材料成型及控制综合项目工程专业综合实验报告.doc

目 录

1 实验课题 1
2 实验目的 1
3 实验原理 1
3.1 轧制实验原理 1
3.1.1 轧制原理 1
3.1.2 轧制力测定原理 1
3.2 拉伸实验原理 2
4 实验参数设定 3
4.1 轧制实验参数拟定 3
4.1.1 试样参数设定 3
4.1.2 轧制参数设定 3
4.2 拉伸实验参数拟定 3
5 实验内容 4
5.1 轧制实验 4
5.1.1实验仪器及材料 4
5.1.2实验环节 4
5.2 拉伸实验 4
5.2.1 实验仪器及材料 4
5.2.2实验环节 4
6 实验成果与分析 5
6.1 轧制实验成果 5
6.2 分析与讨论 8
6.2.1 轧制实验 8
6.2 拉伸实验成果 10
7 实验小结 15

综合实验
1 实验课题
变形限度对金属板材冷轧变形力和机械性能影响。
2 实验目的
通过变化压下量，即变化变形限度（）实验参数分别进行冷轧和拉伸实验，以此来研究铝板在进行同步冷轧时轧制力随变形限度变化规律，以及在不同压下量时钢板机械性能（重要为屈服强度和抗拉强度）影响。
3 实验原理
3.1 轧制实验原理
3.1.1 轧制原理
同步轧制是指上下两轧辊直径相等，转速相似，且均为积极辊、轧制过程对两个轧辊完全对称、轧辊为刚性、轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用、轧件在入辊处和出辊处速度均匀、轧件机械性质均匀轧制。在轧制过程中，同步轧制变形区金属在前滑区，后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面，中性面附近单位下力增强，使平均单位轧制增大。同步轧制时单位轧制压力沿变形区长度方向类似抛物线形状分布。
3.1.2 轧制力测定原理
当前测量轧制力办法有两种：应力测量法和传感器法。而传感器测量法又有电容式、压礠式和电阻式三大类，本实验只用电阻式。电阻应变式传感器是运用金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化这一金属电阻应变

图1 同步轧制示意图

效应，将被测量转换为电量一种传感器。一种典型电阻式应变支撑传感器是用一种圆柱作为弹性元件。圆柱体在轧制力作用下产生形变使得应变片电阻发生变化，将这些应变片按一定方式连接起来，在接入电桥，就可得到一种与轧制力成比例关系输出电压，从而将力参数转变成电信号，其原理图如图2所示。

轧制压力P

弹性元件 电阻应变片 电桥线路 放大器 计算机软件输出

测力传感器 测试仪器 计算机分析

图2 轧制压力测量原理图

轧制实验中，将轧机测力传感器与计算机通过电路以及相应轧制综合参数测试仪连接起来，在计算机中，运用杂货之测试软件来采集有关数据。在轧制实验中通过游标卡尺测量读取有关数据。在拉深实验中，通过读取万能实验机上数据并作必要记录。
轧制综合参数测试仪数据采集办法如图3所示。
Φ130二辊异步轧机
P1 P2

电桥盒
测力传感器

数据采集系统
计算机输出

图3 数据采集办法

3.2 拉伸实验原理
金属拉伸实验是测定金属材料力学性能一种最基本实验，是理解材料力学性能最全面，最以便实验。本实验重要是测定铝板在轴向静载拉伸过程中力学性能。在实验过程中，运用实验机自动绘图装置可绘出铝板拉伸图。由于试件在开始受力时，其两端夹紧某些在实验机夹头内有一定滑动，故绘出拉伸图最初一段是曲线。
对于碳钢试样，在拟定屈服载荷PS时，必要注意观测试件屈服时测力度盘上积极针转动状况，国际规定积极针停止转动时恒定载荷或第一次回转最小载荷值为屈服载荷PS，故材料屈服极限为 。
试件拉伸达到最大载荷之前，在标距范畴内变形是均匀。从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。因而，测力度盘上积极针开始回转，而从动针则停留在最大载荷刻度上，批示出最大载荷Pb，则材料强度极限为:。
试件断后，将试件断口对齐，测量出断裂后标距l1和断口处直径d1 ，则材料延伸率δ和截面收缩率Ψ分别为:

