课程设计（论文）Φ20.0连轧棒材孔型设计.doc

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1、学 号：200706040119Hebei United University课程设计说明书设计题目： 20.0连轧棒材孔型设计 学生姓名： 专业班级：材料成型及控制工程专业（一）班 学 院：冶金与能源学院冶金与能源学院 指导教师： 2011年03月11日 目录第一章 坯料与轧机3第二章 轧制工艺与轧机布置形式3第三章 选择孔型系统33.1 箱形孔型系统 33.2 椭圆圆孔型系统 4第四章 孔型设计54.1 箱形孔的孔型设54.2 成品孔的孔型设计6 4.2.1 成品孔的设计6 4.2.2 成品前椭圆孔型的设计6 4.2.3 成品前圆孔的设计74.3 其他道次的孔型设计 7 4.3.1 分配延

2、伸系数7 4.3.2 圆孔型的设计8 4.3.3 椭圆孔型的设计9 第五章 轧制速度10 5.1 各道次轧制速度的确定10 5.2 轧制时间 11 5.3 产量计算 12第六章 轧制温度126.1 开终轧温度的确定126.2 影响温度变化的因素126.3 各道次温度的确定 13 第七章 计算力能参数157.1 计算轧制力 15 7.2 轧制力矩的计算 157.3 数据统计 16第八章 孔型沿辊身长度方向的配置168.1 孔型沿辊身长度方向配置的原则168.2 辊环宽度的确定17第九章 轧辊强度的校核179.1 影响轧辊强度的因素179.2 轧辊强度的校核189.2.1 辊身强度的校核 189.

3、2.2 辊颈强度的校核 199.2.3 传动端轴头强度的校核 19参考文献 20第一章 坯料与轧机 本次课程设计的坯料是16516512000，材料是普通碳素结构钢。共轧制20道次，粗轧机有六架，中轧机有六架，精轧机有八架。轧辊的名义直径D分别600mm，500mm，300mm。辊身长度分别为：700mm，600mm，500mm。辊颈的直径近似地选d=(0.50.55)D, l/d=0.831.0。最末架轧机的出口速度为V=18m/s。第二章 轧制工艺与轧机布置形式轧机选择连续式布置形式，且采用平立交替布置的形式。连续式布置轧机每个机架纵向紧密排列成为连轧机组，每架轧机可单独传动或集体传动，每

4、架只轧一道，一根轧件可在几架轧机上同时轧制，各机架间的轧件遵循秒流量相等的原则。第三章 选择孔型系统3.1 箱形孔型系统1) 该系统的优缺点是：(1)孔型的共享性大，有利于提高轧机的生产能力。可以通过调整辊缝的方法，轧制不同尺寸的轧件。可以在同一个孔型中，通过升降上轧辊的方法轧制若干道次。因此，在同一套孔型内便可以获得多种尺寸的轧件，可减少孔数，减少换辊或换辊次数，有利于提高轧机作业率，提高轧机产量；(2)压下量大，对轧制大的断面轧件有利。在轧件面积相等的情况下，与其它孔型系统的孔型相比，箱型孔在轧辊上的切槽深度较浅，这就相对提高了轧辊的强度，故可以增大压下量，对轧制大断面的轧件有利；(3)孔

5、型磨损均匀，能量消耗相对的小。因为轧件沿宽度方向上的变形比较均匀，同时因为孔型中各部分间的速度差较小，所以孔型磨损比较均匀。磨损程度和变形量也因之相对地小些，即能量消耗相对的小些；(4)氧化铁皮易脱落，轧件表面质量好。轧件在箱型孔型中轧制时，轧件侧表面的氧化铁皮易脱落，能保证轧件表面质量。特别 是当钢锭或钢坯从加热炉出来之后，前几道次若在箱型孔中轧制，对于除掉轧件表面上的氧化铁皮，保证轧件表面质量更为有利。(5)由于箱型孔型结构的特点，难以从箱型孔中轧出几何形状正确和尺寸精确的方形和矩形断面轧件。轧件断面愈小，这种现象愈严重。因此，箱形孔型不适于轧制要求断面形状正确和尺寸精确的小断面轧件；(6

