轧制过程的基本概念.docx

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轧制过程的基本概念

14轧制过程的基本概念

轧制过程是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形的过程，通过轧制使金属具有一定的尺寸、形状和性能。

为了建立轧制过程的基本概念，就必须研究轧制过程中所发生的基本现象和建立轧制过程的条件。

这是本章所要讨论的主要内容。

14.1变形区主要参数

虽然我们在生产实践中遇到不同的轧辊组合方式，但实际上金属承受压下而产生塑性变形是在一对工作轧辊中进行的。

除了一些特殊辊系结构形式（如行星式轧机、Y形轧机）外，均系在一对轧辊间轧制的简单情况，一般都以此做为研究轧制过程的开端。

图14−1表示简单轧制过程图示。

所谓简单轧制过程，即上下轧辊直径相同、转速相等，轧辊无切槽，均为传动辊，无外加张力或推力，轧辊为刚性的。

参照（1−7）式，轧制时绝对变形量（压下、延伸、宽展）分别用下式表示

式中h、H——轧件轧后、轧前高度；

、

——轧件轧后、轧前长度；

、

——轧件轧后、轧前宽度。

相对变形量，参照（1−8）、（1−9）式。

根据体积不变条件，轧制时也可得到与（1−10）和（1−11）式同样的表示各向变形系数的关系式

或

由上面的式子可知，由一个主变形方向压下来的金属，按着不同的比例分配到另外两个主变形方向上去，亦即轧制时在一定压下量情况下将会得到一定的延伸量和宽展量。

如果以

表示轧件在轧前的横断面积，而

为轧后的横断面积，根据体积不变条件，参照（1−14）式，则

（14−1）

在轧制生产中，坯料一般要经过若干道次轧制才能得到成品，延伸系数则可分为总延伸系数和道次延伸系数。

如轧制n道次，各道次轧前轧件横断面积为

…………

从上式可得

∙∙∙∙∙∙

（14−2）

式中

、

——轧前、轧后轧件横断面积；

、

、……

——1~（n－1）道次轧件轧后之横断面积；

、

、……

——1~n道次的延伸系数。

由（14−2）式可得

如果设

为轧件轧制n道次后的轧制总延伸系数，则

（14−3）

由此可知，总延伸系数为各道次延伸系数之乘积。

轧板时，由于宽展甚小可以忽略不计，故常常用压下系数来表示变形程度，而且一般常用相对变形或压下率表示。

此时，第1道次至n道次，各道次的压下率为

……

而积累压下率

为

式中

——轧前轧件高度；

、

、……

——1~n道次轧后的轧件高度；

、

、……

——1~n道次的压下率；

——1~n道次的积累压下率。

积累压下率与道次压下率之关系为

……

（14−4）

如果将上式稍加改写这个结论就很容易明白了，即

简化后左右两边相等，为

如图（14−1）所示，咬入角

是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心连线与轧辊中心线所构成的圆心角。

现在我们来求咬入角

，轧辊直径D和压下量

的关系。

由图14−1可以得出

式中

——轧辊半径。

但是

代入，得出

（14−5）

或为

（14−6）

如果上面三值中二者为已知，则其余一值能够迅速地按式（14−6）求得。

例如，D=460mm△h=29mm时，由公式可求出

=20°20'。

又如，D=165mm、

=5°时，由公式可求得△h=0.627mm。

根据几何关系，接触弧长s为

（14−7）

接触弧之水平投影叫做变形区长度l（图14−1）。

由图得

或

而

故得

最后得出

（14−8）

如果忽略

，则l可近似用下式表示之

（14−9）

几何变形区在图14−1中以ABCD表示之。

14.2实现轧制过程的条件

14.2.1咬入条件

在生产实践中可以发现，有时轧制很顺利，但也有时压下量大了，轧件就轧不入。

