1、壓力加工理論基礎(chǔ),鋼 鐵 工 業(yè) 發(fā) 展,金屬壓力加工概論,壓力加工是使金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，（永久變形）以獲得所需形狀、尺寸及機械性能的毛坯或零件的一種熱加工工藝； 只適合塑性好的金屬材料如中、低碳鋼；大多數(shù)有色金屬及其合金。,壓力加工分類,鍛壓 鍛造 模鍛 自由鍛 手工自由鍛（打鐵） 機器自由鍛（錘類、 壓力機） 沖壓 擠壓 拉拔 軋制。,金屬在塑性變形中的特點,坯料體積不變，只是坯料形狀和尺寸的重新分配的結(jié)果（變形工藝）； 與切削加工比較，壓力加工的生產(chǎn)效率高，且能節(jié)約大量金屬； 機械性能高； 由于坯料在固態(tài)下成形，受成形工具的限制，故產(chǎn)品的截面形狀不能太復(fù)雜。,1.金屬成型

2、方法 （1）質(zhì)量減少的方法： 車、刨、銑、磨、鉆、剪切、氣割、電切、蝕刻等； （2）質(zhì)量增加的方法： 鑄造、電解沉積、焊接與鉚接、燒結(jié)與膠結(jié)等； （3）質(zhì)量保持不變的方法： 金屬壓力加工（軋制、鍛造、沖壓、拉拔、擠壓）。,3.金屬壓力加工的方法,金屬壓力加工： 金屬在受到外力作用并不破壞自身完整性的條件下，穩(wěn)定改變其幾何形狀與尺寸，從而獲得所需要的幾何形狀與尺寸的加工方法。 金屬壓力加工的分類： 靠壓力作用使金屬產(chǎn)生塑性變形：鍛造、軋制、擠壓； 靠拉力作用使金屬產(chǎn)生塑性變型：拉拔、沖壓等。,（1）軋制,軋制的定義： 金屬在兩個旋轉(zhuǎn)的軋輥之間受到壓縮而進行塑性變形的過程。金屬可通過軋制獲得一定形

3、狀、尺寸和性能。 軋制的方式： a.縱軋 b.斜軋 c.橫軋,a.縱軋：軋件縱軸線與軋輥軸線垂直，兩個工作軋輥的 旋 轉(zhuǎn)方向相反（型線材、板帶材等）；,縱軋,b.斜軋：軋件的縱軸線與軋輥軸線成一定的傾斜角，兩個 軋輥的旋轉(zhuǎn)方向相同（無縫管生產(chǎn)）；,斜軋,c.橫軋：軋件縱軸線與軋輥軸線平行，兩個工作軋輥的旋 轉(zhuǎn)方向相同（圓形斷面的各種軸類等回轉(zhuǎn)體）。,（2）擠壓,金屬在擠壓缸中受推力的作用使之從?？字袛D出的過程。擠壓可分為正擠壓和反擠壓。,正擠壓,反擠壓,擠壓,（3）鍛造,金屬在鍛錘或壓力機上受到壓縮而產(chǎn)生變形的過程。（棒材、餅材、環(huán)材等）,自由鍛造,模 鍛,1錘頭； 2砧座； 3鍛件； 4上模

4、； 5下模,（4）沖壓,金屬板料在壓力機沖頭的作用下沖入凹模中的過程。（各種杯形件和殼體等）,1沖頭； 2模子； 3壓圈； 4 產(chǎn)品,（5）拉拔,金屬受前端的拉力作用使之從?？字欣龅倪^程。（型材、線材和管材）,金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ),外力(load)與內(nèi)力(internal force) 外力P：變形體所受外力可分為兩類：一類是體積力，如重力、磁力和慣性力等。另一類是作用在變形體表面上的表面力，它包括工模具對變形體的作用力和約束反力等。分析塑性成形過程時，體積力一般可以不考慮，若不加特殊說明，外力即指表面力。,P1,T,（1）作用力：設(shè)備可移動部分對工件所作用的力，P （2）約束反力：正壓力

