金属塑性加工技术及模具轧制.ppt

湖南大学材料学院金属材料专业核心课程,金属塑性加工技术及模具 主讲教师：袁武华 2009年2月18日,内容介绍,第一部分：轧制理论、工艺与设备 基本概念、实现条件、变形特点、轧制压力、工艺流程、轧制工艺、轧制设备第二部分：有色金属挤压技术、模具及设备 基本概念、变形特征、组织性能、挤压力计算、挤压设备、挤压工艺、模具设计第三部分：金属拉拔技术、模具及设备 基本概念、变形特征、拉拔力、拉拔设备、拉拔工艺,第一部分：轧制理论、工艺与设备,一、轧制基本概念1 轧制是靠两旋转轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拉入辊缝,使轧件受到压缩产生塑性变形的过程。通过轧制使轧件的横断面积减小而长度增大,并使轧件具有了一定的性能。2 轧制是金属发生连续塑性变形的过程,易于实现批量生产,因此生产效率高,是塑性加工中应用最广泛的方法。轧制产品占所有塑性加工产品的90%以上。钢铁、有色金属、某些稀有金属及其合金均可以采用轧制方法进行加工。3 轧制分类：根据轧件运动方向可以分为纵轧、横轧和斜轧；根据金属轧制温度可分为热轧和冷轧；根据轧辊形状可分为平辊轧制和孔型轧制。,4 简单轧制两个轧辊均为主传动辊,辊径相同,转速相等,且轧辊为刚性；轧件除受轧辊作用外,不受任何其他外力(张力或推力)作用；轧件的性能均匀；轧件在入辊处和出辊处速度均匀。5 轧制变形区及主要参数轧制变形区金属在轧辊间产生塑性变形的区域,即从轧件入辊垂直平面到出辊垂直平面所围成的区域ACDB（几何变形区）。外加两个非接触变形区。几何变形区主要参数：咬入角;变形区长度l(接触弧AB的水平投影长度);变形区形状参数l/h平和B/h平,h平=(H+h)/2。,其中：变形区长度l 两轧辊直径相等时变形区长度 l=两轧辊直径不相等时变形区长度,假设两个轧辊的接触弧长度相等,即:考虑轧辊弹性压扁时变形区长度 变形区几何形状系数:一般忽略宽展,所以l/h平和B/h平用得更多。,二、实现轧制的条件1 轧制过程建立 在一个道次内,轧件的轧制过程可以分为开始咬入、拽入、稳定轧制和轧制终了4个阶段。如图所示。其中稳定轧制是轧制过程的主要阶段,金属的流动、应力应变状况及轧制工艺的控制、产品质量控制都是基于此过程的。另外,开始咬入阶段虽然在瞬间完成,但它是轧制过程能否建立的前提条件,不能咬入轧制过程就无法进行。,(1)咬入条件 依靠轧辊与轧件之间的摩擦力,轧件被拖入轧辊之间的现象称为咬入。轧制过程能否建立,首先决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。因此,咬入是轧制过程的先决条件。轧制生产中,一般轧件刚一接触旋转的轧辊就能被咬入。但有时也存在难以被轧辊咬入的情况。与轧辊与轧件尺寸、压下量、是否施加外力,特别是轧辊与轧件接触面的摩擦状况都有关。T=P 在无后推力作用下,轧件实现咬入的条件为。称为自然咬入条件。,(2)稳定轧制条件 随着轧件的咬入,接触压力水平分量Psin 逐渐减小,辊缝完全被轧件充满,进入稳定轧制过程。假设摩擦力沿接触弧均匀分布,摩擦力作用点在接触弧中点,则稳定轧制所需摩擦条件:Tcos/2 Psin/20 将T=P,=tan得:/2 满足自然咬入条件,就能满足稳定轧制条件。,2 改善咬入条件的途径根据咬入条件，凡是能够提高角的一切因素和降低角的一切因素都有利于咬入。(1)降低咬入角 根据式，的大小与压下量和辊径有关。压下量越小或辊径越大,就越小,从而有利于咬入。轧件前端做成锥形或圆弧形,以减小咬入角,易于实现自然咬入。采用大辊径轧辊,可使咬人角减小,以满足大压下量轧制。减小道次压下量,降低其变形率。但h减小,生产效率下降,这种方法在生产中一般不采用。强迫咬入,即给轧件施以轧制方向的水平推力,如用推锭机将轧件推入辊间等。（外力作用使轧件前端被轧辊压扁,实际咬入角减小,而使正压力增加,接触面积增大,摩擦力增加,有利于轧件咬入。咬入时调大辊缝,即减小压下量从而减小咬入角。稳定轧制过程建立后,再减小辊缝,加大压下量,带负荷压下。,(2)提高摩擦因数的方法 改变轧件或轧辊的表面状态,以提高摩擦角。改变轧辊的 表面状态,主要是通过在粗轧机轧辊上刻槽、焊点、滚花、打砂等,以提高摩擦因数。