《塑性加工原理》PPT课件.ppt

1,塑性成型(加工)原理,2,绪论,一、塑性加工的主要方法二、当代轧制技术的发展趋势三、轧制理论的作用及发展四、本课程的研究对象及目的五、学习方法,3,1.塑性成型（加工）的概念 对材料施加一定的外力作用使其产生塑性变形并获得一定形状、尺寸和性能的产品的加工方法,一、塑性成型(加工）的主要方法,4,2.金属塑性加工的特点优点：1)无削加工，节省金属；2)改善组织和性能；3）产量高，能量消耗少，成本低，适于大批量生产。不足：1)对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的产品尚不及切削加工；2)在成本及形状复杂方面不及铸造；3)只能用于生产具有塑性的金属。,5,1）按变形温度分类：热加工：是指再结晶温度以上所完成的压力加工过程。冷加工：指在再结晶温度以下所完成的压力加工过程。温加工：介于冷、热加工之间的压力加工过程。,3、塑性加工的主要方法,6,2）按变形方式,(1)轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。,举例：型、板、管、线 等,7,(2)挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取所需断面的加工方法。,正挤,反挤,8,举例：管、棒、型其它：异型截面。,9,(3)拉拔：是指金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，而使金属断面缩小、长度增加的一种加工方法。,10,(4)锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形 A.自由锻：指金属在锻造过程的流动受工具限制不严格。,我国自行研制的万吨级水压机,11,B.模锻：指金属在锻造过程的流动受工具限制严格。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等,万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环,12,(5)冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。,13,二、当代轧制技术的发展趋势,1.发展趋势 钢材生产的集约化和现代化,1）过程综合柔化性：（适应 小批量、多品种、短交货期的市场要求）例如：板带：自由程序轧制；型钢：无孔型平辊轧制。,14,2）机电一体智能化：自动控制和智能控制 自动化是现代化轧钢厂提高产品质量的最为有效的手段，与人工智能结合控制是轧制技术发展的新的重要方向。,15,3）工艺最佳连续化：如高精度轧制、短流程及连铸连轧、无头轧制。4）技管结合一贯化:提高产品质量，减少物流时间，缩短生产周期，加速资金周转。,16,.带来的问题 1）集约化的结果使各工序的匹配衔接问题变的尖 锐起来。2）钢材生产工艺流程中的一些特性便显得重要起来。3）关注物流。物流是指物质实体从供应者向需求者的物理移动，它由一系列创造时间价值和空间价值的经济活动组成，包括运输、保管、配送、包装、装卸、流通加工及物流信息处理等多项基本活动，是这些活动的统一。,17,2006年我们进口了3.26亿吨矿，实际上只消费了2.8718亿吨，还有3882万吨矿买进来积压在港口，没有用上。2009年1-7月份，中国的铁矿石进口量已经达到3.553亿吨，截至8月7日，港口的铁矿石库存是7329万吨。2013年中国的铁矿石进口量已经达到8.19亿吨，港口的铁矿石库存是8000万吨以上。正是因为运力紧张，运输成本大大增加，以2005年11月份为例，同样是一吨进口矿，从东南港口运到宝钢是350块钱，运到武钢是527块钱，而运到包头就达到800多块钱。