《型材生产理论》PPT课件.ppt

型材生产及孔型设计,型材生产理论,内 容 提 要,型材轧制时的咬入条件平辊轧制时咬入条件箱型孔中轧制时咬入条件型材轧制时的金属变形轧件在二辊孔型中的变形特点轧件在二辊孔型中的高向变形表示轧件在二辊孔型中的横向变形及计算轧件在切深孔中变形特点异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点简单断面孔型中轧制时金属的前滑不均匀变形对轧件尺寸、组织和性能的影响孔型中轧制时的力能参数计算四辊孔型中的轧制理论,平辊轧制时的咬入条件,型材轧制的咬入条件,当咬入力大于外推力时可以咬入，经推导可得：,箱型孔中轧制时的咬入条件,型材轧制的咬入条件,与平辊轧制不同，轧件最先接触的是孔型侧壁当孔型侧壁咬入后，轧件与孔型槽底接触并咬入轧辊时，才进入稳定轧制轧件进行侧壁咬入时，所受正压力为P1，其作用在轧件与孔型侧壁接触面的重心上，并垂直于孔型侧壁。所受摩擦力为T1轧件与槽底接触时，所受正压力为P2，所受摩擦为T2惯性力为F,箱型孔中轧制时的咬入条件,若实现咬入，必须使轧辊与轧件接触时，侧面与槽底对轧件的正压力与摩擦力在轧制方向上的水平分力之和大于或等于0,不考虑惯性力，且认为孔型侧壁与槽底摩擦系数相同,即可导出咬入力大于推出力可表示如下,箱型孔中轧制时的咬入条件,将正压力写成单位压力形式：,实验测得，侧面单位压力为垂直单位压力的一半，即P1=P2/2,箱型孔中轧制时的咬入条件,式中：P1-孔型侧壁作用在轧件上单位正压力：P2-孔型槽底作用在轧件上单位正压力：q-轧件与孔型侧壁的接触面积；R-孔型槽底的轧辊半径；B轧件的宽度；轧件前端面上的压缩角 孔型侧壁斜角,箱型孔中轧制时的咬入条件,箱形孔中的咬入条件可写为：,令,则当=90或P1总=0时，即为平辊时，k=1；否则1,即孔型中的咬入角恒大于平辊轧制时的咬入角亦即：孔型侧壁的作用改善了咬入条件,其他简单断面咬入角计产算可通过实验并采用修正系数法和多元回归法求得，参见型钢生产理论与工艺p29-p32；或应用轧件平均高度和工作直径进行粗略计算。,型材轧制时的金属变形,在初轧机、三辊开坯轧机上轧制钢锭或大断面钢坯，或在轧边机上轧制H型钢凸缘时，均属高件变形，具有高件变形(l/H0.60.7，l为变形区长度，H为轧件高度)的一切特点，例如沿高度方向变形不均匀，形成双鼓形、中间易产生拉裂等。,轧件在二辊孔型中的变形特点,平辊轧圆非同时接触,孔型轧制非同时接触,沿高度方向压下不均匀，因此造成同一断面上各点的应力状态不同，导致孔型中金属变形非常复杂。,不均匀延伸，在异型断面轧制时，由于各部分金属的不均匀延伸，使轧件产生纵向附加拉应力或附加压应力，影响轧件的纵向变形和横向变形。轧辊与轧件非同时接触初期接触压缩小，出现局部宽展接触压缩面积增加，宽展基本不大两侧金属受到很大压缩，侧边延伸增大，但中间有限制作用，致使宽展增加,图中所示为与轧辊轴平行的变形区内若于个横截面轧件开始进入轧辊时，轧件尖角先接触，如IV面，此时被压缩部分小，纵向延伸困难，故可能得到局随接触压缩面积增加，此时未压缩部分因受到压缩部分的作用而被延伸，压缩部分金属的延伸受制，但宽展增加不太明显在变形终了，两侧金属受到很大压缩，侧边延伸增大，但中间有限制作用，致使宽展增加,孔型形状的影响，在孔型中轧制时，除受到摩擦力外，还要受到侧壁压力作用菱形孔，限制宽展（侧壁正压力和侧壁摩擦力在宽展方向分力之和构成阻力）切入孔、强制宽展（侧壁正压力和侧壁摩擦力在宽展方向分力之差构成阻力）,沿孔型宽度方向由于轧槽刻痕深度不同，造成各部分轧辊工作直径不同，从而造成速度差，引起金属不均匀变形,由上面分析孔型中轧制变形特点可知，在孔型轧制时的宽展不再是自由宽展，而大部分成为强制或限制宽展并产生局部宽展或拉缩，因此孔型设计的任务就是正确计算宽展值,型材轧制时的金属变形,在轧制过程中的高向变形常用绝对压下量h、相对压下量和压下系数H/h表示对平辊轧制而言，沿轧件宽度方向的高向变形相同孔型中轧制时，由于轧件与孔型形状不同，沿轧件宽度方向的高向变形不同,轧件在二辊孔型中的高向变形表示,轧制轧制，采用两种方法确定高向变形外形轮廓法：按轧件的最大外形轮廓尺寸计算压下量和宽展量(简单，不准确)如图(a),h=H-h,=h/H,=H/h平均高度法：将孔型或轧件面积换算成等宽度的矩形面积。