（机械设计及理论专业论文）光学玻璃板状坯料热加工连轧机结构设计与研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 光学玻璃主要是用来制造机械设备或者光学仪器的透镜、棱镜、反射镜、窗 口等的玻璃材料。现代的军用及民用光电信息产品、光学仪器需要大量的各类光 学玻璃。这些光学玻璃广泛应用于数码相机、数码摄像机、可拍照手机、c r t 背 投影电视机、液晶投影机、复印机、扫描仪、读取头等新兴光电信息产品中。 光学镜头是由光学玻璃材料压型毛坯加工而成。光学玻璃坯料是一些具有不 同长度、宽度和厚度、外观不规则、表面不平整的板材。生产厂家将根据光学镜 头产品规格需要，将其切割为重量约为o 5 , - 一3 0 9 的块状玻璃，然后通过模压成型 工序，将其加工成光学玻璃材料压型毛坯。 目前国内块状光学玻璃坯料的现有加工工艺是：通过电阻丝将光学玻璃坯料 板材炸裂成条状，然后再人工使用切割机根据经验切割成所需重量的块状玻璃。 这种工艺全凭工人经验，在炸裂和切割两道工序中，即便是技术高超的工人，材 料损耗也大，加工出来的条状和块状玻璃不规整，玻璃重量的离散度大，导致后 续加工出来的压型毛坯件废品率较大，并且这属于劳动密集型加工，自动化生产 程度不高。由于光学玻璃脆性大、硬度高，坯料板材的不规则、不平整，价格昂 贵，如果使用数控多刀切割设备进行切割，在常规的条件下加工时，则有切口、 易产生裂纹，加工表面质量差、刀具磨损严重，加工成本高，材料利用率较低。 本文正是从这一实际出发，以光学玻璃板状坯料热加工连续轧制成型工艺为 研究基础，拟设计出一种连轧机，使其满足将光学玻璃板状坯料加热至软化点后， 通过轧辊挤压变形形成一定直径的棒料，以便后续加工使用的要求。在设计过程 中，首先，运用传统机械设计方法，计算出轧机各个零部件的尺寸参数；其次， 运用p r o e 软件对轧机的零部件进行三维建模以及运动仿真；第三，对核心零部 件进行有限元分析，校核零件的强度，检验设计是否满足设计要求；最后，运用 o p t i s t r u e t 软件对核心零部件进行优化设计，使轧机结构简单，重量更轻，减少生 产制造成本。 研究结果表明： 在轧机运动仿真分析中，各个零部件之间运动关系正确，符合运动学规律， 并且没有产生干涉，证明设计方案可行。 轧辊有限元计算结果表明，轧辊的型孔处出现了应力集中，这是因为型孔 处受轧制力作用。轧辊的辊身与辊颈过渡处由于尺寸相差较大，出现应力集中， 在实际生产中，轧辊的断裂基本都是出现于辊身与辊颈过渡区域，表明有限元理 论分析与实际结果相符；机架有限元计算结果表明，最大应力出现在地脚螺栓处， 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 在实际生产中，机架容易侧翻，地脚螺栓起固定机架作用，应力最大，与有限元 计算结果相符。 优化计算结果表明，与优化前的机架计算结果相比较，优化后机架的应力 分布更加均匀，最大应力值由1 2 4 2 8 m p a 增加为1 4 4 8 3 m p a ，最大应力值略有增 加，但是仍然小于机架的许用应力 仃 4 0 - 6 0 m p a ；质量由2 2 5 7 k g 降低为 1 7 9 4 k g ，重量减轻2 0 5 ，优化效果明显。因此，优化后的机架满足设计要求。 关键词：光学玻璃，轧机，有限元分析，优化设计 i i a b s t r a c t 乙忡c a lg l a s si sm a i n l yu s e df o rm a n u f a c t u r i n gm e c h a n i c a lc q u i p m e n to ro 州c a l 1 n s 仃u i i l e n t l e n s e s ，p r i s m s ，m i r r o r s ，w i n d o w sa n do t h e rg l a s sm a t 田a j s m o d 锄 p h o t o e l e 咖cp r o d u c t 嗡c i v i l i a na n d m i l i t a r yo p t i c a li n s t r u m e n t sn c c dal 醒eo fn 啪b e r o fv a ll o u 8t y p e so f o p t i c a lg l a s s t h eo p t i c a lg l a s si s w i d e l yu s e di nd i g i t a lc 锄e r a s d l 弭t a ic a m e r a s ，c a m e r ap h o n e s ，c r tr e a r p r o j e c t i o n ，l c dp r o j e c t o r s ，c o p i e r s s c a n n e r sa n