金属塑性加工5.ppt

1,第五章轧制理论基础,5.1纵轧时变形区和变形的表示方法5.2纵轧时轧辊咬入轧件的条件5.3纵轧时轧制压力和传动力矩5.4纵轧时的孔腔形成5.5斜轧穿孔过程轧件运动学特点,2,5.1纵轧时变形区和变形的表示方法,纵轧时，轧辊作用于轧件的摩擦力把轧件连续地拉入轧辊缝隙中进行轧制。轧件高度方向压缩的金属体积，一方面向长度方向延伸，另一方面向宽度方向流动而形成宽展，结果使轧件横断面的形状与几何尺寸发生改变。纵轧时轧辊作用在轧件上使轧件产生塑性变形的部分称为变形区图5-l中阴影部分。轧制某一瞬间变形区仅为轧件长度上的一部分，随着轧辊转动和轧件向前运动，变形区在轧件长度上连续改变着位置。,一纵轧时的变形区,3,纵轧时简单轧制过程，如图5-1所示。所谓简单轧制过程，即上、下轧辊直径相等；转速相等；轧辊无轧槽，均为传动辊；无外加张力或推力；轧辊为刚性体，轧件性质均匀一致等理想条件的对称的轧制过程。通常以简单轧制过程作为研究轧制理论的起点。,4,二、纵轧时变形的表示方法,纵轧时绝对变形量分别以下式表示,一般相对变形量用绝对变形量与轧件原始尺寸的比值来表示,5,表5-1变形量的其他表示,根据体积不变定律，轧前体积等于轧后体积，即,由一个主变形方向压下的金属体积，按照不同比例分配到另外两个变形方向上去，亦即轧制时给予一定压下量后，将会得到一定的伸长量和宽展量。,6,以FH表示轧件轧前横截面积，Fh表示轧件轧后横截面积，根据体积不变条件，则,,延伸系数μ等于轧制前、后横截面积之比或轧制后轧件长度和轧制前轧件长度之比。因为FHFh，lL，所以延伸系数μ的值总是大于1。轧钢生产中，钢坯总是要经过若干道次轧制之后方能轧成为成品，对应的延伸系数则可分为总延伸系数和道次延伸系数。,7,如轧制n道次，各道次轧前轧件横截面积为,从上式可得,式中,F0,Fn-轧前、轧后轧件横截面积μ1.μn-1-n道次的延伸系数。,故可得,8,如果设,轧件轧制n道次后轧制总延伸系数为,故，总延伸系数为各道次延伸系数相乘之积。,9,三变形区参数,（1）咬入角α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两轧辊中心连线所构成的圆心角。,10,咬入角α与轧辊直径D和压下量Δh之间的关系,咬入弧,的弦长为,,的水平投影为,,咬入弧,咬入弧的水平投影称为变形区的长度l,上下两部分对称，我们只分析上半部分,11,由图可知,∽,12,13,5.2纵轧时轧辊咬入轧件的条件,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．一咬入条件1咬入依靠回转的轧辊与轧件之间的摩擦力,轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象.,14,2咬入条件的确定分析金属刚被咬入时的受力,15,受力分析,16,Px与Tx可能有如下三种情况,17,咬入角α的正切等于轧件与轧辊之间的摩擦系数f时，是咬入角的临界条件，当tanα＜f时能咬入，tanα＞f时，则不能咬入。,18,物理概念,根据物理概念摩擦系数可用摩擦角表示。即摩擦角的正切就是摩擦系数f.tanβf则tanβ≥tanαβ≥α轧制过程中的咬入条件为摩擦角大于咬入角,Βα为临界条件,19,咬入的几何意义,当合力F方向向轧制方向倾斜,实现自然咬入;反之不能咬入.,20,稳定轧制条件,在轧件被咬入后,轧辊给轧件压力P作用点与摩擦力T已不作用于开始接触点处,而是向变形区出口方向移动。,θ′轧件前端与中心线夹角随着咬入的进行，逐渐减小。开始时为α，完全充满后为0。压力P的作用角由α变为φ。,假设轧制压力沿接触弧均匀分布，则,随θ′角由α变至0，φ角将由α变至α/2。当φα时，为轧件开始咬入阶段。而当φα/2时，轧件充填满变形区，此时为稳定轧制阶段。,21,稳定轧制条件,实现轧制要求PX≤TXPXPsinα/2TXTcosα/2T/P≥tgα/2tgβfT/P得β≥α/2,22,咬入阶段与稳定轧制阶段的咬入条件比较,开始咬入时的咬入条件为β≥α，轧制过程建成时为β≥α/2。用通式表示为β≥φ，开始咬入时φα，轧制过程建成时φα/2。