,如图(b),轧前轧后轧件断面积为FH和Fh，则轧前平均高Hp=FH/B轧后平均高hp=Fh/bhp=Hp-hp=hp/Hp=Hp/hp,型材轧制时的金属变形,轧件在孔型中的变形一般都是高件变形，变形不易渗透到轧件中心，易形成中心拉裂，影响钢材质量，因此要避免表面变形，应尽量使变形渗透到中心。常用变形深度系数m衡量变形渗透情况。,轧件在二辊孔型中的变形深度计算,计算变形深度系数有理论法和统计模型B.M.克利缅柯统计模型（适用于中、低碳钢）m=0.734-0.0166+0.0012模型相关系数0.702.塔夫诺夫斯基理论模型B轧件轧前宽度(mm)l 接触弧长度(mm),型材轧制时的金属变形,轧件在孔型中变形时，由于轧件与孔型形状的影响，其宽展多表现为强制宽展或限制宽展,轧件在二辊孔型中的横向变形及计算,简单断面孔型中金属的横向变形,简单断面孔型主要指箱形、方、椭、圆等孔型。在这些孔型中的变形均具有轧件在凹形工具中变形的特点，其横向变形即宽展均属限制宽展在孔型中影响宽展的因素同平辊轧制时影响宽展的因素（压下量、轧制道次、轧辊直径、轧件宽度、摩擦系数及轧辊材质）高向压下的金属纵向流量大于横向流量，延伸系数较大，且限制程度越大，延伸越大因此准确计算宽展是孔型设计的关键，以后的孔型设计过程就是准确计算轧件宽展的过程,具体计算公式参见型钢生产理论与工艺，P39-46，及教材,型材轧制时的金属变形,一般常用的宽展模型，不管是经验的还是理论的，只适用于轧制速度低于20m/s的情况。随轧制技术、测试技术和控制技术的发展，轧制速度也日益提高，特别是线材的终轧速度已高达140m/s。因此如何计算调整轧制条件下的横向变形，截止目前为止，研究资料仍然很少。,高速轧制时轧件的横向变形,以下为60m/s的轧制条件下的宽展特征：轧制速度愈大，宽展量愈小当轧速达到60m/s时，其宽展量比轧速为5m/s时减小15%20%在各孔型系统中，宽展量不同，但其随速度的变化斜率基本相同,图（a）表示三种不同钢图（b）表示三种不同孔型,高速轧制时轧件的横向变形,目前还没有考虑高速轧制条件下适用的宽展公式。一般是在原公式的基础上，根据实验数据乘以速度修正系数。例如用乌萨托夫斯基公式时乘以速度影响系数C。计算值与实验值比较表明，当v=0.417m/s时，用该式计算误差较小，故此式适用于v17m/s的情况。用Tafel-sedlaczck公式时,当v15m/s时，K值由外延部分确定，此式在速度为4560m/s时，其计算值与实验值相差较小，可考虑用此式计算宽展,型材轧制时的金属变形,切深孔：当用方形或矩形断面坯料轧制工、角、槽等轧件时，由简单断面过渡到异型断面的孔型作用：切出异形断面的雏形孔型特点：具有大的变形量具有严重的不均匀变形由于切入楔作用，会产生强制宽展一般切深孔均为局部大压下，整体小延伸闭口切深孔因孔型外侧壁的作用，还具有限制宽展的因素因此，切深孔内金属的变形相当复杂，金属流动既受工具压缩影响，又受严重不均匀变形的影响，仍未有准确计算变形的方法,轧件在切深孔中变形特点,展拉角：当用矩形切入楔在自由宽展切入孔型中切入轧件时，轧件凸缘内侧壁与垂线间的夹角,轧件在切深孔中变形特点,展拉角及其形成原则,在自由宽展切入孔型中，如图所示的矩形切入楔切入轧件时，轧件凸缘内侧壁BC不与切入楔侧壁AC接触，从而形成一个夹角。夹角形成的主要原因：由于腰部的剧烈压缩和延伸，不仅使凸缘内侧壁的金属有向腰部流动的可能，而且也使凸缘的高度产生一定的拉缩。在腰部宽展的作用下，轧件凸缘部分向左右两侧移动，使凸缘内侧壁BC脱离切入楔壁AC。因此夹角是由于轧件的腰部宽展和凸缘的高向拉缩而形成的，它与切入楔的侧壁无关。