痕为了减小摩擦系数为了减小轧辊磨损和提高轧材表面质量咬入角的大小不是限制轧制过程强化的因素因此第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.3中性角的确定战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6中性角是决定变形区内金属相对轧辊的运动速度的一个参量。变形区内金属流动速度变化若不计轧件的宽度，则在变形区内之任一横断面上，金属沿断面高度的平均流动速度：

轧辊圆周速度的水平分量：

为轧辊的圆周速度

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.3中性角的确定战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7变形区内金属流动速度变化

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.3中性角的确定战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8变形区内金属流动速度变化

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.4稳定轧制条件战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9当阻碍轧件前进的水平阻力增大(如后张力增大)或使拽引轧件进入辊缝的水平作用力减小(如摩擦系数减小)时，前滑区将部分地转化为后滑区，而使拽引轧件前进的摩擦力的水平分量增大，使轧制过程得以在新的平衡状态下继续进行。稳定轧制条件对摩擦力的要求比咬入条件低。这就是为什么在不能自由咬入时，实行强迫咬入后轧制过程往往得以稳定进行的原因所在。稳定轧制过程的极限条件为：

稳定轧制条件为：

前滑区摩擦力后前滑区摩擦力性质阻力主动作用力轧辊通过后滑区摩擦力的作用将运动传给轧件实现轧制过程，但对于稳定地实现轧制过程来讲，前滑区又是不可缺少的作用第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.5前滑和后滑的计算战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10用冲子在轧辊表面上打出两个小坑，如果将冲坑的距离视为l，则轧制时留在轧件表面上的两个冲坑印痕之间的距离即为I1。轧件的出口速度高于轧辊圆周速度的现象称为的前滑。在轧制理论中，通常用轧件的出口速度与轧辊圆周速度之差同轧辊圆周速度的比值作为前滑系数：用印痕法测定前滑

轧件的入口速度小于入口断面上的轧辊圆周速度的水平分量的现象称为后滑。通常用入口断面上的轧辊圆周速度的水平分量与轧件入口速度之差同入口断面上的轧辊圆周速度的水平分量的比值作为后滑系数：

第4章轧制成形技术4.2轧制原理基础§4.2.5前滑和后滑的计算战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11正确地计算前滑的数值对确定连轧机的速度制度具有重大的意义。从理论上来讲，前滑决定于中性角的大小和轧件的高度。忽略宽展，根据秒流量相等的条件有如下等式

THANKS《先进成形与智能技术》战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS第1章题目第2章题目第3章题目第4章轧制成形技术第5章题目第6章题目第7章题目第8章题目第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1加工硬化轧件材料化学成分轧制温度和速度影响因素计算方法奥洛万方程卡尔曼方程采利柯夫方程Bland-Ford公式轧件厚度及宽度轧制压力是指辊加于轧件使之产生塑性变形的力。但通常把轧件作用于轧辊上（作用力与反作用力）并通过压下螺丝传递给机架的力称为轧制压力，即是轧件加于轧辊的反作用力的垂直分量。轧制压力在我国习惯称为轧制力或轧制总压力。Sims公式Stone公式摩擦系数绝对压下量纵轧示意图4.3轧制压力的计算§4.3.1轧制压力的概念第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造24.3轧制压力的计算§4.3.1轧制压力的概念描述：适于单机架简单变形轧制，平面变形第一个里程碑（20世纪20-40年代）第二个里程碑（20世纪60-80年代）第一个里程碑（20世纪80年代以后）第一个里程碑（20世纪90年代以后）特征：基于力平衡标志：卡尔曼方程特征：基于能量原理标志：各种能量法特征：数值模拟标志：有限元方法特征：智能轧制标志：ANN/ES/FC描述：出现连轧，要求高精度数模描述：伴随计算机软硬件快速发展描述：信息化技术大规模普及应用轧制理论发展的四个里程碑第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3轧制压力横向分布直接影响轧辊的弹性变形和轧件板形，同时还影响轧辊的磨损和使用寿命。分析轧制压力横向分布的影响规律是建立板形(板凸度)控制模型的前提。轧制压力横向分布较精确的数值计算方法为有限元法。其计算精度高，但耗时大，不能在实时控制系统中采用。4.3轧制压力的计算§4.3.1轧制压力的概念有限元法在复合板轧制过程的应用①为了计算轧辊和轧机其他各个部件的强度，及校核和选择电动机负荷，正确制定压下工艺规程，需要计算轧制压力。②钢板生产中为了实现板厚和板形的自动控制，需要计算轧制压力。③为了充分发挥轧机的生产潜力，提高轧机的生产率，以及利用计算机实现轧制生产过程自动化，需要计算轧制压力。确定轧制压力在生产实践中有着重要的意义：第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.2卡尔曼单位压力微分方程战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4卡尔曼微分方程式的假设条件①变形区内沿轧件横断面高度上的各点的金属流动速度、应力及变形均匀分布

