轧制理论与工艺RollingTheoryandTechnology陈泽军Tel：023-65111547E-Mail：zjchen@cqu.edu.cn重庆大学材料科学与工程学院材料加工工程系轧制过程基本概念Basictheoriesofrollingprocess**轧制过程轧制过程：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，需要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。**轧制示意图**轧制过程基本概念简单轧制变形区主要参数实现轧制过程的条件最大压下量的计算及改善咬入的措施三种典型的轧制情况**简单轧制（1）两个轧辊都驱动；（2）两个轧辊直径相同，且为刚性辊；（3）两个轧辊转速相同；（4）被轧金属作等速运动；（5）被轧金属上除轧辊施加带力外，无任何其它作用力。（6）被轧金属的机械性质上均匀的。**非简单轧制（1）单辊传动。 （2）有附加外力，张力或推力。 （3）轧制速度在一道次内变化。 （4）轧辊直径不相等。（5）轧辊转速不相等。 （6）孔型中轧制等等。**轧制变形区轧制变形区：轧件承受轧辊作用发生变形的部分称为轧制变形区。变形区由两部分组成：几何变形区：直接承受轧辊作用发生变形的部分。物理变形区：在非直接承受轧辊作用，仅由于几何变形区的影响，发生变形的部分，亦称变形消失区。**轧制变形
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示方法轧制绝对变形量压下量Δh=H-h延伸量ΔL=Lh-LH宽展量ΔB=Bh-BH**轧制变形表示方法轧制相对变形量**轧制变形表示方法在体积不变条件下，存在下面关系式：一个主变形方向压下的金属，按着不同的比例分配到另外两个主变形方向。轧制时在一定压下量情况下会得到一定的延伸量和宽展量。（一般相对变形）（真变形）（延伸系数）（宽展系数）（压下系数）**延伸系数延伸系数μ如果以FH表示轧前横断面积，Fh为轧后横断面积，根据体积不变条件有：**道次延伸系数轧制n个道次，各道次的轧前横断面积为总延伸系数**压下率在轧板时，一般宽展很小，可以忽略不计。常用压下系数来表示变形程度，而且一般采用相对变形或压下率来表示。积累压下率为**积累压下率与道次压下率积累压下率与道次压下率的关系上式改成：**变形速度变形速度对变形金属的性能有较大的影响，了解变形速度的概念，以及如何确定各种加工过程中的平均变形速度具有重要意义。变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说，应变对时间的变化率。**变形速度在实际应用中，通常用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。例如：锻压和轧制，用高度方向的变形速度表示，即：上式看出，工具的运动速度与变形速度是两个不同性质的概念。变形速度与工具瞬间移动速度vz成正比，同时与变形体的瞬时厚度hx成反比。**变形速度锻压：**变形速度轧制：如果接触弧中点压下速度等于平均压下速度则：S.Ekelund公式**变形速度轧制箔材时，由于压下量小，因此，H和h较为接近。S.Ekelund公式**变形速度对于复杂断面的轧制来说，按下式来计算：——轧制前后的断面积——平均压下量和轧辊平均工作半径**变形速度拉拔——平均拉拔速度，通常。**轧制变形区主要参数咬入角定义：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。**咬入角的求法由图知：**压下量、咬入角和轧辊直径之间的关系当轧辊直径D一定时，增加咬入角α，压下量Δh便可增加。**压下量、咬入角和轧辊直径之间的关系当咬入角α为常数时，压下量Δh与轧辊直径D成正比。**压下量、咬入角和轧辊直径之间的关系若压下量Δh为常数，增加轧辊直径D时，咬入角α要减小。**咬入角的求法在咬入角比较小的情况下，由于代入得**接触弧长与弦长接触弧长接触弧的对应的弦长AB。∽**变形区长度l接触弧的水平投影叫做变形区长度。或在中，**实现轧制过程的条件咬入条件：轧制过程是否能够建立，决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。意义：制定合理轧制规程，提高生产效率。保证产品质量；**摩擦力、摩擦系数、摩擦角物体下滑的分力摩擦阻力当时，得摩擦角的正切等于摩擦系数。**轧件受力分析轧件受到的力：径向正压力摩擦力即：**咬入条件力的分解**咬入条件分析水平分力为Px和Tx。当Px>Tx时，不能咬入。当Px