5、和摩擦力 內(nèi)力與應(yīng)力,內(nèi)力Q：在外力作用下，為保持變形體的連續(xù)性，其內(nèi)部各質(zhì)點之間必然會產(chǎn)生相互作用的力，叫做內(nèi)力。,低溫,高溫,應(yīng)力（stress） 應(yīng)力S單位面積的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。 內(nèi)力和應(yīng)力均為矢量 應(yīng)力的單位：1Pa=1N/m2 =1.0197kgf/mm2 1MPa=106 N/m2 應(yīng)力是某點A的坐標(biāo)的函數(shù)，即受力體內(nèi)不同點的應(yīng)力不同。,（1）主應(yīng)力 定義：切應(yīng)力為零的面為主平面，主平面上作用的應(yīng)力為主應(yīng)力。 定義：存在著唯一的三個相互垂直的方向，與此三個方向相垂直的微分面上的剪應(yīng)力為零，只存在著正應(yīng)力。此正應(yīng)力稱為主應(yīng)力，一般用1、2、3表示，而相應(yīng)的三個相互垂直的方向稱為主方向

6、，與主方向一致的坐標(biāo)軸叫做主軸。,主應(yīng)變圖與變形程度表示,主變形圖是定性判斷塑性變形類型的圖示方法。主變形圖只可能有三種形式,主應(yīng)力、主應(yīng)變圖示： 主應(yīng)力9種； 主應(yīng)變3種 但只有23種可能的應(yīng)力應(yīng)變組合（塑性變形力學(xué)圖），為什么？,已知成品橫斷面積為500mm 2 ，總延伸系數(shù)為28.8，求所用的原料方坯邊長為多少？,用12012012000mm的坯料軋制6.5mm線材，平均延伸系數(shù)為1.28，求總延伸系數(shù)是多少？共軋制多少道次？ 軋前坯料尺寸為90mm90mm150mm，軋后橫斷面尺寸為70mm97mm，計算該道次的絕對壓下量、相對壓下量、絕對寬展量和延伸系數(shù)各是多少？,10、塑性變形基本

7、規(guī)律,1. 體積不變定律 Volume Constance 金屬塑性變形前后的體積相等，即體積為常數(shù)，也稱為不可壓縮定律。 V0=Vn=常數(shù) HBL=hbl 例題：P139,10.2.2. 最小阻力定律 Least Resistance,在變形過程中，如果金屬質(zhì)點有可能向各個不同方向移動，則每一質(zhì)點將沿著阻力最小方向移動 。 質(zhì)點流動阻力最小方向是通過該質(zhì)點指向金屬變形部分周邊的法線方向。,物體內(nèi)性質(zhì)均勻，工具與金屬摩擦系數(shù)一致，質(zhì)點移動時克服摩擦力所作的功和質(zhì)點離自由表面距離成正比。離自由邊界越近，阻力小，必然沿最短法線運動,圖3-15 不同截面的金屬流動情況,a)圓形 b)正方形 c)長方

8、形,H,h,hx,Vh，高度方向的移位體積，dVh=Fxdx,Fx=V/hx,變形速度,鍛件如鍋餅，鑄件似面包,h,hx,=d/dt=dx/hx/dt=vz/hx,.,H,10.3.2 變形速度,A 鍛壓,=vz/hx，壓力加工中用平均變形速度表示 =2Vz/（H+h） 或者=In（H/h）/（H-h）/Vz,.,_,_,_,_,B 軋制變形速度,軋件運動速度軋輥線速度的水平分量，與變形體瞬時厚度hx有關(guān),v,a/2,=vz/hx，Vz=2Vsina/2Va,.,C 拉拔時的變形速度 用長度方向變形速度表示,=/t=Inl/L/(l-L)/V， V為平均拉伸速度,.,10.3.0.3,例題講解