,18,三、轧制理论的作用及发展1.理论的发展 由第一代变形理论（变形区）第二代动态理论（如液压AGC等，把工具与工件联系起来）第三代系统分析理论第四代人工智能理论。2.理论的作用 理论来源于实践，反过来指导实践 如孔型系统的形成，连轧理论、斜轧变形特征等。,19,四、本课程的研究对象及目的1）熟悉轧制过程中各种变化现象的变化规律2）掌握力能参数工程计算法应用3）为后续课程的学习打下基础 轧制工艺、轧制过程自动控制、轧制设备、板型理论与厚控、孔型设计、车间设计、毕业设计,20,五、学习方法1）结合实习、加强理解；在理解的基础上，掌握。2）课后及时复习，做到融会贯通。参考书目：王廷溥,齐克敏.金属塑性加工学轧制理论与工艺.冶金工业出版社,21,1 轧制过程基本概念目的及要求：1.掌握变形区主要参数及相互关系；2.掌握咬入条件及改善咬入的途径；3.熟悉轧制过程变形、运动学、力学条件；4.熟悉金属在变形区里的流动规律。,22,一、轧制的不同分类方式）按轧制温度不同：热轧、冷轧）按轧件与轧辊的相对运动：纵轧、横轧、斜轧）按成型特点：一般、特殊,预备知识,23,二、纵、横、斜三种轧法的区别纵轧：二轧辊轴线平行，转向相反，轧件运动方向与轧辊轴线垂直。斜轧：轧辊轴线不平行，即在空间交成一个角度，轧辊转向相同，轧件作螺旋运动。,24,横轧：轧辊轴线平行，但转向相同，轧件仅绕自身的轴线旋转，没有直线运动。,25,三、几个基本概念轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拖入辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能产品的压力加工过程。,体积不变规律：在塑性加工变形过程中，如果忽略金属密度的变化，可以认为变形前后金属体积保持不变。,26,最小阻力定律：物体在塑性变形过程中，其质点总是向着阻力最小的方向流动。,简单轧制过程：轧制时上下辊径相同，转速相等，轧辊无切槽，均为传动辊，无外加张力或推力，轧辊为刚性的。,27,1.1变形区及主要参数轧制时轧件在轧辊作用下发生变形的部分。,弹性变形区,塑性变形区,弹性恢复区,28,1.1变形区及主要参数1 变形区概念：轧件承受轧辊作用，产生塑性变形的区域。变形区分：几何变形区：轧件直接承受轧辊作用，产生塑性变形的区域。物理变形区：轧件间接承受轧辊作用，产生塑性变形的区域。,注意：无特殊说明，今后变形区指的就是几何变形区,29,2.主要参数,咬入角：轧件最先与轧辊接触的点与轧辊中心点的连线和轧辊中心线的夹角。接触弧s（咬入弧）：轧制时，轧件与轧辊相接触的圆弧(弧AB）。变形区（接触弧）长度l：接触弧的水平投影长度。,30,3.各主要参数间相互关系1）咬入角:cos=1-h/D h=D（l-cos）,变形区任一断面高度 hx:hx=hx+h=D（l-cosx）+h,当很小时，h/R,31,最大压下量:,不同轧制条件下的最大咬入角,32,2）变形区长度 l A.不考虑弹性变形（1）简单轧制，即上下辊直径相等,33,（2）上下辊直径不相等(异步轧制）,34,B.考虑弹性变形 l,所以 l l，关于l的计算，第5章讨论。,35,4.轧制变形的表示方法,绝对变形量相对变形量变形系数,36,1）绝对变形量：轧前、轧后轧件尺寸的绝对差值。压下量 h=H-h 宽展量 b=b-B 延伸量 l=l-L,计算简单，能直接反映出物体尺寸的变化，但不能正确反映出物体的变形程度。,37,有两块金属在宽度和长度上相同，而 高度：H1=4mm、H2=10mm，经过加工后高度：h1=2mm、h2=6mm，则：h1=2mm、h2=4mm，这能说明第二块金属比第一块的变形程度大吗?,例如：,38,2）相对变形量：轧前、轧后轧件尺寸的相对变化。