3轧制金属变形规律 3.1沿轧件断面高向变形分布 关于轧制时变形的分布有两种不同理论,一种是均匀变形理论,另种是不均匀变形理论。后 者比较客观地反映了轧制时金属变形规律。均匀变形理论认为,沿轧件断面高度上的变形、应力和 金属流动的分布都是均匀的,造成这种均匀性的主要原因是由于未发生塑性变形的前后外端的强制 作用,因此又把这种理论称为刚性理论。不均匀变形理论认为,沿轧件断面高度上的变形、应力和 金属流动分布都是不均匀的(图3-1)。其主要内容有:沿轧件断面高度上的变形、应力和流动速 度分布都是不均匀的:在几何变形区内,在轧件与轧辊接触表面上,不但有相对滑动,而且还有粘 着,即轧件与轧辊间无相对滑动;变形不但发生在儿何变形区以内,而且在几何变形区以外也发生 变形,其变形分布也是不均匀的。这样就把轧制变形区分成变形过渡区、前滑区、后滑区和粘着区 (图3-1);在粘着区内有一个临界面,在这个面上金属的流动速度分布均匀,并且等于该处轧辊 的水平速度 (a) 图3-1按不均匀变形理论金属流动速度和应力分布 (a)金風流动速度分布:1-表面层金属流动速度:2-中心层金風流动速度;3平均流动速度:4-后外端金属动速度:5-后变形过洳金属流 速度;6-后区金属动速度;7-临界面金属流动速度:8前滑区金属流动速度:9前变形过渡区金属流动速度:10前外端金属流动度 (b)应力分布:+拉应力;一压应力;1-后外端;2-入辊处:3临界面:4前外端5前外端 大量实验证明,不均匀变形理论是比较正确的,其中以塔尔诺大斯基实验最具代表性。用研究 沿轧件对称轴的纵断面上的坐标网格的变化,证明了沿轧件断面高度上的变形分布是不均匀的。塔 尔诺夫斯基根据实验研究指出,沿轧件断面高度上的变形不均匀分布与变形区形状系数有很大关系。 当l/h>0.5~1.0时,即轧件断面高度相对于接触弧长度不太大时,压缩变形完全深入到轧件内部, 形成中心层变形比表面层变形要大的现象;当l/h<0.5~1.0时,随着变形区形状系数的减小,外 端对变形过程影响变得更为突出,压缩变形不能深入到轧件内部,只限于表面层附近的区域;此时 表面层的变形较中心层要大,金属流动速度和应力分布都不均匀(图3-2)。 3.2轧制过程的纵向变形—前滑与后滑 321变形区内轧件运动速度 轧制过程中,当轧件由轧前厚度H轧到轧后厚度h时,随着厚度逐渐减小,变形区内金属各 质点的流动速度不可能完全相同。金属各质点之间,以及金属表面质点与工具表面质点之间就有可 能产生相对运动。假设轧件在轧制过程中宽展量很小,计为零,且沿每一高度截面上质点变形均匀, 那么横截面各点金属流动水平速度及相对应轧辊水平速度分布如图3-3所示。由图可知,金属水平 方向移动速度由入口到出口是逐渐增加的。因为随着金属沿厚度方向不断被压缩而延伸。轧辊沿水 平方向的分速度v=v·cosb(v不变,不断减小)由入口到出口不断增加,除了沿变形区中
间某一位置二者的速度一致外,其它各处速度都不相同。称二者速度一致的位置为中性面,所对应 的轧辊中心角为中性角(图中γ),速度为ν。从入口到中性面位置,轧辊速度大于金属流动速度, 入口处金属流动速度最慢,其水平速度为v;从中性面到出口,金属水平方向流动速度大于轧辊 水平分速度,出口处水平速度最大,记为v,即金属出口速度大于中性面速度大于入口速度 图3-21/h<05-10时金属流动速度与应力分布 (a)金属流动速度分布:1、6外端;2、5变形;3后区:4前湑区 (b)应力分布:A—4入辊平面;B-B出辊平面 (3-1) 金属出口速度大于轧辊速度 金属入口速度小于轧辊水平分速度 v·cosa> (3-3) 设变形区内任意位置水平速度为vx,由体积不变定律可得 式中Fn、F 入口截面、出口截面及任意截面面积;ν、v、ν一入口截面、出 口截面及任意截面金属平均运动速度 重量 前滑E 后滑区 h=(1+Sb) v=RD/60 轧辊水平速度 变形区内金属速度 图3-3轧制过程速度图示 32.2前滑与后滑 19
