6不对称轧制 根据加匚工具的不对称和所加材料性能的不对称性,不对称轧制可以分为三种情况。第一种 是异步轧制,指在轧制过程中有意识地使两个工作辊具有不同的表面线速度的轧制方法。第二种是 异径轧制,指在板带生产中,两个工作辊的辊面线速度基本相同,而直径与转速差别较大的轧制方 法。第三种是不对称轧制,常岀现在两种或两种以上的不同种材料的板带的复合轧制种,指由于材 料种类的不同而导致的轧制方法 61异步轧制 61.1异步轧制的特征 和同步轧制相比,由于两个工作辊的线速度不同,轧制时变形区金属质点的流动规律和应力分 布都有其自身的特点。在异步轧制时,慢速辊侧的中性点向变形区入口侧移动,快速辊侧中性点向 变形区出口侧移动,导致轧件与两个工作辊接触区的中性点不对称,这样自然就在上下两个中性点 之间形成“搓轧区”。一种极端的状态是:当慢速辊中性点移至入口处、快速辊侧中性点移至出口处 时,使整个接触变形区成为所谓的“搓轧区”,如图6-1所示,此种状态称为全异步轧制(PV) 当然这种情况在实际的生产中是根本就不可能岀现,这里只是为了形象的说明“搓轧区”。在实际生 产中,中性点受到工作辊摩擦力等条件限制,移到出、入口处的条件要求苛刻,所以在生产中很少 出现。由此,变形区就出现前、后滑区,这样,变形区就由后滑区、搓轧区和前滑区三者组成,如 图6-2所示,称为不完全异步轧制或半异步轧制(IPV) 轧区十前 图6-1搓轧区受力示意图 图6-2变形区状态图 a)由后滑区和搓轧区组成:(b)由后滑区、搓轧区及前滑区组成 变形区内搓轧区的大小、前滑区和后滑区的大小主要取决于异速比(快速辊与慢速辊线速度之 比),轧件的道次延伸系数μ和轧件在慢速辊侧的前滑值。由于在不同的情况下,各区域在变形区内 所占比例不同,为了简便计算可以把所占区域极小的区域忽略。 设υ为普通轧制时轧辊的圆周速度;为异步轧制时快速辊的國周速度,U2为异步轧制时慢 速辊的圆周速度,U为轧件的水平速度。完全异步轧制时,对快速辊υU2cos0,UU2cosa(图6-3);:不完全异步轧制时,对前滑区b>t1cosO,对后 滑区Uo< Ucos 6<cosb;对搓轧区快速辊Uo<cosb,Uy,=ucos1;对搓轧区慢速辊 Dy2=D2 cOS 12, U2 0(K64) 612异步轧制压力的计算 由于异步轧制时变形区内存在着搓轧区,改变了变形区内金属受力状态,和同步轧制相比异步 轧制的变形区内三向压应力状态减轻了,有利于变形的切应力状态加强了,这样一米平均单位压力
减小了,从而使总轧制压力降低。大致有如下规律:延伸系数一定的条件下,异速比越大,搓轧区 在接触变形区中所占比例越大,切应力在变形中的作用越大,使平均单位压力越小;当延伸系数和 速比一定时,随着轧件厚度减小,这样有利于变形的渗透,增加轧辊对轧件的搓拉效果,轧制压力 降低幅度也就随之增大。变形区平均单位压力公式如下 图6-3全异步轧制时水平速度与辊速的关系 图6-4不完全异步轧制时水平速度与辊速的关系 (1)当变形区主要由搓轧区组成时,平均单位压力为 P K。+K1_90++a(“+1|mn (6-1) 式中KK厂变入、出口平面变形抗力;q、q前后张力;a=a+b,其中b为硬化指数, 为材料的屈服强度:K=0+bE,x为任意断面处的变形量;0=H,其中H为软态原料 的厚度,H为本道次的轧前厚度;p=Hh,h为本道次轧后厚度。 (2)当变形区主要由搓轧区和后滑区两者组成时, n=1(-1)k1-q+ b(i-1 10i-1 -121-动 式中异速比,=1;2八,变形区长度。 613异步轧制的变形量和轧薄能力 搓轧区的存在使异步轧制时的轧制压力明显降低,由此,相同的轧制压力下,通过异步轧制可 以获得比同步轧制更大的道次压下量或者道次延伸系数,进而可以提高轧机的生产能力。实践证明」 同样单位压力下,异步轧制可以获得的压下量比同步轧制大得多,而且随着轧件厚度的减小,也就 是说随着搓轧剪切效果的增强,这种现象越明显。由于其轧制压力降低明显,从而异步轧制可以进 行大压下轧制 异步轧制有着较强轧薄能力,东北大学曾作过大量的研究工作,并在实验室使用Φ9Omφ 200mm×20om四辊异步轧机轧制出00035的紫铜箔和0005mm的钢箔。斯通曾经导出同步轧制 59