相对压下量=（h/H）%e=ln h/H相对宽展量 b=（b/B）%eb=ln b/B相对延伸量 l=（l/L）%el=ln l/L。,39,压下系数：=H/h 宽展系数：（）=b/B 延伸系数：（）=l/L 根据体积不变原理 HBL=hbl三者之间存在如下关系：即=或 ln（1/）+ln+ln=0 上式说明，在一定压下量下将会得到一定的延伸量和宽展量。,3）变形系数：用轧前、轧后轧件尺寸的比值表示的变形。,40,4）延伸系数与压下率设轧件原始面积为F0,经过n道次轧制后面积为Fn，则,（累积压下率）,41,将各道次的延伸系数相乘，得,故可得出结论：总延伸系数等于相应各部分延伸系数的乘积。,轧件各道次的延伸系数为:,(1)总延伸系数与道次延伸系数之间关系,42,（2）累积压下率与道次压下率之间关系,43,1.2 实现轧制过程的条件轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件 拖入 辊缝，并使之受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能的压力加工过程。,44,轧制过程的三阶段,一、咬入阶段,咬入阶段：轧件前端与轧辊接触的瞬间起到前端达到变形区的出口断面（轧辊中心连线）称为咬入阶段。如图所示。,咬入：依靠旋转的轧辊与轧件间的摩擦力将轧件拖入辊缝的现象。,45,二、稳定轧制阶段,从轧件前端离开轧辊中心连线开始，到轧件后端进入变形区入口断面止，这一阶段称为稳定轧制阶段。,稳定轧制阶段：,46,三、抛(甩)出阶段,从轧件后端进入入口断面时起到轧件完全通过辊缝（轧辊中心连线），称为抛(甩)出阶段。,抛(甩)出阶段：,47,1.2.1咬入条件,1.（自然）咬入条件受力分析如图 1-1,图1-1 咬入时轧件受力分析,图1-2 P和T力的分解,轧件对轧辊的作用力 轧辊对轧件的作用力,48,轧辊对轧件的作用力P、TPy、Ty：压缩轧件，使轧件产生塑性变形Px、Tx：决定轧件能否咬入Px Tx：不能咬入Px=Tx：临界咬入Px Tx：咬入咬入条件：Px Tx而Px=Psin Tx=P f cos即sinf costanf=tan(自然)咬入条件,49,热轧 型钢：=2025 带钢：=1020,确定摩擦角,50,2.实现稳定轧制时的(咬入)条件 在咬入过程中，如图,表示轧件咬入后其前端与中心线所成的夹角，按照轧件进入轧辊的程度，一直是在减少。当轧件完全充填辊缝即=0 时，进入稳定轧制阶段。设压力沿着接触弧均匀分布，则P、T合力作用角在1/2接弧处。受力分析如上图。,51,知稳定轧制时放宽了咬入条件。即，稳定轧制阶段的最大允许压下量较自然咬入时的最大允许压下量大。,当=0时，即=/2，是实现稳定轧制的 临界条件。,当 TxPx，实现稳定轧制,而Tx=Tcos Px=Psin tantan,则/2 2稳定轧制条件,比较咬入条件，,52,金属进入变形区情况,稳定轧制建成过程咬入条件,问题：实际稳定轧制时的咬入角与自然咬入时的咬入角 是2倍的关系吗？,2,比较：,53,大量实验研究还证明：在热轧情况下，稳态轧制时的摩擦系数小于开始咬入时的摩擦系数，其最大咬入角约为1.51.7倍摩擦角，即（1.51.7）；在冷轧情况下，稳态轧制时的最大咬入角（22.4）。,图6-6 稳定轧制阶段和的关系,54,1.2.2 最大压下量的计算方法 压下量、轧辊直径及咬入角三者之间的关系，即一、按最大咬入角计算最大压下量当咬入角的数值为摩擦条件允许的最大值时，相应的压下量为最大：在生产实际中，不同轧制条件所允许的最大咬入角如下表所列。,55,不同轧制条件下的最大咬入角,56,二、按摩擦系数计算最大压下量由摩擦系数与摩擦角的关系及咬入条件 和 知,而由数学关系有,将上式代入到,中可得,式中轧制时的摩擦系数,可由公式计算或由表14-1等资料查找。