軋制工程學(xué)-第一章 - 復(fù)件.ppt

1、軋制過程是由軋件與軋輥之間的摩擦力將軋件拉進(jìn)不同旋轉(zhuǎn)方向的軋輥之間使之產(chǎn)生塑性變形的過程。,什么是軋制過程？,1.1 軋制過程的基本概念,軋制變形區(qū)是指軋制時(shí)，軋件在軋輥?zhàn)饔孟掳l(fā)生變形的體積。實(shí)際的軋制變形區(qū)分成彈性變形區(qū)、塑性變形區(qū)和彈性恢復(fù)區(qū)三個(gè)區(qū)域 。,軋制變形區(qū)？,彈性變形區(qū)；塑性變形區(qū)；彈性恢復(fù)區(qū),冷軋薄板的變形區(qū),在實(shí)際分析中，一般將軋制變形區(qū)簡(jiǎn)化為軋輥與軋件接觸面之間的幾何區(qū)。最簡(jiǎn)單的軋制變形區(qū)是軋制寬而較薄的鋼板軋機(jī)的變形區(qū)。當(dāng)軋件橫向變形為零時(shí)，變形區(qū)水平投影為一矩形。當(dāng)有寬展存在時(shí)則變形區(qū)水平投影近似為梯形。,咬入角，軋件被咬入軋輥時(shí)軋件和軋輥?zhàn)钕冉佑|點(diǎn)（實(shí)際上為一條線）和

2、軋輥中心的連線與兩軋輥中心連線所構(gòu)成的角度；,/hm 變形區(qū)形狀參數(shù)，hm=(H+h)/2（變形 區(qū)平均高度)。,接觸弧長(zhǎng)的水平投影，也叫變形區(qū)長(zhǎng)度；,描述變形區(qū)的參數(shù),F 接觸面水平投影面積，簡(jiǎn)稱接觸面積；,簡(jiǎn)單軋制（理想軋制）,為了便于進(jìn)行研究分析，對(duì)一些軋制條件作出假設(shè)和簡(jiǎn)化，建立一個(gè)理想的軋制模型，這就是簡(jiǎn)單理想軋制過程，即上下軋輥直徑相同、均為傳動(dòng)輥、轉(zhuǎn)速相等、軋輥為圓柱形剛體，軋件金屬為均勻連續(xù)體，軋制時(shí)變形均勻，軋件為平板。,軋制過程的最基本形式,除型軋機(jī)、行星軋機(jī)等形式軋機(jī)外，軋件承受壓縮產(chǎn)生塑性變形是在一對(duì)工作輥之間完成的，這是軋制過程的最基本形式。,當(dāng) 較小時(shí)，,咬入角 、

3、軋輥直徑、壓下量h間的關(guān)系,EB=OB-OE,其中,，,，,，故可得下式,當(dāng)軋輥直徑相同時(shí)(D=C,C為常數(shù))，壓下量h隨咬入角呈拋物線型增長(zhǎng)。,當(dāng)咬入角 一定時(shí)（ ），壓下量h與軋輥直徑呈線性關(guān)系。,當(dāng)壓下量一定時(shí)(h=C)，咬入角 隨軋輥直徑的增加呈雙曲線型下降。,考慮軋機(jī)機(jī)架的彈性變形時(shí)，咬入角 近似為:,(弧度),變形區(qū)長(zhǎng)度,或,如果忽略,，則變形區(qū)長(zhǎng)度可近似用下式表示:,接觸面積是指軋制時(shí)軋輥與軋件實(shí)際接觸面積的水平投影，這是計(jì)算軋制壓力時(shí)非常重要的參數(shù)。,接觸面積?,只考慮平輥軋制時(shí)的接觸面積（若軋件入、出口寬度分別為B、b）,其形狀為梯形:,當(dāng)考慮軋輥及軋件彈性變形時(shí)的接觸面積為

4、,當(dāng)上、下工作輥徑R1，R2不同(R1R2)時(shí),接觸面積計(jì)算,思考題,簡(jiǎn)單軋制時(shí)變形區(qū)參數(shù)間的關(guān)系,軋制變形區(qū)的概念及其描述參數(shù),變形區(qū)長(zhǎng)度及接觸面積計(jì)算,1.2 軋制過程中金屬的變形,1.2.1 軋制時(shí)金屬變形的基本概念,當(dāng)軋件在變形區(qū)內(nèi)沿高度（厚度）方向上受到壓縮時(shí)，金屬向縱向及橫向流動(dòng)，軋制后軋件在長(zhǎng)度和寬度方向上尺寸增大。而由于變形區(qū)幾何形狀及力學(xué)和摩擦作用的關(guān)系，軋制時(shí)金屬主要是縱向流動(dòng)，寬向變形和縱向變形相比通常很小。,將軋制時(shí)軋件在高、寬、縱向三個(gè)方向的變形分別稱為壓下、寬展和延伸。,在軋件入口處上部邊緣上指定一點(diǎn)。在軋制過程中在壓下的影響下，點(diǎn)要向下移動(dòng) 距離，在軋制方向上將延

5、伸移動(dòng)。因?yàn)檐埣趯挾确较蛏弦惨l(fā)生變形，所以在此方向點(diǎn)移動(dòng)距離為 。因此，就可劃出點(diǎn)的空間軌跡，它稍向下、向兩側(cè)，并且在很大程度上是向前的。因此在變形區(qū)域中金屬的變形用三個(gè)坐標(biāo)軸來表示。 根據(jù)給定的坯料尺寸和壓下量，來確定軋制后軋件的尺寸和形狀，或者已知軋制后軋件的尺寸和壓下量，要求確定所需坯料的尺寸，這是在制定軋制工藝時(shí)首先遇到的問題。要解決這類問題，首先要知道被壓下金屬是如何沿軋制方向和寬度方向流動(dòng)的，即如何分配延伸和寬展。,軋制過程中金屬變形的描述,絕對(duì)變形量,壓下量： 寬展量： 延伸量：,:分別為軋制前軋件的高、寬、長(zhǎng)度尺寸。,:分別為軋制后軋件的高、寬、長(zhǎng)度尺寸。,相對(duì)變形量,相對(duì)

