轧制原理与工艺

引起变形及应力不均匀分布的原因主要有：接触面上的外摩擦、变形 区的几何因素、沿宽度上压缩程度的不均匀、变形物体的外端、变形 体内温度的不均匀分布以及变形金属性质的不均匀等等。这些因素的 单独作用或者共同影响，可使不均匀变形表现得很明显。
圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响
高件镦粗时不同应力状态分区示意图
(b)
3. 2 宽展的分布及宽展组成
决定宽展沿轧件高度分布不均匀的主要因素是比值 l / h 。
(a)
(b)
(c)
轧后轧件侧边形状 a．双鼓形；b．单鼓形；c．平直形
b0
b1 b0 b1
宽展一般由以下几个部分组成： 滑动宽展Δb1、翻平宽展Δb2和鼓 形宽展Δb3 。
h0
h1
滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触 b 面上，由于产生相对滑动使轧件宽展增 b b b 加的量； 宽展沿轧件横断面分布 翻平宽展是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 计算宽展时，轧件轧后宽度应采 接触表面上，使轧件的宽度增加量； 用平均宽度，平均宽度可采用与轧 鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成 后轧件横断面等面积同厚度矩形的
侧压效率为
bs / 2

d eff b bf 100% 0 100% de b0 be
be
bb / 2
bf
侧压后平轧宽展的组成
3. 6 孔型轧制时宽展的计算
常用平均高度法来确定孔型轧制时的宽展：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，计算出轧制前后轧件的平均高度、平均压下 量和轧辊工作直径后，代入任意自由宽展公式计算，并认 为此宽展就是孔型中的宽展。
（2）限制宽展
轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的 阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称 为限制宽展。
（3）强制宽展
在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的 阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制 宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强 制宽展大于自由宽展。
b0

b1
h1
h0
l0

l1
h0 b0 l0 h1b1l1
h0 b0 l 0 1 h1b1l1
1.4 轧件变形程度
轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为： 压下、宽展和延伸。 绝对变形量
h h0 h1 b b1 b0 l l1 l0
相对变形量
1.2 轧制变形区及其主要参数
轧制变形区
轧件在轧辊作用下发 生塑性变形的区域称为轧 制变形区，在简单轧制条 件下，即轧件在进出轧辊 处的断面与辊面所围成的 区域。 轧制变形区的主要参数
b0

b1
h1
h0 l0

l1
O
R


A
E
B
h / 2
有咬入角和变形区长度。
h0
CHale Waihona Puke hxh1D
l
咬入角 α
h R R cos 2
h 2R1 cos
轧件开始进入轧辊时，轧件与轧辊的最先接触 点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的 圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为 轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。
1 cos h 2R
sin
O
R

2


sin

2

1 h 2 R
1 (1 cos ) 2
d dt ( s 1 )
轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。 变形区中高度为hx的任意断面上的变形速度为：
2v y d dhx 1 dh / dt x dt hx hx dt hx
R v
平均变形速度
t
h0 h1 h0 t

h R
vh vγ
hγ h1
vh h1 vγ hγ
vγ v cos hγ h1 D(1 cos )
vh h cos h1 D (1 cos ) cos v h1 h1
Sh (1 cos )(D cos h1 ) h1
Sh
(1 cos )(D cos h1 ) h1
1
1 1 3
b1 b1 b2
的展宽量，与翻平宽展有密切联系。
宽度，也可采用下式计算。
b1 b1'' a(b1''' b1'' )
根据侧面凸出程度的不同系数a 可取1/2～2/3。
3. 3 影响宽展的因素
(1) 压下量
压下是形成宽展与延伸的原因，压下量愈大，宽展愈大。
(2) 轧制道次
在总压下量一定的前提下，轧制道次越多，宽展越小。
(3) 轧辊直径
在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D的增加而增加。
(4) 摩擦系数
在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。凡是影响摩 擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化。
(5) 轧件宽度
随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。
vh v (1 S h )
vH v

1 S h
(1 S h ) vH S H 1 1 v cos v cos
v
4. 2 前滑值的计算
Sh vh v vh 1 v v
按秒流量体积不变条件，变形区出口断面金 属的秒流量应等于中性面处金属的秒流量。

h0 h1 v h0 R(h0 h1 )
1.6 咬入条件
N x Tx
N sin T cos

N sin f N cos
tan f tan
Nx
N
Tx
T

稳定轧制条件
咬入过程中，
N x Tx
N sin T cos

Sh vh v 100% v
后滑现象用后滑值来表征，后滑值是变形区入口断面
处轧件的速度与轧辊在该处水平速度的相对差值，
SH v cos vH 100 % v cos
前滑值与后滑值的关系
当延伸系数λ和轧辊圆周速度v已知时，知道前滑 值就可以计算轧件进出变形区的实际速度vH 和vh 以及后滑值； 当λ和咬入角一定时，前滑值增加，后滑值就必然 减少。
h0 l0
h1
b0