③轧制时轧件高向、纵向和横向的变形都与主应力方向一致，忽略了切应力的影响④金属质点在变形过程中，性质处处相同⑤上下轧辊辊径相等并做匀速运动，无惯性力，轧辊和机架为刚体，不产生弹性变形

卡尔曼单位压力微分方程，是建立在以数学-力学理论的基础上，在一定的假设条件下，在变形区内任取一微分体，分析作用在此微分体上的各种作用力，根据力平衡条件将各力通过微分平衡方程联系起来，运用塑性方程、接触弧方程、摩擦规律及边界条件来建立单位压力微分方程并求解。第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.2卡尔曼单位压力微分方程战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5图4-7变形区内任意微分体上受力情况

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.2卡尔曼单位压力微分方程战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6

式中，“+”号代表后滑区；“-”号代表前滑区。

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.2卡尔曼单位压力微分方程战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7

根据假设1、2、3，得到塑性条件为

卡尔曼单位压力微分方程式的一般形式求解吋，需要对接触弧方程根据变形特点都设法加以简化。常用的有下列几种假设：①轧制时，轧辊产生弹性压扁，使变形区长度增长，常近似地认为按触弧为平板压缩。②轧制薄板时，可将圆弧看成直线。③接触弧用抛物线代替圆弧。④采用圆弧方程，但改用极坐标，以利求解。第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.3采利柯夫单位压力公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8采利柯夫("A.И.Целиков")解单位压力卡尔曼微分方程时，假设接触弧上轧件与轧辊间近似于完全滑动，在此条件下，变形区内接触弧上的摩擦条件基本服从干摩擦定律(库仑定律)

接触弧方程近似地采用直线，以弦代弧，如图所示。边界条件采用轧制时带有前后张力，且K值在进出口处相等。

代入库仑定律图4-8中，设经过A、B两点的直线方程为：

第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.3采利柯夫单位压力公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9

微分

代入

并整理

利用边界条件写出边界方程：

在后滑区入口处：在前滑区入口处：将边界方程分别代入公式(4-67)，得出积分常数C值

后滑区：前滑区：第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.3采利柯夫单位压力公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10

不考虑前后张力时：

根据单位压力公式可得到在接触弧上单位压力的分布是不均匀的，由轧件入口开始向中性面逐渐增加，并达到最大值，然后降低，到出口处降到最低。在接触弧的单位压力分布公式可以看出，影响单位压力的主要因素有外摩擦系数、轧辊直径、轧件厚度、压下量及轧件在进出口处所受张力大小等。第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.3采利柯夫单位压力公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11

轧辊直径对单位压力的影响如图所示，轧辊直径增加，变形区长度/也增大，单位压力相应增加。第4章轧制成形技术4.2轧制压力计算§4.3.3采利柯夫单位压力公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造12