6、壓下： 相對(duì)寬展： 相對(duì)延伸：,利用以上比值可衡量沿三個(gè)軸線方向的小塑性變形的相對(duì)值。,位移體積及對(duì)數(shù)變形系數(shù),六面體的變形過程,假定變形前六面體的線性尺寸為 ， ，變形后的尺寸為 ， ， 。,六面體的變形前的幾何形狀,將六面體的整個(gè)變形過程劃分為許多微小的形變階段（單元形變階段）。認(rèn)為六面體最終得到的有限應(yīng)變是其在各單元形態(tài)階段內(nèi)產(chǎn)生多次微小變形的結(jié)果。而在每一單元形變階段內(nèi)、六面體的變形又可看做是體積等于 的微量金屬，從z軸方向上移動(dòng)y及x軸方向上去的結(jié)果。從z軸方向上所移去的金屬體積稱為z軸方向上的單元位移體積，用表示 。,位移體積及對(duì)數(shù)變形系數(shù),為所研究的單元形變階段內(nèi)六面體垂直z軸的

7、斷面面積。,對(duì)單元位移體積進(jìn)行積分，便得到在六面體的整個(gè)變形過程中，z軸方向上所移去的金屬體積，即z軸方向的位移體積。,位移體積等于物體的體積與相應(yīng)的對(duì)數(shù)變形系數(shù)的乘積。,同理：,；,位移體積與物體的體積之比，稱相對(duì)位移體積。,相對(duì)位移體積？,以Z方向?yàn)槔?相對(duì)位移體積等于變形后的尺寸與原始尺寸之比值的對(duì)數(shù)，即等于相應(yīng)的對(duì)數(shù)變形系數(shù)。,同理：,任意形狀的金屬材料其變形前、后的體積相等。,體積不變假設(shè),根據(jù)體積不變假設(shè)，變形前、后六面體的體積相等：,對(duì)上式取對(duì)數(shù)，得：,該式為產(chǎn)生有限應(yīng)變的變形物體的體積不變條件，即相對(duì)位移體積的代數(shù)和為零。,延伸系數(shù)；,寬展系數(shù)；,壓下系數(shù)；,對(duì)數(shù)延伸系數(shù)；,

8、對(duì)數(shù)寬展系數(shù)；,對(duì)數(shù)壓下系數(shù)。,在實(shí)際中，常把高度方向的對(duì)數(shù)應(yīng)變也取為正值。,式中,思考題,圓圓變形 圓扁變形 方六角變形,采用移位體積分析方法推導(dǎo)以下三種變形方式的變形程度,1.2.2 軋制時(shí)金屬的寬展,寬展與其實(shí)際意義,在軋制過程中軋件的高度承受軋輥壓縮作用，壓縮下來的體積，將按照最小阻力法則移向縱向及橫向。由移向橫向的體積所引起的軋件寬度的變化稱為寬展。,在習(xí)慣上，通常將軋件在寬度方向線尺寸的變化，即絕對(duì)寬展直接稱為寬展。雖然用絕對(duì)寬展不能正確反映變形的大小，但是由于它簡(jiǎn)單，明確，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到極為廣泛的應(yīng)用。,a. 未充滿; b. 過充滿,寬展估計(jì)不足產(chǎn)生的缺陷,若計(jì)算寬展大于實(shí)際寬

9、展，孔型充填不滿，造成很大的橢圓度，如圖所示。 若計(jì)算寬展小于實(shí)際寬展，孔型充填過滿，形成耳子如圖所示。,寬展分類,自由寬展 限制寬展 強(qiáng)制寬展,寬展分類,自由寬展：坯料在軋制過程中，被壓下的金屬體積其金屬質(zhì)點(diǎn)橫向移動(dòng)時(shí)具有向垂直于軋制方向的兩側(cè)自由移動(dòng)的可能性，此時(shí)金屬流動(dòng)除受輥接觸摩擦的影響外，不受其它任何的阻礙和限制，如孔型側(cè)壁，立輥等，結(jié)果明確的表現(xiàn)出軋件寬度尺寸的增加，這種情況稱為自由寬展。自由寬展發(fā)生于變形比較均勻的條件下，如平輥上軋制矩形斷面軋件，以及寬度有很大富裕的扁平孔型內(nèi)軋制。自由寬展軋制是最簡(jiǎn)單的軋制情況。,寬展分類,限制寬展: 坯料在軋制過程中，金屬質(zhì)點(diǎn)橫向移動(dòng)時(shí)，除受

10、接觸摩擦的影響外，還承受孔型側(cè)壁的限制作用，因而破壞了自由流動(dòng)條件，此時(shí)產(chǎn)生的寬展稱為限制寬展。如在孔型側(cè)壁起作用的凹型孔型中軋制時(shí)即屬于此類寬展。由于孔型側(cè)壁的限制作用，使橫向移動(dòng)體積減小，故所形成的寬展小于自由寬展。,a. 箱形孔內(nèi)的寬展; b.閉口孔內(nèi)的寬展,寬展分類,強(qiáng)制寬展：坯料在軋制過程中，金屬質(zhì)點(diǎn)橫向移動(dòng)時(shí)，不僅不受任何阻礙且受有強(qiáng)烈的推動(dòng)作用，使軋件寬度產(chǎn)生附加的增長(zhǎng)，此時(shí)產(chǎn)生的寬展稱為強(qiáng)制寬展。由于出現(xiàn)有利于金屬質(zhì)點(diǎn)橫向流動(dòng)的條件，所以強(qiáng)制寬展大于自由寬展。,寬展的分布,平輥軋制矩形件時(shí)，沿橫截面上寬展的分布是相當(dāng)復(fù)雜的，它主要決定于接觸表面上的摩擦條件和沿軋件高度上的不均勻

