【材料课件】材料成型工程第三讲宽展

2轧制过程中横变形---宽展2.1宽展及其分类2.1.1宽展与研究宽展的意义1)宽展:在轧制过程中，当轧件受到压下后，金属除按最小阻力法则沿纵向延伸外，在横向也产生变形，称之为横变形。轧制前、后轧件沿横向尺寸的绝对差值，称为绝对宽展简称为宽展.2)研究宽展的意义研究轧制过程中宽展的规律具有很大的实际意义,具体讲为:(1)拟订轧制工艺时需要确定轧件宽展.(给定坯料尺寸和压下量，确定轧制后产品的尺寸，或者已知轧制后轧件的尺寸和压下量，要求定出所需坯料的尺寸)(2)孔型轧制中,必须正确地确定宽展的大小，否则不是孔型充不满，就是过充满.由于问题本身的复杂性，到目前为止，还没有一个能适应多种情况下准确地计算宽展的理论公式。所以在生产实际中习惯于使用一些经验公式和数据，来适应各自的具体情况。孔型轧制宽展意义2.1.2宽展的种类根据金属沿横向上流动的自由程度，宽展可分为：自由宽展、限制宽展和强制宽展.1）自由宽展：坯料在轧制过程中，被压下的金属体积可以自由展宽的量。此时，金属流动除来自轧辊的摩擦阻力外，不受任何其它的阻碍和限制。因此，自由宽展的轧制是轧制变形中的最简单的情况。在平辊上或者是沿宽度上有很大富余的扁平孔型内轧制时，就属于这种情况。箱形孔型轧制自由宽展2）限制宽展轧制中，被压下的金属与孔型两侧壁接触，孔型的侧壁限制着金属沿横向自由流动，金属被迫取得孔型侧边轮廓的形状。此时，轧件得到的宽展不是自由的，除受摩擦力外，还受到孔型的限制。此外，在斜配孔型内轧制时，宽展可能为负值。3)强制宽展被压下的金属受轧辊孔型凸峰的切展而强制金属沿横向流动，使轧件的宽度增加，这种变形叫做强制度展。在立轧孔内轧制钢轨时是强制宽展的最好例子，如下图所示。轧制宽扁钢时采用的'切展'孔型也是说明强制宽展的实例。确定金属在孔型内轧制时的展宽是十分复杂的，尽管做过大量的研究工作，但在限制或强制宽展孔型内金属流动的规律还不十分清楚。2.1.3宽展的组成轧辊与轧件接触摩擦变形区几何形状和尺寸的不同使沿接触表面上金属质点的流动轨迹与接触面附近的区域和远离的区域是不同的。组成：滑动宽展ΔB1翻平宽展ΔB2鼓形宽展ΔB31）滑动宽展滑动宽展变形金属在轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽度增加的量以ΔB1表示，展宽后此部分的宽度为：B1＝BH＋ΔB12）翻平宽展由于接触磨擦阻力，轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面，使轧件的宽度增加，增加的量以ΔB2表示，展宽的后轧件的宽度为B2＝B1＋ΔB2＝BH＋ΔB1＋ΔB23)鼓形宽展轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，用ΔB3表示,此时轧件的最大宽度为B3＝B2＋ΔB3＝B1＋ΔB1＋ΔB2＋ΔB3轧件的总展宽量为:ΔB＝ΔB1＋ΔB2＋ΔB3上述宽展的组成及其相互的关系，由下图清楚地表示出来。宽展的组成及其相互的关系4)关于宽展的几点说明(1)为便于工程计算通常理论上所说的和计算的宽展是将轧制后轧件的横断面化为同一厚度的矩形之后,其宽度与轧制前轧件宽度之差。即ΔB＝Bh－BH（轧后宽度B是一个理想值）(2)摩擦系数f值越大，不均匀变形就越严重，此时翻平宽展和鼓形宽展的值就越大，滑动宽展越小。（3）滑动宽展ΔB、翻平宽展ΔB和鼓形宽展ΔB的数值，至今定量的规律尚未掌握。只能依赖实验和初步的理论分析了解它们之间的一些定性关系5）各种宽展与变形区几何参数之间的关系由图中的曲线可见当越小时，则滑动宽展越小,而翻平和鼓形宽展占主导地位。这是因为越小，粘着区越大，故宽展主要是由翻平和鼓形宽展组成。而不是由滑动宽展组成。