9、 D=430mm,V=100r/min,H*B=90mm*90mm, H*b=70mm*97mm，求變形速度,下面單位表示應(yīng)力單位的是( )。 AN/m BN/m3 CN/mm2 通常軋制時金屬所處的應(yīng)力狀態(tài)是( )。 A三向拉應(yīng)力狀態(tài) B三向壓應(yīng)力狀態(tài) C一向拉兩向壓的應(yīng)力狀態(tài) 擠壓過程屬三向壓應(yīng)力狀態(tài)，其變形圖示為( )。 A一向縮短、二向伸長 B二向縮短、一向伸長 C一向縮短、一向伸長 軋制變形區(qū)內(nèi)金屬的縱向、橫向流動將遵守( )定律。 A體積不變定律 B最小阻力定律 C剪應(yīng)力定律 D秒流量一致,金屬壓力加工中的摩擦，是指工具與( )的外摩擦。 A金屬接觸面 B金屬上表面 C金屬下表面

10、金屬壓力加工中最主要的手段是( )。 A鍛造法 B軋制法 C沖壓法 平面應(yīng)力狀態(tài)共有( )種可能圖示。 A2 B3 C4 當(dāng)一種金屬進行塑性變形時，受到外力為1000N，受力的面積為200mm2，此時金屬產(chǎn)生內(nèi)力，其應(yīng)力應(yīng)為( )。 A5Pa B50Pa C5MPa 在軋制時，軋制速度( )，摩擦系數(shù)越小。 A越小 B越大 C變緩,滑移的特征 沿一定的晶面和晶向進行 滑移系= 1 個滑移面+面上 1 個滑移方向 滑移的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍 在切應(yīng)力的作用下 伴隨晶體的轉(zhuǎn)動 產(chǎn)生加工硬化,LEVIS,圖4-1 晶體滑移時的應(yīng)力分析,多晶體的塑性變形 晶界的影響 晶粒位向的影響 晶粒尺寸

11、對力學(xué)性能的影響 多晶體的塑性變形過程,金屬的塑性變形,加工過程中的硬化和軟化, 金屬在常溫下經(jīng)塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化。 晶粒沿最大變形的方向伸長； 晶格與晶粒發(fā)生扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 晶粒產(chǎn)生碎晶。 加工硬化(見圖34) 現(xiàn)象：強度、硬度 上升， 而塑性、韌 性下降。 原因：滑移面附近的 晶粒碎晶塊， 晶格扭曲畸變， 增大滑移阻力， 使滑移難以 進行。,纖維組織的形成 形成變形織構(gòu) 產(chǎn)生加工硬化,金屬冷塑性變形對組織和性能的影響,影響加工硬化的因素,金屬本身的性質(zhì) 變形程度的大小 變形速度的高低：受熱效應(yīng)的影響加工硬化當(dāng)變形程度達到一定程度時反而下降 實際意義：獲得均勻一致的冷變形產(chǎn)品

12、 金屬材料強化的手段,加工軟化： 回復(fù)與再結(jié)晶 回復(fù)： 冷作硬化是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定 狀態(tài)的傾向。室溫下不易實現(xiàn)。當(dāng)提高溫度時，原子 獲得熱能，熱運動加劇，當(dāng)加熱溫度T回(用K氏溫標(biāo)) T回=（0.250.3）T熔 使原子回復(fù)到正常排列，消除了晶格扭曲，使加工硬 化得到部分消除。,恢復(fù)與再結(jié)晶效果,回復(fù) 部分力學(xué)性能被恢復(fù)，但晶粒的形狀與方向沒有改變；晶內(nèi)及晶間破壞現(xiàn)象沒有消除 再結(jié)晶 消除了加工硬化引起的一切后果，拉長的晶粒變成等軸的晶粒；消除了纖維組織與方向性，恢復(fù)晶內(nèi)及晶間破環(huán)，消除殘余應(yīng)力。,冷變形:T0.3TR 變形溫度低于再結(jié)晶溫度時，金屬在變形過程中只有加工硬化

