轧制过程的基本概念

14 轧制过程的基本概念轧制过程是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形的过程，通过轧制使金属具有一定的尺寸、形状和性能.为了建立轧制过程的基本概念,就必须研究轧制过程中所发生的基本现象和建立轧制过程的条件。

这是本章所要讨论的主要内容。

14。

1 变形区主要参数虽然我们在生产实践中遇到不同的轧辊组合方式,但实际上金属承受压下而产生塑性变形是在一对工作轧辊中进行的。

除了一些特殊辊系结构形式(如行星式轧机、Y形轧机)外，均系在一对轧辊间轧制的简单情况，一般都以此做为研究轧制过程的开端。

图14−1表示简单轧制过程图示.所谓简单轧制过程，即上下轧辊直径相同、转速相等，轧辊无图14−1 简单理想轧制过程图示切槽，均为传动辊，无外加张力或推力，轧辊为刚性的。

参照（1−7）式，轧制时绝对变形量（压下、延伸、宽展）分别用下式表示h H h -=∆H h L L L -=∆ H h B B B -=∆式中 h 、H ——轧件轧后、轧前高度；h L 、H L ——轧件轧后、轧前长度； h B 、H B -—轧件轧后、轧前宽度. 相对变形量，参照（1−8）、(1−9）式。

根据体积不变条件，轧制时也可得到与(1−10)和（1−11）式同样的表示各向变形系数 的关系式11=⋅⋅μωη或 0ln ln 1ln=++μωη由上面的式子可知，由一个主变形方向压下来的金属，按着不同的比例分配到另外两个主变形方向上去，亦即轧制时在一定压下量情况下将会得到一定的延伸量和宽展量。

如果以H F 表示轧件在轧前的横断面积，而h F 为轧后的横断面积，根据体积不变条件，参照（1−14）式，则μ==hH H h F FL L（14−1）在轧制生产中，坯料一般要经过若干道次轧制才能得到成品，延伸系数则可分为总延伸系数和道次延伸系数.如轧制n 道次,各道次轧前轧件横断面积为110F F μ=221F F μ=332F F μ=…………n n n F F μ=-1 从上式可得nn F F μμμμ⋅⋅⋅⋅=3210∙∙∙∙∙∙n n F μ（14−2）式中 0F 、n F ——轧前、轧后轧件横断面积； 1F 、2F 、……1-n F ——1～（n －1）道次轧件轧后之横断面积；1μ、2μ、……n μ——1~n 道次的延伸系数.由(14−2）式可得n nF F μμμ⋅⋅⋅⋅=210如果设n F F 0=∑μ为轧件轧制n 道次后的轧制总延伸系数，则∑∑⋅⋅⋅⋅⋅⋅=μμμμμ321（14−3)由此可知，总延伸系数为各道次延伸系数之乘积。

轧板时，由于宽展甚小可以忽略不计，故常常用压下系数来表示变形程度，而且一般常用相对变形或压下率表示.此时,第1道次至n 道次，各道次的压下率为101H H H -=ε1212H H H -=ε……11---=n nn n H H H ε而积累压下率∑ε为0H H H n-=∑ε 式中 0H —-轧前轧件高度；1h 、2h 、……n h ——1～n 道次轧后的轧件高度；1ε、2ε、……n ε——1～n 道次的压下率；∑ε——1～n 道次的积累压下率.积累压下率与道次压下率之关系为)1()1)(1()1(21n εεεε-⋅⋅⋅--=-∑……)1(n ε- (14−4)如果将上式稍加改写这个结论就很容易明白了,即⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⋅⋅⋅⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----111211001111n nn o o n HH H H H H H H H HH H简化后左右两边相等,为12312010-⋅⋅⋅⋅⋅=n n n h h h hh h H h H h 如图（14−1)所示，咬入角α是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心连线与轧辊中心线所构成的圆心角。

现在我们来求咬入角α，轧辊直径D 和压下量h ∆的关系。

由图14−1可以得出OE R OE OB EB -=-=式中 R ——轧辊半径。

但是 αcos R OE =22h h H EB ∆=-=代入，得出)cos 1()cos 1(2αα-=-=-D R h H（14−5） 或为)cos 1(α-=∆D h（14−6）如果上面三值中二者为已知，则其余一值能够迅速地按式(14−6）求得.例如，D =460mm △h=29mm 时,由公式可求出α=20°20’。

又如,D =165mm 、α=5°时，由公式可求得△h=0.627mm 。

根据几何关系，接触弧长s 为αR s =（14−7）接触弧之水平投影叫做变形区长度l (图14−1）。

由图得αsin R l =或 222OE R l -=而 ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=2h R OE故得4422222222h h R h h R R R h R R l ∆-∆=∆-∆+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--= 最后得出42h h R l ∆-∆=（14−8)如果忽略42h ∆，则l 可近似用下式表示之hR l ∆≈（14−9)几何变形区在图14−1中以ABCD 表示之。

14.2 实现轧制过程的条件14。

2。

1 咬入条件在生产实践中可以发现,有时轧制很顺利，但也有时压下量大了，轧件就轧不入。

轧件轧不入，一般称不能咬入。

轧制过程是否能建立,决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。

因此，研究分析轧辊咬入轧件的条件,具有非常重要的实际意义。

1）轧件与轧辊接触时，轧辊对轧件的作用力 如图14−2所示，当轧件接触到旋转的轧辊时，在接触点（实际上是一条沿辊身长度的线）上轧件以一力P 压向轧辊。

因此，旋转的轧辊即以与作用力P 大小相同方反的力作用到轧件上，同时旋转的轧辊与轧件之间有摩擦力T .对轧件来说，受有P 及T 两个力的作用；P 力的方向是径向的正压力；T 力是摩擦力，与轧辊旋转方向一致,是切线方向的,与P 力垂直。