dm er e a dt o p u p n c a ll 铋si sm a d eo fo p t i c a lm a t e r i a l sr o u g hb yt h ep r e s s u r ep r o c e s s i n g o p t i c a l g l a s sb l a u kw h i c hw i t hd i f f e r e n t l e n g t h ，w i d t ha n dt h i c k n e s s ，t h e a p p e a r a 1 1 c eo f 1 玳g u l a r , u n e v e ns u r f a c ei st h e p l a t e i no r d e rt op r o c e s so p t i c a lp r e s s w er o u 9 1 1 ， m 枷f 咖w i l lb eb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n so f t h eo p t i c a ll e n s ，c u ta sa w e i g h to f a b o u t 0 5 - 。3 0 9o f b u l kg l a s s a tp r e s e n t , t h ee x i s t i n gb l o c ko f o p t i c a lg l a s sb l a n kp r o c e s s i n gt e c l l i l 0 1 0 9 yi st 0 b u r s to p t i c a lg l a s sb l a n ki n t os t r i p sb yt h er e s i s t a n c ew i r e ，a i l dt h e n c u tt h e i i li n t 0b u l k g l a s so fr e q u i r e dw e i g h ta c c o r d i n gt ot h e e x p e r i e n c eb yt h ec u t t i n gm a e h i n e t h i s p r o c e s s q e p e n d so nt h ee x p e r i e n c eo fw o r k s i nt h eb u r s ta n dc u t t i n gp r o c e s s e s e v e n n l g h l ys k i l l e dw o r k s ，m a t e r i a ll o s si sa l s ol a r g e p r o c e s s i n go u to ft h eb a ra i l d 西a s s b l o c k1 sn o t r e g u l a r , t h ew e i g h td i s p e r s i o no fg l a s si sl a r g ea n dl e a dt op o s t - p r o c e s s i n g o u to f t h er o u g hp m c e so f s c r a pr a t e p r e s s u r el a r g e a n di ti sl a b o r - i n t e n s i v ep r o c e s s i n g a u t o m a t e dp r o d u c t i o ni sn o th i g h a st h eo p t i c a lg l a s sb r i t t l e n e s s ，h 础e s s ，b l a i l l 【s h e e t o t1 盯e g u l a r , u n e v e n ，e x p e n s i v e ，i f u s i n gc n cm u l t i - b l a d ec u t t i n ge q u i p m e n to nn l e c o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，t h eo p t i c a lg l a s si s e a s yt oc r a c k ，p 0 0 rs u m c e q u a l i t y , t o o lw e a rs e r i o u s ，h i g hp r o c e s s i n gc o s t sa n dt h em a t e r i a lu t i l i z a t i o na l s oi s1 0 、 t h i sa r t i c l ei sf r o mt h i sr e a l i t y , i n t e n d