轧件轧不入，一般称不能咬入。

轧制过程是否能建立，决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。

因此，研究分析轧辊咬入轧件的条件，具有非常重要的实际意义。

1）轧件与轧辊接触时，轧辊对轧件的作用力如图14−2所示，当轧件接触到旋转的轧辊时，在接触点（实际上是一条沿辊身长度的线）上轧件以一力P压向轧辊。

因此，旋转的轧辊即以与作用力P大小相同方反的力作用到轧件上，同时旋转的轧辊与轧件之间有摩擦力T。

对轧件来说，受有P及T两个力的作用；P力的方向是径向的正压力；T力是摩擦力，与轧辊旋转方向一致，是切线方向的，与P力垂直。

按阿蒙顿−库伦定律，摩擦系数f为

亦即

（14−10）

2）轧件被轧辊咬入的条件由轧件受力图（图14−3）可以看出，力P是外推力，而T是拉入力，能否咬入则由它们谁占优势来决定。

可以把P和T分解成水平方向的分力

和

，垂直方向的分力

和

（图14−3b、c）。

垂直分力

和

是压缩轧件的，使轧件产生塑性变形，轧件才可咬入。

图14−2咬入时轧件受力分析

图14−3P和T力的分解

水平分力

和

直接影响咬入。

显然，当

大于

时，咬不进。

当

小于

时，能够咬入。

所以，

=

是咬入的临界条件。

由上图可知

当

=

时，则为

改写成

且由（14−10）式，所以

（14−11）

它是临界条件的另一种表现形式。

这个公式说明，咬入角

的正切等于轧件与轧辊之间的摩擦系数f时，是咬入的临界条件，当

时，能咬入，如果

时，则不能咬入。

根据物理概念，摩擦系数可以用摩擦角来表示，亦即摩擦角β的正切就是摩擦系数f，

将此式代入（14−11）式，得

或

（14−12）

即轧制过程之咬入条件为摩擦角β大于咬入角

。

如果用图表示，当β＞α时，合力R的方向已向轧制方向α

根据（14−6）式，压下量△h和轧辊直径D、咬入角

有关。

当式中轧辊直径D为常数式（D=C），则

αψ

根据上式，在辊径不变情况下，若增加咬入角

，压下量△h便增加。

而

的增加又受摩擦角的限制，故欲使

增加以提高压下量，必须增大摩擦，例如在初轧机轧辊上刻痕迹或冷轧开坯不用润滑就是这个道理。

图14−4咬入条件

根据

（即

为常值），则在相同摩擦条件下，增加辊径是改善咬入的一个好办法。

如

为常值，随D增加，

减少，有利咬入。

应指出，在咬入过程中，金属和轧辊的接触表面，一直是连续地增加的。

因此，随着金属逐渐地进入辊隙，轧制压力P及摩擦力T已不作用在

处，而是逐渐向着变形区的出口方向移动，对轧件作受力分析如下我们用

表示轧件咬入后其前端与中心线所成的夹角（图14−5）。

按照轧件进入轧辊的程度，

一直是在减小。

开始咬入时

在金属完全充满辊隙后

。

随着金属逐渐充填变形区，合力P的作用角由原来的

变成

角，如设压力沿接触弧分布均匀，则

角的大小为

即

（14−13）

显然，随

由

变至0，

将由

变化至

/2。

当

时，为金属开始咬入；而当

.时，金属充填整个变形区，此时一般称做轧制过程建成。

在金属进入到变形区中某一中间位置时，

与

之水平力亦在不断变化，随着

减小，

增加，

减小，水平轧入力比水平推出力越来越大，这说明咬入比开始容易。

金属充满轧辊后，继续进行轧制的条件仍然应当是水平轧入力

大于水平推出力

，

。

如图14−6所示，此时

那么，

可写为

图14−5金属进入变形区情况

图14−6建成过程咬入条件

或

亦即

由此得出

（14−14）

可见，按照金属进入轧辊的程度，咬入条件向有利的一方面转化，亦即最初轧入时，所需摩擦条件最高，随轧件逐渐进入轧辊，越易咬入

开始咬入时的咬入条件为

，而建成过程则为

。

如果以通式表示，可写成

下式

（14−15）