轧制原理 通过研究沿轧件断面高度上的变形分布规律可知,在轧件入口截面到中性面变形区域内,金属 沿轧制方向流动速度小于轧辊沿轧制方向分速度,即νcosa>ν,这种现象称为后滑,此区域 称为后滑区。在中性面到轧件出口截面变形区域内,金属沿轧制方向分速度大于轧辊沿轧制方向分 速度,即v>ν,这种现象称为前滑,此区域称为前滑区。 前滑与后滑是轧制变形特有的变形现象,它们对连轧生产有着重要意义。因为要保持轧件同时 在几个轧机上进行轧制,必须使各机架速度协调,为此要精确计算前滑与后滑;另外,在张力轧制 时,为了精确控淛张力,也要计算前滑与后滑。 3.22.1前滑的确定 根据前滑的定义,其值为 )% 式中S,一前滑值,简称前滑;ν一轧件出辊速度;ν-轧辊园周速度。 前滑值一般不大,约在3-6%之间,只是在特殊情况下,可能高一些。 (1)前滑值的测定在实际中常用刻痕法来测定,即在轧辊表面上刻有两个痕迹,其长度为Lo, 在轧制时轧件表面上便留有两个压痕,其距离为L1。测出L1和L0的长度并求出其差值,便可以 算出前滑值。计算公式如下 (3-6) L 在热轧时,轧件表面上的两个压痕的距离L1是在冷令却以后测得的,所以必须注意修正到热状态 时的长度,即 式中L热状态时的实际长度;L1一泠却后测得的长度;a-轧件的线膨胀系数;T-轧件出 辊时的实际温度;T。一测量L时的实际温度 (2)前滑的理论计算在理论上前滑值可以根据临界面的位置来确定,这时把轧制变形看成平 面变形状态,即忽略宽展,按秒体积不变定律 (3-8) 式中b,、h一中性面和出辊面处轧件高度:v、n一中性面和出辊面处轧件速度:V-轧辊圆 周速度;y-中性角(临界角)。 因为 所以 将此式代入公式(3-8),得: h cos 因为 h, = h,+2R(1-cos 7) 所以 S,=(-COS r)/R cos y-I (3-9) 式(3-9)为前滑的理论计算公式,它还可以进步简化。因为1-cosy=2sin2y/2 当中性角y很小时,cosy≈1,siny/2≈y/2,代入公式(3-9),经整理得: R 20
3轧制金属变形规律 冷轧薄板时,Rh,因此R/h11/2,故上式第二项的常数1/2可以忽略不计,得出计算前滑 的简化公式 从前滑的理论计算公式中可以看出,计算前滑还必须要确定出中性角γ(临界角)。 (3)中性角的确定当轧件进入辊间建立起稳定轧制过程时,根据轧件的受力平衡条件(图3 4)得 x=-oPr sin oRdo+r, cos prdp gr, cos oRd+2 -Do 0(3-11) 26 式中Px一单位压力;zx一单位摩擦力:b一轧件宽度:Q,、Q。一前后张力 假如单位压力P沿接触弧均匀分布,即p2=P,且令==疖(库仑摩擦定律) 那么公式(3-11)经积分可导出带有前后张力时的中性角公式 in a 1-cos a 2-2 y (3-12) 2 2f 4 pfbR 当Q1=Q或者Q1=Q0=0时,即无张力或前后张力相等时可得: sin a 1-cos a sin y 式中a—接触角;∫一摩擦系数。 