但在轧制高合金钢时由于质量要求较高,不允许从改变轧辊表面着手,只能是改变轧件的表面状态。合理地调节轧制速度。随轧制速度的提高,摩擦因数是降低的。因此可以低速实现自然咬入,稳定轧制建立后,再提高轧辊速度,以便提高生产率。,三、轧制过程中金属的变形1 高向变形 在轧制过程中,轧件变形区内的应力、应变分布具有不均匀性,其不均匀性与几何形状系数l/h平有关。按几何形状系数的不同,把轧件沿断面高向的变形分成薄轧件和厚轧件两种情况进行讨论。（1）薄轧件 几何形状系数l/h平=0.51.0,热轧薄板和冷轧一般属于这种情况。薄板轧制的变形特点 轧件断面高度较小(即为薄轧件),变形容易深透到内部。由于在轧件接触表面(表层)存在摩擦力,前、后滑区接触摩擦力方向均指向中性面,从而阻碍金属的塑性流动。由于表层金属的摩擦力作用,其延伸比中部小,变形呈单鼓形。此外,因轧制时的工具形状等因素影响,使金属的纵向流动远大于横向流动,所以金属的变形绝大部分趋于延伸,宽展很小。如轧制极薄带或箔材,轧件厚度很小,变形更容易深透到内部,整个变形区受接触摩擦力的影响很大,在轧件表层和中部都呈现较强的三向压应力状态。沿断面高向的应力和变形都趋于均匀,并认为“变形前的垂直横断面,在变形过程中仍保持为垂直平面”,即所谓“平断面假设”,宽展可忽略。,金属质点的水平运动速度 平辊轧制时金属质点不仅有塑性流动,而且还有轧辊旋转带动所产生的机械运动。所以变形区内沿高向金属质点水平运动速度是这两种速度叠加的结果。其水平运动速度的不均匀分布主要是受摩擦力的影响。,沿断面高向的应力分布 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。水平法向应力x沿断面高向的分布,如图。在后滑区表层金属质点的水平速度比中部金属高,在前滑区比中部金属低。所以表层金属受水平附加拉应力,而中部金属受水平附加压应力。这种附加应力与接触摩擦引起的基本应力相叠加,就是轧件中实际水平应力x。（x值超过金属的强度极限时,轧件表面会产生横向裂纹）,（2）厚轧件 厚轧件的l/h平0.5,铸锭采用热轧开坯的前几道次一般属于这种情况。厚轧件的变形特点 厚轧件的变形区几何形状系数较小,轧制过程受外端的影响较大,压缩变形不能深入轧仵内部,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。金属质点的水平运动速度当变形区形状系数l/h平0.5时,由于受外端的影响，金属流动速度出现不均匀分布。此时轧件表面和轧辊出现黏着现象,其表面金属质点水平速度和轧辊表面的水平速度相同。在后滑区,断面上金属质点水平速度由表层向内部逐渐减小,速度分布呈凹状;前滑区断面上金属质点水平速度,由表层向内部逐渐增大,速度分布呈凸状。轧件中部的金属不变形,运动速度恒定。外端也不变形,沿高向速度分布均匀。,沿断面高向的应力分布 在出、入口断面附近,由于表层区域的金属先变形,所以表层区域受附加压应力,而在中部区域内承受附加拉应力。变形区形状系数越小,附加应力就越大。在附加拉应力作用下,如果铸锭内部存在缺陷,当附加拉应力超过材料的断裂强度时,会被拉裂产生断裂,最后形成层裂。此外,如果厚铸锭热轧时的道次加工率较小,轧件和轧辊发生黏着时,表面金属不变形,而表层金属发生变形。这样,表层金属势必拉着表面金属一起延伸,所以表面金属受附加拉应力作用,表层金属受附加拉压应力。其结果就有可能在轧件表面出现横向裂纹。轧件中部基本不变形,所以也承受拉应力（如图）。,在实际生产中,主要是通过施加润滑防止粘辊,或增大加工率,减小表层变形,来减小横裂现象。2 轧制过程中的纵向变形 轧件在轧制时,一部分金属纵向流动,使轧件延伸，另一部金属横向流动,使轧件形成宽展。(1)前滑及其测定 轧件的出口速度大于轧辊在该处的圆周速度,即h的现象称为前滑。通常将轧件出口速度与轧辊圆周速度的相对差值称为前滑值,即:实验测定：Lh时间t轧出的长度;LH时间t轧辊表面任一点所走的距离.(坑点测量),（2）后滑 轧件进入轧辊的速度小于入口断面上轧辊水平速度的现象称为后滑。后滑值用入口断面轧件的速度与轧辊在该点圆周速度的水平分速度之比来表示:SH后滑值;H-轧件在入口处的速度;咬入角;v轧辊的圆周速度。（3）前滑和后滑的关系 按秒流量相等的原则:代入h、H,（4）中性角 前滑区和后滑区的分界面称为中性面。