第二篇轧制原理 的最小可轧厚公式 bm=358K-9m E 根据轧辊材质E、轧件的平面变形抗力K及平均张应力可和摩擦系数∫等实际情况,可算出 D/=1500~200即当D值达到1500~2000就已经达到所谓的最小可轧厚度,这个数据显然远低 于上述东北大学所得的Dh值。由此证明,异步轧制的轧薄能力比同步轧制高得多。其轧薄能力强 的根本原因是变形区内的搓轧区改变了轧件的应力状态,在搓轧区内有强烈的剪切变形存在,使异 步轧制的轧薄能大幅度提高。由于随着轧件厚度的减小,同步轧制时在变形区内的三向压应力状态 越强,异步轧制则可以改变这种应力状态,有利于轧件的延伸变形,所以轧件越薄,其减小轧制压 力的作用或效果越明显。 6.14异步轧制的轧制精度 根据异步轧制的穿带及轧制特点的不同,把轧制精度分为异步恒延伸轧制和拉直异步轧制两种 情况进行讨论。图6-3(a)、(b)分别示意了拉直式异步轧制和恒延伸式异步轧制 6.14.l恒延伸异步轧制的轧制精度 由体积不变定律,忽略轧件的展宽的情况下,可得出: . H 当带材出口速度与入口速度v比值保持不变,以及延伸系数保持恒定时,可得出: Hh C s, h 由上述公式可明显看出,恒延伸轧制时,随着带材厚度的减溥,相对厚度差保持不变,即绝对 厚度差成等比例卜降。这样一来,恒延伸轧制随着厚度的减薄可以明显地提高轧制精度。而在常规 轧制中,随着厚度的减溥,受轧辊偏心、油膜厚度变化及变形抗力、厚度波动等因素的影响,其相 对厚差是变化的 $中 图6-3两种典型的异步轧制实现方式 (a)拉直式:(b)恒延伸式 6.142拉直异步轧制的轧制精度 影响带材轧制精度的主要因素有原料厚度、变形抗力、摩擦系数、轧辊偏心等,而原料厚度的 波动是影响产品精度的最主要因素。由板带轧制的Ph图得到 (6-8) SH K/M+ 同种材料的情况下,由于异步轧制可以人幅度降低轧制压力,所以拉直异步轧制的塑性曲线斜率 60
M要明显低于同步轧制的塑性曲线斜率M,由(6-8)式可得出 δHδ 该式说明在原料厚度波动相同的情况下,异步轧制逐步消除或减轻原料在厚度上的不均匀性的能力 大于同步轧制的,就其本质而言还在于异步轧制的接触变形区內有搓轧区存在 61.5异步轧制有关的参数的选择 实跋证明,要保证异步轧制的稳定运行,异步速比i不能过大,一般应小于14。异步速比过大 对稳定性不利,轧制过程中可能产生轧机振动现象,使轧件表面有横向的明暗相间的条纹,影响产 品质量。因此,在拉直异步轧制中,要保持延伸系数μ大于异步速比讠。另外,轧制时,通常应保 持前张力大于后张力。 62异径轧制 62.1异径轧制的基本特征及优点 异径轧制(图6-4)利用一个辊径很小,靠摩擦从属转动的工作辊,由于其辊径小,轧件和轧 辊的接触面积和单位压力就大幅降低,另外,轧制过程中小工作辊对轧件有楔入作用,在变形区内 形成45°剪变形区,两者共同作用,使总的轧制压力和能耗大幅降低。采用大的工作辊来传递轧制 矩和提高咬入能力,还可以采用而且容易实现弯辊技术来控制板型。由于这些优点的存在使得异 径轧制可在相冋的原料和能耗的情况下,增大压下量、减少道次、提高轧机工作效率和轧溥能力 提高产品厚度精度和板型质量 图6-4异彳轧制示意图 图6-5不同异径比值的应力状态系数 (a)异径多辊式轧机示意图:(b)异径单辊传动示意图 622异径轧制原理 异径轧制通过将一个从动的工作辊的直径大幅度减小,实现大幅度降低轧制压力和力矩的效果 及由此带来厚度精度的提高,能耗降低的效果。如图6-5所示的φ200m异径5辊轧机轧制低碳 带钢轧制力的实测与理论曲线。从图中曲线可知,压力下降幅度随异径比值(D大/D小)的增大 而稳定地增大。和异步轧制相比,异径轧制的降低轧制压力的效果明显的原因主要在于变形区的长 度,由于从动辊的直径的大幅度减小,使得轧件与轧辊辊面的接触面积大幅度减小和单位轧制压力 显著降低所致,而两者也有相似之处,异步轧制的搓轧区内有剪变形,在异径轧制的变形区内也会 出现剪切变形区。在相似的轧制条件下,轧制压下量相同时,异径轧制和对称轧制的变形区长度之 比随异径比x增大,异/对比值减小。也就是
