材料工程基础课件-第五章 金属的塑性加工(第3、4节)

3.3 轧制
3.3.1 轧制过程及基本原理 3.3.2 轧制方法 3.3.3 板带材轧制 3.3.4 管材轧制 3.3.5 型材轧制 3.3.6 线材轧制
3.3.1 轧制过程及基本原理
• 什么是轧制？ 指金属坯体经过转动轧辊间的缝隙，产生压 缩变形，主要在长度方向产生延伸的过程。
• 轧制的目的？ 成形 改质、提高性能
（4）轧机体积小，质量轻。生产同规格 的产品时，与四辊轧机相比，二十辊轧机的 质量为前者的1/3。因此，可减少车间面积， 降低车间高度等，从而减少厂房投资。
中厚板轧制
• 原始材料：扁锭、初轧板坯、连铸板坯、 压铸板坯。
• 轧制生产工艺流程图
轧制工艺
分三阶段： ①成形轧制
沿板坯长度方向或斜向进行1~4道次轧制。 ②展宽轧制（不同于其它类板材轧制的重要工序）
③表面质量
• 钢板表面不得有气泡、结疤、拉裂、刮伤、 折叠、裂缝、夹杂和压入氧化铁皮等缺陷， 因为这些缺陷不仅影响轧件的外观形象， 而且往往破坏钢板的物理性能或成为产生 破裂和锈蚀的缺陷源，成为应力集中的薄 弱环节。
④ 性能
• 中厚板的性能要求主要包括机械性能、工 艺性能和某些钢板的特殊物理或化学性能。
术困难。
板带钢的分类
①按厚度分类
国 厚度≤3mm 标
薄 板
规ຫໍສະໝຸດ Baidu定 厚度＞3mm
厚 板
厚度大于60mm
特厚板
中
习 厚度为20~60mm
厚板
厚 板
惯 上 厚度为4.0~20mm
中板
厚度为0.2~4mm 厚度小于0.2mm
薄板 极薄带
②按产品宽度分类（带钢） 窄带钢：宽度小于600mm； 宽钢带：宽度不小于600mm。
设：作用力方向与出口区间 的夹角为，轧件端部与 出口的夹角为
此时的咬入条件为：
2
2
实际上是轧件较入条件的通式： ① 当 = （轧制开始时），咬入条件：
2
② 当 = 0 时（轧件充满变形区），则：
2
④轧制压力
• 轧制压力是轧制时轧辊 施加于轧件的变形力， 但通常，轧件施加于轧 辊总压力的垂直分量称 为轧制压力。
（2）由于工作辊径小，轧辊的弹性压扁 减小，因而每个轧程的总压下量可增大。此 外，当轧制压力相同时，与四辊轧机相比， 用小辊径的多辊冷轧机可使道次压下量增加 最大可高达80%。对于同样的变形量，可用 较少的道次来完成。此外，多辊冷轧机的工 作辊更换十分方便，减少了辅助时间，从而 提高了生产率。
（3）多辊冷轧机具有塔形的支撑辊系， 尤其是森吉米二十辊轧机，具有整体机架， 刚性很好，轧辊挠度很小，因而可获得高精 度的成品。例如轧制0.2mm不锈钢带，用一 般四辊轧机轧制时公差为0.01~0.03mm，而 用森吉米二十辊轧机轧制时其公差仅为0.003 ~ 0.006 mm，精度可提高4倍。
• 纵向周期轧制又分为单面周期(即轧件一面 有周期性变化)和双面周期(轧件两面都有周 期性变化)两种轧制方法。
①纵向周期轧制
1-圆周形状不同的上轧辊 2-下轧辊 3-轧件
②横向周期轧制
• 横向周期轧制是在横向周期轧机这种特殊 设备上进行的轧制。在轧制过程中轧辊之 间距离的调整是靠调整机构来完成的。横 轧周期断面钢材的形状是圆柱形、锥形和 圆球形的组合，可以是实心的，也可以是 空心的。
• 轧制得到广泛应用，大部分金属以轧态使用。 钢材 90% 铝及合金 35~45% 铜及合金 60~70%
以简单理想轧制过程为例，阐述轧制过程 的基本概念。
简单理想轧制过程：两轧辊均被驱动，直径 相等，转速相同，轧件的机械性质及运动 均匀，无外加推力或拉力作用，靠轧辊力 实现轧制的过程。
①变形区主要参数
②轧制过程的金属流动
③咬入条件
④轧制压力
⑤轧制力矩
①变形区主要参数
变形区：轧件在轧辊作 用下产生变形的区域。
外区或刚端：变形区以 外两端不产生变形区 域。
变形区主要参数
R-轧辊半径 α—咬入角 L—变形区长度，是接触弧（α
对应的弧度）的水平投影 h0, h1—轧件入口厚度和轧后
厚度 L0, L1 —轧件轧制前后的长度 b0, b1 —轧件轧制前后的宽度