,57,例题 假设热轧时轧辊直径D=800mm，摩擦系数0.3，求咬入条件所允许的最大压下量及建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可以达到的最大压下量。解：（1）咬入条件允许的最大压下量=34mm（2）在建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可达到的最大压下量 取=800（1-cos25）=75mm 即利用剩余摩擦力可以增加的压下量为 7534=41 mm,58,1.2.3改善咬入条件的途径由咬入条件：便可以得出 凡是能增大和减小的一切因素都利于咬入。对以上两种途径分别讨论：,59,1.减小咬入角的途径及生产实际中采用的措施。1）减小咬入角途径 由=arc cos（1-h/D）知（1）增加辊径D；当h=C（constant），增加辊径D，咬入角减小。,60,（2）减小压下量h；当D=C，减小压下量h（h=H-h），咬入角减小。,61,2）生产实际中减小咬入角措施（l）小头进钢 用钢锭的小头先进入轧辊或把钢坯的一端压扁进行轧制。这种方法可以保证顺利的咬入和进行稳定轧制，并对产品质量亦无不良影响，所以在实际生产中应用较为广泛。,钢锭小头进钢,62,（2）强迫咬入。即用外力将轧件强制推入轧辊中，由于外力作用使轧件前端被压扁。相当于减小前端咬入角，改善咬入条件。,63,（3）带钢压下。利用稳定轧制阶段允许的最大压下量比自然咬入时所允许的最大压下量大。（h=D（1-cos）（4）无头轧制。减少自然咬入次数。,64,2.提高摩擦系数f（摩擦角）的途径及生产实际中常用的措施1)提高摩擦系数f（摩擦角）的途径（）摩擦系数f 的因素金属种类和化学成分的影响 总的来说，金属材料硬度、强度越高，摩擦系数越小;凡是能提高材料硬度、强度的化学成分都可使摩擦系数减小。,65,普碳钢的f 合金钢的 f 铸铁的f 钢的f,轧制碳钢时，随钢中含碳量的增加，f 降低。,66,工具表面状态和材质的影响 随着工具表面光洁度的提高，（表面凹凸不平度的减小）,f 减小。铸铁轧辊的 f 钢轧辊的 f,67,轧制温度的影响 轧制温度的影响主要是通过氧化铁皮起作用 热轧时,在轧制过程中随氧化铁皮厚度的增加，摩擦系数逐渐增大，但另一方面，氧化铁皮的熔点较低，当轧制温度达到一定高度时，它又熔化起着润滑剂的作用。,温度对钢的摩擦系数的影响,68,轧制速度的影响 随着轧制速度的增加，摩擦系数降低。但当 速度增加到一定程度，摩擦系数保持不变。,轧制速度对摩擦系数的影响,69,（2）增大摩擦系数的途径 改变轧件或轧辊的表面状态；合理的调节轧制速度。（3）实际生产中提高摩擦的措施热轧时在轧制前几道次的轧辊上刻痕、堆焊；冷轧时，不涂油或涂粘度系数小的油。,70,去除轧件表面的氧化铁皮。实验表明，钢坯表面的炉生氧化铁皮，使摩擦系数降低。由于氧化铁皮的影响，使咬入困难，或者以极限咬入后在稳定轧制阶段发生打滑现象。由此可见，清除氧化铁皮对保证顺利的咬入及轧制是十分必要的。,71,调速轧制。低速实现自然咬入，然后随着轧件充填轧辊使咬入条件的好转，逐渐增加轧制速度，使之过渡到稳定轧制阶段时最大，但必须保证稳定轧制条件。这种方法简单可靠，易于实现，所以在实际生产中是被采用的。,72,1.3 轧制过程的变形、运动学、力学条件1.3.1 轧制过程的变形条件1.平板压缩 如下图1）工具面平行 金属向两边流动变形，以垂直对称线做分界线 中性面.2）工具面不平行 金属容易向AB方向流动，分界线偏向CD侧.,73,2.轧制变形条件 金属向入口侧流动容易后滑区；金属向出口侧流动较难前滑区。中性面偏向出口侧。前滑+后滑延伸。中性面：金属前、后滑区的分界面。