11、變形程度。根據(jù)這些因素的影響，軋制后軋件側(cè)邊的形狀可呈雙鼓形、單鼓形和平直形。決定寬展沿軋件高度上分布不均勻的主要因素是 之比值。,/,較小時(shí)，寬展僅產(chǎn)生在接觸表面附近，軋件側(cè)邊呈雙鼓形，寬展僅僅分布在軋件高度上一定范圍之內(nèi)，在接觸表面上發(fā)生變形，而中心產(chǎn)生不大的變形或不產(chǎn)生變形。,雙鼓形,較大時(shí)，軋件中心層產(chǎn)生較大寬展，變形結(jié)果，橫截面的側(cè)表面形狀呈單鼓形。這種情況下，沿軋件高度的中心層上的寬展量較之接觸面的大。,單鼓形,當(dāng) 值在一定范圍內(nèi)時(shí)，寬展的分布在接觸表面與中心層一樣，那么橫截面的形狀是平直的。這樣的寬展分布特征，說明接觸表面與中心層是均勻變形。,平直形,思考題,平輥軋制時(shí)決定軋后軋

12、件側(cè)邊形狀的主要因素是什么？,簡(jiǎn)述三種寬展類型的特征，并說明如何控制各類型寬展量的大小。,通常根據(jù)什么來判斷軋后軋件的側(cè)邊形狀？,下堂課的主要講授內(nèi)容,影響寬展的因素,平輥軋制時(shí)寬展的計(jì)算,軋制過程中的不均勻變形,1.1.2 咬入條件和軋制過程的建立,軋制過程能否建立的先決條件是軋件能否被軋輥咬入。分析軋件曳入時(shí)的平衡條件，應(yīng)當(dāng)是有利于咬入的水平投影力的總和大于阻礙咬入的水平投影力的總和。,(Q-F)+2Tx=2Px 式中Px正壓力P的水平投影； Tx摩擦力T的水平投影； Q外推力； F慣性力。,軋件進(jìn)入軋輥時(shí)的作用力圖示,軋件被軋輥咬入的條件,這個(gè)條件意味著只有當(dāng)咬入時(shí)的摩擦角等于或大于咬入

13、 角時(shí)才能實(shí)現(xiàn)軋件進(jìn)入輥縫的過程(= 為咬入的臨界條件)。,軋制過程建成條件分析,在軋制過程建成時(shí)，假設(shè)接觸表面的摩擦條件和 其它參數(shù)均保持不變，合力作用點(diǎn)將由入口平面移 向接觸區(qū)內(nèi)。,軋件-軋輥的平衡條件,在軸上列出軋件軋輥的力學(xué)平衡條件，其臨界條件是： 2Tx-2Px=0,軋制過程建成的綜合條件,當(dāng) yny時(shí)，軋制過程不能進(jìn)行，并且軋件在軋輥上打滑。,軋制過程建成時(shí)的最大接觸角與最大咬入角的比值可以由 合力移動(dòng)系數(shù)n與摩擦角的比值決定。,=2,軋制過程建成的最大接觸角是咬入時(shí)最大咬入角的兩倍。研究指出，軋制條件決定了ymax/max的比值變化在之間。,影響寬展的因素,A相對(duì)壓下量對(duì)寬展的影

14、響,壓下量是形成寬展的源泉，是形成寬展的主要因素之一，沒有壓 下量寬展就無從談起，因此，相對(duì)壓下量愈大，寬展愈大。,B軋制道次對(duì)寬展的影響,在總壓下量一定的前題下，軋制道次愈多，寬展愈小,C軋輥直徑對(duì)寬展的影響,其它條件不變時(shí)，寬展隨軋輥直徑的增加而增加。,D摩擦系數(shù)對(duì)寬展的影響,當(dāng)其它條件相同時(shí)，隨著摩擦系數(shù)的增加，寬展增加。凡是影響 摩擦系數(shù)的因素，都將通過摩擦系數(shù)引起寬展的變化，這主要有：,(1)軋制溫度對(duì)寬展的影響,(2)軋制速度的影響,軋制溫度與寬展指數(shù)的關(guān)系,寬展與軋制速度的關(guān)系,(3)軋輥表面狀態(tài)的影響,(4)軋件的化學(xué)成分的影響,E軋件寬度對(duì)寬展的影響,F前、后張力對(duì)寬展的影響

15、,軋件寬度對(duì)變形區(qū)劃分的影響,在外區(qū)及張力作用下，假想 的寬展區(qū)的位移（以虛線表示）,平輥軋制時(shí)寬展的計(jì)算,JI.熱茲公式 C.H.別特羅夫.齊別爾公式 (3) C.古布金公式 (4) .巴赫契諾夫公式 (5) S.艾克隆德公式,計(jì)算寬展的公式有：,1.2.3 軋制過程中的不均勻變形,孔型軋制時(shí)斷面內(nèi)部變形,軋件對(duì)稱面上的變形,引起不均勻變形的因素有：接觸表面摩擦力作用，不均勻壓下及同一斷面上軋件與軋輥接觸的非同時(shí)性（孔型軋制），板坯厚度不均，坯料溫度不均、組織不均等等，其中主要的是前兩種。,軋制時(shí)的不均勻變形對(duì)軋制產(chǎn)品的尺寸、形狀、內(nèi)部質(zhì)量、表面狀態(tài)、成材率以及軋輥磨損等有著重要的影響。當(dāng)板

16、材厚度不均勻時(shí)，引起接觸壓力分布的變化、板面內(nèi)應(yīng)力分布不均勻以及產(chǎn)生邊部和中部波浪或裂紋的情況。,在軋制時(shí)除接觸表面的摩擦外，位于塑性變形區(qū)前、后的軋出部分 和待軋部分的金屬外端，對(duì)于應(yīng)變的分布有很大的影響。在軋制過程 中，變形區(qū)內(nèi)垂直橫斷面上的各不同部分，都通過外端的作用而抑制和 牽連其它部分的變形。因此，一般來講，外端有均分應(yīng)變分布的作用。,軋制板、帶材通常屬于這種情況。板、帶材軋制時(shí)，在變形區(qū)內(nèi)沿軋件寬度上金屬質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度分布是不均勻的。,沿帶材寬度金屬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度分布圖,型材的軋制多數(shù)屬于此種情況,在初軋機(jī)和大型開坯機(jī)上軋制鋼坯時(shí)，前面的若干道次多屬此種情況。,利用滑移線方法，對(duì)于