和较小的公差范围。
特点
①外形特点：扁平、宽厚比大、表面积大。 ②使用特点： （1）包容覆盖能力强（做容器）； （2）可任意裁剪、弯曲、冲压、焊接; （3）利用其为原料生产型钢、钢管。 ③生产特点： （1）平辊（带辊型）轧出，调整方便，易自
动化； （2）形状简单，可成卷生产，易实现连轧。 （3）轧制压力很大，轧机设备复杂，控制技
由变形区力平衡和几何条件分析，可导出 轧制过程变形与几何条件的内在联系，计 算得中性角γ。
2
1
2
- 中性角 - 咬入角 - 摩擦角，据库仑定律确定
T
N
f
tan
f
摩擦系数 摩擦角
N—施加轧件上的力 T—摩擦力
③咬入条件
咬入条件—轧件与轧辊接触后，轧辊能 把轧件拉入辊缝进行轧制的必要条件。 Ⅰ开始咬入的情况
轧机的分类
• 根据机架数分为单机架轧机、双机架或多 机架连轧机。
• 根据轧辊数分为二辊、三辊、四辊、六辊 及多辊轧机。
二辊轧机
• 二辊冷轧机主要用于轧制窄规格的板带材。 该轧机在一些小型铝加工企业和实验室使 用。设备结构简单，无自动控制技术。
4辊轧机
8辊轧机 偏8辊轧机
Z－high 轧机
Z－high 轧机，双向侧支撑，可以可逆轧制。
• 对于重要用途的结构钢板，要求具有较好 的综合性能，即除了有良好的工艺性能， 甚至除了有一定的强度和塑性以外，还要 求保证一定的化学成分，保证良好的焊接 性能、常温或低温冲击韧性或一定的冲压 性能，保证一定的金相组织及各向组织均 匀性等。
对板带技术要求归纳起来就是：
尺寸精确 板形好 表面光洁 性能高
②横向周期轧制
1-轧辊；2-轧件；3-样板；4-夹钳；5-液压缸
③斜向周期轧制
• 斜向周期轧制是在两个旋转方向相同、互相倾斜 0~7°角并刻有螺旋形轧槽的轧辊之间进行的轧 制。由于沿螺旋前进方向的凸缘高度逐渐增加， 同时孔型的形状越来越接近成品的形状，所以轧 件也就相应地逐渐受到压缩，直到获得一定形状 的轧制成品。
• 弯曲成型有冷弯和热弯之分，它可以生产 用热轧方法不能生产的复杂断面型钢及薄 壁型钢。
• 焊管也是弯曲成型后焊成的。
1-轧辊，2-轧件
3.3.3 板带材轧制
板带材是板材和带材的总称。
板材 指裁剪成定尺长度的产品 带材 板卷 成卷生产供应
板带材的几何外形特征用宽厚比 B/H表征。
B/H的大小代表了生产技术的难度。 B/H越大，则越难保证良好的板形
③按用途分类 造船板、锅炉板、汽车板、镀层板（镀锡、 镀锌）、电工钢板、深冲板、焊管坯、耐 酸耐热板等。
④按钢种分类 合金钢、低合金钢、不锈钢、碳素钢等。
对板带材的技术要求
①尺寸精度 ②板形 ③表面质量 ④性能
①尺寸精度
板带钢尺寸精度包括厚度、宽度、长 度精度。尺寸精度主要是指厚度精度，因 为它不仅影响到使用性能，而且在生产中 难度最大。
• 在简单理想轧制情况下， 轧制压力方向与轧辊中 心线平行。
• 在入口和出口作用有 张力时，轧件作用于 轧辊的合力前倾。
• 带张力的轧制只有在 Qh=QH 時 ， 亦 即 水 平 分量作为零时，轧件
对轧辊的合力才是垂
直的，否则，在压力
螺丝下测得的实测力 仅为合力的垂直分量。
• 取平均值形式，有：
a Rh
Ψ-力臂系数，一般取0.3-0.6
M p (b0 b1) Rh 2
在简单轧制情况下，驱动两辊的轧制力矩：
M M1 M2
3.3.2 轧制方法
轧制一般有四种分类方法： ①按轧制温度分类 ②按轧件与轧辊的位置和相对运动关系分类 ③按轧制产品分类 ④按轧制产品成形特点分类
①按轧制温度分类
由力平衡关系，有NX TX 时，轧件咬入辊 缝，则咬入的条件为：
N X TX
N sin T cos T N tan
N—施加轧件上的力
T—摩擦力
Nx ,Tx分别为其水平分量
据库仑定律：
T
N
f
tan
f
摩擦系数 摩擦角
则咬入条件为：
Ⅱ开始较入至建立稳定轧制 的过程 咬入后，在建立稳定的轧 制过程中，轧辊对轧件的 作用力方向改变。
12辊轧机和20辊轧机，辊径进一步减小 20辊轧机广泛用于轧制难变形材