,腰部压下系数，b，展拉角 腰与凸缘的宽度比c/a(表示强变形区与弱变形区的比值)，楔宽度，压缩金属体积，b，且凸缘的高向拉缩，h1，展拉角 b/sqrt(Rl)表示工具形状对展拉角的影响。综上，其它条件相同时，腰部压下系数和切入楔宽度对展拉角的影响很大,轧件在切深孔中变形特点,影响展拉角大小的因素,在其它条件相同时，展拉角随腰部压下系数，腰与凸缘的宽度比c/a和切入楔宽度与单位压下量接触弧长之比b/sqrt(Rl)的增加而增加轧制道次对展拉角的影响不大。,参见型钢生产理论与工艺，P49,展拉角的计算（回归方程）,轧件在切深孔中变形特点,“缺肉”问题分析,当楔形切入角x小于展拉角时，切入变形后出现切入楔侧壁不紧贴轧件，而有一个间隙的现象，称这种现象为“缺肉”展拉角：用矩形切入楔切入轧件时，轧件凸缘内侧壁与垂直线间的夹角切入楔侧壁斜角：梯形切入楔侧壁与垂直线间的夹角x轧件凸缘内侧壁斜角：当用切入楔侧壁斜角为x的梯形切入楔切入轧件时，轧件凸缘内侧壁与垂直线间的夹角,设计时应当使展拉角小于切入楔侧壁斜角x，轧制时才不会出现“缺肉”现象,如果在切深孔产生“缺肉”，除影响凸缘内侧壁加工外，还影响碾形孔腿的变形；如果“缺肉”产生在成品孔，则直接影响产品的质量,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,异形断面孔型是指具有明显的腿（凸缘）和腰，且腿和腰之间垂直或成一定角度的孔型，最典型的孔型如：工字形，槽形，T字形和钢轨形孔型。在异形断面孔型中金属变形时，除具有简单断面孔型中金属的变形特点外，还具有自己的变形特点。,以工字钢为例进行讨论：,1.直压和侧压同时存在,在孔型中轧制时，工具作用于金属的力可分解为垂直分力和水平分力。当垂直分力大于水平分力时，称金属受直压作用，此时金属以垂直压缩为主要变形方式当水平分力大于垂直分力时，称金属受侧压作用。如工字钢腿部减薄主要侧压在工字钢成形孔型中，腰部为直压，腿部为侧压。直压和侧压的同时存在，改变了金属的流动，使金属在异形孔中的变形变得非常复杂。,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,2.速度差对金属在孔型中变形的影响,如图所示，工字形孔型内各点速度差异较大,（1）开口槽速度,开口槽根部1点速度,开口槽根部2点速度,根部平均速度,开口槽端部3点速度,开口槽端部4点速度,端部平均速度,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,2.速度差对金属在孔型中变形的影响,（2）闭口槽速度,闭口槽根部5、6点速度,闭口槽端部7、8点速度,闭口槽平均速度,所以，开口槽速度远大于闭口槽速度，其差值与腰厚d和闭口槽高度hb有关，腰越厚，闭口槽越高，速差越大,开口槽的平均速度,（3）腰部速度,由此造成增长与拉缩,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,3.不均匀变形,以工字钢为例，讨论异形孔中的不均匀变形对腿部变形的影响,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,4.金属在异形断面孔型中受力的不对称性,在孔型形状和压缩条件完全对称情况下，腿部的金属受力图如图所示：将闭口槽的垂直分力作为金属进入进遇到的阻力，则闭口槽内金属的阻力有：,外侧壁阻力：,内侧壁阻力：,闭口槽总阻力：,闭口槽水平方向力平衡方程：,化简，得：,注：受力分析假设条件,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,4.金属在异形断面孔型中受力的不对称性,内侧壁阻力：,闭口槽总阻力：,开口槽水平方向力平衡方程：,化简，得：,由图可知开口槽的阻力有：,外侧壁阻力：,开口槽总阻力：,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,4.