13、而無回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，變形后的金屬只具有加工硬化組織，這種變形稱為冷變形。 熱變形:(0.90.95)TR 變形溫度在再結(jié)晶溫度以上時，變形產(chǎn)生的加工硬化被隨即發(fā)生的再結(jié)晶所抵消，變形后金屬具有再結(jié)晶的等軸晶粒組織，而無任何加工硬化痕跡，這種變形稱為熱變形。,冷變形及熱變形,熱變形影響： 1、改善鑄造金屬組織，增加密度，改善力學(xué)性能，降低化學(xué)成分的不均勻及偏析。 2、改變熱變形金屬本身的性質(zhì)：再結(jié)晶后晶粒變得更細小。 不完全冷變形：0.3 TR T Daughter Plates,1. Broadsiding Passes 軋至目標(biāo)寬度,2. Finishing Passes 軋至目標(biāo)厚度,T

14、urn 90o,Turn 90o,w,w,厚板軋制,厚板矯直,厚板冷床,（1）板帶材生產(chǎn)流程的技術(shù)進步,2.熱軋薄板帶鋼生產(chǎn),原料,(2) 常規(guī)熱軋帶鋼生產(chǎn)的工藝過程：,加熱,高壓水除鱗,高壓水除鱗,冷卻,卷取,飛剪,檢查包裝,粗軋機,精軋機,連鑄機,隧道式加熱爐,精軋機,層流冷卻,除鱗箱,卷取機,飛剪,擺動剪,結(jié)晶器, CSP工藝（Compact Strip Production ） 西馬克公司開發(fā)出的CSP工藝,也可稱為緊湊式熱帶鋼生產(chǎn)工藝。 1989年，第一條薄板坯連鑄連軋線在美國克勞弗茨維爾廠投入工業(yè)化生產(chǎn)。以后世界薄板坯連鑄連軋工藝得到迅猛發(fā)展，現(xiàn)今產(chǎn)能占寬帶鋼產(chǎn)品比例的21.4%。

15、我國珠江、邯鄲、包頭鋼鐵公司等都采用此種工藝。,（3）薄板帶鋼的連鑄連軋技術(shù), ISP工藝（Inline Strip Production ） ISP工藝，即在線熱帶生產(chǎn)工藝。 1992年1月在意大利的阿爾維迪公司建成世界上第一條生產(chǎn)線，該類生產(chǎn)線是目前世界上最短的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線。世界上已經(jīng)建成5條。,連鑄機,擺動剪,粗軋機,感應(yīng)加熱爐,卷取箱,精軋機,層流冷卻,圓盤式 卷取機,結(jié)晶器,FTSRQ工藝后改為FTSC，稱之為生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的靈活性薄板坯軋制，是由意大利達涅利公司開發(fā)出的又一種薄板坯連鑄連軋工藝。 加拿大安大略省的阿爾戈馬鋼鐵公司建成投產(chǎn)了產(chǎn)量為200萬t/a的雙流鑄機FTS

16、R生產(chǎn)線。世界上已經(jīng)建成7條。我國唐鋼、本鋼和通鋼薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線即是采用該工藝。,隧道式 加熱爐,感應(yīng)加 熱爐,粗軋機,溫度 控制器,精軋機,層流冷卻,除鱗箱,除鱗箱,卷取機,飛剪,擺動剪,結(jié) 晶 器,連鑄機,FTSRQ工藝（Flexible Thin Slab Rolling for Quality）,ASP技術(shù)及其發(fā)展,第一代 ASP(鞍鋼1700) 工藝流程圖,連鑄機,步進式加熱爐,除鱗,R1,保溫罩,R2,熱卷箱,飛剪,精軋機,層流冷卻,結(jié) 晶 器,卷取機,LF爐,轉(zhuǎn)爐,連鑄機,步進式加熱爐,除鱗,粗軋機,保溫罩,除鱗,精軋機,層流 冷卻,結(jié) 晶 器,中包,轉(zhuǎn)爐,LF爐 RH爐,