6、)轧件在箱型孔型中只能在垂直方向上受到压缩，因而侧表面不易平直，有时还会出现皱纹，同时角部的加工亦不足；(7)当进入孔型的轧件高宽比（h/b）大于1.2而孔型槽底又较宽时，轧件在孔型中轧制时稳定性不好，容易产生倒坯和扭转等不稳定现象。因此，根据箱型孔型系统的优缺点可知，它广泛应有于初轧机、三辊开坯轧机、连续式钢坯轧机和型钢轧机上。它适用于生产大断面的成品方钢。在轧梁轧机、大中小型及线材轧机上，用于前几道次做开坯孔型。3.2 椭圆圆孔型系统 图4-2 椭圆-圆孔型系统1) 该孔型系统特点如下：(1)变形较为均匀。孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形

7、而产生的局部应力；(2)在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；(3)孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面；(4)在某些情况下，可以在椭圆圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；(5)延伸系数小，因而增加了轧制道次 ，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；(6)椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确；(7)在圆孔型中，对敏感大，容易出耳子，因此调整严格。鉴于椭圆圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作

8、效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本。随着圆钢轧制技术的进步与线材连轧的发展，椭圆圆孔型系统已逐渐被推广，应用于圆钢精轧孔型系统与线材的精轧机上。特别是轧制线材的45无扭转精轧机组，也用它作为延伸孔型。综上所述，本设计的20棒材的孔型系统为箱型孔与椭圆圆孔型系统的组合。具体孔型系统为： 粗轧：箱型箱型箱型箱型椭圆圆 中轧：椭圆圆椭圆圆椭圆圆 精轧： 椭圆圆椭圆圆椭圆圆。第四章 孔型设计设计思路：箱形孔设计时采用先设定压下量，取宽展系数的方法。然后根据成品孔的设计公式计算出成品前几道次的孔型尺寸。最后给中间几

9、道次分配延伸系数，根据轧件的断面积设计出孔型的尺寸。4.1 箱形孔的孔型设计轧件高度 轧件的展宽量 b h 槽口宽度 b 512 槽底宽度 槽底圆角半径 式中 B轧前轧件宽度 hk轧件高度 D轧辊的名义直径槽口圆角半径 孔型侧壁斜度 辊缝 S=0.01D 以第一道次的箱形孔设计为例： 取第一道次的压下量h30mm，展宽系数0.20mm。来料的断面尺寸为165165。 展宽量b6mm 孔型高度Hh133mm 槽底宽度bK（1.01.06）B mm=（1.01.06）165=163174.9 取bK=163mm 槽口宽度BKB+bB+8（512）mm=163+87=178mm 孔型侧壁斜度y（BK

10、-bK）/2h100 在此取13.4 槽底圆弧半径R（0.10.2）h mm 取R=25mm 槽口圆弧半径r(0.050.15)h mm 取r17mm. 辊缝 s=18mm。表11 各箱形孔尺寸道次孔型高度H(mm)槽底宽度bK槽口宽度BK槽底圆弧半径R(mm)槽口圆弧半径r(mm)孔型侧壁斜度y()辊缝 s(mm)1133.0163178251713182141.0133.4148201411.9183109.4140147159101641171101201079.616Error! No bookmark name given.Error! No bookmark name given.

11、Error! No bookmark name given.4.2 成品孔的孔型设计4.2.1成品孔的设计 成品孔基圆半径R ：成品孔内径开口宽度B ：为了保证圆钢的椭圆度要求，成品孔内径的开口宽度按下式确定： 成品孔内径的扩张角和扩张半径 1)成品孔的扩张角， 一般取2030，常用30，在此取30。 2）成品孔的扩张半径R1 因为 则可按下式计算 所以：mm 3）成品孔的外圆角半径：r=(0.5-1)mm r=0.6mm4.2.2 成品前椭圆孔的设计1) 椭圆孔型的高度：mm2) 椭圆孔型宽度：mm3）圆弧半径：4）槽口圆角半径：5）棍缝：4.2.3 成品前前圆孔的设计1) 基圆直径：2)

