轧制理论基础..

第二章轧制理论基础•1轧制变形基本概念•2实现轧制过程的条件•3轧制过程中的横变形宽展•4轧制过程中的纵变形――前滑与后滑•5轧制压力及力矩•6连轧•7斜轧1轧制变形区的概念及轧制变形基本理论•1.1轧制过程及分类:•1)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尺寸、形状和性能。•2)分类轧制方式按轧件运动分：有纵轧、横轧、斜轧。•纵轧：金属在两个旋转方向相反的轧辊之间通过，并在其间产生塑性变形的过程。•横轧:轧件变形后运动方向与轧辊轴线方向一致•斜轧：轧件作螺旋运动，轧件与轧辊轴线非特角其他分类根据金属状态分:热轧、冷轧。根据外部介质分类:空气，真空，惰性气体轧机工作制度:可逆连轧等2）轧制过程中基本现象和建立轧制过程的条件•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（如行星轧机，Y型轧机）外，均在一对轧辊间轧制的简单情况。•一般都以二辊作为研究轧制过程的开端。送料辊支承辊工作辊平整辊图1星行轧机3)简单轧制过程图示Δb/2αΔh/2ABCD简单轧制过程：（1）上下轧辊直径相同（2）转速相等（3）轧辊无切槽（3）均为主动(传动)辊（4）无外力或推力（5）轧辊为刚性的（6）轧件在入辊处和出辊处速度均匀（7）轧件的力学性质均匀4）轧制变形的表示方法轧制时绝对变形量（压下，延伸，宽展）表示•Δh＝H－h•ΔL＝l－L•ΔB＝b－B•式中h，H——轧件轧后、轧前高度；•l，L——轧件轧后、轧前长度；•b，B——轧件轧后、轧前宽度；相对变形量的表示法相对压下量相对宽展量相对延伸量%100%100HhHhH%100hhHHhln%100%100BbBBb%100bBbBblnLlln%100lLl%100%100LlLLl变形系数的表示法轧制时表示各向变形系数的关系式11或ln1/η＋lnω＋lnμ=0式中μ=Ll—延伸系数Bb.宽展系数hH压下系数.5)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轧辊中心线所构成的圆心角。Δb/2αΔh/2ABCD咬入角α与轧辊直径D和压下量Δh之间的关系Δb/2αΔh/2ABCD)1()1(2COSDCOSRhHh(1-5)式中R----轧辊半径。(2)接触弧长与变形区长•根据几何关系，接触弧长s为：s＝Rα•接触弧之水平投影叫做变形区长度•变形区长度的确定(接触弧长与轧制条件有关，可分为三种情况)hRhRL:)2h(2hRRL2222得由几何关系①等径Δb/2αΔh/2ABCD②不等径hLhRRRhhRhRhRhRhhhLLhDLh2hRh2R2RLhDLh1hRh1R1RLRRRR2LL121221221221122221121212222222222211121122121因假定△△h21.2实现轧制过程的条件•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。•1.2.1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。2)咬入条件的确定(分析金属刚被咬入时的受力)αpαα轧件受力分析轧辊受力分析受力分析αpαα轧件受力分析轧辊受力分析.,0sincos:)(cossin)(:完成轧制轧件才可能被咬入当水平合力使轧件受压变形轧件受垂直合力FFFxxypTPfTpT结论系数轧件与轧辊之间的摩擦说明咬入角的正切等于咬入条件)(cossintgftgPT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。•tgβ=f•则tgβ≥tgα•β≥α！！！•轧制过程中的咬入条件为摩擦角大于咬入角，Β=α为临界条件。咬入的几何意义αβαβα＝β:临界态β＞α咬入αββ＜α不能咬入当合力R方向沿轧制方向倾斜,实现自然咬入;反之不能咬入.1.2.2稳定轧制条件•在轧件被咬入后,轧辊给轧件压力P合力作用点与摩擦力T已不作用于开始接触点处,而是向变形区出口方向移动.ααψδαψ开始咬入阶段轧件充填辊缝的过程稳定轧制阶段)(虚拟的可能值稳定轧制条件下咬入角合力作用点系数线夹角轧件前端与轧辊轴心连合力作用点中心角yyxK1.2.3咬入阶段与稳定轧制阶段的咬入条件比较•极限咬入条件α=β•极限稳定咬入条件αy=βykx•令K=αy/α=kxβy/β•αy=αkxβy/β•上式说明αy与α差别取决于kx及βy/β1.2.4改善咬入的途径•1)重要性•改善咬入条件是顺利操作增加压下提高生产效率的有效措施.•2)具体办法由咬入条件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α.hD,DhDh1arcCos降降一定降增加一定•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.