st od e s i g na r o i l i n gm i l lw i t hac o n t i n u o u s n o t - r o l l i n gp r o c e s so ft h eo p t i c a lg l a s sb l a n kp l a t e m a k et h em a c h i n et om e e t l e o p t i c mg l a s sb l a n kp l a t eh e a t e dt o s o f t e n i n gp o i n ta n de x t r u d et of o mac e n a i n d i a m e t e rb a rb yt h er o l l ，a n dt h e nt h eb a ri su s e df o rs u b s e q u e n tp r o e e s s i n g f i r s t l y ，u s e t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld e s i g nm e t h o dt o c a l c u l a t et h es i z ep a r a m e t e ro fv a r i o u s p a r t so ft h em i l l s e c o n d l y , c r e a t et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h ep a r t so f t h em i l l a n dm o t i o ns i m u l a t i o nw i t ht h ep r o es o f t w a r e t h i r d l y , c a l c u l a t et l l e s t r e s so ft h e c o r ec o m p o n e n t sw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c h e c kt h es t r e n g t ho f p a r t s t e s tt h e d e s l g nm e e tt h er e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，u s et h eo p t i s t r u c ts o f t w a r et oo p t i m i z et h ec o r e i i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 c o m p o n e n t s ，m a k et h em i l ls t r u c t u r e i ss i m p l e ，t h ew e i g h ti sl i g h t e ra n dt h ec o s ti s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： i nt h em i l lm o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h em o v e m e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v a r i o u sp a r t si sp r o p e r l y , m a t c ht h el a wo fk i n e m a t i c s ，n oi n t e r f e r e n c ea p p e a r a l lo f t h i sp r o v e st h a tt h ed e s i g ni sf e a s i b l e ( g ) r o l lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na p p e a ro n t h er o l l s h a p e dh o l e t h i si sb e c a u s et h er o l l i n gf o r c ea f f e c ta tt h eh o l e t h es i z eo f t h e t r a n s i t i o na r e ab e t w e e nr o l ln e c ka n db o d ya r el a r g ed i f f e r e n t b e c a u s eo ft h i s ，t h i sa r e a a p p e a r ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n i na c t u a lp r o d u c t i o n ，t h er o l lb r e a k i n ga p p e a r so nt h i s a r e a f r a m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s sa p p e a r so n t h eb o l t i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，t h ef r a m ei se a s yt or o l l o v e ra n db o l tm a k e st h e f r a m ef i x t h e r e f o r e t h es t r e s so fb o l ti st h em a x i m u m o p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e w i t ht h er e s u l t sb e f o r et h eo p t i m i z a t i o n ， t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ef r a m ei sm o r eu n i f o r m t h em a x i m u ms t r e s s f r o m 12 4 2 8 m p ai n c r e a s e dt o14 4 8 3 m p a , b u ti t s t i l ll e s st h a nt h ea l l o w a b l es t r e s s 方 4 0 6 0m p a t h eq u a l i t yf r o m2 2 5 7 k gr e d u c e dt o17 9 4 k g ，t h ew e i g h tr e d u c e d b y2 0 5 t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z e df r a m em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o p t i c a lg l a s s ，r o l l i n gm i l l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n i v 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景和来源 光学玻璃主要是用来制造机械设备或者光学仪器的透镜、棱镜、反射镜、窗 口等的玻璃材料。光学玻璃通常包括无色光学玻璃( 通常简称光学玻璃) 、有色光 学玻璃、耐辐射光学玻璃、防辐射玻璃和光学石英玻璃等。光学玻璃具有高度的 透明性、化学及物理学( 结构和性能) 上的高度均匀性，具有特定和精确的光学常 数。光学玻璃品种繁多，一般按照它们在折射率( ，z n ) 一阿贝值( ) 图中的位置来 分类，可以分为冕( k ) 玻璃和火石( f ) 玻璃。传统上n n 1 6 ， 5 0 和n n 5 5 的各类玻璃定为冕( k ) 玻璃，冕玻璃一般作凸透镜，其余各类玻璃定为火 石( f ) 玻璃，火石玻璃作凹透镜。如果按照光学玻璃所含的化学元素，可以将其分 为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物等系列的光学玻璃。通常冕玻 璃属于含碱硼硅酸盐体系，轻冕玻璃属于铝硅酸盐体系，重冕玻璃及钡火石玻璃 属于无碱硼硅酸盐体系，绝大部分的火石玻璃则属于铅、钾硅酸盐体系。随着光 学玻璃的应用领域不断拓宽，其品种也在不断扩大，其组成成分几乎包括了周期 表中的所有元素【lj 。 光学镜头是由光学玻璃材料压型毛坯加工而成。光学玻璃坯料是一些具有不 同长度、宽度和厚度、外观不规则、表面不平整的板材。生产厂家将根据光学镜 头产品规格需要，将其切割为重量约为o 5 - 3 0 9 的块状玻璃，然后通过模压成型 工序，将其加工成光学玻璃材料压型毛坯【2 】。现代的军用及民用光电信息产品、 光学仪器需要大量的各类光学镜头。它们广泛应用于数码相机、数码摄像机、可 拍照手机、c r t 背投影电视机、液晶投影机、复印机、扫描仪、读取头等新兴光 电信息产品中【引。 目前国内大多生产厂商制造光学玻璃坯料的工艺是：通过电阻丝将光学玻璃 坯料板材炸裂成条状，然后再人工使用切割机根据经验切割成所需重量的块状玻 璃。这种工艺全靠工人经验，在炸裂和切割两道工序中，即使是技术高超的工人， 材料损耗也很大，加工出来的条状和块状光学玻璃也不规整，玻璃重量的离散度 大，以致后续加工出来的压型毛坯件废品率较大，并且是劳动密集型加工，自动 化生产程度不高。