2.1.4宽展沿轧件宽度上的分布宽展分布的理论，基本上有两种假说：均匀分布，变形区分区1）均匀分布：认为宽展沿轧件宽度均匀分布。该假说主要以均匀变形和外端作用为理论的基础。因为变形区内金属与前后外端彼此是同一整体紧密联结在一起的。因此对变形起着均匀的作用。使沿长度方向上各部分金属延伸相同。宽展沿宽度分布自然是均匀的。它可用下图说明均匀分布2）变形区分区：认为变形区可分为四个区域，在两边的区域为宽展区，中间分为前后两个延伸区，它可用下图来说明。3）不同假说各自特点o（1）均匀分布的假说：对于轧制宽而薄的薄板，宽展很小甚至可忽略时，变形可以认为是均匀的。在其它情况下，均匀假说与许多实际情况是不相符合的，尤其是对于窄而厚的轧件更不适应。因此这种假说是有局限性的。（2）变形区分区假说：不完全准确，许多实验证明变形区中金属表面质点流动的轨迹，并非严格地按所画的区间进行流动。但是它能定性地描述宽展发生时变形区内金属质点流动的总趋势，便于说明宽展现象的性质和作为计算宽展的根据。总之，宽展是一个极其复杂的轧制现象，它受许多因素的影响。2.2影响宽展的因素宽展的变化与一系列轧制因素构成复杂的关系ΔB＝f(H,h,l,B,D,ψ,Δh,ε,f,t,m,p,υ,)式中:H、h—变形区的高度；l、B、D—变形区的长度、宽度和轧辊直径；ψ—变形区的横断面形状；Δh、ε—-压下量和压下率；f、t、m—-磨擦系数、轧制温度、金属的化学成分；p—金属的机械性能；υ、u—-轧辊线速度和变形速度。H、h、l、B、D和ψ表示变形区特征的几何因素。f、t、m、p、和υ是物理因素，它们影响到变形区内的作用力，尤其是对于摩擦力。几何因素和物理因素的综合影响不仅限于变形区的应力状态，同时涉及到轧件的纵向和横向变形的特征。金属体积如何分配延伸和宽展轧制时高向压下的金属体积如何分配延伸和宽展受体积不变条件和最小阻力定律来支配。（1）变形在两个主轴方向是给定的,则质点只有在第三主轴一个方向流动的可能性.金属挤压变形就是这种变形过程。（2）如变形在一个主轴方向是给定了的,而在第二个主轴方向受阻,此时，在第三个主轴方向正反两方面流动的多少由这两方面阻力而定，阻力小者流动的多。在封闭孔型中轧制就属于这种情况。（3）如变形在一个主轴方向是给定了的,而在另个两个主轴方向上，物体有自由流动的可能性,此时向阻力小的主轴方向流的多.自由镦粗和平辊轧矩形件就属这种变形过程。2.2.1影响轧件变形的基本因素1）宽展与接触摩擦及变形区水平投影的几何关系（1）无接触摩擦情况研究平锤头镦粗矩形六面体变形bB:ln2Llln2BbLllnBblnln21lnlnLlBbhHhblHBLlnln0f说明＝若＝＝得＝＝由体积不变定理：＝六面体变形均匀（2）有接触摩擦情况LLlnLB2BblnLlLB2bBLLLb－故有＝平均延伸量：－平均宽展量：边分配四个角部金属平均向两宽展金属量：四个区域。最小阻力定律粗略分为将不相等，六面体宽展和延伸系数的流动阻力不同不同的周边方向上引起在两长度摩擦存在时，因摩擦力lnL2Blnln)L2B1(lnln2Blln)L2B(bln2B0lnlnlnB2代入宽展延伸公式有：得由体积不变定律：ln2Llln2Bbln21lnln＝＝无摩擦情况结论有接触摩擦和无接触摩擦相比△blnβ均增大，而lnμ△l减小。B为常数，对lnη一定值△b随L增，而增大L为常数，对lnη一定值△b随B增，而增大B/L比增，lnβ降，lnμ升同理B/L1也可得到结论(自学）2）轧辊形状的影响变形区Ⅰ纵向延伸阻力(金属向入口方向流动）平锤间变形PTW1X1Xx轧制变形区与平锤锻造比纵向阻力小，延伸则大，相应宽展小。说明轧辊形状对纵横变形有重要影响。可用工具形状系数表示1》KG=WX/Wy》0Wy－横向阻力（Wy＝Pf)说明纵向阻力小于横向阻力延伸大于宽展2.2.2工艺因素对轧件宽展的影响1）压下量的影响压下增加宽展增加的原因（1）因为压下量增加时，变形区长度增加，变形区形状参数增大，因而使纵向塑性流动阻力增加，纵向压缩主应力数值加大。