17、卷取機,第二代 ASP(鞍鋼2150)工藝流程圖,本鋼薄板坯,1700生產(chǎn)線粗軋機,1700生產(chǎn)線精軋機,1780 生產(chǎn)線,鞍鋼1780mm熱軋帶鋼生產(chǎn)線 1）年生產(chǎn)能力：350（420）萬t 原料：來源于二煉鋼板坯鑄機，一煉鋼大板坯鑄機 厚度：230m，寬度：9501650mm，長度：911m， 重量：Max.30.6t。 2）產(chǎn)品：主要是低碳、碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、管線鋼等 厚度：1.219mm，寬度：8001630mm，卷重：Max30t 單位卷重：Max23kg/mm，成材率：97.5%。 3）主要設(shè)備組成 （1）3座步進式加熱爐；（2）1臺定寬壓力機；（3）2架粗軋機 （4）1套中間

18、坯保溫罩；（5）1臺切頭飛剪；（6）7機架精軋機組 （7）1套層流冷卻裝置；（8）3臺卷取機；（9）1套鋼卷運輸系統(tǒng) （10）2條分卷平整機組；（11）1條橫切機組,3.冷軋板帶鋼生產(chǎn),1）冷軋的含義 金屬學(xué)說法：加工溫度低于該鋼種在特定變形條件下的再結(jié)晶溫度的壓力加工稱為“冷加工”； 工業(yè)上的習(xí)慣：坯料事先不經(jīng)過再加熱的常溫軋制過程。 2）冷軋的工藝特點 （1）冷軋中的加工硬化； （2）冷軋中的工藝?yán)鋮s和潤滑； （3）冷軋中的張力軋制。,3）冷軋機的基本形式,(1) 冷軋機按軋輥輥系結(jié)構(gòu)分為二輥式、四輥式和多輥式冷軋機,a-二輥； b-四輥； c-六輥； d-十二輥； e-二十輥,(2)按機

19、架布置形式分有單機架可逆式和多機架串列式冷軋機,a-四輥可逆式； b-二十輥可逆式； c-偏八輥可逆式； d-五機架串列式,(3)為適應(yīng)特殊品種和高質(zhì)量冷軋帶鋼生產(chǎn)又有特殊形式的冷軋機,a-Y形機架；b-擺動機架；c-CBS機架；d-泰勒機架；e-異步軋機,(4) 冷連軋機,a-常規(guī)冷連軋機； b-改進的冷連軋機； c-全連續(xù)式冷軋機,(5) 全連續(xù)式冷軋機,a-單一全連續(xù)冷軋機；,b-酸洗-冷軋聯(lián)合機組；,c-酸洗-冷軋-連續(xù)退火聯(lián)合生產(chǎn)線,4）冷軋的工藝流程,原料,酸洗,軋制,退火,平整,鍍鋅,彩涂,鞍鋼 冷軋薄板廠冷軋1#生產(chǎn)線 1）年生產(chǎn)能力：150萬t 原料：來源于1780、1700

20、熱軋生產(chǎn)線 厚度：1.86.0mm，寬度：7501600mm，外徑：max.2150mm 卷重：max.30t。 2）產(chǎn)品：主要是普通碳素鋼（CQ）：Q195Q235； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低碳鋼（DQ）：08AL； 特深沖鋼（DDQ）：含碳量較低的08AL； 低合金結(jié)構(gòu)鋼：Q295Q345 規(guī)格：厚度：0.33.0mm；寬度: 7501550mm；最大外徑:2100mm 3）主要設(shè)備組成： （1）酸洗軋機聯(lián)合機組； （2）全氫罩式退火爐 （3）單機架四輥平整機； （4）重卷分卷機組 （5）橫切機組； （6）2條連續(xù)熱鍍鋅機組,冷軋CDCM工藝流程圖,單機可逆軋制,六. 鋼管生產(chǎn),1.鋼管的生產(chǎn)方法