（5）前滑值的理论计算 计算前滑值时,必须对轧制过程予以简化。忽略宽展,根据秒流量体积不变原则,认为变形区出口断面金属的秒流量体积等于中性面处金属的秒流量体积,则有:,根据几何关系E.芬克前滑公式：轧制薄板时,咬入角很小,即角很小。此时1-cos=2sin2/22/2,cos1.S.E.艾克隆德前滑公式:以上公式都没有考虑宽展。当存在宽展时,实际上得到的前滑值将比上述公式所计算的小。一般生产中,前滑值在2%10%之间变化。影响前滑的因素：中性角愈大,则前滑值愈大。轧辊直径愈大,则前滑值愈大。轧后轧件厚度愈小,则前滑值愈大。,摩擦因数愈大,则中性角愈大,所以前滑值就愈大。前张力增加,中性角增大,所以前滑值增加。相反,后张力过大,前滑值减小,易产生打滑现象。压下率愈大,前滑值愈大。其原因是由于高向压缩变形增加,纵向和横向变形都增加,因而前滑值增加。在带材的多机架连轧生产中,在设计轧机和制定工艺制度时,要充分考虑前滑的影响,否则轧制过程将无法正常进行,比如连轧时,若前滑值估计不足,就会出现堆料和活套现象。,3 轧制过程中的横向变形 沿轧件宽度方向的变形即横向尺寸的变化称为宽展。它分为绝对宽展和相对宽展两种。绝对宽展量:b=b一B。相对宽展量:习惯上,把绝对宽展直接称为宽展:虽然用绝对宽展不能正确的反映变形的大小,但是由于它简单、明确,在实际生产中应用广泛。在孔型设计中就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。（1）宽展的分类 在不同轧制条件下,坯料在轧制过程中的宽展形式是不同的、根据金属沿横向流动的自由程度,宽展可分为自由宽展、限制宽展和强制宽展。自由宽展 坯料在轧制过程中,金属流动除受接触表面的摩擦阻力外,不受其他任何的阻碍和限制的宽展,如平辊上轧制矩形断面轧件,扁平材孔型内轧制、立辊轧制等,称为自由宽展,如图所示。,自由宽展轧制是最简单的轧制情况 限制宽展 金属质点横向移动时,除受接触面上的摩擦阻力外,还受到某种额外限制(例如孔型侧壁的限制)。强制宽展 坯料在轧制过程中金属质点由于某种原因被迫向横向流动而形成的宽展。例如在凸型孔型中轧制及有强烈局部压缩的轧制条件下轧制。,（2）宽展的影响因素：加工率的影响 加工率越大,宽展量就越大随加工率增大,金属受压缩的体积增加,使宽展增加。另外,压下量增加使变形区长度增大,从而纵向阻力增大,金属质点就容易朝横向流动,导致宽展增加。轧辊直径的影响宽展随轧辊直径增加而增加。D增加,变形区长度增加,使纵向阻力增大。,轧件宽度的影响条件相同时,宽展随轧件宽度的增大而增加。但当轧件宽度增大到一定值后,宽展不再出现明显变化。（轧件与轧辊的接触面积增大,金属沿横向流动的摩擦阻力增大,大部分金属将向纵向流动）（1-MB1,2-纯铝，3-2A12）摩擦的影响宽展随摩擦因数增大而增加。（摩擦因数增加时,延伸和宽展的摩擦力都增加。但是延伸区的接触面积比宽展区大）影响摩擦因素：轧辊表面、轧制温度（主要是通过氧化铁皮的性质影响摩擦因数：在热轧的低温阶段,生成的氧化铁皮使接触表面摩擦因数升高,从而宽展增加。而在高温阶段,由于氧化铁皮开始熔化,起着润滑作用,使摩擦因数降低,从而宽展减小。化学成分,（3）宽展的计算 宽展的影响因素很多,很难用一个确定的公式来表示。在实际生产中习惯用一些经验公式。A:西斯公式：B=ch c宽展因数,0.350.48,硬金属取下限,软金属取上限。只考虑了绝对压下量这一主要因素对B的影响,应用比较方便,在一些要求不太精确的场合常被应用。B:谢别尔公式:c金属性质及轧制温度等的影响因数。C：古布金公式（比较全面）,D:埃克伦德公式考虑了压下量、咬入弧长、摩擦因数、轧前宽度和厚度共五个因素对宽展的影响,计算结果较为准确。,四、轧制压力计算,（一）轧制压力概念轧制压力是轧件给轧辊的合力的垂直分量。是轧制工艺和设备的设计及控制的重要参数。目的：计算轧辊与轧机其他部件的强度和弹性变形；校核或确定电机的功率；制定压下制度；实现板厚与板形的自动控制；挖掘轧机潜力，提高生产率。注意：一个概念；两个理论（卡氏、奥氏）；三个压力公式；四个参数选择。,轧制压力是轧件给轧辊的合力的垂直分量。一是单位摩擦力t的合力T；一是单位压力p的合力N。即T、N垂直于轧制方向的投影之和，即测压仪在压下螺丝下测得的总压力。简单轧制时：，即轧件给轧辊合力的水平分量为0。