17、平面應(yīng)變的條件，求解高軋件內(nèi)的應(yīng)力分布， 根據(jù)理論分析的結(jié)果，可得如下結(jié)論： (1)在軋制高軋件的情況下，外端對(duì)于塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布及接觸表 面上的平均單位壓力值有很大影響，隨比值 的減小，外端的作用 不斷增強(qiáng)，致使軋件完全產(chǎn)生表面變形為止。 (2)沿變形區(qū)的高度，在軋件的表面層有水平壓應(yīng)力產(chǎn)生，在軋件的 中部有水平拉應(yīng)力產(chǎn)生。比值 愈小，這些應(yīng)力的數(shù)值（絕對(duì)值）愈 大。 (3)在接觸表面下面有剛性移動(dòng)區(qū)（難變形區(qū)）存在。,/,/,1.3 軋制過程中的前滑和后滑,1.3.1 平輥軋制前滑、后滑的計(jì)算,前滑值是用軋輥出口斷面上軋件與軋輥速度的相對(duì)差值來表示，即,式中 Sh 前滑值； Vh 軋輥出

18、口截面軋件的速度； V 軋輥圓周速度。,同樣后滑是用軋輥入口斷面軋件的速度與軋輥該點(diǎn)的水平分速差的 相對(duì)值來表示，即,SH=,100%,式中 SH后滑值。,前滑值的計(jì)算方法,原則：變形區(qū)內(nèi)各橫斷面秒流量相等（引入中性角）E. Fink,前滑是軋輥直徑、軋件厚度h及中性角的函數(shù),前滑分析,按芬克公式計(jì)算的曲線圖,前滑與中性角呈拋物的關(guān)系；前滑與輥徑呈直線關(guān)系；前滑與軋件厚度呈雙曲線的關(guān)系等。,前滑分析,當(dāng) 角很小時(shí)，公式簡(jiǎn)化為 S.愛克隆德公式：,當(dāng)D/h遠(yuǎn)大于1時(shí)簡(jiǎn)化為D. 德里斯頓公式：,1.3.2 平輥軋制時(shí)中性角的確定,對(duì)簡(jiǎn)單的理想軋制過程，在假定接觸面全滑動(dòng)和遵守庫侖干摩擦 定律以及單

19、位壓力沿接觸弧的均勻分布和無寬展的情況下，按變形區(qū) 內(nèi)水平力平衡條件導(dǎo)出確定中性角的計(jì)算式為 :,或,根據(jù)上式作出的與的關(guān)系曲線,1.3.3 影響前滑的主要因素,軋輥直徑的影響,輥徑D對(duì)前滑的影響,摩擦系數(shù)的影響,軋制溫度、壓下量對(duì) 前滑的影響,咬入角、摩擦系數(shù)對(duì) 前滑的影響,壓下率的影響,熱軋時(shí)壓下率與前滑的關(guān)系 (當(dāng)h、H、h為常數(shù)時(shí), 1#鋼 t=1000, D=400mm),冷軋鋼板時(shí)壓下率與前滑的關(guān)系 (H=4mm, L=100mm, D=126.7mm, 潤滑-乳化液),軋件寬度的影響,軋件軋后厚度與前滑的關(guān)系 (鉛試樣h=1.2mm, D=158.5mm),當(dāng)不同軋入角時(shí), 前滑

20、與h/D的關(guān)系 (D=80mm) 1:=840；2：=1214； 3：=13； 4：=1720；5：=1924,軋件寬度的影響,軋件寬度與前滑的關(guān)系,張力的影響,前張力增加時(shí)，則使金屬向前流動(dòng)的阻力減小，增加前滑區(qū)，使前滑增加。反之，后張力增加時(shí)，則后滑區(qū)增加。,1.4 軋制過程中的摩擦,1.4.1 摩擦的基本概念,金屬塑性成形時(shí)，在金屬和成形工具（如軋件和軋輥）的接觸面 之間產(chǎn)生阻礙金屬流動(dòng)或滑動(dòng)的界面阻力，這種界面阻力稱為接觸摩 擦（外摩擦）。,摩擦在金屬塑性成形過程中的作用極為重要，它不僅影響加工載 荷，咬入能力，而且直接影響工件變形形狀、尺寸精度、表面質(zhì)量和 工具磨損，同時(shí)也間接影響工

21、件內(nèi)部的組織、性能分布。,1.4.2 金屬塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn),金屬塑性成形時(shí)的摩擦與機(jī)械傳動(dòng)時(shí)的摩擦有很大差別： 首先，它是在高壓力下產(chǎn)生的摩擦。 塑性成形時(shí)，金屬所受的單位 壓力，熱變形時(shí)有100 150MPa，冷變形時(shí)可達(dá)5002500MPa， 而受重載荷的軸承，工作時(shí)的單位壓力僅為2040MPa。接觸面上承 受的單位壓力愈高，潤滑就愈困難。 其次，塑性成形時(shí)，常常由于金屬的變形而不斷產(chǎn)生新的接觸表面 以及工具在加工過程中也不斷受到磨損，因此，摩擦情況是不斷變化的。 接觸面上金屬各點(diǎn)的位移情況也不同，有滑動(dòng)的，有粘著的。 另外，很多塑性成形是在高溫下進(jìn)行的。,金屬成形時(shí)摩擦的影響主要表現(xiàn)