开始咬入时，

，而建成过程

。

14.2.2轧制过程的变形、运动学、力学条件

轧件咬入后，发生塑性变形。

对其变形情况可从平板压缩分析开始。

当平板压缩时，金属向两个方向变形，并以其垂直对称线做分界线（图14−7a）。

如果压缩时，工具平面不平行（图14−7b所示），由于工具形状的影响，金属容易向AB方向流动，因此它的分界线（或称中性线、中性面）便偏向CD一侧。

轧制时的情况与此相类似，金属向入口侧流动容易，向出口侧流动较少，其中性面偏向出口侧。

中性面对应的圆心角叫中性角，通常以γ表示之（图14−7c）。

金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧流动形成前滑，向两侧流动形成宽展。

由于工具形状沿轧制方向是圆弧面，沿宽度方向为平面工具，而变形区长度l一般总小于轧件宽度B，所以沿轧制方向受较

图14−7金属变形图示

小的阻力使金属向宽度方向流动少，向延伸方向流的多。

当金属由轧前高度H轧到轧后高度h时，由于进入变形区高度逐渐减小，根据体积不变条件，变形区内金属全部质点运动速度不可能一样。

各金属质点之间以及金属表面质点与工具表面质点之间就可能产生相对运动。

设轧件无宽展，且轧件沿每一高度断面上质点变形均匀，其运动之水平速度一样（图14−8）。

显然，在这种情况下，根据体积不变条件，轧件在前滑区相对于轧辊来说，超前于轧辊，而且在出口处之速度

为最大，在后滑区落后于轧辊，并在入口处之速度

为最小，在中性面上轧件与轧辊的水平速度相等，并以

表示之。

由此得出

（14−16）

而且轧件出口速度

大于轧辊圆周速度

，即

（14−17）

轧件入口速度小于轧辊水平速度，在入口处轧辊水平分速度为

，则

（14−18）

中性面处轧件之水平速度与此处轧辊之水平速度相等，它等于

（14−19）

图14−9轧制力学图示

图14−10水平轧制力平衡图

图14−8轧制过程速度图示

变形区任意一点轧件的水平速度可以用体积不变条件计算，如果忽略宽展，就可得出

下式

（14−20）

式中

、

——变形区内任一点处轧件断面高度及其水平速度；

——中性面处轧件高度。

研究轧制运动学条件有很大的实际意义。

例如在连续式轧机上，如欲保持两机架间张力不变，很重要的条件就是要维持前机架轧件出口速度和后机架轧件入口速度相等并保持不变，这也就是通常称之为“秒流量体积不变”条件。

如以公式表达，则

……

（14−21）

式中

、

、

——轧件轧后宽度、高度和速度；

——秒流量体积；

——常数

下角标1、2……——连轧机座号

为了讨论轧件与轧辊接触区间力的作用情况，首先研究接触区内任一微分弧长上作用之力（图14−9），它与轧制中心线之夹角为

，在其上作用着正压力及摩擦力。

摩擦力的作用方向取决于该微分长度在变形区中的位置。

在后滑区其作用方向与前滑区者相反。

如摩擦力遵守阿蒙顿—库伦定律，根据（14−10）式可写为

式中

——轧制单位压力；

——单位摩擦力。

设上图中的单位压力

及单位摩擦力

沿接触弧其值不变，在前滑区和后滑区内任一点上力的作用情况在图中已经表示出来。

例如在后滑区，

与

可用合力

表示之，如

把分解为水平分量

，垂直分量

，那么显然，

之水平分量

起着把轧件拉入轧辊的作用，而其垂直分量

则压缩金属使之产生塑性变形。

当轧件咬入，完全进行变形区时根据沿接触区p及t之值不变的假设，则p之合力P作用在接触弧的中点即α/2处。

而摩擦力之合力因在前滑、后滑区之方向不同，应分别用T2和T1（图14−10）。

根据力平衡条件，在无外力作用下，轧制作用力的水平分量之和为零，即

如图14−10所示

（14−22）

式中

——后滑区水平摩擦力之和；

——正压力的水平分量之和；

——前滑区水平摩擦力之和。

根据上面p、t沿接触弧均匀分布的假设，