若QH、Qh不等，如右图。,（二）单位压力计算-微分方程 单位轧制压力的计算步骤是:将轧制问题简化为平面变形问题;在变形体内取一个微分体,分析在此微分面上作用的各种力,并根据假设条件和静力平衡条件建立近似平衡微分方程式;用和轧制相近似的情况,给出不同的摩擦条件、几何条件及边界条件,求解微分方程得出不同条件下的单位轧制压力计算公式。1 卡尔曼微分方程(1)卡尔曼微分方程式的假设条件轧件在变形区内沿横断面高度上各点的金属流动速度、应力及变形分布均匀;忽略宽展,把轧制问题简化为平面变形问题;认为轧制时轧件高向、纵向和横向的变形都与主应力方向一致,忽略切应力的影响;认为金属质点在变形过程中性质处处相同;认为轧辊和轧件不产生弹性变形;在接触弧上的摩擦因数为常数,即f=c(c为常数)。(2)卡尔曼微分方程式的建立,根据静力平衡条件,则X=0:,式中负号适用于后滑区,正号适用于前滑区。史密斯将弧长AB近似为弦长,即,正号为后滑区,负号为前滑区。式为卡尔曼微分方程的一般形式。2 奥罗万单位压力微分方程 在推导单位压力微分方程时采用了卡尔曼所做的某些假设。其中主要是假设轧制时无宽展,即仅发生平面变形。奥罗万的假设与卡尔曼的假设的最主要区别是:不承认接触弧上各点的摩擦因数恒定,认为轧件与轧辊之间是否产生滑移取决于摩擦力的大小。当摩擦力小于材料剪切屈服极限时,产生滑移；摩擦力等于材料剪切屈服极限时,则不产生滑移而发生黏着。同时认为热轧时出现黏着现象。,由于黏着现象的存在,轧件沿高度方向变形不均匀,因而水平应力x沿轧件断面高度的分布不均匀,且认为在垂直横断面上有剪应力存在。根据以上条件,奥罗万基本假设如下。忽略轧件宽展,变形为平面变形。认为在变形区内,金属与轧辊的接触表面不产生滑移而发生黏着。可用剪应力代替接触表面的摩擦力。同时还认为剪应力在轧件高度方向呈线性分布,即在轧件与轧辊接触表面=K/2,轧件件中心层=0。由于水平应力x沿轧件断面高度分布不均匀,因此用水平应力的合力Q来代替。,奥罗万借用纳达依的粗糙倾斜平板间压缩金属楔的应力分布理论,确定出水平力Q的大小:,（三）单位压力计算公式 1 全滑动的采利柯夫公式采利柯夫在求解单位压力卡尔曼微分方程时,在卡尔曼假设的基础上又做了一些假定:假定接触弧上轧件与轧辊近似于完全滑动,在此条件下,变形区内接触弧上的摩擦条件基本服从库仑干摩擦定律,即摩擦因数为常数,tx=fpx;在咬人角不大的情况下,接触弧方程近似地采用直线,即以弦代替弧;平面变形抗力为常数,并考虑前、后张力的影响。设经过A(入口)、B(出口)两点的直线方程为:y=ax+b,影响单位压力的主要因素有外摩擦因数、轧辊直径、轧件厚度、压下量及前、后张力的大小等。,未考虑加工硬化、未考虑粘着。且直线代弧在冷轧才明显、冷轧粘着不明显，所以一般实用于冷轧。,2 全滑动的斯通公式 近似为平行板间的压缩3 全粘着的西姆公式4 混合摩擦条件,（四）轧制压力的工程计算 忽略轧件宽度方向的t、p变化，轧制压力P:式中2、3项与第一项比小，工程计算中可以忽略。,接触面积：F=l B平=l(BH+Bh)/2;（注：考虑、不考虑弹性压扁，l不同）p:实测法、经验公式、理论计算法。,平均单位压力的确定,较为困难,它受以下因素的影响:影响轧件变形抗力的因素;影响轧件应力状态的因素：p平=n 金属的实际变形抗力;n应力状态影响系数。=ntnnvns n=n n n nn-考虑轧件宽度影响的应力状态系数;n外摩擦影响系数;n 考虑外端影响的系数;n-考虑张力影响的系数。,五 主电机传动力矩的计算,1 传动力矩组成主电机轴上输出的传动力矩：式中：M-轧制力矩,使轧件产生塑性变形所需的力矩;i由主电机到轧辊的减速比,i=电机转数/轧辊转数;M0空转力矩,轧机空转时在轧辊轴承及传动装置中所产生的摩擦力矩;Mf附加摩擦力矩,轧制时在轧辊轴承及传动装置中所增加的摩擦力矩;Md动力矩,轧机加速或减速运行时的惯性力矩。传动轧辊的力矩的前三项之和称为静力矩,用Mc表示:Mc=M/i+Mf+M0,轧制力矩M是有效力矩，轧机效率0：一般0=0.50.95。2 轧制力矩的计算（轧制压力力臂）(1)简单轧制：一个轧辊上的力矩：M1=P a=P R sin M=2P a=2P R sin,（2）带张力轧制,（3）单辊驱动,的确定？