按阿蒙顿−库伦定律，摩擦系数f 为f PT= 亦即 fP T =（14−10）2）轧件被轧辊咬入的条件 由轧件受力图（图14−3）可以看出，力P 是外推力，而T 是拉入力,能否咬入则由它们谁占优势来决定。

可以把P 和T 分解成水平方向的分力x P 和x T ，垂直方向的分力y P 和y T （图14−3b 、c ）。

垂直分力y P 和y T 是压缩轧件的，使轧件产生塑性变形，轧件才可咬入。

水平分力x P 和x T 直接影响咬入。

显然，当x P 大于x T 时，咬不进。

当x P 小于x T 时,能够咬入。

所以，x P =x T 是咬入的临界条件. 由上图可知αsin P P x = αcos T T x =当x P =x T 时，则为ααcos sin T P =改写成 αααtan cos sin ==P T 且由（14−10）式，所以αtan =f（14−11）它是临界条件的另一种表现形式。

这个公式说明，咬入角α的正切等于轧件与轧辊之间的摩擦系数f 时，是咬入的临界条件，当f <αtan 时，能咬入，如果f >αtan 时,则不能咬入。

根据物理概念，摩擦系数可以用摩擦角来表示，亦即摩擦角β的正切就是摩擦系数f ,f =αtan 将此式代入（14−11）式，得αβtan tan ≥或αβ≥ （14−12）即轧制过程之咬入条件为摩擦角β大于咬入角α.如果用图表示，当β＞α时,合力R 的方向已向轧制方向α根据(14−6）式，压下量△h 和轧辊直径D 、咬入角α有关。

当式中轧辊直径D 为常数式（D =C ），则)cos 1(α-=∆C h αψ根据上式，在辊径不变情况下，若增加咬入角α，压下量△h 便增加。

而α的增加又受摩擦角的限制,故欲使α增加以提高压下量，必须增大摩擦，例如在初轧机轧辊上刻痕迹或冷轧开坯不用润滑就是这个道理.根据CD h =∆（即α为常值），则在相同摩擦条件下，增加辊径是改善咬入的一个好办法。

如h ∆为常值，随D 增加，α减少，有利咬入。

应指出，在咬入过程中,金属和轧辊的接触表面,一直是连续地增加的。

因此，随着金属逐渐地进入辊隙,轧制压力P 及摩擦力T 已不作用在a 处,而是逐渐向着变形区的出口方向移动，对轧件作受力分析如下我们用'θ表示轧件咬入后其前端与中心线所成的夹角（图14−5）.按照轧件进入轧辊的程度，'θ一直是在减小.开始咬入时αθ=',在金属完全充满辊隙后0'=θ。

随着金属逐渐充填变形区，合力P 的作用角由原来的α变成ϕ角，如设压力沿接触弧分布均匀，则ϕ角的大小为图14−4 咬入条件'2'θθαϕ+-=即 2'θαϕ+=（14−13）显然，随'θ由α变至0,ϕ将由α变化至α/2.当αϕ=时，为金属开始咬入；而当.时,金属充填整个变形区，此时一般称做轧制过程建成.在金属进入到变形区中某一中间位置时，P 与T 之水平力亦在不断变化，随着ϕ减小,x T 增加，x P 减小，水平轧入力比水平推出力越来越大,这说明咬入比开始容易。

金属充满轧辊后,继续进行轧制的条件仍然应当是水平轧入力x T 大于水平推出力x P ，x x P T ≥.如图14−6所示，此时2cos αT T x =2sin αP P x =那么，x x P T ≥可写为2sin2cosααP T ≥ 或 2tan/α≥P T亦即 2tan tan αβ≥==P T f 由此得出2αβ≥(14−14）可见,按照金属进入轧辊的程度，咬入条件向有利的一方面转化,亦即最初轧入时，所需摩擦条件最高，随轧件逐渐进入轧辊，越易咬入开始咬入时的咬入条件为αβ≥，而建成过程则为2αβ≥.如果以通式表示，可写成 下式ϕβ≥ (14−15) 开始咬入时，αϕ=,而建成过程2αϕ=。

14.2。

2 轧制过程的变形、运动学、力学条件轧件咬入后,发生塑性变形。

对其变形情况可从平板压缩分析开始。

当平板压缩时，金属向两个方向变形，并以其垂直对称线做分界线(图14−7a )。

如果压缩时，工具平面不平行(图14−7b 所示），由于工具形状的影响 ,金属容易向AB 方向流动，因此它的分界线（或称中性线、中性面）便偏向CD 一侧。

轧制时的情况与此相类似，金属向入口侧流动容易，向出口侧流动较少,其中性面偏向出口侧.中性面对应的圆心角叫中性角，通常以γ表示之（图14−7c ）。

金属质点向入口侧流动形成后滑，向出口侧流动形成前滑,向两侧流动形成宽展.由于工具形状沿轧制方向是圆弧面，沿宽度方向为平面工具,而变形区长度l 一般总小于轧件宽度B ，所以沿轧制方向受较小的阻力使金属向宽度方向流动少，向延伸方向流的多。

当金属由轧前高度H 轧到轧后高度h 时，由于进入变形区高度逐渐减小，根据体积不变条件，变形区内金属全部质点运动速度不可能一样。