由于光学玻璃脆性大、硬度高，坯料板材的不规则、不平整， 价格昂贵，如果加工过程中使用数控多刀切割设备进行切割，在常规条件下加工 时，则有光学玻璃有切口、容易产生裂纹、nt 的表面质量差，并且刀具磨损严 重，材料利用率比较低，加工成本高。 这种炸裂原始工艺的缺点是：材料和能源利用率低，工人劳动强度大，有粉 重庆大学硕士学位论文1 绪论 尘对环境有污染，损害个人健康。这种工艺完全不能适应和满足现在国内外对生 产的需求和今后发展的需要。 由此可见，对块状光学玻璃的加工工艺和加工装备进行立项研究，展开攻关， 对于提高力i - r ：效率、提高材料利用率，减少环境污染，提高资源的利用率都具有 十分重要的现实价值。同时对于促进我国光学玻璃的加工工艺和加工设备的现代 化进程也具有重要的意义。 因此，本课题着眼实际，拟设计一种连轧机，将光学玻璃板状坯料通过加热 到软化点，再通过轧辊挤压成型为固定直径的棒料，以便后续加工使用，以此满 足社会对光学玻璃生产的需求。 1 2 国内外光学玻璃，j n - r 成型研究状况 1 2 1 国外光学玻璃，j n - r 成型研究概述 光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度的光学元件加工技术。它是把软化 的光学玻璃放入高精度的模具中，在无氧及加温加压的条件下，一次性直接模压 成型出达到使用要求的光学零件。这项技术自8 0 年代起开发成功至今已有三十几 年的历史了，现在己成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一，在许多国 家都进入生产实用阶段。 光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下的优点： 不需要粗磨、精磨、抛光、磨边定心等传统的加工工序，就能够使零件达 到较高的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度； 能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积以及熟练的技术工人，能 够使一个小型车间就具备很高的生产力； 可以很容易地、经济地实现精密非球面光学零件的批量生产； 只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能够保证模 压成型光学零件的尺寸精度和重复精度； 可以模压小型非球面透镜阵列； 光学零件和安装基准件可以制成一个整体。 目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2 5 0 m m ，直径公差为 士0 0 1 m m ；厚度为0 4 一- 2 5 m m ，厚度公差为士0 0 1 m m ；曲率半径可达5 m m ：面形 精度为1 5 九，表面粗糙度符合美国军标为8 0 5 0 ；折射率可控n n 士5 1 0 - - 4 m m ， 折射均匀性可以控制到 5 1 0 6 m m 双折射小于0 0 1 l c m 。 目前，世界上己掌握这项先进玻璃光学零件制造技术的著名公司和厂家有美 国的柯达、康宁公司，日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司，德国的蔡司公 司和荷兰的菲利浦公司等【4 】【6 l 。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 国内光学玻璃j j 口- r 成型研究概述 通过科技查新以及阅读相关文献成果，目前国内对于光学玻璃加工成型有以 下几种方式： 中国科学院西安光学精密机械研究所申请了专利：细长棒状光学透镜的制 备方法。其特征在于它按照下述方法制备成细长棒状光学透镜： 1 ) 拉丝。将光学玻璃在炉温为8 0 0 c - - - , 9 5 0 c 按照常规制备工艺用光纤拉丝机 拉成直径略大于光学透镜直径的玻璃棒，用氢氟酸腐蚀毛化使其直径等于所要制 作棒状光学透镜的直径，按所要制作棒状光学透镜的长度切割成棒状光学透镜毛 坯料； 2 ) 玻璃退火。将已切割的棒状光学透镜毛坯料放置在退火炉中退火，退火温 度为4 8 0 c - 、, 5 1 0 c ，退火时间为1 6 8 - - - , 1 8 0 小时，按常规工艺进行精密退火，使 其恢复到拉丝前的均匀拆射率分布； 3 ) 研磨。将经过退火的棒状光学透镜毛坯料安装在特制的夹具上在磨床上按 照常规研磨工艺进行粗磨、细磨、抛光达到成品的要求。 4 ) 检验、包装。按照产品的技术条件进行检验，包装，入库。( 公开( 公告) 日： 2 0 0 1 7 2 5公开( 公告) 号：c n l 3 0 4 8 9 1 ) 矽品精密工业股份有限公司申请了专利：图像传感器封装件及其所用的光 学玻璃与加工方法。