式中， ，分别为实验前标距和横截面面积； ，分别为实验后标距和断口处横截面面积。
4 实验参数设定
4.1 轧制实验参数拟定
4.1.1 试样参数设定
先运用剪切机剪切得到尺寸为B×H×L=3×60×1000铝板，再进行横向剪切得到尺寸为B×H×L=3×60×170五块铝板。
4.1.2 轧制参数设定
压下量拟定：
由于轧制时是在干摩擦条件下进行，故可取辊面摩擦系数为0.15，依照最大咬入角为
（1）
由式（1）可得，，再依照式（2）
（2）
可得，。故本实验可取最大压下量=0.9mm
‚变形限度拟定：
由于实验所给铝板厚度大体同样，若要变化变形限度，只需变化压下量。通过上述计算可知取最大压下量，实验采用单道次压下，压下量最大取用0.9mm，已知转过17个齿，即压下量为1mm，则当mm需转过12个齿。当前分派每块钢板试样压下量，在调节好辊缝基本上，分别转动齿轮5个齿，8个齿，10个齿，13个齿，15个齿，即分别为0.3mm，0.45mm，0.6mm，0.75mm，0.9mm。
详细理论设计数据如表1所示。
表1 铝板冷轧变形限度拟定（理论设计）
试样编号
1
2
3
4
5
轧前厚度H/mm
3
3
3
3
3
压下量/mm
0.3
0.45
0.6
0.75
0.9
转过齿数/个
5
8
10
13
15
变形限度/%
10
15
20
25
30
注：该表格中数据仅为设计，后来面实验中所得数据为准。
图4 拉伸试样尺寸规格
4.2 拉伸实验参数拟定

拉伸实验中参数设定重要是对试样进行尺寸规格设定，如图4所示。
依照体积不变定律可估算冷轧后试样1尺寸变为2.7×60×188.9（不考虑宽展条件下），由于存在弹性回答及弹性压扁，实际厚度不不大于2.7mm，实际长度不大于188.9mm。由于试样1变形限度最小，故其轧制后长度最小。查有关资料可得，试样可按图1所示形状加工。 （3）
由经验公式（3）可得在有效宽度取30mm时，依照两种不同算法可得到有效长度=101.7mm，取整为102mm。由于设计时要考虑到试样能被夹头夹紧而不至于脱离，两端夹住长度分别可取20mm。故有效长度可取=102mm为，则宽度，查关于资料可得，圆弧倒角半径可取15mm，则通过计算试样总长度可取172mm。
5 实验内容
5.1 轧制实验
5.1.1实验仪器及材料
（1）实验仪器：130mm实验轧机；压力传感器；综合分析测试仪；游标卡尺。
（2）实验材料：厚度为3mm钢板一块。
5.1.2实验环节
（1）将铝板在剪切机上剪成为60×170mm试样五块。
（2）将五块3×60×170mm规格铝板试样进行编号，分别为1号，2号，3号，4号，5号；
（3）将压力传感器安装在轧机上，并将设备间连线连连接好；
（4）检查好各通路，调节轧制综合参数测试仪至平衡状态，在开扎之前点击数据采集。
（5）进行辊缝调节，先将辊缝调节为零，缓慢转动转盘，减小辊缝直至计算机采集图样中曲线浮现波动即可停止，阐明辊缝已经调节为零。
（6）再将辊缝调节2.20mm，即转过齿数为37个即可。
（7）启动轧机，按表1调节压下量，先将转盘转过5个齿数，即将辊缝减小0.3mm，点击“采集数据”后，再进行试样1轧制，轧完后测出其轧制后轧件厚度h，并记录于表2中。
（8）在进行试样2、3、4、5轧制时，在上一种试样基本上分别再转动3,2,3,2个齿数，相称于总压下量调节为0.3mm，0.45mm，0.6mm，0.9mm(理论上)，再进行轧制，分别测量每次轧制后轧件厚度h，并记录于表2中。
（9）轧制完毕之后，点击“停止采集”，选取相应数据点，点击“数据分布”生成word报表，记录轧制力、、与表2中。
5.2 拉伸实验
5.2.1 实验仪器及材料
（1）实验仪器：液压万能实验机、游标卡尺、划线机、錾子、锯子、锤子、砂纸、圆锉和平锉等。
（2）轧制实验后5块试样。
5.2.2实验环节
（1）将轧制实验后5块铝板试样和未加工试样6设计和加工成图4所示形状及尺寸，备用。
（2）熟悉万能实验机操作规程，预计拉伸实验所需最大载荷Fb，并依照Fb值选定实验机测力度盘（Fb值在测力度盘40% -80%范畴内较宜）。调节测力指针对准零点，并使从动针与之靠拢，同步调节好自动绘图装置。
（3）将5块试样按原先1~5编号进行拉伸实验，测量出拉伸试样中间长度和宽度分别填入表3中。
（4）将1号铝板试样两端夹紧在夹头上，记录拉伸开始时，记录下刻度尺上示数 填入表3中。
（5）缓慢加载，每隔一段时间记录下，加载载荷读数以及刻度尺上读数于表3，直至断裂，停止实验，取下断裂后试样用游标卡尺测出试样端口厚度，记录数据于表3。
（6）将万能实验机表盘上示数置零。重复环节（4）~(5)分别对试样编号2、3、4、5进行拉伸，分别记录数据于表4、表5、表6、表7、表8中。
6 实验成果与分析
6.1 轧制实验成果
表2变形限度对轧制力影响ε
试样编号
轧制前
轧制后
变形限度/%
轧辊一端
轧辊另一端
总轧制力
1
2.94
2.79
5.1
15.85
14.18
30.04
2
2.96
2.66
10.1
24.26
21.13
45.39
3
2.96
2.50
15.5
28.79
24.31
53.10
4
2.96
2.38
19.6
35.51
30.02
65.53
5
2.94
2.30
21.8
40.06
34.59
74.65
2.拉伸实验成果 表3 试样编号1数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.98
2.79
79.06