当a角很小时,sina≈a,siny≈y,1-cosa=2sin2a/2≈a2/2,则 利用公式(3-14)可以计算出最大中性角,即 da 2 所以 f≈ 式中B一摩擦角。 当接触角a等于摩擦角β时,中性角r有极大值,为 eLBB (4)前滑值与轧制参数的关系 1)前滑与中性角、咬入角和摩擦系数的关系 如果R/h≈C(常数),则Sm、≈Cy,前滑随着y角的增加显著增加。又由中性角的相关 计算公式可知,中性角主要与咬入角和摩擦系数有关,有实验曲线如图3-4所示。由图可知,y随 ∫增加及α增加而增加。因此,前湑值随中性角、咬λ角和摩擦系数而增加。正是因为这些变化因 素的增加,会引起轧件轧制过程中剩余摩擦力的增加,从而前滑增加。在这几个变化因素中,最活 跃的是摩擦系数,它受轧辊材质、表面状态、化学成分、轧制温度、轧制速度等影响,都会引起前 滑变化。如图3-5所示,随着轧制温度升髙,由于摩擦系数降低,前滑值亦降低。 2)前滑与轧辊直径的关系 如果y2/h≈C,则Sbm、≈CR,说明前滑随轧辊直径增加而增大。因为在其它条件相同情 况下,当轧辊直径增加时,咬入角会降低,致使稳定轧制阶段剩余摩擦力相应增加,导致金属塑性 流动速度增加,也就是前滑增加,如图3-6所示。但应指岀,由于辊径增加时伴随轧辊旋转圆周速 度的增加,摩擦系数相应降低,剩佘摩擦力有所减少;另外,当D增加时,变形区长度增加,纵向 阻力会增大,延伸会相应地放缓,也会使前滑增加速度放慢。因此,当辊径D<400m时,前滑
轧制原理 值随辊径增加得较快;而当D>400σm时,前滑值随辊径增加得较慢。 950 1130 000.10.20.3040.50.60.7 a/弧度 压下率/(%) 图3-4中性角P与咬入角关系 图3-5轧制温度、压下量对前滑影响 「■■■■■■■■■■■ R 叶实测值 计算值 360420480540 轧辊直径D/mm 轧后轧件度h/mm 图3-6辊径D对前滑的影响 图3-7轧件轧后厚度与前滑的关系 铝试样A=1.2mm;D=1585mm 3)前滑与轧件厚度及压下率的关系 如果R≈C,则Sm≈C/h,前滑随着轧件出口厚度减小而增加。因为轧件厚度是相对 来料厚度而言的,所以前滑的变化自然与压下率的变化密切相关,如图3-7、3-8所示。当出口厚 度减小时,前滑会增加;当压下率增加时,前滑也会增加。这是因为轧件出口板厚的减小,一般伴 随着压下率的提高,会使金属塑性变形剧烈,纵向延伸加快,前滑随之增加。 4)前滑与轧件宽度的关系 以上各种讨论都是在假定宽展为零的条件下进行的,实际生产中宽展虽然小,但也是客观存在 的。轧件发生塑性变形的金属若发生了一定的宽展变形,就会相应地影响纵向延伸变形,使前滑降 低,实验曲线如图3-9所示。在该实验条件下,轧件宽度小于40mm时,随宽度增加前滑亦增加 但当宽度大于40m时,宽度再增加时,前滑值基本不变。这说明当相对宽度较小时,前溍增加, 但当宽度达到一定值后,前滑值不再明显增加。因为相对宽度很小时,增加宽度,其相应的横向阻 力增加,宽展减小,延伸变形相应地增加,前滑亦因之增加;当宽度大于一定值时,达到平面变形 状态,轧件宽度对宽展儿乎不起作用,故轧件宽度再增加,宽展也不增加,延仲变形也不变化,前 滑值亦不变。 5)张力对前滑的影响 随着轧制技术的迅猛发展,带张力轧制越来越普及。由于张力存在会影响金属变形速度,从而 影响前滑。如图3-10所示,在200轧机上轧制铅试样,将试样轧成不同厚度,△h=044m, 22