为什么要采用多辊冷轧机？
多辊冷轧机的最大特点之一就是采用小直 径的工作辊。由工作辊辊径与带材厚度的关 系可知，允许轧制带材的最小厚度与轧辊直 径成正比，这样就可以用多辊冷轧机生产四 辊冷轧机不出来的更薄的带材。
与一般冷轧机相比，多辊冷轧机具有以下 优点：
600mm宽带钢
• 原料：连铸板坯、初轧板坯。 • 轧制工艺：工艺基本与中厚板相同，但要
限制展宽。
冷带钢轧制
• 冷轧带钢和薄板
0.1 ~ 3mm厚 100 ~ 2000mm宽
为了达到轧制成品规格所要求的宽度，将板坯转 动90度，沿板宽方向轧制。 ③精轧 展宽轧制后再转90度，转回原坯料长度方向，轧 制成成品板厚度。
• 钢板生产：
板坯可达80 110t 轧速7.5m / s 钢板最大长度65m 最大宽度5.3m
热带钢轧制
• 热轧带钢的厚度一般为：1.28~8mm • 宽度： 600mm窄带钢
与一般冷轧机相比，多辊冷轧机具有以下 优点：
（1）工作辊径小，总轧制压力小。轧制 时轧辊直径的减小导致变形区接触面积减小， 从而使总轧制压力减小。在轧制条件相同时， 二十辊轧机的轧制压力约为四辊轧机的1/4。 轧制压力的减小使轧制力矩减小，从而节约 电能30%~40%。另外，轧制压力的减小还 会减少摩擦发热和热辊磨损。
②板形
• 板形要平坦，无浪形瓢曲。 • 由于板带钢既宽且薄，对不均匀变形的敏
感性又特别大，所以要保持良好的板形就 很不容易。
• 板带愈薄，其不均匀变形的敏感性越大， 保持良好板形的困难也就愈大。
• 显然，板形的不良来源于变形的不均，而 变形的不均又往往导致厚度的不均，因此 板形的好坏往往与厚度精确度也有着直接 的关系。
半成品轧制 即轧成各种尺寸的坯料
成品轧制
粗轧 精轧
高温、大压下量 小变形
④按轧制产品成形特点分类
一般轧制 周特期殊轧轧制制 施压轧制 弯曲成形
周期轧制
• 按轧件与轧辊的相对位置分类，周期轧制 有以下三种方法： ①纵向周期轧制 ②横向周期轧制 ③斜向周期轧制
①纵向周期轧制
• 是在一般型钢轧机上采用圆周形状不同的 轧辊进行的轧制，也就是说，同一个轧槽 内的轧辊半径是变化的。
• 成品之间的连接部分在轧制过程中被拉断或切断 而成为彼此分开的成品。轧辊每转一周就轧出一 个成品。斜向周期轧制可以生产球形产品、柱形 产品以及特殊形状(例如子弹头)的产品。
弯曲成形
• 用钢板或带钢，通过多架具有不同形状而 又旋转的轧辊，使轧件承受横向弯曲变形 而获得所需断面形状的钢材，这种生产方 法矗叫做弯曲成形。
P pF p (b0 b1) Rh 2
P – 轧制压力 p – 平均单位压力 F – 接触面积（水平投影面积）
⑤轧制力矩
• 定义：轧制压力 P 与 其作用点到轧制中心 线距离（力臂） a 的 乘积，是确定轧制的 主电机和轧辊传动机 构负荷的重要参数。
M Pa
P
pF
p
(b0
b1) 2
Rh
在轧辊入口：金属的流动速率 < 轧辊表面圆 周速度
在轧辊出口：金属的流动速率 > 轧辊表面圆 周速度
则在变形区存在一个金属流速 = 轧辊表面圆 周速度的地方→中性面
②轧制过程的金属流动
轧辊入口 后滑区
中性面
前滑区 轧辊出口
• 轧辊入口-中性面之间的区间—后滑区
• 中性面-轧辊出口之间的区间—前滑区，对 应的轧辊圆心角称为中性角。
• 热轧（钢1100~1250℃）：变形容易、容 易产生氧化皮、表面粗糙、尺寸波动大。
• 冷轧：力学性能好，尺寸精确。 以热轧半成品或成品再进行冷轧加工。
②按轧件与轧辊的位置和相对运动 关系分类
纵轧 初、板带材、型、线轧制 横轧 齿轮、车轮、车轴等回转体 斜轧 管材、钢球等变截面件
③按轧制产品分类
工艺参数
h h0 h1 2R(1 cos) 压下量
Rh
h 4
2
Rh 变形区长度
利用相似三角形计算
工程上表示轧制变形状态所广泛应用的参数是：
宽展b b1 b0
延伸系数 l1 l0 压下率 h h0 100%
②轧制过程的金属流动
设：轧件无宽展，垂直截面水平流动速度相 同，则按体积不变条件可知， 变形区流动速度变化：