2.70

29.28
0
0
2
0.5
5.0
4.5
6.32
3
1.0
5.5
5.0
12.65
4
2.0
6.0
5.5
25.30
5
3.0
6.5
6.0
37.95
6
4.0
7.8
7.3
50.60
7
4.5
8.0
7.5
56.93
8
5.0
8.5
8.0
6.25
9
4.5
10.3
9.8
56.93
10
4.0
11.0
10.5
50.60
11
3.5
12.0
11.5
44.28
12
2.0
12.5
12.0
25.30

表4 试样编号2数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.96

2.66

73.25
2.50
29.30
0
0
2
0.5
4.0
3.5
6.83
3
1.0
4.5
4.0
1.65
4
1.5
5.0
4.5
20.47
5
2.0
5.5
5.0
27.30
6
2.5
6.0
5.5
34.13
7
5.0
6.5
6.0
68.26
8
5.5
6.8
6.3
75.08
9
6.0
7.0
6.5
81.91
10
6.5
7.5
7.0
88.74
11
6.8
8.5
8.0
92.83
12
6.0
10.0
9.5
81.91

表5试样编号3数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.98
2.50
68.61
2.34
29.32
0
0
2
0.5
3.0
2.5
7.28
3
1.0
3.5
3.0
14.57
4
2.0
4.0
3.5
29.15
5
2.5
4.1
3.6
36.43
6
3.0
4.5
4.0
43.72
7
3.5
4.7
4.2
51.01
8
5.0
5.0
4.5
72.87
9
5.5
5.1
4.6
80.16
10
6.0
5.2
4.7
87.44
11
5.0
7.1
6.6
72.87
12
4.0
7.9
7.4
58.30

表6 试样编号4数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.94
2.38
62.70
2.14
29.30
0
0
2
0.5
3.0
2.5
7.98
3
1.0
3.1
2.6
15.95
4
1.5
3.5
3.0
23.92
5
2.0
3.7
3.2
31.90
6
2.5
3.9
3.4
39.88
7
3.0
4.0
3.5
47.85
8
4.0
4.3
3.8
63.80
9
5.0
4.7
4.2
79.75
10
5.5
4.9
4.5
87.73
11
5.6
5.5
5.0
89.32
12
5.0
7.0
6.5
79.75

表7 试样编号5数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.96
2.30
61.57
2.10
29.32
0
0
2
0.5
3.0
2.5
8.12
3
1.0
3.5
3.0
16.24
4
2.0
3.9
3.4
32.48
5
3.0
4.2
3.7
48.73
6
4.0
4.5
4.0
64.97
7
4.5
4.7
4.2
73.09
8
5.0
4.9
4.5
81.21
9
6.0
5.1
4.6
97.45
10
6.4
5.3
4.8
100.39
11
6.0
6.1
5.6
97.45
12
5.0
7.5
7.0
81.21

表8 试样编号6数据
读多次数
载荷P/KN
刻度尺读数/mm
拉伸前试样宽度b/mm
拉伸前厚度h/mm
截面面积S/mm
试样拉伸断裂厚度h1/mm2
断裂后试样宽度b1/mm
延伸率/%
拉伸应力
/Mpa
1
0
0.5
29.96
2.96
79.11
2.70
29.30
0
0
2
0.5
3.5
3.0
6.32
3
1.0
3.9
3.5
12.64
4
2.0
4.1
3.6
25.28
5
3.0
4.5
4.0
37.92
6
4.0
4.8
4.3
50.56
7
5.0
5.1
4.6
63.20
8
6.0
5.3
4.8
75.84
9
7.0
5.7
5.2
88.48
10
8.0
7.9
7.4
101.12
11
7.5
9.0
8.5
94.80
.12
7.0
10.0
9.5
88.48
6.2 分析与讨论
6.2.1 轧制实验
由图5、6可得，轧辊两端轧制力都是随变形限度增大而增大。在图中每个波峰处取一点，导出所相应轧制力，两端轧制力之和即为总轧制力。