22、在： 1)改變金屬所處的應(yīng)力狀態(tài)，使變形力增加，能耗增多。例如， 熱軋薄板時(shí)可使載荷增加甚至倍以上。 2)引起工件變形不均勻。金屬塑性成形時(shí)，因接觸表面摩擦的作用 而使金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)受到阻礙，使工件各部分變形的發(fā)生、發(fā)展極不均勻。 3)金屬的粘結(jié)。外摩擦的一個(gè)嚴(yán)重后果，是促使表層金屬質(zhì)點(diǎn)或氧化 物從變形工件上轉(zhuǎn)移到軋輥表面，產(chǎn)生軋輥表面粘結(jié)金屬的現(xiàn)象，這顯 著縮短軋輥使用壽命，損傷產(chǎn)品的表面質(zhì)量。 4)軋輥磨損。在產(chǎn)生軋輥磨損的三種原因即摩擦磨損、化學(xué)磨損 和熱磨損中，摩擦磨損是主要的。,1.4.3 接觸摩擦理論,在塑性加工過程中，根據(jù)接觸表面摩擦的特征提出了干摩擦、半干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦

23、等各種摩擦機(jī)理的假設(shè)。,接觸摩擦干摩擦,干摩擦： 在軋輥與軋件兩潔凈的表面之間，不存在其他物質(zhì)。這種摩擦方式在軋制過程中不可能出現(xiàn)，因?yàn)樵诮佑|表面上有被氧化物污染、吸附氧氣、水分以及其它物質(zhì)的存在。但在真空條件下，表面進(jìn)行適當(dāng)處理后，在實(shí)驗(yàn)室條件下，一定程度上可以再現(xiàn)這種干摩擦過程。,接觸摩擦邊界摩擦,邊界摩擦： 接觸表面內(nèi)，存在一層厚度為百分之一微米數(shù)量級(jí)的薄油膜。當(dāng)用帶有表面活性的物質(zhì)進(jìn)行潤滑時(shí)（例如用脂肪酸），在軋輥或金屬表面上，形成致密而堅(jiān)固的油膜。具有長(zhǎng)鏈物質(zhì)的極性分子垂直分布在金屬表面上，形成一定厚度的致密層。這樣，邊界油膜具有像結(jié)晶結(jié)構(gòu)一樣的一定結(jié)構(gòu)。它的性質(zhì)很容易與潤滑本身的性

24、質(zhì)區(qū)分。其特性是可以承受高的載荷，同時(shí)對(duì)各層間剪切抵抗不大。在邊界潤滑條件下，摩擦系數(shù)很小，就是因?yàn)楦鲗又g剪切抗力很小。,接觸摩擦液體摩擦,液體摩擦： 在軋件與軋輥之間存在較厚的潤滑層（油膜），接觸表面不再直接接觸。在一定情況下，這種潤滑具有一定的實(shí)際意義。例如在高速冷軋潤滑情況下，屬此類潤滑。,接觸摩擦實(shí)際狀態(tài),在實(shí)際中最常遇到的是混合摩擦，即半干摩擦和半液體摩擦。半干摩擦是干摩擦與邊界摩擦的混合，部分區(qū)域存在粘性介質(zhì)薄膜，這是在潤滑表面之間，潤滑劑很少的情況下出現(xiàn)的。半液體摩擦可理解為液體摩擦與干摩擦或者與邊界摩擦的混合。在這種情況下，接觸物體之間有一個(gè)潤滑層，但沒有把接觸表面之間完全分

25、隔開來。在進(jìn)行滑動(dòng)時(shí)，在個(gè)別點(diǎn)上由于表面凹凸不平處相嚙合，即出現(xiàn)了邊界摩擦區(qū)或干摩擦區(qū)。在具有工藝潤滑的冷軋變形區(qū)中，常出現(xiàn)這種潤滑。,1.4.3 接觸摩擦理論,干摩擦理論(庫侖Coulomb定律) 接觸表面上的切應(yīng)力與正應(yīng)力成正比，即單位摩擦為 p 式中 摩擦系數(shù)；p接觸表面正壓力。,常摩擦理論(西貝爾Siebel理論) 接觸面上的切應(yīng)力與正應(yīng)力無關(guān)，是一個(gè)常數(shù) mk 式中 m摩擦因子，0m1； k剪切屈服應(yīng)力k=0.577ReL。 通常用于塑性加工中的粘著狀態(tài)條件。一般都把產(chǎn)生粘著的條件定為單位摩擦力最大值不應(yīng)超過最大剪切應(yīng)力 maxk/2,液體摩擦理論(Nadai理論) 認(rèn)為摩擦阻力來自

26、于液體潤滑層的內(nèi)摩擦，切應(yīng)力與潤滑劑粘度及相對(duì)速度 成正比。 v/h 式中 潤滑劑粘度系數(shù)；潤滑層內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；h潤滑層厚度。 這一理論是針對(duì)良好潤滑條件下的高速軋制（v1040m/s）的。,1.4.4 確定軋制時(shí)摩擦系數(shù)的方法,熱軋咬入時(shí)的摩擦系數(shù),咬入時(shí)的摩擦系數(shù)是通過用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定極限咬入角來確定的 取 e=tanmax,冷軋咬入時(shí)的摩擦系數(shù),(1) 軋件材質(zhì)的影響,(2) 潤滑條件的影響,(3) 軋制速度的影響,潤滑條件對(duì)冷軋低碳鋼咬入摩擦系數(shù)的影響,在實(shí)驗(yàn)中軋制3.9mm厚0.3%C碳鋼試樣用蓖麻油潤滑,軋輥表面粗糙度RMS為0.20.4m，當(dāng)軋制速度在0-0.15m/s時(shí)，咬入摩