12、槽口宽度：3) 扩张角取 4.3 其他道次的孔型设计4.3.1 分配延伸系数 第515道的总延伸系数 分配这十一道的延伸系数分配原则：中间道次的延伸系数由大到小，经前几道次轧制后，氧化铁皮脱落，咬入条件得到改善；而且温降不多；由于轧件断面积不断减小，亦使延伸系数提高，并达到最大值。以后，轧件断面大为减小，温降严重，变形抗力显著增加，因此，此时延伸系数应逐渐减小。最后几道次的延伸系数应该要小，这样可以保证成品的断面形状和尺寸精度。并且在椭圆孔中。在圆孔中。根据已经计算出来的箱形孔和成品孔的尺寸可以计算出相应个道的延伸系数和断面积 各道次的延伸系数和断面积如下表1-2所示道次延伸系数轧件断面积A1

13、1.2022687.521.201890631.211562541.241260051.438811.861.404495.471.45339681.392428.991.401735101.321314.4111.201095.3121.20912.8131.20760.6141.20633.9151.20528.2161.19442.8171.10402.5181.10332.7191.05316.8201.01314 4.3.2圆孔型的设计： 以第六孔为例 （孔型两侧用圆弧连接） 基圆半径： 孔型高度： 孔型宽度： 辊缝： 扩张角： 取 扩张半径： 圆角半径： 取 其余圆孔型构成与第六孔

14、相同，基本尺寸如下表13 表13 圆孔型的构成道次孔型高度H孔型宽度Bk基圆半径R扩张角辊缝s外圆角半径r扩张半径R676803830010250.985670283008233.4104044203006229.8123640183005222.41428.83214.43003226.5162428123002227.21820.62410.33001.5221.5202022103001220.64.3.3 椭圆孔型的设计： 椭圆孔型的充满度 取1) 第五道椭圆孔型的设计第五道是方椭，所以第五道次的椭圆孔的设计按照方椭延伸孔型的方法：取压下量，宽展系数，辊缝，椭圆钝边。椭圆的宽度：椭圆的

15、圆弧半径：椭圆孔型的宽度：椭圆的圆角半径：2 )其余椭圆孔型的设计以第七道椭圆的设计为例： 根据轧件在孔型中的变形规律可以得到以下的方程组： 式中 -轧件在椭圆孔中的宽度 -轧件在椭圆孔中的高度 R-前一道圆孔型的基圆半径 r -后一道圆孔型的基圆半径 宽展系数 计算得 =112mm =64mm 椭圆的圆弧半径： 外圆角半径： r=(0.10.4)H=10mm 辊缝： 其余椭圆孔型构成与第七孔的相同，其尺寸如下表14所示 表14 椭圆孔型的构成道次孔型高度H槽口宽度BK圆弧半径R槽口圆弧半径r辊缝S597137781518764112741013947815491011376037.56713

16、3047.629.6561519413053171636.32842191231.42421第五章 轧制速度5.1 各道次轧制速度的确定 已知终轧速度是根据连轧过程中各机架之间的秒流量，即可以求出各机架的轧制速度，如下表15所示根据实际经验取得轧机间距为5m，机列之间的距离为9m，由 式中S轧机间距；v轧机的出口速度可以求出各机架之间的间歇时间，如表15所示。表15 各道次出口速度和间隙时间机架号12345678910设备间距（m）5.05.05.05.05.05.09.05.05.05.0轧制速度（m/s）0.220.270.320.40.571.11.52.12.93.8间隙时间（s）22

17、.718.515.612.58.84.562.41.71.3机架号11121314151617181920设备间距（m）5.05.09.05.05.05.05.05.05.05.0轧制速度（m/s）4.65.56.67.99.511.312.515.115.916间隙时间（s）1.10.911.360.630.530.440.40.330.310.315.2 轧制时间(一) 各道次的纯轧时间因维持连轧关系的轧机每架只轧一道且保持单位时间内通过各机架的金属秒流量相等的原则，各道次纯轧时间相等，即：Tzh1=Tzh2=Tzh18=71.3s(二) 轧制节奏时间TTzht 参照同类车间，t5TTzh