图5 各变形限度下轧制力P1

图6 各变形限度下轧制力P2
对变形限度和总轧制力进行线性回归分析：如图7所示

图7 变形限度-总轧制力图

由图7可得，变形限度和总轧制力关系大体呈非线性关系，变形限度越大，总轧制力越大。因素：依照本实验方案规定，每个试样轧制压下量不断增长，随着压下量增大，轧件接触弧长度增大，轧件接触面积因而增大；并且，随轧制过程进行，压下量增大，试样产生加工硬化，变形抗力随之增长，并且变形限度越大试样加工硬化限度也越大相应变形抗力越大。因此轧件平均单位压力因而增大，从而总轧制力随之增大。
采用曲线拟合办法对其进行回归分析。选取分析线性模型,二次项模型,三次项模型，各模型有关参数见表8。

表9模仿成果数据
参数
模型
鉴定系数
R2
方程系数
常数项
一次项系数
b1
二次项系数
b2
三次项系数
b3
线性模型
0.989
2.970
6.845

二次项模型
0.9995
0.1248
8.3795
-0.5395

三次项模型
0.997
0.598
11.126
-0.901
0.045
自变量为：变形限度
因变量为：总轧制力
由表9可得，三次项鉴定系数为0.997，其值相对较接近1，本设计选用三次项模型曲线作为变形限度和总轧制力之间关系曲线。由图7可得，随变形限度增长，总轧制力呈非线性增长。
上述实验成果详细理论分析：轧制力为轧件给轧辊总压力垂直分量。轧制力可用微分面积上之单位压力 p与该微分体积接触表面之水平投影面积乘积总和。如取平均值形式，可采用式（5）
（5）
式中：F—轧件与轧辊接触面积； —平均单位压力。
因此，为了拟定轧件给轧辊总压力，必要对的地拟定平均单位压力和接触面积。
关于接触面积数值，在大多数状况下是比较容易拟定，由于它与轧辊和轧件几何尺寸关于，普通可用式（6）拟定
（6）
式中：—接触弧长度，，为压下量；
—变形区轧件平均宽度，普通等于轧件入辊和出辊处宽度平均值。
6.2 拉伸实验成果
依照表3~8中有关数据，通过Excel表格绘制出不同变形限度拉伸应力-应变曲线图，如图8~13图所示。

图8 变形限度5.1%应力-应变图

由于铝板在拉伸实验中，在初始阶段为弹性变形阶段，故会呈现出线性关系，采用线性回归。而背面阶段重要为塑性变形阶段，重要呈现出非线性关系，分别进行二次拟合、三次拟合，对比得出三次拟合所得到曲线鉴定系数R2较为接近1，相对误差较小，故采用三次曲线拟合。而图10中所得出交点可大体定为屈服极限，即屈服极限屈服强度σs=37.95MPa抗拉强度抗拉强度σb=63.25MPa。

图9 变形限度10.1%应力-应变图

从图9中可得出屈服极限为σs=27.3MPa，抗拉强度σb=92.83MPa。

图10变形限度15.5%应力-应变图

从图10中可得出屈服极限为σs=36.43MPa ，抗拉强度σb=87.44MPa。

图11变形限度19.6%应力-应变图

从图11中可得出屈服极限σs=31.7MPa，抗拉强度σb=89.32MPa。

图12变形限度21.8%应力-应变图

从图12中可得出屈服极限σs=48.73MPa，抗拉强度σb=100.39MPa。

图13 变形限度0%应力-应变图

从图13中可得出屈服极限σs=37.92MPa，抗拉强度σb=101.12MPa。
上述实验成果分析：从应力-应变图中可以看出在弹性变形阶段鉴定系数并不接近1，也就是说，在进行拉伸实验时，弹性变形阶段并非呈现理论上线性有关，导致这种现象因素是多方面，如：拉伸件加工精度不高，在轧制阶段也许由于送料方式不对的，或者因轧辊弹跳影响轧件导致变形不均匀。
将各变形限度下屈服极限和抗拉强度列于表10。
表10 各变形限度下延伸率ε、屈服极限和抗拉强度εh
变形限度εh/%
0
5.1
10.1
15.5
19.6
21.8
延伸率ε/%
9.5
12
9.5
7.4
6.5
9.5
屈服强度σs/MPa
37.92
37.95
27.3
36.43
31.9
48.73
抗拉强度σb/MPa
101.12
63.25
92.83
87.44
89.32
100.39