内容
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：（1）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；（2）在几何变形区内，在轧件和轧辊接触表面上，不但有相对滑动，而且还有粘着（轧件与轧辊间无相对滑动）。（3）变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变形区外，其变形分布都是不均匀的。这样把变形区分成变形过渡区、前滑区、后滑区和粘着区。（4）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。**轧制变形区轧制变形区1—易变形区；2—难变形区；3—自由变形区**轧制过程运动学条件设轧件无宽展变形区任意一点的水平速度**研究轧制运动学条件的意义在连轧机中，要保持机架间张力不变，很重要的条件就是要维持前机架出口速度和后机架入口速度相等并保持不变，也称为“秒流量体积不变”。轧件轧后的宽度、高度和速度；秒流量体积；为常数；下角标1、2、—连轧机的机座号；**轧制过程力分析轧辊给轧件的力正压力和摩擦力摩擦力的方向取决于变形区的位置。P与t的合力R。水平分力Rx把轧件拉入轧辊；垂直分力Ry使金属压缩产生塑性变形。**轧制过程力学条件假设变形接触区内p和t值不变，则合力P作用点在α/2处，摩擦力用T1和T2表示。轧制力水平分量之和为零。T1x、T2x—后滑区和前滑区水平摩擦力之和。Px—正压力水平分力之和。**轧制的四个条件运动学变形条件：（中性面、前滑、后滑、宽展）力学条件：咬入条件：**特征角之间的关系根据变形接触区内p和t均匀分布的假设，则：巴普洛夫公式**特征角之间的关系抛物线**轧制时的摩擦影响摩擦的因素：工具表面状态变形金属的表面状态变形金属和工具的化学成分接触面上的单位压力变形温度、变形速度、压下率润滑剂轧制变形区几何参数（l/h）轧辊直径**轧制时的摩擦轧制时的影响因素很难个别地、精确地确定它们的影响，同时在变形时，因各种条件的变化（滑动速度、温度、润滑、单位正压力等），使得在计算时必须采用平均值，来金属考虑摩擦力。目前，主要采用正压力摩擦系数的方法来计算摩擦力。**轧制时的摩擦热轧摩擦系数的计算（S.Ekelund公式）——考虑轧辊材质的影响系数；钢轧辊K1=1，铸铁轧辊K1=0.8——考虑轧制速度的影响系数；——考虑轧件的材质影响系数；——轧制温度（700~1200℃之间适用）**轧制时的摩擦系数K2的确定**轧制时的摩擦影响系数K3的确定钢种钢号K3碳素钢20~70、T7~T121.0莱氏体钢W18Cr4V、W9Cr4V2、Cr12、Cr12MoV1.1珠光体—马氏体4Cr9Si2、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr131.3奥氏体0Cr18Ni9、4Cr14NiW2Mo1.4含纯铁或莱氏体的奥氏体钢1Cr18Ni9Ti、Cr23Ni131.47纯铁体钢Cr25、Cr25Ti、Cr7、Cr281.55含硫化物的奥氏体钢Mn121.8**轧制时的摩擦冷轧时摩擦系数的计算——考虑到润滑剂的种类与质量的影响系数——轧制速度；m/s**轧制时的摩擦润滑条件K干摩擦条件1.55用机油润滑1.35用纱锭油润滑1.25用煤油乳化液润滑（含10%）1.0用棉子油、棕榈油或蓖麻油润滑0.9**实际应用轧制过程的内在矛盾：增加摩擦，提高压下量，轧辊磨损增加，轧件表面质量下降。（开坯轧制）在相同摩擦条件下，增大轧辊可以提高压下量，提高轧辊强度，但接触弧长增加，轧制力急剧增加，轧辊弹性变形量增大。（冷轧薄板时，采用小直径轧辊）**实际生产中的复杂条件（1）生产中存在各种非简单轧制条件；（2）即使在简单轧制情况下，上述公式的假设与实际条件不符：变形沿轧件的高度和宽度不是完全均匀的；运动速度沿轧件的高度和宽度不是完全均匀的；轧制压力和摩擦力沿接触弧长度上分布不是均匀的；轧机不可能是绝对刚性的，有弹性变形的存在。