材料成型专业课程设计

1、铝合金薄材冷轧工艺优化专业课程设计专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机械0811班 （材料成型2班）姓 名：杨海亮学 号：0806081219指导老师：吴运新老师目 录一、铝合金薄材冷轧工艺优化题目内容.2二、轧机参数.2三、冷轧工艺制度.31、M.D.斯通公式.32、轧件合金参数.43、道次分配.54、润滑.7四、电机功率校核.81、传动力矩.82、静负荷图.93、主电机校核10五、冷轧车间工艺布置简图.10参考书目.11铝合金薄材冷轧工艺优化一、 铝合金薄材冷轧工艺优化题目内容铝合金薄材冷轧工艺优化（轧制道次、压下量最优化分配）1）、合金牌号：1xxx系列合金、2xxx系列合金、3xx

2、x系列合金、5xxx系列金2）、板宽度：1500mm3）、板厚度：4.56.5mm；成品厚度：0.150.45mm4）、轧机：单机架不可逆轧制；速度：小于1500m/min二、 轧机参数根据轧板宽度为1500mm，选择轧机轧机型式四辊不可逆式铝带冷轧机轧机规格380 mm/960 mm/1600 mm轧制材料1xxx、2xxx、3xxx、5xxx、8xxx系列合金来料厚度范围 8 mm来料宽度范围1000 mm1500 mm来料卷外径范围700 mm1700 mm来料最大卷重7000 kg成品厚度范围0.05 mm3.5 mm成品宽度范围940mm1500 mm成品最大外径1700 mm成品最

3、小外径750 mm轧制速度基速：300 m/min-1；最大速度：660 m/min-1轧制力12000 KN主传动电机功率2x730 KW保证值厚度公差0.050.002 mm0.10.005 mm工作辊380 mm x 1650 mm 支撑辊960 mm x 1600 mm轧制方向（站在操作侧看带材前进方向）从右至左开卷机张力范围5.0120 KN开卷机电机功率/转速2 x 197KW/1450r/min卷取机张力3.0120 KN卷取机电机功率/转速3 x 197KW/1450r/min工艺润滑油量4000 Lmin-1工艺润滑油邮箱体积80 m3机列外形32m x 21m x 4.65

4、m三、 冷轧工艺制度1、M.D.斯通公式轧制力是指轧件对轧辊合理的垂直分量，即轧机压下量螺丝所承受的总压力。后滑区内作用于微分体上的力示意图：考虑到冷轧是轧辊弹性压扁，而D/h一般足够大，在计算轧制力时可选用M.D.斯通公式。M.D.斯通公式求轧制力具体步骤：（参考金属压力加工原理 魏立群 第5、6章节）（1）、 根据公式X2=(eX-1)Y+Z2求X其中X= f l h,Y=2CR f h(K-q),Z= f l h式中各参数意义：f为摩擦系数f=tan，为摩擦角l为考虑轧辊弹性压扁轧件与轧辊的接触长度h H + h 2 为轧件平均长度，H为轧件进口厚度，h为轧件出口厚度C= 8（1-2）E

5、，为轧辊的泊松比，E为轧辊的杨氏模量R即轧辊半径（D代表轧辊直径）K为平面变形抗力，一般冷轧时K=1.15，为轧件屈服强度（0.2或s）q为平均单位张应力，冷轧时q=（0.20.6）带入Y、Z及其它参数整理得：X=eX-1*2*C*R*f H+h2 1.15-q+f2*R*（H-h）（H+h2）2 （2）、 根据公式 p=K-qn 求轧制单位压力p其中 n= eX-1 X ， n为考虑外摩擦影响的应力状态系数带入参数有：p=1.15-q eX-1 X （3）、 根据公式P= pBl 求轧制力P其中B为轧件宽度，冷轧时轧件宽度基本不变，l= Xhf 可根据X的值求，带入参数有：P=B1.15-q

6、 eX-1 X* X H-h 2 f 2、轧件合金参数（1）、 一般刚轧辊=0.3 ，E=2.2x104 kgf/mm2，轧辊滚面粗糙，摩擦系数f=0.09（摩擦角5）。根据公式C= 8（1-2）E ，可求得 C=1 9500 mm2/kgf轧辊的摩擦系数会影响轧制咬入、轧件成品质量，根据轧件与轧辊接触瞬间的咬入条件，稳定轧制的充分条件M，以及压下量与咬入角的关系式cos=1-h2R（式中R=190mm，h为压下量），可列出下表：最大咬入角（）摩擦系数f接触咬入时的h（mm）稳定轧制时的h（mm）冷轧（高度光洁并良好润滑）30.050.522.0840.070.933.70冷轧（粗糙滚面）50

