轧制过程中的摩擦

112’轧制过程中的摩擦12’.1基本概念摩擦：金属塑性成形时，在金属和成形工具的接触面之间产生阻碍金属流动或滑动的界面阻力。作用：•加工载荷；•咬入能力；•工件变形形状、尺寸精度、表面质量和工具磨损；•工件内部的组织、性能分布。212’.2轧制时摩擦机理微观考察工件工具界面1-硬相；2、6-基体；3-吸附膜；4-反应膜；5-表面层摩擦机理:工具和工件的微观表面凸凹不平（1）轧件轧辊的表面并非绝对光滑，而是有许多小的峰谷；（2）由于变形热或热加工使接触表面温度上升，会使局部熔化和焊接；（3）很少有纯的金属界面，一般它们为反应层所覆盖；（4）许多情况下，有润滑剂存在。312’.3金属塑性成形时摩擦的特点•塑性加工过程中影响摩擦的因素-变形热；-接触表面上原子的相互作用；-润滑时，润滑剂的粘度、膜厚及其化学性质的作用；-塑性加工条件：变形压力、温度、速度、材质、表面状态。4•摩擦的特点1）是在高压力下产生的摩擦。金属所受的单位压力，热变形时100～150MPa，冷变形时500～2500MPa，接触面上承受的单位压力愈高，润滑就愈困难。2）塑性成形时，摩擦情况是不断变化的。接触面上金属各点的位移情况也不同，有滑动的，有粘着的。由于金属的变形而不断产生新的接触表面，工具在加工过程中不断受到磨损3）很多塑性成形是在高温下进行的，金属的组织和性能不断发生变化，表面状态也在变化。钢的热轧：开轧1200℃至终轧900℃，奥氏体发生再结晶、晶粒长大轧制变形区I-易变形区；II-难变形区；III-自由变形区5摩擦对金属成形时的影响：•1)改变金属所处的应力状态，使变形力增加，能耗增多。热轧薄板时可使载荷增加20％甚至１倍以上。•2)引起工件变形不均匀金属塑性成形时，因接触表面摩擦的作用而使金属质点流动受到阻碍，使工件各部分变形的发生，发展极不均匀。•3)金属的粘结。表层金属质点或氧化物从变形工件上转移到轧辊表面，产生轧辊表面粘结金属的现象•4)轧辊磨损板带轧制时，常使辊形和辊面受到破坏，而影响板形和板表面质量。型钢轧制时，常使孔型局部磨损而影响型材形状尺寸精度。612’.4接触摩擦理论四种摩擦状态：•干摩擦在轧辊与轧件两洁净的表面之间，不存在其他物质。这种摩擦方式在轧制过程中不可能出现，但在真空条件下，表面进行适当处理后，在实验室条件下，一定程度上可以再现这种干摩擦过程。•边界摩擦在接触表面内，存在一层厚度为百分之一微米数量级的薄油膜。其特性是可以承受高的载荷，同时对各层间剪切抵抗不大。在边界润滑条件下，摩擦系数很小，就是因为各层之间剪切抗力很小。7•液体摩擦在轧件与轧辊之间存在较厚的润滑层（油膜），接触表面不再直接接触。例如在高速冷轧润滑情况下，属此类润滑。•混合摩擦（半干摩擦和半液体摩擦）。半干摩擦是干摩擦与边界摩擦的混合，部分区域存在粘性介质薄膜，这是在润滑表面之间，润滑剂很少的情况下出现的。半液体摩擦为液体摩擦与干摩擦或者与边界摩擦的混合。在这种情况下，接触物体之间有一个润滑层，但没有把接触表面之间完全分隔开来。在进行滑动时，在个别点上由于表面凹凸不平处相啮合，即出现了边界摩擦区或干摩擦区。在工艺润滑的冷轧变形区中常出现812’.5接触剪应力沿变形接触区的分布摩擦规律采利科夫根据之值的大小，将轧制摩擦分为4种：p59（1）当时：hl/5/hl1）靠近出口、入口处为滑动区，该区服从干摩擦定律；2）当单位摩擦力因为单位压力p的升高而达到K，即出现了粘着区。p32,p633）在粘着区中部中性点附近，出现塑性变形停滞区，该区域内没有塑性变形发生，摩擦力近似按直线规律变化。