,按照金属对轧辊作用力确定轧制力矩：力臂系数：简单轧制：,热轧铸锭时,=0.550.60;热轧板带时,J=0.420.50;冷轧板带时,=0.330.42。按能量消耗曲线推算轧制力矩（略）,3 附加摩擦力矩的确定 Mf=轧辊轴承摩擦Mf1+轧机传动机构Mf2 Mf1=Pd1(d-轧辊辊颈直径)-传动机构的传动效率,即从主电机到轧机的传动效率,其值可查表3;i-由主电机到轧辊的减速比。4 空转力矩的确定转动每一个力矩所需力矩之和：MK=(0.030.06)MH MH-主电机额定输出功率,六 轧制工艺流程及轧制工艺,（一）制定轧制工艺流程的原则 轧制生产工艺流程主要根据合金特性、产品规格、用途及技术标准、生产方法、设备技术条件所决定。确定产品工艺流程的原则是:充分利用合金的塑性,在确保质量,满足技术要求的前提下,尽可能缩短或简化工艺流程;根据设备条件,保证各工序设各负荷均衡,安全运转,充分发挥设各潜力;尽量采用新技术、新工艺、新设备;提高生产率,降低成本,提高经济效益和社会效益。,（二）铝合金板带材典型工艺流程,（三）铜合金板带材典型工艺流程,（四）热轧工艺 热轧在结晶温度以上进行的轧制，同时存在硬化、软化。铅、镉、锡等室温下也属于热轧。1 热轧特点显著降低能耗，减少成本；改善加工工艺性能；可采用大压下量轧制，提高生产效率（成品率）；可采用大铸锭轧制，连续化、自动化生产。不足：难以精确控制力学性能，不均匀、强度低；尺寸难以精确控制，表面质量不高。,2 热轧工艺锭坯选择及预处理热轧温度热轧速度压下制度辊型控制等。（1）热轧锭坯连续、半连续铸锭，铝合金铸轧。铸锭形状 生产板带材的铸锭一般为长方形扁锭,铸锭外形应保证沿横向厚度均匀。端头或侧面应规整,断面呈圆弧形或梯形，可防止轧制过程不均匀变形产生裂纹或张嘴等缺陷的产生。铸锭厚度。总变形量（80%）、成品率 D/H=57 铸锭宽度（B80%L）:B=nb+b-B(b-成品宽；b-总切边量)铸锭质量：化学成分、尺寸偏差、表面质量、内部质量等,（2）铸锭表面处理 机械处理、化学处理（蚀洗）、表面包覆（防腐、工艺）（3）锭坯热处理 均匀化退火：加热速度、保温时间、冷却 锭坯加热：温度、时间、气氛（Al-电阻炉、天然气，Cu-微氧化气氛，防“氢气病”，Cu、Ni-控制S含量）。（4）热轧工艺参数 轧制温度：开轧温度:(上限：0.850.90TM,下限：（单相）0.650.70 TM,（多相）相变点5070C；避开脆性区！）终轧温度：相变温度5070C，无相变0,650.70TM;轧制速度：低速咬入-高速轧制-低速抛出。Al合金：1100s-1;Cu合金810s-1 压下制度：80%（Al），9095%。道次：塑性、咬入、轧辊强度、主电机功率,（5）热轧辊 支承辊-平辊，工作辊-凹辊（热精轧凹度-0.30-0.10mm）3 铜板带热轧工艺铸锭及加热 热轧 铣面（正、侧）半连续铸造等，轧前加热T开轧，终轧T相变T。气氛：一般纯铜-低氧化气氛，无氧铜-还原、中性气氛（O4%）S含量控制（Cu2S）,（五）冷轧1 冷轧特点：加工硬化，塑性下降、变形抗力增加，脆裂冷轧与热轧相比,其主要优点如下：板带材产品的组织与性能更均匀,性能更优良。板带材精度高,表面光洁,板形好。通过采取不同的加工率或配合成品热处理,可获得各种不同状态的产品。冷轧能轧制热轧不可能轧出的薄板带或箔材。热轧的极限厚度36mm,而冷轧的极限厚度可至0.001mm,甚至更薄。冷轧时的冷却润滑及辊型控制比较重要,并可采用较大的张力,增加冷轧带材的道次加工率。冷轧的生产率高,轧制速度可达710m/s甚至更高。冷轧也存在一些缺点,如冷轧时由于金属变形抗力高,道次加工率比较小,变形能耗大。因此,在有色金属板带材的生产中,冷轧与热轧常相互配合,很少单独使用。四种类型:开坯冷轧。不宜热轧的锭坯(2070mm),直接冷轧到3.56mm。粗轧。将热轧后的板坯(卷坯,厚度约为412mm)冷轧到26mm。中轧。粗轧后的板坯或卷坯冷轧到成品前所要求的厚度精轧(轧成品)。,冷轧工艺酸洗、压下制度、张力、轧制速度、冷轧辊（1）酸洗轧件经热轧及热处理后,采用酸洗法清除表面的氧化皮。过程:酸洗冷水洗热水洗干燥。如铜及其合金酸洗:CuO+H2SO4CuSO4+H2OCu2O+H2SO4Cu+CuSO4+H20Cu+2HNO3=Cu(NO3)2+H2（2）冷轧压下制度 中间冷轧总加工率：金属/合金性质、设备条件、最小可轧厚度,成品冷轧总加工率 硬状态产品或特硬状态产品：按金属力学性能与冷轧加工率的关系曲线,来确定成品冷轧总加工率的范围。