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，轧件与轧辊无相对滑动。中性角：中性面对应的圆心角,74,1.3.2 轧制过程的运动学,设轧件无宽展，轧件在变形区内沿高度上变形均匀，即水平运动速度一样。在变形区内任取一微分体，,75,根据体积不变定律，知 vx h x=vh h 得，vH v vh 轧件出口处速度 vh 大于轧辊圆周速度 v 即 vh v 轧件入口处速度 vH小于轧辊水平分速度 v cos，即 vH v cos 中性面处轧件的水平速度 v与此处 轧辊的水平速度 v cos相等，即 v=v cos。vx h x=vh h 应用于连轧中。,76,1.2.3力学条件 假设的条件同前，所以单位压力 p的合力P作用于接触弧的中点处,而单位摩擦力 t 的合力因在前、后滑区的方向不同，分别用T2、T1 根据力平衡条件，在无外力作用下，轧制作用力的水平分量之和为零。,力学条件反映了咬入、摩擦、中性角（三个特征角）之间的关系,77,力学条件反映了咬入、摩擦、中性角（三个特征角）之间的关系,78,1.4 金属在变形区内的流动规律1.4.1 沿轧件断面高向上变形的分布1.均匀变形理论（刚端理论）,沿轧件断面高度方向上的变形、应力和金属流动的分布都是均匀的.,79,塔尔诺夫斯基曾指出,为了实现均匀变形必须满足下列条件:(1)变形的物体是等向性的;(2)在物体内任意质点所处的物理状态完全均匀,特别是物体内任意质点处的温度相同,变形抗力相等;(3)接触面上任意质点的绝对及相对压下量相同;(4)整个变形物体同时处于工具的直接作用下,即变形是在没有外端(外区)的情况下进行;(5)接触面上完全没有外摩擦,或者没有外摩擦所引起的阻力.,80,81,沿轧件断面高向上变形分布1-表面层；2-中心层；3-均匀变形A-A-入辊平面；B-B-出辊平面,水平段为表面粘着区,沿轧件断面高度方向上的变形分布不均匀,2.不均匀变形理论（1）不均匀变形现象,82,轧制变形区I-易变形区；II-难变形区；III-自由变形区,83,带钢表面粗晶区的形成和轧制状态有关：1）轧制时，由于摩擦力的存在，在轧件和轧辊接触部位存在难变形区，当轧制时润滑条件不好时，容易在表面层产生粗晶区，可以通过开启机架间冷却水来改善润滑。2）沿轧件高向上变形分布是不均匀的，表面层变形小。压下量分配不合理时，使得轧件表面层变形量小，从而产生粗晶。粗晶区的存在会降低带钢的延伸率，冷弯性能变差。,84,1-表面层金属流动速度2-中心层金属流动速度3-平均流动速度,沿轧件断面高度方向上金属流动分布不均匀,表面层流动速度大，中心层流动速度小,4后外端金属流动速度5后变形过渡区金属流动速度6一后滑区金属流动速度,8一前滑区金属流动速度9一前变形过渡区金属流动速度10一前外端金属流动速度,7一临界面金属流动速度,流动速度分布均匀,临界面上金属流动速度分布均匀，等于轧辊水平速度,表面层流动速度小，中心层流动速度大,流动速度分布均匀,金属流动分布,85,沿轧件断面高度方向上 应力分布不均匀,86,（2）不均匀变形理论：1）沿轧件断面高度方向上的变形、应力和流动速度分布都是不均匀.,87,2）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，所谓粘着系指轧件与轧辊间无相对滑动；,88,3）变形不但发生在几何变形区内，而且也产生在几何变形区以外，其变形分布都是不均匀的；存在变形过渡区、前滑区、后滑区和粘着区；,89,4）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，轧件与轧辊无相对滑动中性面。,研究沿轧件对称轴的纵断面上的坐标网的变化证明了不均匀理论的正确性。