7、.091.455.7760.112.088.3070.122.8311.2980.143.7014.72由表可知，冷轧在滚面高度光洁并良好润滑时最大咬入角为34，最大压下量h0.93mm，此时前2道次加工率会很低，从而降低了生产效率，增加了生产成本 。因而取轧辊摩擦角=5，f=tan=0.09，接触时允许最大压下量（h）max=1.45mm（2）、 根据课题要求，定铝合金坯料厚度为4.5mm，成品厚度为0.3mm，宽度B=1500mm， 将以上参数带入X公式，以及轧制力公式有：X= eX-129500*190*0.09 H+h2 1.15-q+0.092*190*（H-h）（H+h2）2 P=

8、15001.15-q eX-1 X* X H-h 2 0.09由上公式知X、轧制力P的值只与H、h、q 相关，假定冷轧第一道次压下率只有20%，即H=4.5 mm，h=3.6 mm， q=0.4可绘出P1000-X-曲线图红色实线表示轧件材料的屈服强度单位Mpa蓝色虚线表示轧制力的千分之一，即图中P的数值单位为KN由上图可知，P与呈正相关性，由于P120KN，则X0.515，348.47Mpa即，选择所轧材料的屈服应尽量低于348.47Mpa。铝合金中7xxx系列属于超高强度，常温常态下硬度一般都大于348.47Mpa；而4xxx系列合金主要合金元素是Si，很脆；6xxx系列主要合金元素为Si

9、、Mg，适合做挤压合金；故只可选1、2、3、5系列合金。其中2xxx系列合金为硬铝合金，某些牌号在一定状态和温度下屈服强度会高于348.47Mpa，所以选2xxx系列时应再次验算轧制力，其他1、 3、5系列属于软铝合金，不成在屈服强度过高的问题。根据以上验算，选5A02铝合金，查表知其=210Mpa。3、道次分配（1）、 等压下率分配5A02合金为软铝合金，其工业冷轧中间总加工率范围一般为60%85%，道次加工率范围一般为20%45%。为了减少加工道次、充分发挥合金塑性、提高生产率，应尽量取大点，初定=40%。根据公式=1-(hH)1n带入值H=4.5mm，h=0.45mm，=40%算得n=4

10、.5，取n=5，再根据公式可求得=36.9%。由等压下率分配可得道次分配如下：道次入口厚度（mm）出口厚度（mm）道次压下量h道次压下率总压下率平均张力F（KN）轧制力P（KN）14.52.841.6636.9%36.9%462.427073.2322.841.791.0537.0%60.2%291.696952.6931.791.130.6636.9%74.9%183.968183.0041.130.710.4237.2%84.2%115.92总压下率=84.2%，需要进行中间退火50.710.450.2636.6%90%其中：平均张力F=qBh=0.4*1500*H+h2 ，轧制力P根据公

11、式、求得各道次轧制速度v=9750*P额*F*（R+h）*2R60（为电机效率，取0.8）从上表可以看出，按等压下率分配时，前3个道次的轧制力约为最大轧制力12000KN的1/3，前2道的平均张力大于轧机允许最大张力120KN，第一道次的道次压下量1.66大于接触咬入条件所允许的最大值（h）=1.45mm，故压下分配需要继续优化。（2）、 分配优化根据公式、可知，在保证一定压下率的条件下，可以通过调节轧制平均张应力q的值来控制平均张力和轧制力的大小；为了稳定工艺、方便调整板型，中间各道次（第2、3、4道次）的轧制力尽量接近；、第一道次根据接触咬入条件所允许的最大值（h）=1.45mm，取定第一

12、道次压下量h=1.4mm；即=31.11%。根据最大张力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*4.5+3.12*10-3=21.05Mpa ,取q=20Mpa ，则可算得F=114KN，X=0.55，P=10305.39KN，v=4.16m/s、第二道次在保证平均压下率和接触咬入的条件下，改善润滑条件，使f=0.07，取h=1.4mm，即=45.2%。此时根据最大张力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*3.1+1.72*10-3=33.33 Mpa ,取q=33Mpa ，则可算得F=118.8KN，X=0.681.，P=10461.52KN,v=4.03m

13、/s、 第三道次在保证平均压下率和接触咬入的条件下，取h=0.64mm，即=37.6%。此时根据最大张力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*1.7+1.062*10-3=57.97 Mpa ,为使轧制力与第二道次接近取q=40Mpa ，则可算得F=82.8KN，X=1.017，P=10518.96KN，v=5.79m/s、第四道次在保证平均压下率和接触咬入的条件下，取h=0.4mm，即=37.7%。此时根据最大张力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*1.06+0.66 2*10-3=93.02 Mpa ,为使轧制力与第二道次接近取q=85Mpa ，则可算