金属在异形断面孔型中受力的不对称性,开口槽总阻力：,则：,由上式可得，当f=0时，Cb/CK=1当f0时，Cb/CK1,即闭口槽与开口槽腿部所受阻力不同，金属容易进入开口腿，这会造成金属从闭口腿转移到开口腿的趋势，从而造成金属的不均匀流动，造成开口腿增长，闭口腿拉缩,异形断面（凸缘断面）孔型中轧制时金属的变形特点,5.不对称变形,简单断面孔型中轧制时金属的前滑,在横列式型钢轧机上一般不考虑前滑。但在连轧生产中前滑是建立连轧关系的重要参数，故研究孔型中前滑的分布和计算十分重要。由于孔型中的前滑分布很复杂，目前为止研究得较少，以下仅就孔型中前滑沿宽度的分布及平均前滑的计算做一简要介绍。,1.孔型中沿轧件横断面宽度方向上前滑的分布,讨论孔型中轧件的前滑分布时，应特别注意轧件在孔型中轧制特点孔型宽度方向轧辊直径不同，轧件出口断面各质点的水平分速度也不等轧件是一整体，因相互牵制，必以一相同速度轧出,沿宽度方向压下分布不均匀；沿宽度方向接触弧长度分布不均匀；沿宽度方向轧辊工作直径与圆周速度分布不均；孔型侧壁影响轧件的横变形；由于H/D比值较大，引起温度分布和应用分布复杂；宽展不可忽略。,以vbi表示出口断面（孔型）沿孔型宽度各点轧辊线速度，Dki表示孔型断面各点对应的轧辊工作直径，n表示轧辊转速，则,轧件断面各点出轧辊线速度以vh表示（轧制速度），则各点的前滑值,简单断面孔型中轧制时金属的前滑,方断面轧件进椭孔时临面分布图（图中KCK为临界面）,若轧辊转速、孔型形状和尺寸、轧件形状和尺寸以及轧件轧出速度vh不变，则由上式可知，Dki愈小，前滑Shi愈大。两个重要结论：由前滑公式可得，前滑与工作直径成反比在出口断面有些点的前滑为负值,这是由于孔型中轧辊各点的速度不同，而轧件以一个整体（即以某个平均速度）流出的缘故，故滑移临界面不是平断面而是向入口面弯曲的曲面,简单断面孔型中轧制时金属的前滑,2.简单断面孔型中轧制时前滑的计算,在孔型中轧制时宽展较大，不能忽略。考虑宽展时，按秒体积相等原理导出前滑计算公式：,简单断面孔型中轧制时金属的前滑,2.简单断面孔型中轧制时前滑的计算,简单断面孔型中轧制时金属的前滑,如宽展较小，可忽略宽展，则,孔型中计算时，应用轧件轧前、轧后平均高度，计算出平均前滑值Shp，则,不均匀变形对轧件尺寸、组织和性能的影响,轧件在孔型中变形不均匀对组织、性能和轧件尺寸造成以下影响：产生局部断裂单位变形力提高塑性降低影响轧件形状和尺寸降低产品使用性能,不均匀变形会改变金属的流动规律，影响轧件的尺寸和形状。简单轧制条件下，金属纵向流动量大于横向流动量，即延伸大于宽展。但不均匀变形会改变金属的流向。如图所示，异形轧件在平辊上轧制时，左右两端压下大，中间压下小。当两端金属占的比例较小时，由于受整体性和外端作用，轧件基本以中部较小的延伸而延伸，左右两端压下的多余金属则流向横向，使宽展量增加，形成强制宽展。又如工字形孔型中轧制，当腰部延伸大于腿部延伸时，腿部金属有一部分拉向纵向，使腿长缩短，造成腿部虽有侧压量，但腿长仍被拉缩现象。,不均匀变形会使轧件内部产生附加应力，若变形后温度较低，不足以消除此附加应力时，则将残留于轧件内部形成残余应力，从而降低产品的力学性能。由于不均匀变形使轧件内各部分的变形程度不同，变形程度大的经再结晶后晶粒细小；变形程度小的，再细晶后晶粒粗大，造成组织性能不均，影响了产品寿命。如钢轨，由于轨底加工量不足而造成轨底首先出现裂纹。不均匀变形是型钢生产不可避免的现象，但在孔型设计时应当充分考虑，以将不均匀变形对产品质量的影响降到最低。一般原则：尽量把不均匀变形控制在温度较高、塑性较好的前几道。愈接近成品道次应使变形愈均匀。,孔型中轧制时的力能参数计算,参见：王有铭主编，型钢生产理论与工艺，p58-70赵松筠，唐文林主编,，型钢孔型设计（第2版），p272-295,四辊孔型中的轧制理论,参见：王有铭主编，型钢生产理论与工艺，p71-91,