9（2）当时：52/hl1）靠近出口、入口处为滑动区，该区服从干摩擦定律；2）由于接触弧长度不足以使得单位摩擦力达到K，因此单位摩擦力常数区域消失，塑性变形在滑动区就开始发生。塑性变形在停滞区内停止，摩擦力近似按直线规律变化。摩擦力沿接触弧呈三角形.10（3）当时：25.0/hl粘着发生在整个变形区，金属沿接触弧滑动的趋势非常小，摩擦力可用近似停滞区的三角形分布表示.11（4）当时：5.0/hl金属沿接触弧滑动的趋势更小,摩擦力可用近似停滞区的三角形分布表示.12在实际轧制过程中，变形区内各点的摩擦力方向a)轧辊接触区投影;b)中性面上的摩擦力分布变形区内摩擦力的分布1312’.6确定轧制时摩擦系数的方法决定摩擦系数的因素：•表面接触状态和接触条件；•润滑本身的特征。三种类型的摩擦系数：•咬入时的摩擦系数•轧辊沿整个接触表面打滑时的摩擦系数•稳态轧制时的摩擦系数。141)热轧时的摩擦系数的确定咬入时的摩擦系数：通过用实验方法测定极限咬入角来确定的。maxtane15艾克隆德研究了热轧低碳钢（0.15%C）咬入时的摩擦系数：μe=k(1.05-0.0005t)（不低于７００℃）对于冷硬光滑表面铸铁辊k=0.8；对于钢轧辊，k=1.0，t为轧件温度℃。斯米尔诺夫式：考虑因素：轧件温度，轧辊表面粗糙度、轧件化学成分以及轧辊速度。μe=[0.7935-0.000356t+0.012(Ra)1.5]k1k2Ra——轧辊的算术平均表面粗糙度，μm。k1=1-(0.348+0.00017t)CC——钢中碳含量百分数。k2取决于轧辊速度，16对于各种轧辊表面状态时的最大咬入角和咬入时的摩擦系数，乌萨托斯基给出了实验结果。最大咬入角和咬入摩擦系数随轧辊表面粗糙度的增加而增加。轧辊最大咬入角(度)咬入摩擦系数光滑研磨辊12-150.212-0.266钢板轧机轧辊15-220.268-0.404小截面轧机光滑辊22-240.404-0.445轧机扁钢矩形孔槽24-250.445-0.466箱型孔道次28-300.532-0.577箱型孔刻痕28-340.532-0.67517稳态轧制时的摩擦系数•(1)轧件温度：对一定化学成分的钢轧件的摩擦系数μ在某温度下达到最大值后再下降。对于低碳钢：轧制温度在７００℃以上μ=0.55-0.00024t18温度不同轧制速度(米/秒)下的摩擦系数℃0.20.3～0.50.5～1.01.0～1.51.5～258000.53～0.560.44～0.490.34～0.390.29～0.330.17～0.209000.50～0.570.38～0.460.32～0.370.24～0.320.17～0.2410000.45～0.540.37～0.440.28～0.340.25～0.290.17～0.2311000.41～0.490.33～0.380.26～0.340.26～0.290.18～0.230.40～0.430.32～0.380.30～0.340.22～0.270.18～0.21在无润滑情况下热轧低碳钢时的摩擦系数19•(2)轧件化学成分热轧时轧件化学成分对摩擦系数的影响通常取决于氧化铁皮形成机制。实验表明轧制碳钢的摩擦系数随钢中碳含量的增加而下降20•(3)轧辊表面粗糙度•稳态轧制时，摩擦系数随轧辊表面粗糙度的增加而显著上升，轧辊直径(mm)平均表面粗糙度Ra,(m)稳态轧制摩擦系数1930.630.20-0.281930.8-1.60.21-0.3118812.5-500.51-0.6921摩擦系数与轧辊表面粗糙度的关系1、2、3-用蓖麻油润滑，分别为10%、25%、40%；4-用乳化液润滑，25%22(4)轧制速度轧制速度增加使稳态轧制时的摩擦系数减小。