18、t71.3576.3s(三) 轧制总延续时间 TzTzhT 式中：Tzh纯轧时间，s ， Tj各道次间隙时间之和，s将数据带入得：Tz71.3100.32171.62 s(四) 轧制图表 本车间为连续式轧制，其轧制图表如下表16 Tzh=36.7s t=5sT=130.35s0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 s 图6-1 连续式布置的轧机的工作图表5.3 产量计算 轧机实际小时产量计算 A 式中：T轧机节奏时间，（s） Q原料重量，（t） K1轧机利用系数，成品轧机：0.800.85 b成品率由于轧制过程中烧损0.5，切头及切废3

19、，合格率99，故成品率为：b（10.53）9995.54 A102.6（t/h）第六章 轧制温度6.1 开终轧温度的确定确定开轧温度时，由于棒材最后几道次是升温轧制，故从开轧到终轧总温降不会太大，根据铁碳相图，可确定开轧温度在950。1150左右。取开轧温度是1150。终轧温度因钢种不同而不同，它主要取决于产品技术要求中规定的组织性能，本车间所轧钢种大部分为低合金钢，属于亚共析钢，其终轧温度应高于铁碳相图中的Ar3线50。100，以获得较细的晶粒组织。取终轧温度在950。左右。6.2 影响温度变化的因素(1)轧件塑性变形的变形功转化为热能，结果使轧件的温度上升，以表示(2)轧件表面向周围空气介

20、质辐射热量，结果使轧件的温度下降，以表示(3)在变形区内，由于轧件和轧辊表面呈粘着状态，轧件向轧辊进行热传导，由轧辊带走热量，结果使轧件温度下降，以表示。(4)轧制过程用于冷却轧槽和导卫装置的冷却水飞溅到轧件表而带走热量，结果使轧件温度下降以表示；(5)轧件在运行过程中由于空气对流带走一部分热量，其结果使轧件温度下降，以表示；(6)轧件和轧辊接触表面的相对摩擦运动产生的摩擦热，结果使轧件温度上升，以表示。如果把钢坯加热温度视为常数，则轧制过程中每一道次的温度变化可以成下式：+-（+）6.3 各道次温度的确定许多学者研究表明，同对比可以忽略不计，这样简化后的方程式可以写成：-。通常轧件的头部和尾

21、部的温度变化是不一致的，为了确定在特定生产条件下合理的轧件盘重和坯料断面以及准确计算在轧制过程中轧件各部分的温度变化，取其一个变形区作为计算单位，具体分析如下：1) 变形功所引起的温度上升计算 P道次轧制压力，KN； L变形区长度，mm； ； 轧辊工作半径，mm； 变形区内轧件平均断面积，mm2。2) 辐射热所引起的温降计算轧制过程中任何两道次的间隙时间内，轧件都向周围空气辐射出大是的热量。辐射时间的长短、轧件本身温度、周围空气温度的高低以及轧件表面积的大小决定着辐射热量的多少。根据辐射定律，因辐射热所引起的轧件温降为： 式中轧件绝对温度，；K 两道次间的间隙时间，s； 单位长度轧件表面积，其

22、绝对值等于轧件断面周长，mm2箱形孔轧件： （轧件高度h轧件宽度b）2椭圆孔轧件： （轧件高度h轧件宽度b）/2圆孔轧件： 轧件高度h平椭和扁椭孔轧件：轧件高度h（轧件宽度b轧件高度h）2第nl道次的轧件断面积，mm23) 轧辊热传导引起温度降的计算在热轧过程中，轧辊和轧件基本处于粘着状态，二者温度差又非常悬殊，所以轧件向轧辊进行的传导热是不可忽视的。为了简化计算，把轧件和轧辊看成两个相互接触的半无限体，即在热交换过程中，轧件和轧辊表面各自保持温度不变。这样，由于导热所引起的轧件温度变化可按下式计算： 式中 轧件温度，； 一个变形区长度的轧制时间，s； 变形区内轧件平均厚度，mm。由此可得温降