依照表中数据，将变形限度分别与延伸率、屈服强度、抗拉强度进行回归分析，得出它们之间关系曲线。分别选取线性模型,二次项模型,三次项模型进行曲线拟合。
对变形限度和延伸率之间关系进行线性回归分析：
图14变形限度和延伸率之间关系曲线

图15 变形限度和抗拉强度之间关系曲线
对变形限度和延伸率之间关系同理分析可得出：三次项鉴定系数为0.9809，其值相对较接近1，本设计选用三次项模型曲线作为变形限度和延伸率之间关系曲线，如图15所示。

变形限度和抗拉强度之间关系分析可得：三次项鉴定系数为0.9596，其值相对较接近1，本设计选用三次项模型曲线作为变形限度和抗拉强度之间关系曲线，如图16所示。

图16 变形限度和屈服强度之间关系曲线

变形限度和屈服强度之间关系分析可得：三次项鉴定系数为0.6251，结合理论知识和实际误差，本设计选用三次项模型曲线作为变形限度和屈服强度之间关系曲线。
实验中由各组实验数据分析可得：铝板屈服强度和抗拉强度随着变形限度变化大体趋势是先减小后增大，而延伸率随着变形限度增长大体呈现先增大后减小。
理论上分析：塑性变形变化了金属内部组织构造，在晶粒内部浮现滑移带和孪生带，同步晶粒外形发生变化，晶粒位向也发生变化。如：浮现纤维状组织，形成变形织构。因而变化了金属力学性能。随着变形限度增长，金属强度，硬度增长，塑性和韧性相应下降。因素重要是由于加工硬化成果。即，是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量位错形成位错缠结，不动位错等障碍，形成高密度位错林，使别的位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高，金属塑性减少。
实际实验成果与理论差别因素：(1)实验设计变形限度相对偏小，导致实验成果不是很明显。（2）轧制试样在轧制时由于轧机弹跳值影响导致变形不均匀。（3）在钳工加工过程中加工精度不高，是拉伸件表面光滑限度不均，加工过程中使工件表面产生划伤。（4）数据解决精度不高，每次进行数据测量时应当多次测量取平均值，数据读取时应当有同一种学生读取，以尽量减少测量误差。

7 实验小结
本次综合实验课题变形限度对铝板冷轧变形力和机械性能影响。通过本次综合实验训练让咱们进一步掌握材料成型过程中力能参数检测，变形后金属性能测试原理，办法和技术，纯熟地掌握有关仪器设备使用与操作办法，巩固材料成形理论知识，进一步提高了咱们对专业知识综合运用分析，解决实际问题能力。
本次设计是教师给出课题，让咱们自己去设计，自己去动手做。实验重要分为轧制实验和拉伸实验，实验设计基本思路是：一方面，设计实验方案，再依照设计实验参数运用剪切机剪取六块铝板试样，进行轧制实验。然后，通过拉伸实验检测变形限度对铝板冷轧变形力和抗拉强度，屈服强度影响。最后，进行实验数据解决和成果分析。
固然，在实验过程中遇到某些问题，如：咱们在进行轧制实验前对试样厚度测量不精准，仅测了一组数据，导致对轧件厚度测量精度不高。这样会对实验成果产生影响， 由于轧制实验是通过对相似试样采用不同压下量时轧制力变化，实验中对轧件厚度测量精度规定较高，以实现较小测量误差。此外，在对拉伸试样进行钳工制做过程中由于加工没能保证试样拉伸件表面光滑，导致在拉伸过程中由于裂纹在存在使工件被扯破。试样1加工前标记线太深，导致拉伸过程中拉伸件从标记线断裂。对实验成果都产生了一定影响。
本次实验咱们小组分工明确，人们团结一致，在各位同窗共同努力和教师指引下，咱们完毕了本次综合实验。实验结束后，通过数据解决，进步加深了相对压下量对轧制力和金属机械性能关系理解。其中掌握了此前实验中没有学过回归分析。在对各组数据回归分析时，加深了对Excle数据分析功能运用。
最后，感谢教师指引，在这里表达衷心感谢。同步，感谢咱们团队成员。