根据最小阻力定律，金属沿横向运动的趋势增大，因而使宽展加大。(2)压下增加，高方向压下来的金属体积也增加，所以使ΔB也增加。（2）轧辊直径的影响其它条件不变时,宽展ΔB随轧辊直径D的增加而增加。因为当D增加时变形区长度加大,使纵向的阻力增加,根据最小阻力定律,金属更容易向宽度方向流动.特别注意轧辊为圆柱体这一特点，产生有利于延伸变形的水平分力，它使纵向摩擦阻力减少，有利于纵向变形，即增大延伸。所以，即使变形区长度与轧件宽度相等时，延伸与宽展的量也并不相等，而由于工具形状的影响，延伸总是大于宽展。（3）轧件宽度的影响假如变形区长度l一定，当轧件宽度B逐渐增加时，由l＞B到l＝B如下图所示，宽展区是逐渐增加的，因而宽展也逐渐增加当由l＝B到l＜B时，宽展区变化不大，而延伸区逐渐增加，因此从绝对量上来说，宽展的变化也是先增加，后来趋于不变，这也为实验所证实特别注意在轧制时，通常认为，在变形区的纵向长度为横向长度的二倍时(＝2)，会出现纵横变形相等的条件。为什么不在二者相等(＝1)时出现呢？这是因为前面所说的工具形状影响。此外，在变形区前后轧件都具有外端，外端将起着妨碍金属质点向横向移动的作用，因此，也使宽展减小。（4）摩擦的影响在实际压力加工过程中影响摩擦的因素繁多，容易变化，很难控制，而且摩擦对宽展和延伸都有影响。一般说来，变形区的长度总是小于其宽度，根据最小阻力定律，摩擦对宽展的影响问题，可归结为摩擦对纵、横方向塑性流动阻力比的影响。用Wx及Wy分别表示纵向延伸及横向宽展的阻力。如图14-15所示，对后滑区，纵向的塑性流动阻力Tx－Px,在横向，由于辊身是平的，所以宽展的塑性流动阻力为Ry＝T＝Pf则纵向与横向变形的塑性的流动阻力比为fsincosfsincosfpppwwk111yxG当f增加时，kG增加，即阻碍延伸的作用增大，促进了宽展。摩擦系数对宽展的影响由图可知，宽展是随摩擦系数的增加而增加的。由此可以推论，轧制过程中凡是影响摩擦的因素都对宽展有影响其他影响摩擦的因素摩擦系数除与轧辊材质，轧辊表面光洁度有关系外，还与轧制温度、轧制速度、润滑状况及轧件的化学成分等因素有关系。轧制速度对摩擦的影响（5）金属性质的影响从这个表中可以看出来，合金钢的宽展比碳素钢大些金属性质对宽展的影响主要是化学成分对摩擦系数的影响，一般是通过轧制时所产生的氧化铁皮的多少及其性质对摩擦系数产生影响。这种影响是比较复杂的。按一般公式计算出来的宽展，很少考虑合金元素的影响。为了确定合金钢的宽展，必须将按一般公式计算所求得的宽展值乘上表中的系数m，也就是ΔB＝ΔB’×m式中ΔB------所求得的合金钢的宽展；ΔB’------按一般公式计算的宽展；m------考虑到化学成分影响的系数。2.3孔型轧制时的宽展型钢轧制变形区内的主要几何参数（H、h、D、l、α、Δh)不再保持常数。为说明各几何参数沿轧件宽度上的变化，并与简单轧制情况比较，给出下图中几种典型的孔型中轧制情况。2.3.1孔型中轧制的宽展特点1)在孔型中轧制时，沿轧件宽度的压下量是不均匀的。2）孔型形状的影响，凸起及侧壁的作用在孔型中轧制时，除摩擦阻力外，还有孔型侧壁的侧向力起作用。例如，菱形孔就如前述的凹形工具一样；而切入孔则如凸形工具一样。如上图在菱孔中工具角ψ＜0，此时横向变形阻力为摩擦力T及压力P的水平分量之和，即为P＋T＝P(fcosψ＋sinψ)相反，在切入孔中，横向变形阻力为二者的水平分量之差，即为T－P＝P(fcosψ－sinψ)可见，在凸形孔型中轧制时，要产生强制宽展，而在凹形孔型中轧制时宽展受到限制。3）轧件与轧辊接触的非同时性轧件与轧辊接触的非同时性。变形区长度沿轧件宽度也是变化的下图很清楚地表明了这一点。关于接触非同时性的影响.如断面Ⅳ-Ⅳ,由于被压