23、的总公式： 根据经验轧制力P=2000300KN，且轧制的数值对温降影响不是很大。所以在计算温降时，先设定轧制力P1=780KN，并且逐道次减少。代入数据可以得到每一道次的温降，如下表17所示：表61各道次的温降和温度机架号12345678910温降1714109776655轧制温度1088107410641055104810411035102910241019机架号11121314151617181920温降5444433322轧制温度1014101010061002998995992989987985第七章 计算力能参数7.1计算轧制力 轧制压力的计算公式： 平均单位压力： 式中： 其中C

24、和Mn指含碳和锰的含量，分别为0.3和0.5。 接触面积为经验公式：矩形箱形轧制方案： 方椭轧制方案： 椭圆，圆椭轧制方案:7.2 轧制力矩的计算传动两个轧辊所需的轧制力矩为： 式中： P轧制力； a力臂； 力臂系数 在孔型中轧制时，由于接触面的形状复杂，通常总是使力臂系数增大。对于棒材轧机，为了考虑孔型形状的影响可按下式计算： 变形区长度 平均高度 当n1时 取 ； 当n=0.51时 取 ； l接触弧长度, l7.3 数据统计将数据代入上面的公式中可以得到每一道的轧制力和轧制力矩，如下表71所示：表71各道次轧制力和轧制力矩机架号12345678910轧制力785.46579.1864.07

25、43.11013.9983.6656.9664.8586.9186.8轧制力矩69.4655.786.0469.8110.895.250.8657.950.932.7机架号11121314151617181920轧制力356.9270.8200.0198.0187.6175.4175.4234.5200164轧制力矩34.227.57.99.56.5661513.25第八章 孔型沿辊身长度方向的配置8.1 孔型沿辊身长度方向配置的原则： 有利于轧机产量的提高和产品质量的保证；操作方便，便于实现自动化和机械化；有助于轧辊的充分利用，减少轧辊的消耗和储备等。 配置孔型要考虑的因素有： （1）成品孔

26、和成品前孔应尽量争取单独配置，即不配置在同一架轧机的同一轧线上，以便实现单独调整，保证成品质量。 （2）分配到各架轧机上的轧制道次应力求各架轧机的轧制时间均匀，以便获得较短的轧制节奏，提高轧机产量。 （3）根据各孔型的磨损程度及其对质量的影响，每道备用孔型的数量在轧辊上应有所不同。8.2 辊环宽度的确定： 辊环可分为端辊环和中间辊环两种。位于辊身两端的端辊环可防止氧化铁皮落入轴承；而位于相邻两孔型中间的中间辊环则主要用于分开孔型。 （1）根据辊环强度确定辊环宽度。辊环强度取决于轧辊材质和轧槽深度。 开口孔型的辊环宽度一般等于相邻两孔型中最深轧槽的深度；对于侧壁斜度较大的孔型，其宽度可小些。闭口

27、孔型中，铸钢轧辊的宽度可取为轧槽深度的0.81.0倍，铸铁轧辊则取为轧槽深度的1.21.5倍。 （2）确定辊环宽度，还要考虑导卫装置的安装与调整方便。 （3）端辊环的宽度是根据生产经验确定的，见表81。表8-1 端辊环宽度的取值轧机初轧机轨梁与大型轧机三辊开坯轧机中小型轧机边辊环宽度bb / mm501001001506015050100 孔型在轧制面垂直方向的配置主要是压力值的大小。上下辊工作直径差称为压力。在生产中，使用压力轧制是为了控制轧件出口时的弯曲方向，避免缠辊事故，以及减轻卫板负荷等，但使用压力轧制会导致上下表面层的速度差，使轧件内部产生附加应力，加速上下轧槽的磨损，降低轧辊寿命，

28、因此应尽量避免，故此车间采用无压力轧制。 据以上原则，本次设计只针对需要校核的轧辊进行配辊，配辊见表110：表1-10 各道次配辊的参数机架号辊身长度（mm）轧辊直径（mm）配孔数辊边与边部孔型中心线的距离（mm）孔型中心距（mm）槽底直径（mm）轧槽深（mm）47006002211.1 277.0467.063.566005002 163.6 272.8461.748.16500300547.571.5283.122.0第九章 轧辊强度的校核9.1影响轧辊强度的因素轧辊的破坏决定于各种应力(其中包括弯曲应力、扭转应力、接触应力出于温度分布不均或交替变化引起的温度应力以及轧辊制造过程中形成的残