半硬状态产品：可按金属力学性能与冷轧加工率的关系曲线确定（成品加工率一般小于50%）;也可以利用冷轧后经低温退火控制性能（与冷轧总压下率关系不大）。软状态产品：软态产品的力学性能主要取决于成品退火工艺。成品冷轧总加工率对成品退火工艺（T、t）及最终力学性能也有很大影响。一般成品冷轧总压下率不小于50%。表面要求光亮的产品：预留抛光轧制加工率(一般3%5%)。道次加工率分配：前两道次大道次加工率，保证顺利咬入，不打滑；道次加工率分配：轧制压力相近，最后道次较小加工率；结合生产效率，退火等设备；连续冷轧时，各机架金属的秒流量相等；设备安全。,（3）冷轧时的张力张力-带材及箔材成卷冷轧时,由于卷筒与轧辊的线速度差使带材张紧的外力;前张力-作用方向与轧制方向相同的张力;后张力-作用方向与轧制方向相反的张力。单位张力-作用在带材断面上的平均张应力。前、后张力的建立：,张力在冷轧中的作用 降低单位压力,调整主电机负荷 调整张力能控制带材厚度,便于轧制更薄的产品；（P）调整张力可使带材平直,获得良好的板形;防止带材在轧制过程中跑偏,保证轧制稳定;张力为增大卷重、提高轧制速度、实现轧制过程机械化以及计算机控制创造了有利条件。（4）冷轧速度低速咬入及抛出，一般1020m/s，最高:Cu-20m/s,Al-40m/s,（六）连轧技术,连轧-在板带材轧制中,轧机串列式布置,使轧制材料从上工序流到下工序,一次轧制到产品厚度的轧制方式。连轧和单机架轧制相比较,具有生产效率高、金属消耗少、产品质量高和成本低等优点。在金属板带材生产中占有重要地位，巨大的生产能力,使它得到了广泛应用。但连轧存在投资大、建设周期长及控制技术要求高等问题。,连轧分热连轧和冷连轧两类。热连轧又分为粗轧机组和精轧机组。粗轧机组根据串列的轧机台数和轧件在每台轧机上轧制的道次又分全连续和半连续等方式。其中半连续式是有色金属热连轧普遍采用的方式。即粗轧机组各轧机都是可逆的,轧件在每台轧机上往复轧制多道次,而且普遍采用12台四辊或二辊轧机。热连轧的精轧机组和冷连轧机组中,采用全连续式,即轧制道次数与串列的轧机台数相等。热连轧精轧机组为36台四辊轧机。冷连轧普遍采用2 6台四辊轧机,其中铝及铝合金的连轧生产发展较快,规模较大。连轧必须遵循的基本规律如下：机架间秒流量相等。机架间轧件运动速度为常数。机架间张力等于常数。,（七）连续铸轧技术,双辊连续铸轧工艺原理：液态金属直接在两旋转辊间结晶,并同时进行加工成形的板带坯料的一种生产方法。有三种方法:下注式、倾斜式和水平式。目前,双辊连续铸轧在铝加工行业已得到了广泛应用。,特点：结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊,铝熔体在其辊缝间在很短的时间内(23s)完成凝固和热轧变形两个过程。铸轧出的铝带坯厚度为612mm,可用作铝箔坯料和对深加工性能要求不高的部分薄板。与连铸连轧不同。,浇注系统预热温度和前箱金属液面高度、咬入条件和稳定轧制条件是铸轧的基本条件。*铸轧的热平衡条件,（八）板带材高精度轧制和板形控制,板带材主要用于冲压，厚度精度、平直度是重要标志。板形控制可以从原料入手,改善原料的原始凸度,也可以从轧制工艺入手,改变轧制规程或改变应力的分布等。改善内部残余应力引起的板材翘曲。影响板形高精度控制的因素：来料:来料的板形、硬度、表面质量、厚度公差等。工艺:轧制速度、张力、冷却等。机械、液压方面:括机架的弹性、辊系、摩擦、转动惯量等。电气及自动控制方面:精度误差、响应时间、采样时间、稳定时间、传递函数、系统频率等。测量设备方面:精度、时间、重复性、坚固耐用性等。,1 板带材轧制中的厚度控制（1）影响轧件厚度的主要因素 空载辊缝。空载辊缝的变化、轧辊的偏心、热膨胀和磨损等都会使实际的空辊轧缝S0发生变化,引起轧件厚度波动。轧机纵向刚度系数。当纵向刚度系数减小时,轧机的弹性变形量增加,轧件轧出的实际厚度增大。（磨损、热膨胀）轧制压力。轧制压力的波动是使轧件厚度产生波动的主要原因。影响轧制塑性变形曲线的相对位置和斜率。包括：料厚H、f、变形抗力（三度）、张力 轴承油膜厚度。油膜厚度减小,轧制压力增大,轧件变厚。