27、擦系數(shù)下降很快。當(dāng)軋制速度超過0.15m/s時(shí)，咬入摩擦系數(shù)隨軋制速度的增加緩慢下降。,(4) 軋輥材質(zhì)和表面粗糙度的影響,冷軋時(shí)不同軋輥條件的最大咬入角和咬入摩擦系數(shù),熱軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù),熱軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)受許多因素的影響,(1) 軋件溫度,穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)軋件溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,(2) 軋件化學(xué)成分,熱軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)軋件碳含量對(duì)摩擦 系數(shù)的影響,(3)軋輥表面粗糙度,熱軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)軋輥表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,(4)軋制速度,根據(jù)蓋列依的研究，軋制速度增加使穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)減小， 可用下面公式計(jì)算值。 對(duì)于鋼軋輥： =1.05-0.0005T-0.056V 對(duì)于鑄鐵輥：=0.9

28、2-0.0005T-0.056V 對(duì)于磨光鋼軋輥和冷硬鑄鐵輥：=0.82-0.0005T-0.56V 式中，v軋制速度，m/s；T軋件溫度，,(5)潤滑油濃度 通常，穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)隨潤滑油濃度的增加而減小。然而，當(dāng)潤滑油 的濃度達(dá)到一定值時(shí)，再增加濃度，對(duì)降低摩擦系數(shù)的作用不明顯。這種潤 滑油濃度的一定值取決于潤滑劑的類型： 聚合棉籽油乳化液 5 硬脂酸液 20 菜籽油 40,冷軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù),冷軋穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)主要受以下因素影響：,（1）軋件溫度 通常，當(dāng)軋件溫度增加時(shí)摩擦系數(shù)增加。與溫度的 關(guān)系可近算: =20+a(t-20) 式中 20在20穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)；t軋

29、件溫度，; a取決于軋輥表面光潔度的修正系數(shù)： 光滑輥面 a=0.00110.0015；粗糙輥面 a=0.00350.0073,（2）軋輥表面粗糙度 摩擦系數(shù)隨軋輥表面粗糙度增加而增大，其影響可 由下式表達(dá)： =0.21+0.5(Ra-0.2) 式中在當(dāng)軋輥表面粗糙度Ra=0.2穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)的摩擦系數(shù)。 Ra的范圍在0.210m。,（3）軋件化學(xué)成分 碳鋼軋制采用潤滑時(shí)，軋件化學(xué)成分對(duì)摩擦系數(shù)的影響 可以忽略。但軋制奧氏體不銹鋼時(shí)，由于存在軋輥粘結(jié)趨勢(shì)，因此，其摩擦 系數(shù)通常比碳鋼的增大1020。,(4) 潤滑劑粘度,潤滑劑粘度對(duì)冷軋時(shí)摩擦系數(shù)的影響,（5）軋制速度,冷軋速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響（潤

30、滑條件下）,油膜厚度隨潤滑劑粘度的增加而增加,油膜厚度與軋制速度成正比,（6）道次壓下量,冷軋時(shí)道次壓下量對(duì)摩擦系數(shù)的影響,道次壓下量對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大程度上取決于軋件表面粗糙度以及加工硬化程度，左圖表示軋制低碳鋼，采用蓖麻油和10礦物油乳液潤滑時(shí)軋件摩擦系數(shù)隨道次壓下量的變化。當(dāng)鋼帶表面粗糙時(shí)，退火和加工硬化的鋼帶的摩擦系數(shù)隨壓下量的增加而降低。當(dāng)軋制的鋼帶表面光滑時(shí)，退火鋼帶的值隨壓下量的增加而增加，加工硬化鋼帶的值保持不變。,1.6 軋制壓力、軋制力矩及功率,軋制單位壓力的概念,當(dāng)金屬在軋輥間變形時(shí)，在變形區(qū)內(nèi)，沿軋輥與軋件接觸面產(chǎn)生 接觸應(yīng)力通常將軋輥表面法向應(yīng)力稱為軋制單位壓力，將

31、切應(yīng)力稱為 單位摩擦力。,軋制時(shí)的平衡微分方程,(1) 卡爾曼（T.Karman）單位壓力,(2)卡爾曼微分方程的A.采利柯夫解,(3) E.奧洛萬(E.Orowan)單位壓力微分方程,1.6.1 軋制單位壓力的理論及實(shí)驗(yàn),卡爾曼微分方程的假設(shè)條件,（1）軋件金屬性質(zhì)均勻，可宏觀地看作均勻連續(xù)介質(zhì)； （2） 變形區(qū)內(nèi)沿軋件橫斷面上無剪應(yīng)力作用，各點(diǎn)的金屬流動(dòng)速度，正應(yīng)力及變形均勻分布； （3）軋制時(shí)，軋件的縱向、橫向和高向與主應(yīng)力方向一致； （4）軋制過程為平面變形（無寬展），塑性方程式可寫成 （5）軋輥和機(jī)架為剛性。,變形區(qū)內(nèi)任意微分體上受力情況,卡爾曼微分方程一般形式,假設(shè)： （1）摩擦力

32、分布規(guī)律運(yùn)用干摩擦定律 （2）接觸弧方程用直線，以弦代弧,卡爾曼微分方程的A.采利柯夫解,軋制單位壓力分布的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在干摩擦條件下(tx=Px)， 接觸弧上單位壓力分布圖,(1) 根據(jù)采利柯夫單位壓力公式計(jì)算的結(jié)果,壓下量對(duì)單位壓力分布的影響 h=1mm,D=200mm, =0.2, 其它條件相同,摩擦系數(shù)對(duì)單位壓力分布的影響 h/H=30%, =546,h/D=1.16%, 其它條件相同,輥徑對(duì)單位壓力分布影響 （h/H=30%,=0.3） 1-D=700mm,D/h=350mm,l=17.2mm 2-D=400mm, D/h=200mm,l=13mm 3-D=200mm, D/h=