一种图像传感器封装件及其所用的光学玻璃与加工方法，该 封装件包括芯片载体、环状支承座、传感器芯片以及光学玻璃；本发明在将整片 光学玻璃切割成多个光学玻璃单体前，先沿切割路径进行研磨作业，在后续完成 切割作业后，形成多个至少一个边缘表面具有粗糙面的光学玻璃单体，供该光学 玻璃单体借由该粗糙面有效强化与粘着层的接合力，在后续将该光学玻璃利用粘 着层接置在收纳传感器芯片的支承座上时，减少因各组件之间热膨胀系数的差异， 受热应力的产生导致的脱层问题，同时可避免湿气及杂质入侵光学玻璃所封盖的 区域中，确保传感器芯片接收光信号的能力。( 公开( 公告) 日：2 0 0 7 1 3 l公开( 公 告) 号：c n l 9 0 5 1 4 0 ) 块状光学玻璃加工工艺：通过电阻丝将光学玻璃坯料板材炸裂成条状，然 后再人工使用切割机根据经验切割成所需重量的块状玻璃。目前国内大多的光学 玻璃生产制造商都是采用上述原始的炸裂工艺1 7 。 1 3 方案选定 光学玻璃坯料是一块不规则、不平整的板材，生产厂家将根据产品规格需要， 将其切割为重量约为0 5 - 3 0 9 的块状玻璃，以便后续模压成型工序使用。国内光 学玻璃生产制造商大多采用原始的炸裂加工工艺。该工艺材料利用率低，环境污 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 染严重，生产自动化程度不高，生产力低。因此，本文考虑用热2 n q - 的方式生产 制造光学玻璃毛坯，即将光学玻璃板状坯料放置于软化炉中，加热至软化点，然 后在轧机中通过轧辊挤压成型为固定直径的棒料。棒料可通过二次轧辊成球状料， 或提供给后续设备切割为块料，棒料或球状料在退火炉退火定型。所以，拟定以 下两种方案实现上述热加工工艺： 将光学玻璃板状坯料加热到软化状态，通过轧辊挤压加工方法，将板状坯 料轧制成固定直径的棒状材料，最后通过切割等方式，将棒状材料切割成每段质 量符合要求的型坯。 将光学玻璃板状坯料加热到软化状态，通过热切割加工方法，将板状坯料 切割成一定尺寸的条状材料，再通过轧辊挤压加工方法，将板材轧制成固定直径 的棒状材料，最后通过切割等方式，将棒状材料切割成每段质量符合要求的型坯。 方案l 中通过轧制加工方式，直接实现了由板材到棒状材料，减少了工艺流 程，在形成棒料过程中，除了由切头、切尾所造成的材料浪费外，在整个加工过 程中材料浪费少。由体积相等原理可以知道，从板材到棒状过程中，棒状材料的 长度值很大，而且设置的轧辊数目较多，将占用较大的厂房面积。 方案2 由于增加将板材切割成条状材料的工艺过程，虽然可以克服方案l 的 缺点，但是由于增加了加工工序，整个车间加工的装备重量增大。同时，棒状材 料的切头次数和切尾次数将增多，材料的利用率低。众所周知，光学玻璃价格昂 贵，材料浪费大将会增加生产制造成本。 因此，从总体上来说方案1 优于方案2 。目前，国内没有将光学玻璃板状坯 料通过加热到软化点后，再通过轧辊挤压成型为固定直径的棒料以备切割的相关 报道，所以，该方案在技术上是有一定的风险。但是参考轧钢机械的工作环境等 因素，发现轧制钢材和轧制光学玻璃，两者具有很多相似的特性，所以设计一种 轧机用来加工光学玻璃在技术上是可行的。 1 4 本论文的主要研究内容 本文拟通过运用传统设计方法，计算设计出光学玻璃板状坯料热加工连轧机 的结构。采用p r o e 和h y p e r w o r k s 等软件完成对连轧机的三维建模、运动仿真 以及有限元分析等分析校验过程。再根据有限元分析结果对重要零部件进行优化 设计，使其在满足各项功能的前提下成本更低、结构简单、零部件加工容易、装 拆方便和外形美观，优化设计完成后绘制出轧机的装配图等。本文的研究内容主 要包括以下几个方面： 阅读相关文献，重点掌握轧辊的设计、计算方法； 初步计算出满足设计要求的连轧机； 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 运用p r o e 软件对连轧机各零部件进行三维建模； 将建立的连轧机三维模型在p r o e 中进行运动学仿真，以检验方案的可行 性； 将第3 步中建立的轧机重要零部件的三维模型导入h y p e r w o r k s 的 o p t i s t r u c t 模块中，进行应力和应变分析，以检查其在工作状态下的应力应变情况； 根据o p f i s t r u a 中应力应变的分析结果，对重要零部件进行优化设计； 根据优化结果修改设计参数，重新建立三维模型，并绘制轧机装配图等； 完成其他辅助零部件的设计。 1 5 小结 本章主要介绍了课题的来源背景及研究现状，并以光学板状坯料热加工连轧 机为研究对象，提出了本文的主要研究内容及目的。 