,（2）板带厚度控制的方法通过调整辊缝、辊速和张力等,消除轧制过程中各种干扰轧制厚度的因素,使实际轧制厚度达到标准的过程。在板带的轧制过程中,往往是轧件的塑性变形和轧机的弹性变形同时发生。两者的关系可用P-H图来表示。当BB，AA，h不变。板厚由弹跳方程确定：常用的厚度控制方式：调整压下 调整轧制速度 调整张力,调整压下,调整轧制速度：轧制速度的变化可使张力、温度、摩擦因数等参数相应发生变化,从而改变轧件厚度。调整张力：在冷轧薄板时用得较多。采用张力控制板厚的优点是反应速度快,而且容易达到稳定,因而可以控制得更加有效和精确。其缺点是当热轧薄带或是冷轧较薄的产品时,为了避免拉窄或拉断等情况的发生,张力的变化不能太快,其变化范围也不能太大。一般是压下和张力共同调整。热轧、冷轧厚度控制方法（自学）,2 横向厚差与板形控制技术（1）横向厚差与板形横向厚差：指沿宽度方向的厚度差,即板带材横断面的厚度偏差。当为+时,断面为凸形,当 为-时,断面为凹形。=0为理想的断面,即断面是矩形。板形：板带材形状，包括：凸度、平直度（浪形、瓢形）影响板形因素：来料板形（轧前坯料横断面厚度均匀性）、辊形/实际辊逢形状。板形控制包括：板形控制、出口横向厚差控制；板厚控制：纵向厚差的控制。热轧生产中,因为轧件厚,刚性大,对不均匀变形造成的翘曲失稳的敏感性小（不均匀压缩因为能够通过金属的横向流动转移而得到补偿）,波浪少见,热轧头几道次以控制横向厚差为主，后几个道次,轧件对不均匀变形的自我补偿能力很差。板带的厚度越小,对不均匀变形的敏感性就越大。以控制板形为主。冷轧，特别是冷轧薄板以控制板形为主。辊型（原始辊型、工作辊型/承载辊型）板横向厚差、板形。,（2）板形控制原理板形控制技术主要是指板形控制设备技术、板形检测技术和控制系统设计技术三个部分。板形基本理论：轧制过程中的金属变形理论和张力分布理论。（基础）辊系变形理论。包括轧辊的弹性变形和热变形。（较为成熟）轧后板带材的板形判别理论。板形控制基本原理：边：h1h2，中:h1+c1h2+c2,沿宽度方向压缩率相等-理想的板形方程即要得到理想的板形,必须使轧制前的原始凸度率等于轧制后的凸度率。如果在轧制前就有凸度的原料经过轧制后不可能同时得到理想的凸度和平直度。横向的厚度差只能在轧制的过程中与压缩比成比例减少,而不能完全消除。要保证均匀变形,就必须使后一道次轧制时轧辊的挠度小于前一道次轧辊的挠度。即在轧辊的强度相同的情况下,后一道次的轧制压力必须小于前一道次的轧制压力。,轧件形状本身具有一定的抵抗瓢曲或起浪的能力。轧件越厚或越窄都越不容易起浪。轧件较厚-容易产生舌头或鱼尾状的端部;轧件窄时横向阻力小,相对宽展大。这些不规则的变形吸收了一部分的内应力,从而使轧件不容易变形。材质的不同也会影响到轧件变形的程度。（3）板形控制技术 HC技术 CVC技术,九、轧制中的工艺润滑与冷却,现代轧制产品向更宽更薄的方向发展,对产品尺寸公差和表面质量的要求更为严格。生产实践证明,产品表面质量的优劣跟轧辊表面质量有很大关系,为满足产品要求必须频繁换辊。在热轧板带轧辊的消耗费用占了很大的比例,它仅次于燃料及电能的消耗。采用轧制工艺润滑技术可以达到减少轧辊磨损、降低能耗、改善产品表面质量、提高生产效率的效果。,1 润滑机理,金属在轧制过程中,不断产生凹凸不平新的表面。表面凸峰与轧辊的接触面积才是真实接触面积。真实接触面积很小,单位接触表面的压力很大。一般热加工压力为100150MPa,冷加工5002500MPa。给润滑带来一定困难。当摩擦副在相对滑动和一定载荷作用下接触点塑性变形或剪切 其表面膜破裂表面温度升高,甚至软化或熔化接触点产生黏着黏着一剪切一再黏着一再剪切的循环过程形成黏着磨损。,2 摩擦对轧制过程的影响,增大摩擦能改善咬人条件,强化轧制过程。改变了轧件的应力状态。无摩擦单向压应力状态有摩擦三向应力状态变形力增大增加变形功负荷增加30%。引起应力分布和轧件变形的不均匀性。接触面处受摩擦力影响大,远离接触面处受摩擦影响小,由边缘至中心压力逐渐升高。金属质点的流动受到阻碍。接触面的中部强,而在边缘部分作用比较弱,引起金属变形不均匀。不均匀性直接影响轧制制品的性能,降低生产成品率。摩擦热的产生、接触面之间的相对滑动加速了工具的磨损。金属黏结工具、应力分布和变形的不均匀性缩短了工具寿命,增加了生产成本,降低产品表面质量和尺寸精度。