21、2.自動軋管機組工藝 3.冷軋無縫鋼管生產(chǎn)簡介 4.焊接鋼管生產(chǎn),1.鋼管的生產(chǎn)方法,1）熱加工無縫鋼管的生產(chǎn)方法 （1）熱軋法 如在自動軋管機組、周期式軋管機組、連軋管機組、三輥軋管機組、減徑或擴徑機組上生產(chǎn)無縫鋼管等。 （2）熱擠壓法 熱擠壓法主要用于生產(chǎn)低塑性的高合金鋼管、有色金屬及難變形的稀有金屬管材和一些特殊用途的異形斷面管材。 2）冷加工無縫鋼管的生產(chǎn)方法 用冷加工方法生產(chǎn)無縫鋼管主要有冷軋、冷拔和冷旋壓法。 3）焊管生產(chǎn)方法 焊管生產(chǎn)的實質(zhì)是：將管坯（鋼板或帶鋼）用不同成型方法彎曲成所需要的鋼管形狀，然后用不同的焊接方法將其焊接成鋼管。,2.自動軋管機組工藝,按機組所生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)

22、格范圍，自動軋管機組可分為以下三類： 小型機組 生產(chǎn)鋼管外徑為38150mm，壁厚為2.53.0mm。 中型機組 生產(chǎn)鋼管外徑為40250mm，最小壁厚為3.54mm。 大型機組 生產(chǎn)鋼管外徑為250529mm，最小壁厚為4.55mm。,自動軋管機組是目前我國熱軋無縫鋼管的主要生產(chǎn)方法之一，它具有設(shè)備簡單、產(chǎn)品范圍廣、質(zhì)量好和生產(chǎn)率高等優(yōu)點。,其生產(chǎn)工藝流程為,管坯,剪斷,冷定心,加熱,穿孔,軋管,熱定心,均整,定徑,冷卻,矯直,切管,再加熱,減徑,檢查,入庫,加熱,（1）管坯準(zhǔn)備 管坯直徑為70120mm。表面檢查清理后在1000t剪斷機上切成工藝要求的定尺長度（8001200mm）。 （2

23、）管坯定心 定心指在管坯前端端面中心鉆或沖一個小孔穴。其目的在于避免穿孔時毛管壁厚不均。 （3）管坯加熱 必須嚴(yán)格保證加熱溫度和加熱均勻。 （4）管坯穿孔 穿孔的作用是將管坯穿成空心毛管。穿孔機種類很多，其中輥式穿孔機使用最廣。軋輥為雙錐形，兩軋輥旋轉(zhuǎn)方向相同，穿孔時管坯做螺旋運動在頂頭與軋輥的碾軋下穿成毛管。,（5）毛管軋制 穿孔后的毛管送到自動軋管機上進行軋制。其目的是使毛管減壁延伸，使壁厚接近或等于成品尺寸。 自動軋管機由主機、前臺和后臺組成。主機是二輥不可逆的縱軋機，其特點是工作輥后設(shè)一對高速回送輥。工作輥的作用是軋管，回送輥的作用是將毛管由后臺送至前臺。前臺的作用是將毛管對正孔型并翻

24、轉(zhuǎn)90。后臺的作用是安裝和支撐頂桿。 （6）鋼管的均整 均整的目的是消除壁厚不均和管子橢圓度。均整機結(jié)構(gòu)及工作過程與穿孔機相似，但變形量很小。 （7）鋼管的定徑 定徑的目的是為獲得直徑準(zhǔn)確、外形圓正的平直鋼管。因此，需要用無芯棒連軋方法對其外圓進行加工借以達到成品要求。,（8）鋼管的減徑 直徑小于60mm的鋼管，由于頂桿強度和剛度的限制，難以由軋管機軋出，需經(jīng)減徑工序。減徑的主要作用是獲得小直徑鋼管。減徑機機架結(jié)構(gòu)與定徑機相同。 （9）鋼管的精整 鋼管經(jīng)定徑或減徑后送至冷床冷卻，冷卻后用斜輥矯直機進行矯直，矯直后的鋼管用切管機切頭、切尾及切成定尺鋼管。成品鋼管需送到檢查臺進行尺寸、內(nèi)外表面質(zhì)量的檢查及分類，合格的鋼管過秤后包裝入庫