钢轧辊：μ=1.05-0.0005t-0.056V铸铁辊：μ=0.92-0.0005t-0.056V磨光钢轧辊和冷硬铸铁辊：μ=0.82-0.0005t-0.56V23•(5)工艺润滑稳态轧制时的摩擦系数随润滑油浓度的增加而减小。当润滑油的浓度达到一定值时，再增加浓度，对降低摩擦系数的作用不明显。图2-31热轧时使用工艺润滑剂时的摩擦系数a-乳化液；b-水油混合物24咬入时：12’.7冷轧时的摩擦系数润滑碳钢咬入摩擦系数e条件0.08%C0.10%C0.2%C0.25%C无润滑0.1360.1310.1330.131棉籽油0.1160.1180.1160.117蓖麻油0.1090.1090.1010.115碳含量0.08～0.25%，锰含量0.27～0.65%范围内，化学成分对咬入摩擦系数无影响（2）润滑条件的影响润滑咬入摩擦系数e条件范围平均值水0.152-0.1600.156煤油0.154-0.1570.156变压器油0.148-0.1610.152机油0.128-0.1390.136葵花籽油0.133-0.1380.137蓖麻油0.115-0.1240.122（1）轧件材质的影响25(3)轧制速度的影响随轧制速度的增加，咬入摩擦系数下降。实验轧制3.9mm厚0.3%C碳钢试样，蓖麻油润滑,轧辊表面粗糙度为0.2～0.4μm：轧制速度在0-0.15m/s，咬入摩擦系数下降很快；轧制速度0.15m/s时，咬入摩擦系数随轧制速度的增加缓慢下降。（4）轧辊材质和表面粗糙度的影响轧辊及润滑最大咬入角/(°)咬入摩擦系数光滑研磨辊,矿物油3-40.052-0.07铬钢辊,中等研磨,矿物油6-70.105-0.12无润滑粗糙辊80.15026稳定轧制时：当轧件温度增加时摩擦系数μ增加。（2）轧辊表面粗糙度摩擦系数μ随轧辊表面粗糙度增加而增大（1）轧件温度的影响5.020)20(taμ20—在20℃稳态轧制时的摩擦系数；t—轧件温度，℃；a—取决于轧辊表面光洁度的修正系数：光滑辊面a=0.0011～0.0015；粗糙辊面a=0.0035～0.0073)]2.0(5.01[2.0Ra27－碳钢轧制采用润滑时，轧件化学成分对摩擦系数的影响可以忽略。－奥氏体不锈钢轧制时，由于存在轧辊粘结趋势，因此，其摩擦系数通常比碳钢的增大10～20％。（4）润滑剂粘度（3）轧件化学成分通常油膜厚度随润滑剂粘度增加而增加，因此，摩擦力也随之下降。]03.0)(5.0[5.050cη50—在50℃时润滑剂粘度，m2/s×10；C-对于矿物油，c=1.4，对植物油，c=1.0。28在润滑条件下，油膜厚度与轧制速度成正比,因此当轧制速度增加时，摩擦系数下降（6）道次压下量（5）轧制速度道次压下量对摩擦系数的影响取决于轧件表面粗糙度以及加工硬化程度。低碳钢轧制，采用蓖麻油和10％矿物油乳液润滑时轧件摩擦系数随道次压下量的变化2912’.8摩擦系数的测量法1)最大咬入角法思路：用很小的推力，将轧件送向旋转的轧辊，并在此时使轧辊的辊缝尽可能小，然后逐渐抬升上辊，使辊缝增大，达到刚好实现咬入。2)最大接触角法思路：采用楔形件，将轧件送入固定辊缝的轧辊中，由于沿轧件长度上，压下量逐渐增大，直至轧卡为止，此时变形区属于全后滑。303)前滑法思路：测出稳定轧制过程的前滑值Sh，由芬克前滑公式计算出中性角，代入三个特征角（、、）公式中，求得摩擦角。4)压力法思路：根据实测轧制压力，计算出平均单位压力作为实测的平均单位压力。同时选择恰当的平均单位压力公式，代入适当的金属变形抗力及摩擦系数值，使实测的平均单位压力与计算的平均单位压力一致。315)轧件强迫制动法思路：在轧件的后端作用一制动力，强迫轧件在轧辊间停止下来，在开始打滑的瞬间测定制动力Q及轧制力P。