反映了一系列工艺因素对单位压力的影响没有考虑金属材料在变形过程中的加工硬化现象的影响在变形区内没有考虑黏着区的存在直线代替圆弧的接触弧方程只有对冷轧薄板时比较接近采利柯夫公式应用在冷轧薄板情况下比较准确第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.4勃兰特-福特(Bland-Ford)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13勃兰特-福特在推导轧制压力公式时假设轧件的宽度较大(可忽略宽展)。接触表面产生干摩擦滑动，摩擦力τ=μpx，摩擦系数不变轧件在变形区内产生均匀压缩，变形区中的垂直横断面在变形过程中保持为平面，即认为σx、σy为主应力(有σy≈px)，σx沿断面高度均匀分布第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.4勃兰特-福特(Bland-Ford)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造14根据卡尔曼微分方程式，有

于是变为

则积分

式中右侧括号内的正负号，对于后滑区取负，对于前滑区取正。第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.4勃兰特-福特(Bland-Ford)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造15根据边界条件确定积分常数c：在入口断面上

在出口断面上

对于后滑区对于前滑区

第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.4勃兰特-福特(Bland-Ford)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造16金属作用在轧辊上的总压力可表示为

令

则

式中此式即为勃兰特-福特的带张力的轧制压力公式。第4章轧制成形技术4.3轧制压力计算§4.3.4勃兰特-福特(Bland-Ford)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造17

由

因此

最后勃兰特-福特的带张力的轧制压力公式可表示为

当没有前、后张力时，单位压力为:

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.5西姆斯(R.B.Sims)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18

奥罗万理论作用在微分体上的力第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.5西姆斯(R.B.Sims)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造19

西姆斯公式是根据奥洛万微分方程式导出的。西姆斯假设整个接触弧均为粘着区，摩擦力为。根据奥洛万的理论，水平法应力沿断面高度的分布不是均匀的，在变形区内金属的相邻部分间的水平作用力Q。为简化奥洛万微分方程式，令:

于是有：第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.5西姆斯(R.B.Sims)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造20

将Q值代入上式中得到：

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.5西姆斯(R.B.Sims)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造21

由上式求解轧制力，积分后求得应力状态系数：前滑区后滑区

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.6斯通(M.D.Stone)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造22斯通在研究冷轧薄板的平均单位压力计算问题时，考虑到轧辊直径与板厚之比甚大，另外由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生显著的弹性压扁现象，近似地将薄板的冷轧过程看作为平行平板间的压缩。同时，假设接触表面上的摩擦力符合干摩擦定律：

可利用近似平衡微分方程式求解接触表面上的单位压力

假定在轧件的入口和出口断面上作用有平均水平法应力(张力)：

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.6斯通(M.D.Stone)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造23计算冷轧薄板的平均单位压力时，考虑到轧辊直径与板厚之比甚大，另外由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生显著的弹性压扁现象，近似地将薄板的冷轧过程看作为平行平板间的压缩。薄带轧制接触变形区力学图示

求得如下的单位压力公式：

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.6斯通(M.D.Stone)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造24由此可得平均单位压力：

根据接触弧长的希区柯克公式，有：

得：

令：第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.6斯通(M.D.Stone)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造25

第4章轧制成形技术4.3轧制压力的计算§4.3.6斯通(M.D.Stone)公式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造26两曲线相互远离时，轧件不可轧，轧制条件改变使两条曲线逐渐靠近时，存在一个临界条件：两曲线相切且接触变形区长度曲线(此时变为直线)与横轴交点为0。轧辊所能提供的最大平均单位压力恰好能提供满足接触变形区长度无限接近于零时所需的平均单位压力条件。利用切点处斜率相等，有即Stone最小可轧厚度表达式，最小可轧厚度与轧辊直径、轧辊弹性模量、摩擦系数、轧件屈服极限及平均张应力有关。Stone最小可轧厚度公式常用来为已有轧机确定产品规格范围和为设计轧机时确定轧辊直径和力能参数提供理论指导。