**最大压下量的计算（1）按最大咬入角计算最大压下量：（2）按摩擦系数计算最大压下量：**不同轧制条件下的最大咬入角轧制条件摩擦系数最大咬入角比值在有刻痕或堆焊的轧辊上热轧钢坯0.45~0.6224º~32º1/6~1/3热轧型钢0.36~0.4720º~25º1/8~1/7热轧钢板或扁钢0.27~0.3615º~20º1/14~1/8在一般光面轧辊上冷轧钢板或带钢0.09~0.185º~10º1/130~1/33在镜面轧辊上冷轧带钢0.05~0.083º~5º1/350~1/130轧辊同前，用蓖麻油棉籽油等润滑0.03~0.062º~4º1/600~1/200**例题假设热轧时，轧辊直径D=800mm，摩擦系数f=0.3，求咬入条件所允许的最大咬入角，以及建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可以达到的最大压下量。解答：最大压下量：**例题建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可达到的最大压下量：热轧时，，这里取。利用剩余摩擦力，可以增加压下量：改善咬入条件：顺利操作、增加压下量、提高生产率的有力措施。咬入条件：凡是能够提高摩擦角、降低咬入角的一切因素都能够实现咬入。**改善咬入的措施（1）降低咬入角增加轧辊直径D减小道次的压下量可改善咬入条件。例如：减小来料厚度或使得本道次辊缝增大。**改善咬入的措施**改善咬入的措施（2）增大接触面摩擦系数1）轧辊刻痕、堆焊或用多边形轧辊的方法，可使压下量提高20～40％。刻痕或堆焊多用于初轧机上、开坯机及型钢轧机的开坯孔型中。多边形轧辊用于中小型轧机上，它所以能改善咬入条件，主要是由于改变了作用力方向，使作用力状态有利于咬入。**改善咬入的措施2）合理使用润滑剂，增加咬入瞬间摩擦系数，而稳定轧制阶段的摩擦系数并不增加。3）清除炉尘和氧化铁皮。一般在开始几道中，咬入比较困难，此时钢坯表面有较厚的氧化铁皮。实践证明，钢坯表面的炉尘、氧化铁皮，可使最大压下量降低5～10％。4）在现场不能自然咬入的情况下，撒一把沙子或冷氧化铁皮可改善咬入。**改善咬入的措施5）当轧件温度过高，引起咬入困难时，可将轧件在辊道上搁置一段时间，使钢温适当降低后再喂入轧机。6）增大孔型侧壁对轧件的夹持力可改善轧件的咬入。**改善咬入的措施7）合理调整轧制速度。利用随轧制速度降低而摩擦系数加大的规律，在直流电机传动的轧机上，采用低速咬入，建立稳定轧制过程后，再提高轧制速度，使之既能增大咬入角，又能合理利用剩余摩擦力。实验指出，咬入速度在2m/s以下，摩擦系数就已经基本稳定到最大值，所以咬入速度再降低也无意义。**改善咬入的措施（3）利用剩余摩擦力用楔形端钢坯轧制。先以小头进入轧辊，此时，压下量和咬入角都很小，相对容易咬入。带钢压下。在的条件下咬入后，在将辊缝减小，以达到增大压下量的目的。强迫咬入。即在外力作用下，将轧件强制压入轧辊中，使前段被压扁，以改善咬入条件。**三种典型轧制情况实践证明：对同一金属在相同温度、速度条件下，决定轧制过程本质的主要因素是轧件和轧辊尺寸。在咬入角、轧辊直径和压下量皆为定值时，轧件厚度和轧辊直径的比值H/D和相对压下量ε=(Δh/H)%的变化，对轧件变形特征和力学特征均产生直接影响，其中又主要取决于相对压下量ε%的值。**三种典型轧制情况第一种情况第二种情况第三种情况以大压下量轧制薄件；ε=34~50%H/D值较小中等厚度轧件轧制过程；ε=15%H/D值适中小压下量轧制厚轧件；ε=10%H/D值较大**第一种情况**摩擦力及摩擦系数在接触弧上的分布**第一种情况轧制压力特点在这种情况下，单位接触面积上的轧制压力(单位压力)沿接触弧的分布曲线有明显的峰值，压下量越大，单位压力越高，且峰值越尖，尖峰向轧件出口方向移动。这是因为此种情况变形区的接触面积与变形区体积之比很大，即：**第一种情况变形的特点由于工具形状的影响，金属纵向流动阻力小于横向流动阻力，金属质点大部分沿纵向延伸，导致轧件宽展很小。由于相对压下量很大，使变形深透到整个变形区高度，结果是轧件变形后沿横断面呈单鼓形。薄件轧制时，轧件与轧辊接触表面基本上都是滑动区，并且也基本上与平面断面假设吻合，即在变形区长度不同的横断面上，各金属质点的纵向移动速度基本一致。