,稳定轧制阶段的咬入角等于开始咬入阶段咬入角的2倍，实际上稳定轧制阶段α1.2-1.5βkβk-开始咬入阶段的摩擦角。,23,三改善咬入的途径,实际生产中以带有楔形端咬入后利用稳定轧制阶段剩余摩擦力,实现咬入.利用外推力将轧件强制推入轧辊中,外力作用使轧件前端被压扁,相当于楔形外端降低压下量,有利于咬入.,由咬入条件α≤β可知凡是使α降低及β增加的因素,均有利于咬入1降低咬入角α,24,2提高β的方法,1改善轧辊或轧件表面状态,以使β升高初轧粗轧在轧辊刻槽焊点滚花等目的均使f升,β升.精轧通过立轧高压水去除氧化皮等办法改善轧件表面状态,使f升,β升.2合理调节轧制速度利用稳定轧制条件下的剩余摩擦力,采用低速咬入,高速轧制.,25,一轧制压力用测压仪在压下螺丝下实测的总压力，即轧件给轧辊的总压力的垂直分量。,5.3纵轧时的轧制压力和传动力矩,26,27,简单轧制情况下，轧件对轧辊的合力方向才是垂直的非简单轧制合力的方向不垂直，有一个水平分量，此时轧件作用于轧辊的合力方向是偏向于出口侧如有张力的轧制等，此时在压下螺丝下用测压仪实测的力仅为合力的垂直分量Y。,28,在确定轧件对轧辊的合力总压力时，首先应考虑接触区内轧件与轧辊间的力的作用情况。轧件作用于单位接触面积上的压力称单位压力在变形区内的分布是不均匀的，因此不能直接用它来计算总压力。通常是以它们的平均值计算，此平均值称为平均单位压力，以符号表示。轧件与轧辊接触所形成的变形区中，单位压力分布如图5-21所示。,,单位压力分布图的平均高度称为平均单位压力。在平均单位压力的实测值中，既包括了金属在轧制中的自然变形抗力金属内阻力，也包括由于外力的制约外部的阻力作用所引起的变形抗力增高部分。,29,轧制压力的确定轧制压力为平均单位压力与接触面水平投影面积F之乘积的总和，即,式中P-轧制压力-平均单位压力F-接触面水平投影面积,简单轧制时，接触面积F按下式计算,30,平均单位压力的确定数学分析法和实验曲线法参考公式,,有效单位压力是只考虑金属本身的内因素，如化学成分、变形温度、变形速度和变形程度等对轧制压力影响。建议用单向拉伸时的强度极限σb计算有效单位压力，即p01.15σb。查图5-22。外阻力影响系数是考虑接触面上摩擦系数大小等外部因素对轧制压力的影响，可查图5-23。,31,32,影响平均单位压力因素,1轧钢温度高，轧制平均单位压力低；2道次压下量和摩擦系数小，平均单位压力小；3带前后张力以及随着张力值增加，平均单位压力下降；4随轧制速度提高，平均单位压力值增加。,众所周知，轧制压力越大，轧辊受力亦大。当轧辊所受的压力超过允许值时，可能发生断辊事故，因此轧辊强度亦是限制提高道次压下量的主要因素之一。为此，在提高轧机生产能力、增加道次压下量的同时，必须改善轧辊材质，以提高轧辊强度，增加允许压力；另外，在轧制过程中，创造使平均单位压力减小的轧制条件，如提高轧制温度等，以保证轧制压力不超过允许压力。,33,二纵轧时的传动力矩,为了传动轧辊，主电机轴上所需力矩M∑由四部分组成,式中Mz轧制力矩，即为轧件塑性变形所需的力矩；Mm传至电动机轴上的附加摩擦力矩，此摩擦力矩是当轧件通过轧辊时，在轧辊轴承、传动机构及轧钢机其他部分所发生的；Mk空转力矩，即在轧件未通过轧辊时传动轧钢机所需的力矩；Md动力矩，此力矩是为了克服速度变化时的惯性力所必需的。,前三项称为静力矩，即,34,1.轧制力矩简单轧制时，轧件给轧辊的合力P的方向与两轧辊中心连线平行，上下辊的P力大小相等方向相反。转动一个轧辊所需力矩应为合力P与它对轧辊中心连线力臂a乘积，即,转动两个轧辊的力矩为,传动到电动机轴上的轧制力矩为,式中X合力作用点系数；i轧辊到电机的传动比。,35,2.附加摩擦力矩包括克服轧辊轴承中的摩擦力矩和齿轮机座、减速机、联接轴等机构中的摩擦力矩。,轧制压力P在一个轧辊轴承中产生摩擦力为Pf1,摩擦力矩为Pf1d/2，两个轧辊轴承中产生摩擦力矩为,传动机构中摩擦力矩,推算到电机轴上总的附加摩擦力矩,36,3.空转力矩轧辊空转时传动轧钢机主机列所需力矩，一般是根据旋转零件重量及其轴承中的摩擦圆半径来计算，,4.动力矩在轧制过程中，不等速轧制时；带有飞轮的或在杂质过程中进行调速的；可逆式的轧机轧制情况下都会产生动力矩。