轧制原理 因而随异径比x增大,1异1对比值减小。当异径比x3时,在同样压下量下,l异=0.78,亦即接 触孤长或接触面积减少了30%。总压力等于接触面积乘单位压力,即使单位压力不变,仅接触面积 就已稳定可靠地使总轧制压力卜降了30y%ω。说明在同样单位压力的情况下,随着异径比增大,接触 区大幅度减小,和对称轧制相比可以使轧制压力减小的效果增大。随着异径比增大,小工作辊对轧 件的楔入效果也随之增强,这方面还缺乏研究。 工作辊径的减小使变形区长度大幅度减小,使得金属流动的纵向摩擦阻力为之减小,从而人幅 削弱了轧制变形区内金属的三向压应力状态,降低了其应力状态系数:减小了一个工作辊的直径, 其咬入角增大,因而增大了正压力的水平分量,这又进一步改变了轧件的应力状态,减小了变形区 内金属的应力状态系数;随异径比增大,可以强化小工作辊对轧件的楔入作用,使应力状态系数进 步降低 与对称轧制相比,当压下量不变时,异径轧制的大工作辊侧的咬入角有所减小(Δα1),小辊 咬入角大大增加(Aa2),其增加量与减小量之比为 可见,a2角的增加量是a角减小量的1+2(+x)倍。当x=3时,△a=283△a。随异径比x的 增加,使a增大,甚至使小辊进入超咬入角轧制状态。此时小工作辊上正压力的水平分量增加大大 降低了应力状态系数。这种分析可以通过变形区单位压力分布的计算来进一步从理论上得到证实。 根据压力分布公式算出的不同异径比轧制时单位压力分布曲线如图6-6所示,由图可见,由于采用 异径轧制,不仅单位压力峰值下降209%~409%,而且使变形区内很长部分出现了拉应力成分,其应 力状态系数小于1,即其单位压力p值甚至比自然抗力K还要小。 值得指出的是,理论计算和实验结果都表明,在双辊传动异径轧制时两个传动轴所担负传递的 力矩并不相等,其中联接大工作辊的传动轴总是担负较小的力矩,其与总力矩的比值总是小于0.5, 在实验条件下,此比值在03~045之间。这种特点在设计异径轧机设备时应加以考虑 250}1对称四辊轧制(中90) 2异径五辊轧制(中42/φ90 3异径五辅轧制(30490) 无润滑 埋论曲线 实验曲线 图6-6双辊传动不同异径比时轧制压力与压下率的关系 图6-7后滑区微分体上的受力示意图 623异径轧制时轧制压力的计算 由于异径轧制比较适合于生产冷令轧薄带的场合,可以提高冷令轧机的作业能力,产品的尺寸精度, 降低能耗效果好,一般异径轧制压力计算公式的假设条件是以冷轧生产的条件为基础进行公式推导 异径轧制时轧制压力的分析计算应考虑到异径的特点。但为便于理论分析,假设冷轧薄带时和 两工作辊接触的变形区长度相等,变形区內各断面纵向速度和纵向应力沿轧件厚度均匀分布,且两 辊中性点在同垂直平面上,即二中性角y1、y2所对应的弧长相等;接触面摩擦系数μ为常数, 62
摩擦力t遵从库仑定律,即tj(p为单位正压力);轧辊弹性压扁后仍为圆柱体,其辊径比x值不 变,即x=RR2=R/R2。按此假设条件依据图6-7所示力平衡条件,列出力平衡方程式 (o, +do he+dhe)-o,he-pe R sin 0, de, -pe. sin 0, R, de, ±p6 R,f cos e, del±pe,R2 f e2d02=0(6-1) 式中“+”为前滑区,“一”为后滑区;R、R2一大小工作辊辊径。 