33、100mm,l=8.6mm,張力對(duì)單位壓力分布的影響 （-0.8K; -0.5K） (a)1-qh=0; 2-qh=0.2K; 3-qh=0.5K; (b) 1-qh=qH= 0; 2-qh=qH=0.2K; 3-qh=qH=0.5K.,(2)軋制單位壓力分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,軋制薄件( )時(shí)單位力p 及單位摩擦力t沿接觸弧之分布,摩擦力及摩擦系數(shù)沿接觸弧之分布,第三種軋制情況( )的p、t 沿接觸弧分布曲線,第二種軋制情況( ) 的p、t分布曲線,1.6.2 軋制壓力計(jì)算,確定軋制壓力的方法,確定平均單位壓力的方法，歸結(jié)起來有如下三種： (1)理論計(jì)算法 它是建立在理論分析基礎(chǔ)之上，用計(jì)算公式確定

34、 單位壓力。通常，都要首先確定變形區(qū)內(nèi)單位壓力分布形式及大小， 然后再計(jì)算平均單位壓力。 (2)實(shí)測(cè)法 是在軋鋼機(jī)上放置專門設(shè)計(jì)的壓力傳感器，壓力信號(hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過放大或直接送往測(cè)量?jī)x表把它記錄下來，獲得實(shí) 測(cè)的軋制壓力資料。用實(shí)測(cè)的軋制總壓力除以接觸面積，便求出平均 單位壓力。 (3)經(jīng)驗(yàn)公式和圖表法 根據(jù)大量的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料，進(jìn)行一定的數(shù)學(xué) 處理，抓住一些主要影響因素，建立經(jīng)驗(yàn)公式或圖表。,影響軋制壓力的主要因素分析,平均單位壓力與以下兩類因素有關(guān)： 第一類是塑性變形時(shí)由金屬機(jī)械性能決定的因素； 第二類是影響應(yīng)力狀態(tài)的因素，接觸摩擦、外端、軋件寬度及張力等。,冷軋軋制壓力計(jì)算,A.N.

35、 采利柯夫平均單位壓力公式 M.D斯通(M.D.Stone)平均單位壓力公式 希爾軋制壓力公式,熱軋軋制壓力計(jì)算,B.R.西姆斯（B.R.Sims）軋制壓力公式 S.艾克隆德軋制壓力公式 志田平均單位壓力公式 齋藤軋制壓力公式,1.6.3 軋制力矩及功率,軋制力矩：軋制力矩M可按力與力臂之乘積求得。,軋件對(duì)軋輥?zhàn)饔昧Ψ治?(1) 簡(jiǎn)單軋制情況下輥系受力分析,簡(jiǎn)單軋制時(shí)軋件 對(duì)軋輥的作用力,(2) 有張力作用時(shí)軋輥受力分析,有張力作用時(shí)軋件對(duì)軋輥的作用力 a)前張力大于后張力(T1T0); b)后張力大于前張力(T0T1),軋制力矩的計(jì)算,確定軋制力矩的方法有三種： (1)按金屬作用在軋輥上的總

36、壓力計(jì)算軋制力矩：關(guān)于按總壓力 計(jì)算軋制力矩的一般公式，已在前節(jié)中導(dǎo)出。在實(shí)際計(jì)算中如何根 據(jù)具體軋制條件，確定合力作用角的數(shù)值，在下面詳細(xì)討論。 力臂系數(shù)：/a/l (2) 按金屬作用在軋輥上的切向摩擦力計(jì)算軋制力矩：軋制力矩等于 前滑區(qū)與后滑區(qū)的切向摩擦力與軋輥半徑之乘積的代數(shù)和，在軋輥不產(chǎn) 生彈性壓縮時(shí)上式是正確的。由于不能精確地確定摩擦力的分布及中性 角，這種方法不便于實(shí)際應(yīng)用。 (3) 按軋制時(shí)的能量消耗確定軋制力矩。,主電機(jī)傳動(dòng)軋輥所需的力矩及功率,(1) 傳動(dòng)力矩的組成,Mm=M/i+Mf+Mk+Md 式中 M軋制力矩，用于使軋件塑性變形所需的力矩； Mf克服軋制時(shí)發(fā)生在軋輥軸承

37、，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的附加摩擦力矩； Mk空轉(zhuǎn)力矩，即克服空轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩； Md動(dòng)力矩，此力矩為克服軋輥不勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力所必須的 i軋輥與主電機(jī)之間的傳動(dòng)比,主電機(jī)傳動(dòng)軋輥所需的力矩及功率,(2) 傳動(dòng)軋輥力矩的靜力矩,Mj=M/i+Mf+Mk 軋輥?zhàn)鰟蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的力矩，這3項(xiàng)對(duì)任何軋機(jī)都是必不可少的。,主電機(jī)傳動(dòng)軋輥所需的力矩及功率,附加摩擦力矩的確定 在軋制過程中，軋件通過輥間時(shí)，在軸承中與軋機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中有摩擦力產(chǎn)生，所謂附加摩擦力矩，是指克服這些摩擦力所需力矩，而且在此附加摩擦力矩的數(shù)值中，并不包括空轉(zhuǎn)時(shí)軋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩。 組成附加摩擦力矩的基本數(shù)值有兩大項(xiàng)，一為軋輥軸承中的摩擦力矩

38、，另一項(xiàng)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的摩擦力矩。,主電機(jī)傳動(dòng)軋輥所需的力矩及功率,3 空轉(zhuǎn)力矩的確定 空轉(zhuǎn)力矩是指空載轉(zhuǎn)動(dòng)軋機(jī)主機(jī)列所需的力矩。通常是根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)部分軸 承中引的摩擦力計(jì)算的。,4 主電機(jī)的功率計(jì)算 當(dāng)主電機(jī)的傳動(dòng)負(fù)荷圖確定后，就可對(duì)電機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算。這項(xiàng)工作 包括兩部分：一是由負(fù)荷圖計(jì)算出等效力矩不能超過電機(jī)的額定力矩；二是 負(fù)荷圖中的最大力矩不能超過電機(jī)的允許過載負(fù)荷和持續(xù)時(shí)間。,主電機(jī)傳動(dòng)軋輥所需的力矩及功率,軋機(jī)工作時(shí)電機(jī)的負(fù)荷是間斷式的不均勻負(fù)荷，而電機(jī)的額定力矩是指電機(jī)在此負(fù)荷下長(zhǎng)期工作，其溫升在允許的范圍內(nèi)的力矩。為此必須計(jì)算出負(fù)荷圖中的等效力矩，其值按下式計(jì)算： Mjum= 式中