,37,影响总传动力矩的因素平均单位压力变形区长度轧辊轴承中摩擦系数主传动系统中摩擦系数传动件重量轧辊直径辊颈直径变形区平均宽度,38,5.4斜轧时的空腔形成,圆管坯进行锻造或二辊斜轧机斜轧时，实心管坯产生纵向内撕裂部位叫做孔腔，同时将撕裂的产生过程叫孔腔形成过程。,39,三辊斜轧穿孔机斜轧穿孔试验证明，顶头前管坯中心部位从未发现有孔腔形成现象。图5-30为三辊斜轧穿孔机和二辊斜轧穿孔机穿孔轧卡试样。由轧卡试样可知，三辊穿孔顶头前管坯中心部位无孔腔产生，而二辊穿孔顶头前管坯中心部位产生了孔腔。,40,图5-31a所示三辊穿孔管坯中心在横向只受轧辊外力作用产生压应力，而无拉应力；如图5-31b所示二辊穿孔管坯中心在轧辊外力作用方向，产生压应力，在导板方向受拉应力，在交变拉、压应力作用下，导致中心产生撕裂。,41,二辊斜轧穿孔时，轧辊与轧件纵向接触面为细长窄条，因此轧辊对管坯作用力近似于集中载荷，又因为轧辊每旋转半圈的压下量小约小2％-4％，从而造成表面变形。图5-32为斜轧圆管坯在外力户作用下管坯横断面图示，由图可知，管坯的一部分受轧辊的直接作用，即所谓直接作用区；另一部分受轧辊的间接作用，该部分称为间接作用区。,42,由于载荷集中，直接作用区的应力获得优先发展，应力值较大；而在随着离开集中载荷作用下的直接作用区所形成的间接作用区中，由于应力分布在比直接作用区接触面积大得多的面积上，因此应力分散，其值急剧下降。由此不难看出，斜轧穿孔时，表面首先产生塑性变形，而随着接近坯料中心其塑性变形逐渐减小，表面变形的金属优先向横向扩展横断面由圆形变成椭圆形和纵向延伸。由于纵向表面变形的结果，在管坯端部形成漏斗形凹陷。可见，无论表面横变形或纵变形，其结果乃导致外层变形的金属具有很大的流动速度，造成“拉”中间区域金属向横向扩展及纵向延伸。所以斜轧穿孔变形是极不均匀的变形，在管坯中心产生很大的拉应力横向，该力是形成孔腔的主要应力。,43,用许多同心圆环代表管坯，在外力P作用下外层圆环因表面层塑性变形大，圆的周长增加也大横向扩展，而内层圆环由于塑性变形小，圆的周长增加的小，则中心部分塑性变形更小，横向扩展也很小，这样，由各层圆环之间产生的大小不同的间隙图5-33，明显看出斜轧的真实现象。管坯是一个完整的整体，彼此间紧密联系，因此外层金属必然拉内层金属横向扩展，在中心产生很大拉应力。结果斜轧穿孔时，顶头前部区域管坯中心为一向压缩外力方向、二向拉伸横向、纵向的应力状态。,44,5.5斜轧穿孔过程轧件运动学特点,热轧无缝管生产中广泛采用斜轧过程。1.利用二辊或三辊斜轧穿孔机的穿孔过程将实心管坯穿成空心毛管2.利用三辊斜轧管机辗轧毛管控制外径和壁厚3.采用二辊或三辊斜轧均整机均整钢管4.采用旋转定径机斜轧提高钢管的外径尺寸精度。因此，近年发展的三辊斜轧系统无缝钢管机组中各成型工序几乎都是斜轧过程。,45,尽管机组中各斜轧机的作用不同，但斜轧过程运动学是一致的，其共同特点是轧辊向同一方向旋转，轧辊轴线与轧制线相互倾斜。因此，管坯被轧辊咬入后，靠轧辊和金属间的摩擦力作用，轧辊带动管坯即毛管旋转。又因为轧辊轴线与管坯轴线轧制线有一个交角送进角α；而使管坯即毛管在旋转的同时作纵向移动，即变形区中的管坯即毛管表面上任一金属质点作螺旋运动，亦即既旋转又前进。,46,分析斜轧穿孔过程中轧件的运动速度，即分析轧辊轴线与轧制线相交x点的速度。,47,X点轧辊圆周速度,速度vx分解为轧件轴向速度切向速度,48,轧辊在x点的轴向、切向速度靠摩擦传给轧件，于是，轧件也获得相应的速度,49,因斜轧穿孔变形区中有顶头参加变形，顶头给轧件相当大的轴向阻力实测知二辊穿孔机穿孔轴向阻力约为轧制压力的30％，三辊穿孔机穿孔约为50％，所以轧件轴向速度小于相应点的轧辊轴向速度，即uxx/vxxSxx＜1.0，Syx≈1.0，往往在多数情况下，斜轧穿孔过程变形区中任一点均为后滑。大量实验证实sxx对生产过程影响较大，它关系到轧件通过同样长度的变形区时所需要的时间、轧件在变形区中受轧辊辗轧次数的多少、轧机小时产量、毛管表面质量、能量消耗和工具磨损等。因此，如何提高变形区出口截面的轴向滑动系数应给予足够的重视，大量实测资料表明二辊穿孔机穿孔出口截面轴向滑动系数Sxx为0.5-0.9，三辊穿孔机穿孔比二辊穿孔机穿孔轴向滑动系数提高15％～20％。,