取RR2=x,sm0t≈b,sinb2≈b2=x0t, cos bI≈cosb2≈l;并由假设条件 pa=Pn,PA-K=ax,代入上式忽略高阶小量dahn,因(p1/K-1k1(Kb)远小 于h2Kd也忽略掉,得: R1/h2(1+x)μ2/B1 对此微分方程进行求解,得单位轧制压力分布式为 在前滑区 P2=P4=~(-91/k (6-13) kh 在后滑区 Pi=pe qo/Ke/(awa-aha (6-14) 式中H、带钢轧前、后的厚度;q、q带钢轧制的前、后单位张力;K带钢的变形抗力 aAB、ah是中间变量,其表达式为: 2RL arc (+x6 +x) 1=2,2R arctan (1+x)h 对上式进行分总单力P=Rn+) (6-16) 式中R大作辊弹性压扁后的半径;B带钢宽度;p、p前、后滑区单位轧制压力 63材料性能不对称的轧制 材料性能不对称的轧制主要出现在双金属复合板的轧制中。随着科学技术的迅猛发展,传统产 业深入发展和批高新技术产业的相继涌现,对材料的使用性能提岀了更高、更苛刻的要求,单- 金属或者合金在很多情况下很难满足工业生产对材料综合性能的要求;或者为了适应可持续发展节 能降耗,降低成本;另外,地球上的稀贵金属在逐年减少,而市场对稀贵金属的需求量却不断增长。 为了节约贵重金属材料、降低生产成本,国内外材料工作者正致力丁研究和开发新型的金属材料 双金属或多金属复合材料。双金属复合材料是科学技术进步和适应当代生产而发展起来的跨学科的 新兴领域。由于双金属的复合技术还处在技术研究阶段,对不同种金属的复合机理硏究的较多,而 对轧制压力的研究较少,这里只简单的介绍一下复合轧制的特点 63.1双金属复合轧制特征 般情况下,双金属复合轧制是将两种或两种以上的不同种金属板材复合到起的轧制。大致 的变形过程如图6-8所示,但从该图上看不出和普通单一材料的轧制有什么不同。但实际上不同种 材料在相同的加工条件下,由于变形能力的不同会表现出不同的变形特征,变形抗力小的金属的变 形速度会大于变形抗力大的金属,因此,也就产生了变形不致问题,变形快的金属牵引着变形慢 63
轧制原理 的金属变形,同时变形慢的金属限制着变形快的金属变形。 轧件在对称轧制中,一般认为沿同一高度断面上质点变形均匀其运动水平速度相同。显然这 结论对于轧件不对称轧制时是不适用的。冷轧双金属复合板带时除了很有限的范围内轧件沿高度断 面上的水平速度相等外,在其余的变形区内(不论是前滑区还是后滑区)轧件沿每一断面高度的速度 均不相等尤其是在出口侧这种差别更为明显如图6-9所示。 A B 图6-8双金属轧制复合变形示意图 图6-9变形区内金属流动速度图 6.3.2双金属非对称轧制前滑特点 与单一金属轧制过程样,双金属复合轧制也存在着前滑区和后滑区,与单一金属轧制不同的是, 前滑过程对双金属复合强度有较人的影响这一点已经为大量的研究工作所证实。由于复合轧制和普 通单一材料的轧制不同,其前滑值的确定方法也不同。由图6-10和图6-11可知,变形率与前滑 的关系:无论是硬态金属还是软态金属前溍值S都是随变形率ε的增加而增加;无论变形率的大小, 两种复合板轧制时,钢基材板的前滑都小于复合材板这说明前滑与材料性能和摩擦系数有关。要减小 前滑值必须适当控制变形率而过小的变形率又不能实现复合轧制。轧制速度与前滑的关系:轧制速 度对前滑的影响很大,随轧制速度的提髙前滑值增加很快,尤其是相对较硬金属。当轧辊圆周速度 定时与轧辊接触的双金属表面的前滑完全不同,且随着轧制速度的提高,两侧面的前滑值相差更大。 尽管轧件很薄(轧后厚度仅有03mm~0.7m),但两侧面的前滑值差却达30%以上。因此在可能的情 况下复合轧制应采用较小的轧制速度 203040506070 图6-10不对称轧制时变形率与前滑的关系 图6-1不对称轧制时变形速度与前滑的关系 1—不锈钢:2一铜3-不锈钢复合板:4一铜钢复合板 1不锈钢:2一铜:3-不锈钢钢复合板;4一铜钢复合板 由于双金属在相同工艺条件下,抗力小的金属变形速度大,所以金属流出变形后向硬金属侧 翘曲。为了解决这种现象,一般釆取对称组料,以实现对称轧制;在材料的变形抗力相差较大的情 况下,轧制过程中可能会发生轧机振动现象,使轧件表面出现横向的明暗相间的条纹,影响产品的 质量。综合分析轧机产生振动的原因有:材料的变形抗力差,摩擦,有无张力等因素;由于复合板 的需求量与日俱增,研究其不对称轧制情况下的轧制压力规律及其轧制特点必将得到充分的重视