29、余应力等)的综合影响。具体来说，轧辊的破坏可能由下列三方面原因造成：(1)轧辊的形状设计不合理或设计强度不够。例如在额定负荷下，轧辊因强度不够而断裂或因接触疲劳超过许用值，使辊面疲劳剥落等。(2)轧辊的材质、热处理或加工工艺不合要求。 (3)轧辊在生产过程中使用不合理。热轧轧辊在冷却不足或冷却不均匀时，会因热疲劳造成辊面热裂；在冬季新换上的冷辊突然进行高负荷热轧，往往会因温度应力过大，导致轧辊表层剥落甚至断辊；压下量过大或因工艺过程安排不合理造成过负荷轧制也会造成轧辊破坏等。一般只对轧辊进行弯曲和扭转校核，对疲劳强度不进行校核，而纳入轧辊的安全系数中。对辊身只计算弯曲，对辊颈则计算弯曲和扭转，

30、对传动端轴头只计算扭转。由于本车间的轧机类型都一样，所以校核方法相同，在次仅对第三架轧机进行校核。说明其原理。对铸铁轧辊，用莫尔理论进行校核，合成的应力计算公式为：式中：铸铁材料抗拉许用应力与抗压许用应力的比值，对球墨铸铁通常取0.3对本车间使用的轧辊，由现场取得其许用应力为160MPa 。对粗中精各校核一架见下表7-1，以粗轧第五架为例:表111轧辊辊身长度（mm）辊身直径（mm）辊颈长度（mm）辊颈直径（mm）轴头长度（mm）轴头直径（mm）4700600287.03123123026600500248.42702702606500300143.51561561469.2轧辊强度的校核9.

31、2.1辊身强度的校核312302 287.0 211.1287.0 312700AF2F1轧辊有两处需要校核的地方轧槽处和轧辊中心处：对轧辊中心处举例校核：P1144.6KN P由平衡条件可得：F = F = 0.5P =572.3KN 对辊身只校核抗弯强度，则： 弯矩Mw=282412.6N.M 弯曲正应力=17.2MPa小于许用应力 同理，对A轧槽处计算得=16.5MPa 对铸铁轧辊，其许用应力为160MPa , 故B, A辊身强度足够。9.2.2 辊颈强度的校核F1F2CBPQ2Q1辊颈处因其所受的扭矩作用也较大，故要进行弯扭校核，且当使用最边上的轧槽时，对辊颈的作用效果最大 Q2校核辊

32、径的强度CQ1F对铸铁轧辊，采用莫尔理论计算： jC160 MPa ，故轴颈安全。9.2.3 传动端轴头强度的校核轴头采用万向扁轴头，其厚度为轴颈直径的2/3，即: 其宽度可按轴颈直径计算，故按矩形计算其抗扭截面模量： 则： 由程序可见，160 MPa ,故轴头安全。由于此轧机的轧辊最大许用应力为160MPa ，故辊身、辊颈、轴头三部分的强度均足够，能够满足轧制要求.表112全部强度校核数据轧辊（机架）辊身MPa辊颈MPa轴头MPa轧槽处MPa粗轧418.839.819.415.6中轧716.132.041.517.8精轧1328.030.029.030.8参考文献：1王廷溥、齐克敏.金属塑性加工学轧制理论与工艺（第2版），冶金工业出版社，20012武学泽.棒材生产（上、下册），中国言实出版社，19963小型型钢连轧生产工艺与设备编写组 小型型钢连轧生产工艺与设备，冶金工业出版社，19994白光润、栾瑰馥、朱殿强.孔型设计，东北工学院出版社，19925赵松筠、唐文林.型钢孔型设计（第2版），冶金工业出版社,2000 6徐春、王全胜、张弛 型钢孔型设计，化学工业出版社，2008