39、 Mjum等效力矩，Nm； tn軋制時(shí)間內(nèi)各段純軋時(shí)間的總和，s； tn軋制周期內(nèi)各段間隙時(shí)間的總和，s； Mn各段軋制時(shí)間所對(duì)應(yīng)的力矩，Nm； Mn各段間隙時(shí)間對(duì)應(yīng)的空轉(zhuǎn)力矩，Nm。 校核電機(jī)溫升條件為： MjumMH 校核電機(jī)的過載條件為：MmaxKGMH 式中 MH電機(jī)的額定力矩； KG電機(jī)的允許過載系數(shù)，直流電機(jī)KG=2.02.5；交流同步電機(jī)，KG=2.53.0； Mmax軋制周期內(nèi)最大的力矩。 電機(jī)達(dá)到允許最大力矩KGMH時(shí)，其允許持續(xù)時(shí)間在15s以內(nèi)，否則電機(jī)溫升將超過允許范圍。,1.7 連續(xù)軋制理論,連續(xù)軋制（簡(jiǎn)稱連軋）是指同一軋件在兩架以上連續(xù)配置的軋機(jī)上同 時(shí)軋制的狀態(tài)。其

40、特點(diǎn)是由于機(jī)架間通常存在張力或推力作用，各種軋制 因素相互影響，其結(jié)果產(chǎn)生了與單機(jī)軋制時(shí)不同的特殊軋制現(xiàn)象。,1.7.1 連軋基本規(guī)律,連續(xù)軋制時(shí)各機(jī)架與軋件的關(guān)系示意圖,1.7 連續(xù)軋制理論,連軋常數(shù)C,在軋制線上每一機(jī)架的秒流量相等原則，即 F1v1=F2v2=Fnvn mm3/s 式中 1, 2，n軋機(jī)序號(hào)； F1, F2Fn軋件通過各機(jī)架時(shí)的軋件斷面積，mm2； 1,2n軋件通過各機(jī)架時(shí)的軋制速度，mm/s； F11Fnn軋件在各機(jī)架軋制時(shí)的秒流量，mm3/s。,為簡(jiǎn)化公式，以C1,C2Cn代表各機(jī)架軋件的秒流量，即 C1=C2=CnC,連軋速度條件,前一機(jī)架的軋件出輥速度必須等于后一

41、機(jī)架的入輥速度,從軋制運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來看，前一機(jī)架的軋件出輥速度必須等于后一機(jī)架的入輥速度，即 vhi= vHi+1 式中 hi第i機(jī)架軋件的出輥速度； vHi+1第i+1機(jī)架的軋件入輥速度。 這里軋件出輥速度hi由前滑值和軋輥線速度來決定，即 vhi=(1+Shi)vRi 式中 Shi第i架軋件的前滑值； Ri第i架軋輥的線速度。,軋機(jī)出口板厚方程,第i架軋機(jī)出口板厚用無負(fù)荷時(shí)的軋輥輥縫Si與由軋制力Pi引起的軋機(jī)彈性變形的和來表示： hi=Si+Pi/Mi 其中 Si第i架軋機(jī)的輥縫； Pi第i架軋機(jī)的軋制力； Mi第i架軋機(jī)的剛性系數(shù)。,產(chǎn)生板厚變化的原因,(1)軋機(jī)的機(jī)械及液壓裝置 (2)

42、軋機(jī)的控制系統(tǒng) (3)入口、出口軋件尺寸與性能 (4)軋件與軋輥間的接觸狀態(tài) (5)連軋時(shí)張力變化,1.7.2 連續(xù)軋制中的前滑,軋輥的線速度與軋件離開軋輥的速度，由于有前滑的存在實(shí)際上是有差異的，即軋件離開軋輥的速度大于軋輥的線速度。前滑的大小用前滑系數(shù)和前滑值來表示。,1.7.2 連續(xù)軋制中的前滑,1.7.3 連續(xù)軋制的靜態(tài)特性,通過對(duì)影響系數(shù)法的計(jì)算得到了冷軋帶鋼軋機(jī)的各種軋制特性， 其計(jì)算結(jié)果歸納如下。,(1)入口來料（板坯）厚度的影響,熱軋來料板坯厚度變化對(duì)各機(jī)架出口板厚的影響,各機(jī)架輥縫變化對(duì)產(chǎn)品厚度的影響,(2)輥縫的影響,冷軋靜態(tài)特性,(3)軋輥速度的影響,各機(jī)架軋輥速度變化對(duì)

43、產(chǎn)品厚度的影響,(4)軋輥軋件間摩擦系數(shù)的影響,產(chǎn)品厚度變化影響系數(shù),各機(jī)架摩擦系數(shù)對(duì)產(chǎn)品厚度的影響,(5)變形抗力的影響,各機(jī)架間軋件變形抗力變化對(duì)產(chǎn)品厚度的影響,冷連軋板厚控制,冷連軋機(jī)調(diào)整方法示意圖,改變冷軋出口端板厚的方法,改變秒流量，如通過改變軋輥間隙或改變后張力改變第一架出口的板厚；也可用改變第一架軋機(jī)軋輥速度來實(shí)現(xiàn)秒流量的改變；如秒流量一定的話，改變最后一架軋機(jī)的軋輥速度。B的速度增加，A、B間的張力增加，A和B的負(fù)荷降低，板厚變薄。,熱軋靜態(tài)特性,各機(jī)架輥縫變化對(duì)產(chǎn)品厚度 （第6機(jī)架出口厚度）的影響,軋機(jī)入口原料厚度變化對(duì)各機(jī)架出口板厚的影響,熱連軋板厚控制,熱軋時(shí)在張力穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行速度的控制，所以能夠 調(diào)整的只有軋輥的間隙，各機(jī)架的軋輥間隙