,3 摩擦与润滑,按摩擦面之间有无润滑材料及润滑剂的存在状态,可分为干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦。干摩擦-摩擦面之间没有润滑剂存在时发生的摩擦。“黏着-机械啮合”学说。边界摩擦/边界润滑-摩擦面上存在一层由润滑剂构成的边界膜发生的摩擦。分为吸附膜和反应膜两类。液体摩擦/液体润滑-接触面被润滑油膜完全隔开时,物体相对运动所产生的摩擦。运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力(内聚力)形成,摩擦因数很小,0.0010.01。混合摩擦/混合润滑-不稳定的润滑，是指上述三种摩擦中有两种摩擦同时存在的情形。,典型的轧制润滑过程：界面压力P变形抗力,润滑存在三种状态：流体润滑、混合润滑、边界润滑。,4 工艺润滑,目的作用：保证轧制顺利进行，降低能耗、减少磨损、改善质量、提高效率润滑剂：润滑、冷却、洗涤功能常用润滑剂：轧制油（植物油、动物油、矿物油）、乳液（少量油+水）热轧：润滑油分解成碳+气化（气垫）铝热轧：59L1（苏），A-100HR（日），PROSOL67（Mobil），200#、84#、LRE-88（中）铜热轧：与铝同。但热初轧水冷。冷轧：变形抗力大、变形温升 铝冷轧：D80(EXXON)-铝箔、Somemter(ESSO)-板带、Genrex56(Mobil)板带/箔、SUN-1(箔),-2（箔、带）,-3（板）铜冷轧：光亮退火后不形成油污/斑渍 乳化液：PROSOL35,66（Mobil）,ea66ap、somenter(Esso)矿物油：Genrex22B、24B、26B、53(Mobil),十 管线材轧制,有色金属及其合金的管线材,主要是以铝、铜及其合金的轧材为主。规模不大,但一般是轻金属和重金属分别自成系统进行生产。用轧制法生产有色金属管线材,与挤压法、拉拔法相比较,具有效率高、规模大、能耗少、成本低等优点。不适合生产一些塑性变形能力较差的有色金属材。,1 管材轧制,无逢管生产：铸造 挤压斜轧管材轧制包括：热加工和冷加工,其中冷加工的应用较为广泛。热加工是指把实心的管坯穿制成空心的毛管,轧制出符合产品要求的热轧管。热轧法生产有色金属及合金管材时,多与其他方法配合使用。例如:斜轧穿孔冷轧拉拔，斜轧穿孔拉拔。（1）管材热轧斜轧法生产管材,生产成本低、建厂投资少、生产效率高以及金属收得率高等优点。但是,产品规格少,而且对锭坯的质量要求高,多数是用来生产塑性较好、批量较大的紫铜、黄铜、钛及其合金、铝合金等无缝管的毛管。,热轧管加工过程：穿孔轧管 定径（减径）有色金属的热轧管材主要是斜轧穿孔。三种方法：铜、铝、钛斜轧穿孔工艺（p225).,(2)管材冷轧变形量大（与拉拔比较）、可生产低塑性难变形薄壁管。避免退火、酸洗、制头等。周期式、连续式、行星式周期式冷轧管：圆管、异形管,2 线材轧制,线材的品种：断面小、长度长，成盘卷状交货。按线材断面的形状可分为圆形、方形、六角形和异形线材。线材轧制是沿着高速、连续两个方向线材生产沿高速、连续方向发展。有代表性的精轧机有两种,一种是以美国摩根公司为代表的集体传动的二辊水平式轧机,其特点是多线轧制;另一种是以德国施罗曼公司为代表的单独驱动的平、立交替轧机,单线轧制。目前,线材轧机最高设计的轧制速度已能达到140m/s,单机产量已达4105t/a。特殊轧制新技术是:无头轧制技术;高精度定径/减径机组;低温轧制技术;控冷轧制技术;在线热处理。,线材轧制工艺,线材轧制工艺流程：半连续式线材轧机连续式线材轧机：平-立、45度交叉、三辊Y形 横列式及复二重式轧机,十一 轧制设备,1 轧机的组成驱动主电机、传动装置和工作机座三部分组成。驱动主电机的功率大小取决于轧机的用途、轧制品种规格的和生产率高低等因素。轧机的传动装置包括减速器、齿轮机座、连接轴和联轴器等,电动机的运动和能量通过传动装置传递给工作机座完成轧制过程,2 轧机分类,按用途：型材轧机、板带轧机、管材轧机和其他特殊用途轧机等。,有色金属加工行业中较有特点的板带轧机主要有两大类:铝箔轧机和精密带材轧机。,2轧机按结构分类轧机结构一般指轧辊在工作机座中的布置形式及数量。布置形式主要有三种,即水平布置、垂直布置和倾斜布置。数目通常有两辊、三辊、四辊和多辊。,