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。

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，轧辊图14−1 简单理想轧制过程图示 无切槽，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 hHh

HhLLL

HhBBB 式中 h、H——轧件轧后、轧前高度；

hL、HL——轧件轧后、轧前长度；

hB、HB——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

或 0lnln1ln 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HF表示轧件在轧前的横断面积，而hF为轧后的横断面积，根据体积不变条件，参照（1−14）式，则

hHHh

FFL

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 110FF 221FF

332FF

…………

nnnFF1 从上式可得

nnFF3210∙∙∙∙∙∙nnF （14−2） 式中 0F、nF——轧前、轧后轧件横断面积；

1F、2F、……1nF——1~（n－1）道次轧件轧后之横断面积；

1、2、……n——1~n道次的延伸系数。

由（14−2）式可得

nnFF210

如果设nFF0为轧件轧制n道次后的轧制总延伸系数，则

321 （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

0101HHH 1212H

HH……

11nnnnH

HH

而积累压下率为

00HHHn 式中 0H——轧前轧件高度； 1h、2h、……nh——1~n道次轧后的轧件高度；

1、2、……n——1~n道次的压下率；

——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…

…)1(n （14−4） 如果将上式稍加改写这个结论就很容易明白了，即



111211001111nnnoonHHHHHHHHHHHH

简化后左右两边相等，为 12312010nnnhhhhhhHhH

h

如图（14−1）所示，咬入角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，轧辊直径D和压下量h的关系。由图14−1可以得出 OEROEOBEB 式中 R——轧辊半径。 但是 cosROE

22hhHEB

代入，得出 )cos1()cos1(2DRhH （14−5） 或为 )cos1(Dh （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=20°20'。

又如，D=165mm、=5°时，由公式可求得△h=。 根据几何关系，接触弧长s为 Rs

（14−7） 接触弧之水平投影叫做变形区长度l（图14−1）。由图得 sinRl

或 222OERl

而 2hROE

故得 4422222222hhRhhRRRhRRl



最后得出 42hhRl



（14−8） 如果忽略42h，则l可近似用下式表示之 hRl （14−9） 几何变形区在图14−1中以ABCD表示之。 实现轧制过程的条件 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 fPT

亦即 fPT （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xP和xT，垂直方向的分力yP和yT（图14−3b、c）。 垂直分力yP和yT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xP和xT直接影响咬入。显然，当xP大于xT时，咬不进。当xP小于xT时，能够咬入。所以，xP=xT是咬入的临

界条件。 由上图可知 sinPPx cosTTx

当xP=xT时，则为 cossinTP

改写成 tancossinPT

且由（14−10）式，所以 tan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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tan时，能咬入，如果ftan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tan将此式代入（14−11）式，得 tantan

图14−2 咬入时轧件受力分析 图14−3 P和T力的分解 或  （14−12） 即轧制过程之咬入条件为摩擦角β大于咬入角。 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有关。 当式中轧辊直径D为常数式（D=C），则 )cos1(Chαψ 根据上式，在辊径不变情况下，若增加咬入角，压下量△h便增加。而的增加又受摩擦角的限制，故欲使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CDh（即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，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'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，'一直是在减小。开始咬入时',在金属完全充满辊隙后0'。随着金属逐渐充填变形区，合力P的作用角由原来的

图14−4 咬入条件