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.作业•已知某1150轧机钢锭尺寸880*880/635*635*1400热轧，该条件下允许咬入角28°问:•1)从理论讲,改钢锭如何轧制可使轧件轧一道次厚度最小,轧后厚度为多大•2)求该轧制条件下的最大咬入角和接触弧长.1.3轧制过程中横变形---宽展•1.3.1宽展及其分类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•(1)拟订轧制工艺时需要确定轧件宽展.•(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。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、限制宽展和强迫宽展.•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)强迫宽展•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，这种变形叫做强迫度展。•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，但在限制或强迫宽展孔型内金属流动的规律还不十分清楚。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＋ΔB12）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轧制过程中的纵变形—前滑和后滑•轧制时存在前滑和后滑现象，这种现象使轧件的出辊速度与轧辊的圆周速度不相一致。•这个速度差在轧制过程中并非始终保持不变的，它受许多因素的影响而变化。•连轧机上轧制和周期断面钢材的轧制等都要求确切知道轧件进出轧辊的实际速度。那么，轧件的速度与轧辊周速之间存在什么关系呢？这就是本节要讨论的问题。4.1轧制时的前滑与后滑•前滑与后滑概念的引出及定义•1）前滑与后滑概念的引出金属流动分界线说明轧件的延伸是被压下金属向轧辊入口和出口两方向流动的结果•（1）后滑：轧件进入轧辊的速度υH小于轧辊在该点处线速度υ的水平分量υcosα,这种现象叫做后滑。•（2）前滑：轧件的出口速度υ大于轧辊在该处的线速度υh，这种现象叫做前滑。•2）前滑值的定义公式后滑值•如果将前滑式中的分子和分母各乘以轧制时间t，则得3）前滑值的实验测定•如果事先在轧辊表面上刻出距离为LH的两个小坑则轧制后测量Lh即可用实验方法计算出轧制时的前滑值。4.2前后滑与有关工艺参数的关系•1）体积不变定律•按秒流量体积相等的条件•2)参数的关系前后滑存在一定关系前后滑是延伸得组成部分当αμ一定，Sh升则SH降。实际应用中只要研究一种现象即可vvFvvFFFHhHHhhhHbhBHLlbhlBHLCOSCOSVVCOSvvvsssvssvsvHhhHHhHhh)1()1()1(11)1()1(由后滑公式得：由前滑公式得：5.轧制压力及轧机主电机的力矩确定•5.1轧制压力的确定1)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。压下螺丝压下螺丝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。2)确定合力假设在确定轧件对轧辊的合力，首先应考虑接触区内轧件与轧辊间的力的作用情况忽略轧件沿宽度方向上接触应力的变化假定变形区某一微分面积上作用着轧辊给轧件的单位压力px和单位接触摩擦力tx3)公式推导•设轧件宽B＝1•接触微分面积ds=Bdx/cosψ•轧制压力p包括变形区接触面上所有垂直分量压力垂直分量后滑区摩擦分力（略）前滑区摩擦分力（略）ψ------变形区内任一角度；一般通称的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。但式中第二项、第三项与第一项相比，其值甚小，工程上完全可以忽略。即•可知，轧制压力为微分面积上之单位压力p与该微分体积接触表面之水平投影面积乘积的总和。•如取平均值形式，则•所以，为了确定轧件给轧辊的总压力，必须正确地确定平均单位压力和接触面积。确定平均单位压力的方法（1）理论计算法在理论分析基础之上，用计算公式确定单位压力。通常，首先确定变形区内单位压力分布形式及大小，然后再确定平均单位压力。（2）实测法在轧钢机上放置压力传感器，将力信号转换成电信号记录下来，获得实测的轧制压力资料。由实测的轧制总压力除以接触面积求出平均单位压力。（3）经验公式和图表方法根据大量的实测统计资料进行一定的数学处理，抓住一些主要影响因素，以建立起经验公式或