14、得F=109.7KN，X=1.539，P=10552.73KN，v=4.38m/s、中间退火第四道次轧制完成后，轧件的中间冷轧总加工率总= 0.66 4.5 *100%=85.33%，由于压下率过大，需要中间退火，以消除加工硬化，提高轧件塑性，避免轧件出现裂边或断片。查表知3A21铝合金冷轧板的开始再结晶温度为320C325C，再结晶终了温度为515C 520C，采用空气炉加热退火，温度设为515C 520C，加热时间为30min。、 第五道次成品厚度h=0.45mm，即h=0.21mm，=31.8%。此时根据最大张力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*0.4+0.682*

15、10-3=144.14Mpa ，q=137 Mpa ，则可算得F=114KN，X=2.052，P=8430.8KN，v=4.22m/s优化分配参数总表如下：道次入口厚度（mm）出口厚度（mm）道次压下量h道次压下率总压下率平均张力F（KN）轧制力P（KN）速度V（m/s）14.53.11.431.11%31.11%11410305.394.1623.11.71.445.2%62.2%118.810461.524.0331.71.060.6437.6%76.4%82.810518.965.7941.060.660.437.7%85.33%109.710552.734.38总压下率=85.33%，

16、需要进行中间退火50.660.450.2131.8%41.18%1148430.804.224、 润滑润滑采用乳化液润滑，由80%85的机油、10%15%的油酸、5%的三水乙醇胺配成的乳剂与90%97%的水搅拌成。其中水主要起冷却作用，机油为润滑油，油酸即为油性剂，增加矿物油的润滑性能，又能与三水乙醇胺反应形成胺皂，起着乳化剂作用，以获得稳定的乳化液。四、电机校核1、传动力矩要确定主电机功率、必须首先确定传动轧辊的力矩。在轧制过程中，在主电机轴上，传动轧辊所需力矩由以下几个部分构成：M=M/i+Mf+M0+Md式中：M轧制力矩使轧件产生塑性变形 i轧辊与主电机间的传动比 Mf附加摩擦力矩，作用

17、于轴承、传动机构等位置 M0空转力矩。克服空转时的摩擦力距 Md动力距，克服加速、起动等时刻的惯性力矩组成传动辊的力矩的前三项为静力矩，即Mc= M/i+Mf+M0（1）、轧制力矩M的计算按轧件对轧辊的作用力、轧制力矩M=2 Pa式中：a力臂 a=l 力臂系数，冷轧板带时取0.33 l接触弧长度，l=R*h即M=2P*0.33*R*h（2）、附加摩擦力矩MfMf=Mf1/i+Mf2Mf1=P/2f1d14=Pd1 f1,为轴承中的附加摩擦矩 P轧制力,f1轴承摩擦系数 滚动轴承 f1=0.0030.01 Mf2=(11-1)M + Mf1i,为换算到主电机轴上的摩擦力矩 1为传动机构（减速机、

18、齿轮机座）的效率，齿轮传动时1=0.960.98 即有：Mf=1-1M+Mf11*i（3）、空转力矩M0空转力矩：是空载转动轧机主机列所需力矩。空转时轧辊、接轴、齿轮、飞轮等到主电机的传动比不同，因轴颈半径各不相同，因此，应分别计算后再加合。即 M0=MKn=(GnF ndn )/2in通常按经验定： M0=（0.030.06）Mn ，Mn电动机的额定转矩取M0=0.45Mn根据公式、可算出轧制力矩M、附加摩擦力矩Mf、以及空转力矩M0，再求和可得静力矩Mc。各道次各力矩的值如下表：道次轧制力矩M（N/mm）附加摩擦力矩Mf（N/mm）以及空转力矩M0（N/mm）静力矩Mc（N/mm）19.1

19、09x1073.916 x1071.359x1069.588x10628.126 x1073.975 x1071.359x1069.713x10637.656 x1073.997 x1071.359x1067.748x10643.139 x1074.010 x1071.359x1066.887 x10653.515 x1073.204 x1071.359x1065.043 x1062、静负荷图由轧机参数知，卷料最大外径D=1700mm，卷取辊直径为d=380mm，卷料圈数 n= D-d 2H，其中H为来料厚度。则来料总长L=rn+n（n+1）H2，出料总长L=HhL，每道次轧制时间tn=Lv根据工艺定制数据即可计算出各道次轧制所需时间，具体如下表：12345总和tn（min）1.9083.5874.0008.4909.41727.402tn（min）555525其中tn为没道次的间歇时间，具体数值需根据车间实际生产经验来确定，越短越有利于生产效率。根据上表以及每道次的静力矩表可画出主电机静负荷图：3、主电机校核当主电机的传动负荷图确定后，才能对电动机的功率进行计算。此工作由两部分组成：一是由负荷图算出“等效力矩”，它不能超过电机