**第一种情况金属质点速度的特点靠近表层，由于受摩擦阻力影响金属表面质点速度与轧辊表面速度相差要比按理想的平面断面假设要小一些：在后滑区，金属横断面中心部份要比表面速度慢；在前滑区，金属横断面中心部份要比表面进度高。**第三种情况轧制压力特点**第三种情况这类轧制过程的单位压力，沿其接触弧分布曲线在变形区入口处具有峰值，且向出口方向急剧降低。此时，单位压力分布与单位摩擦力分布之间已无明显联系，说明此时摩擦力已不起主要影响。**变形区内压下量的分布由于轧辊形状的影响，变形区长度上各点的压下最分布是不均匀。在X1和X4这两个相等线段内，入口处的压下量Δh1远大于Δh4。局部的压下量大，相应的压力增加的程度越大。因此，单位压力的峰值靠近变形区入口处。**第三种情况变形的特点变形特征是在金属表面质点与轧辊表面质点之间产生粘着。H／D值越大、ε%越小、摩擦系数f越大，则粘着区越大。另一方面，由于在变形区内变形不深透，轧件高度上的中间部份没有发生塑性变形，只在接近表层的金属产生塑性变形，整个断面不均匀变形严重。结果产生局部强迫宽展而使轧件轧后横断面出现双鼓形。**理想变形区与实际变形区理想变形区第一种轧制情况第三种轧制情况**第三种情况金属质点速度的特点由于接触表面产生粘着，金属表面速度等于轧辊表面速度；变形区中部由于没有变形，可近似视为刚体运动，只有在邻近表面的区域由于塑性变形才与轧辊产生相对运动。**第二种轧制情况**第二种轧制情况特点第二种轧制情况为中等厚度轧件的轧制过程相对压下量约为15%左右。第二种轧制情况的单位压力分布曲线没有明显峰值，而且单位压力比第一种轧制情况和第三种轧制情况都要小。对第二种典型轧制情况，外摩擦和外区的影响都有，但都不严重。压缩变形刚好深透到整个变形区高度，变形比较均匀，变形后轧件两测面基本平直。**典型方坯轧制案例分析轧制方坯时，平均单位压力与的关系曲线呈下凹的形式。**典型方坯轧制案例分析因为轧制方坯的最初几道次相当于第三种轧制情况，测得的平均单位压力较高；在相当于第二种轧制情况的中间道次，变形比较均匀，平均单位压力的值最小；而在最后几道次相当于第一种轧制情况，平均单位压力也比较高。**结论的普遍性**结论的普遍性上述结论是带有普遍性的，不同金属在热轧和冷轧情况下也反映了上述规律，它们的轧制特征仅有量的区别，并无质的差异。图中表示了不同金属轧制的单位压力随应变量的变化曲线，说明了上述规律的普遍性。**
总结
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(1)根据ε和H／D因素，使轧制过程分为三种典型轧制情况，具有明显的力学、运动学和变形特征。其它因素也具有重要影响。例如热轧与冷轧薄板，从尺寸因素来说它们同属于第一种轧制情况，它们都具有相同的轧制特征，压力较高，宽展很小甚至无宽展，都有滑动，这种由基本因素所规定的本质是一致的，这是共性。但是，热轧要考虑变形温度与速度的影响，而冷轧中加工硬化影响更为重要。热轧摩擦系数更多地取决于温度和钢种的影响，而冷轧主要决定于润滑剂的选择。热轧时不能施加大张力，而冷轧则相反，没有张力是难以实现冷轧的。**总结(2)理想轧制过程与实际轧制过程的轧制特征差异很大。如沿接触弧轧制压力不变的假设实际情况下是不存在的，轧辊不完全是刚性的。理想轧制过程这种“科学抽象”，使我们容易建立起轧制过程的概念，但我们还不能停留在这个阶段，而是以它为基础进一步进行深入研究。**思考题（1）改善咬入条件的途径和措施有哪些？（2）厚件轧制和薄件轧制各有哪些特征？（3）推导三个特征角（α，β，γ）之间的关系。**习题（1）在磨光并有润滑的轧辊上进行冷轧时，压下量与轧辊直径的比，求相应的咬入角和摩擦系数。**习题（2）厚度H=100mm的轧件在D=500mm的轧机上轧制，若最大咬入角为20º，求：(1)最大允许压下量；(2)若在D=500mm的轧机上延伸系数等于2进行该道次的轧制，咬入角应为多少？（忽略宽展，Δb=0）(3)轧辊直径多大时才能以咬入角为20º，延伸系数等于2的情况下完成轧制。（忽略宽展，Δb=0）**习题（3）推导在只传动下辊时的二辊轧机上的咬入条件，设轧辊直径为D，摩擦系数为f。
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