THANKS《先进成形与智能技术》战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS第1章题目第2章题目第3章题目第4章轧制成形技术第5章题目第6章题目第7章题目第8章题目第4章轧制成形技术4.4轧制成形技术的发展趋势战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1轧制是高端产品的重要基础原材料，是国家高制造能力的标准之一广泛应用于航空航天、军工、化工等领域，国家重大工程的重要支撑极薄带特种轧制技术复合板轧制成形技术连铸连轧技术第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2极薄带:厚度0.001~0.1mm范围内的金属带材广泛应用于微制造、微电子等高技术领域第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3极薄带特种轧制技术

极薄带电致塑性轧制技术极薄带超声辅助轧制技术极薄带深冷轧制技术电致塑性效应作用机理：焦耳热效应、电子风效应和磁效应超声能场在塑性成形过程中表现出“体积效应”和“表面效应”深冷轧制抑制动态回复，形成亚微晶或超细晶粒材料第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带电致塑性轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4脉冲电流辅助轧制示意图极薄带电致塑性轧制脉冲电流集成到多辊轧机工作辊选用陶瓷辊存在问题加工硬化严重各向异性明显残余应力大部分浪形无法消除第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带电致塑性轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5焦耳热效应电子风效应磁效应脉冲电流能够使得材料温度升高，原子振动及扩散能力增强，促进再结晶效应，加工硬化减弱，使金属材料塑性提高金属加载电流之后，定向移动的漂流电子在电场的作用下对位错产生附加推力，促进位错的攀移，提高金属塑性，降低变形抗力加载电流时激发的磁场对材料性能的影响，主要为集肤效应、磁压缩效应及磁场与位错间的交互作用三个方面第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带超声辅助轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造超声能场辅助轧制极薄带示意图极薄带超声辅助轧制技术：超声能场集成到极薄带轧制过程抗弯曲疲劳强度低二次成形变形严重表面耐腐蚀能力弱存在问题效果改善表面粗糙度提高金属的塑形变形能力细化晶粒降低残余应力6第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带超声辅助轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造极薄带超声辅助轧制技术：超声能场集成到极薄带轧制过程7超声能场辅助轧制装置体积效应表面效应提高金属塑性变形能力改善表面粗糙度提升提升超声不锈钢精密极薄带放卷装置收卷装置超声辅助轧制装置第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带深冷轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8深冷轧制示意图低温条件抑制动态回复改变金属材料塑性变形环境晶粒细化效率提高与室温轧制、热轧相比可实现工业化应用第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带异步轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9极薄带异步轧制示意图极薄带异步轧制技术：一种速度不对等轧制，上下工作辊表面线速度不等，以降低轧制力同步轧制异步轧制变形区主要分为两个部分，分别为前滑区和后滑区变形区内还存在一个搓轧区，在搓轧区，减少了外摩擦所形成的水平压力对变形的阻碍作用，使轧件处于剪切应力状态，降低轧制力、改善变形条件并提高轧制精度第4章轧制成形技术4.4.1极薄带特种轧制技术(极薄带异步轧制技术)战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10异步轧制同步轧制对比减少了阻碍作用降低轧制力改善变形条件提高轧制精度极薄带异步轧制技术：一种速度不对等轧制，上下工作辊表面线速度不等，以降低轧制力与同步轧制相比，在相同压下率下，异步轧制可获得更高的等效应变，从而起到细化晶粒的作用。第4章轧制成形技术4.4.2复合板轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2航天填海造岛航空海洋工程化工BA耐腐蚀抗氧化轻质比强度高减震降噪复合板是高端产品的重要基础原材料广泛应用于航空航天、军工、化工等领域11第4章轧制成形技术4.4.2复合板轧制成形技术（复合板波纹辊轧制技术）战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造12复合板波纹辊轧制示意图基于波纹辊特殊辊型曲线形成局部强应力作用，有助于提高异种金属的变形协调性和复合强度波纹轧制复合工艺界面示意图传统平轧与波纹轧制的板形第4章轧制成形技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13局部强应力作用可再次促进两金属的结合增强了界面“破裂与嵌入”的能力，提高界面结合率和结合性能促进变形