b1

l1
轧制过程的简单描述
b0

b1
h1
h0 l0

l1
在轧制过程中，轧辊对轧件的作用力要同时产生两个效果：将轧件拖 入辊缝同时使之产生塑性变形。在满足屈服条件的前提下，轧制过程 能否开始取决于轧辊是否能将轧件拖入辊缝。 在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减少的体积，要转移 到轧件的宽度和长度方向，这一变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺 寸，而且也影响到轧件进出轧辊的速度。 为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，以通过轧辊提供 轧件塑性变形所需的变形力，而所需变形力的大小与轧件本身的性质 和应力状态有关。在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作 用而影响轧制过程。
轧制前轧件的平均高度：
h0 F0 b0
轧制后轧件的平均高度：
平均压下量：
h1
F1 b1
h h0 h1
F D p D0 h1 D0 1 b1
b0
b1
轧辊工作直径：
4 轧制过程中的前滑和后滑
4. 1 前滑值与后滑值
从变形区入口到中性面，轧件落后于轧辊，称这种现象 称为后滑；从中性面到变形区出口，轧件超前于轧辊，称 这种现象称为前滑。 前滑现象用前滑值来表征，前滑值是变形区出口断面 处轧件与轧辊速度的相对速度差，
（2）合理调节轧制速度
2 轧制过程中金属变形的基本规律
2.1 最小阻力定律
如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形 体的每个质点将朝阻力最小的方向移动。
2.2 变形区水平投影形状与变形的关系
l / ln
1

b / ln
1

b0
变形区长度l0＝1时， 宽展量Δ b、延伸量Δ l与变形区宽度b0的关系
bs / 2
b bs bb
be
bb / 2
bs b0 ((
h0 a ) 1) hf bs ) b0
bf
bb bde (1
侧压后平轧宽展的组成
侧压调宽后再经过平辊轧制，轧件宽度由于上述宽展而有 所回升，侧压调宽的有效减宽量为
d eff d e b b0 bf
h h rh 0 1 100% h0
工程应变
rb r l
b1 b0 100% b0 l1 l0 100% l0

h (
h0
h1
h dh ) ln 0 h h1
真应变
b l
b db ln 1 b0 b b0
1 cos 2 sin

A
E
B
h / 2
sin

2


2
h0
C
hx
h1
D
l
h R
变形区长度 l
轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长 度。
l 2 R 2 (R h 2 ) 2
A
O
R


E
B
h / 2
l Rh
h 4
2
h0
C
hx
h1
D
l
l Rh
1.3 体积不变条件
对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时 金属的密度变化很小或者不变。 冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属 密度略有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度 通常只减小0.1～0.2%，当进行中间退火和最终退火 时，由于产生再结晶，密度将增加到接近加工前的 数值。 热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产 生，变形金属的密度及体积在加工过程中可以认为 是不变的。 因此，无论冷加工还是热加工，变形金属的密度 和体积的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认 为塑性变形前后金属的体积是保持不变的，这就是 体积不变条件。

N sin f N cos tan f tan
Nx
Tx
T
N

稳定轧制时，θ＝α/2
2
改善咬入条件的途径
满足咬入条件，是顺利实现轧制过程的基本保证，而改 善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。 发挥稳定轧制阶段咬入潜力
（1）小头进钢
（2）带钢压下 （3）强迫喂钢 提高β角 （1）改变轧件或轧辊的表面状态
3. 4 平辊轧制时的宽展计算公式
（1）Д.热兹公式
b C h
（2）E. 齐别尔公式
b C
（3）C.И.古布金公式
b (1
h Rh h0
h h h )( f Rh ) h0 2 h0
……
3. 5 侧压后平轧时的宽展
板带轧制中，采用侧压（立辊轧制）调整轧件宽度。侧压 后轧件横断面呈双鼓形，要再经过一道水平轧制消除双鼓 形，然后进入后续轧制道次。 侧压后平轧时轧件的宽展可以认为由两部分组成，一部分 是鼓形的回展Δbb，另一部分是除鼓形回展以外的轧件宽 展Δbs 。
轧制原理与工艺
北京科技大学材料学院 周成
1 轧制过程的基本概念
轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性 变形的过程。 轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组 织性能的产品。
第一部分 轧制原理
1.1 简单轧制过程及其变形区
简单轧制过程 轧制过程在上下两直径相同的圆 柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传 动辊、转速相同且转向相反； 轧件为各向同性的均匀连续体， 只承受来自轧辊的作用力并且满足 屈服条件，轧件为矩形断面，轧制 前的横截面在变形过程中仍为平面。
外端对变形的影响
3 轧制过程中的宽展
轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称为 宽展。
b b1 b0
3.1 宽展的分类
（1）自由宽展
在轧制过程中，被压下的金属体积向横向移动时，金属 流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制 （如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸 的增加，这种情况称为自由宽展。
b1 l1
l dl ln 1 l0 l l0


h1 h0 b1 b0 l1 l0
变形系数


通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为ε。
1.5 轧制变形速度
变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。
2.3 工具形状对变形的影响
由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动 阻力不同，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方 向相反的摩擦力，而纵向流动阻力是摩擦力的水平分量与 正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响 宽展与延伸之比。 工具形状有利于延伸。

Nx
N
Tx
T
2.4 轧制时的不均匀变形