,90,1.5 三种典型轧制情况 依据压下率（)和(H/D)或变形区形状系数把轧制过程分为三种典型轧制情况，具有明显的力学、运动学、变形特征。,：以小压下量轧制厚轧件（10%），双鼓形。,：以大压下量轧薄轧件（=34%50%）,单鼓形；,：中等厚度轧件轧制过程约为15%；变形均匀；,1.变形特征,91,变形区形状系数的概念,当变形区形状系数（0.51）时，薄件变形,轧件横断面呈单鼓形；,变形区形状系数()：轧件断面高度相对于接触弧的长度。,当变形区形状系数（0.51）时，即厚件变形,轧件横断面呈双鼓形。,92,中等厚度轧制:压缩变形刚好深透到整个变形区高度，变形比较均匀。,93,2.运动学特征,由于受摩擦阻力影响，在后滑区，金属横断面中心部份要比表面速度慢，而在前滑区，金属横断面中心部份要比表面速度快。,薄件轧制,（=34%50%）,94,压缩变形不能深入轧件内部，即只有表层金属才发生变形，轧件中心层几乎不发生塑性变形，致使外端深入到几何变形区内，出现表面变形。,厚件轧制（10%）,95,中等厚度轧制（约为15%）金属质点相对与接触表面全滑动,由于摩擦与外端的综合作用,在前、后滑区表面层与中心层速度相同。,96,单位接触面积上的轧制压力（单位压力）沿接触弧的分布曲线有明显的峰值，而且压下量越大，单位压力越高，且峰值越尖，尖峰向轧件出口方向移动.,3.力学特征,摩擦力影响大，峰值出现在摩擦力方向改变的地方,薄件轧制时单位压力和单位摩擦力沿接触弧之分布,薄件变形（=34%50%）,97,薄件变形时沿断面高度上的应力分布,由于金属质点的流动速度沿断面高向分布不均匀,产生附加应力,因此沿断面高向的应力分布也呈现不均匀性。,98,厚件变形:（10%）单位压力沿接触弧在变形区入口处有峰值，且向出口处急剧降低.,摩擦力已不起主要影响，外端限制金属压下变形，起主要作用。,第三种轧制情况沿接触弧的分布,99,厚件变形时沿断面高度上应力分布（10%）,100,中等厚度变形,外摩擦与外端的影响都存在，但都不严重，压缩变形刚好深透到整个变形区高度，变形比较均匀,第二种轧制情况分布曲线,单位压力分布曲线没有明显的峰值，单位压力比前两者小。,101,本章小结,1.几个基本概念；2.变形区及其主要参数；3.实现轧制过程的四大基本条件；4.改善咬入的途径与措施；5.金属在变形区内的流动规律；6.三种典型轧制情况。,102,习题一1.名词解释：轧制过程、最小阻力定律、体积不变规律、简单轧制过程、咬入、变形区、变形区形状系数等。2.推导实现轧制过程的条件。3.推导简单轧制时变形区长度l的公式。4.试述改善咬入条件的途径和生产实践中采用的措施。,103,5.在直径为650mm的轧机上轧制钢坯尺寸B=100mm，H=100mm，l=2000mm，第一轧制道次的压下量为35mm，轧件通过变形区的平均速度为3m/s时，试求：（1）第一道次轧后的轧件尺寸（忽略宽展）；（2）第一道次的总轧制时间；（3）轧件在变形区的停留时间；（4）变形区的各基本参数。,104,6.在上题轧机上热轧软钢，轧件的原始厚度为180mm，用极限咬入条件时，一次可压缩100mm，试求摩擦系数。7.在润滑条件良好的上题轧机的条件下冷轧带钢，当轧入系数h/D=1/700 1/450 求最大压下量和此时的摩擦系数。8.轧辊辊径为90mm，道次压下量h=0.5mm，摩擦系数f=0.09，试判断能否实现咬入？,105,9.假设热轧时轧辊直径D=1000mm，摩擦系数0.3，求咬入条件所允许的最大压下量及建立稳定轧制过程后，利用剩余摩擦力可以达到的最大压下量。10.方坯120120mm经自由宽展轧制，轧后面积为A1=11200mm2，轧件高度为80mm，计算以下参数（1）延伸系数、宽展系数。（2）压下率、宽展率、延伸率。11.工作辊直径为750mm，摩擦角为22，来料厚度为160mm，如仅考虑咬入条件，则出口厚度最小可达到多少？,