重庆大学硕士学位论文 2 光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计 2 光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计 2 1 引言 研究光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计问题。首先，要对其加工工 艺和轧制过程进行分析，即将光学玻璃板材加热到软化点后，通过轧辊挤压加工 方法，将板材轧制成固定直径的棒状材料，最后通过切割等方式，将棒状材料切 割成每段质量符合要求的型坯；其次，通过工艺分析，确定连轧机机组采用二辊 轧机形式；最后，设计出轧机各主要零部件的结构。 本章运用传统机械设计方法，设计出了连轧机各零部件的结构及尺寸。利用 p r o e 软件对所设计的连轧机进行三维建模，并进行虚拟装配以及干涉检验，论 证了方案的可行性。 2 2 连轧孑l 型设计 一根轧件同时在两个或两个以上机架上轧制，并且各机架的金属秒体积流量 ( 简称秒流量) 保持相等的轧制方法，称为连轧。而用于连轧的机架顺序依次排列 的g l n 设备称为连轧机。 连轧机根据所轧的产品品种规格、轧制装备和轧制工艺特点的不同，其g l a 0 形式有微张力轧制和活套张力轧制。轧机的传动也按连轧工艺的要求，有多机架 连轧机集体驱动和各机架轧机采用单独电机驱动的两种形式。连轧机孔型设计的 方法主要取决于连轧机的传动形式，即取决于每个轧机是单独用一个电机传动， 还是几个轧机成组共用一个电机传动。不论对哪一种连轧机的孔型设计，原则上 都需要各机架的连轧常数相近。 本文采用各轧机单独用一个电机传动，其孔型设计可以按照一般孔型设计方 法进行设计。 2 2 1 一般孔型设计的基本内容和要求 将坯料在带槽的轧辊间经过若干道次的轧制变形，以获得所需断面形状、尺 寸和性能的产品，为此而进行的设计和计算工作称为孔型设计。 孔型设计是轧制生产的工具设计，完整的孔型设计一般包括以下三个内容： 断面孔型设计。断面孔型设计是指根据已定坯料和成品的断面形状、尺寸 大小和性能要求，确定孔型系统、轧制道次和各道次变形量以及各道次的孔型形 状和尺寸。 轧辊孔型设计。轧辊孔型设计是指根据断面孔型设计的结果，确定孔型在 每个机架上的配置方式、孔型在机架上的分布及其在轧辊上的位置和状态，以保 6 重庆大学硕士学位论文2 光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计 证轧制正常且操作方便，使轧制节奏时间短，从而获得较高的轧机产量和良好的 成品质量。 导卫装置及辅助工具设计。导卫装置及辅助工具设计是指根据轧机特性和 产品断面形状特点设计出相应的导卫装置，以保证轧件能按照要求顺利地进出孔 型，或使轧件进孔型前或出孔型后发生一定的变形，或对轧件起矫正或翻转作用。 孔型设计合理与否将对轧制生产带来重要影响，它直接影响到成品质量、轧 机生产能力、产品成本和劳动条件等。因此合理的孔型设计应该满足以下几点要 求： 获得优质的产品质量。要获得优质的产品质量，这要求孔型要能保证成品 断面几何形状正确、断面尺寸达到要求的精度范围、表面光洁无缺陷、内部残余 应力小以及机械性能良好等。 轧机生产率高。轧机生产率决定于轧机的小时产量和作业率。影响轧机小 时产量的主要因素是轧制道次及其在各轧机上的分配。一般情况下，轧制道次数 越少越好。在电机和设备允许的条件下，尽可能实现交叉轧制，已达到加快轧制 节奏、提高小时产量的目标。影响轧机作业率的主要因素是孔型系统、负荷分配、 孔型和导卫装置的共用性等。孔型系统选择不当会增加操作困难，造成轧制时间 的损失；若孔型的负荷分配不合理，则会影响各轧机能力的发挥或因个别道次轧 制困难而影响轧机的生产能力。 生产成本低。合理的孔型设计应做到坯料、轧辊及工具材料消耗最少，轧 制能耗最低，并使轧机其他各项技术经济指标达到较高的水平。 劳动条件好。孔型设计除保证生产安全之外，还要考虑轧制过程应该容易 实现机械化和自动化，保证轧制稳定、调整方便；轧辊辅件应坚固耐用、装卸容 易，以改善劳动条件、降低劳动强度。 适应车间条件。合理的孔型设计应使设计出来的孔型符合车间的工艺与设 备条件，使孔型具有实际的可用性。 2 2 2 孔型系统的选择 按照孔型的直观形状可将孔型分为圆、方、菱、椭圆、立椭圆、六角、工字、 槽、轨形和蝶形等孔型。按照孔型的用途可将孔型分为延伸孔型、预轧孔型、成 品前孔型和成品孔型等。下面介绍两种常用孔型系统的优缺点。 箱形孔型系统。箱形孔型的优点是：在轧制整个宽度上的变形均匀，因此 孔型磨损均匀，且变形能耗少：在同一孔型中，用改变辊缝的方法可以g l n 多种 尺寸不同的轧件，共用性好；轧件断面温度下降比较均匀。 其缺点是：由于箱形孔型的结构特点，孔型侧壁斜度较大，所以难以从箱形 孔型轧出几何形状精确的轧件；轧件在孔型中只能受到两个方向的压缩，故轧件 重庆大学硕士学位论文 2 光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计 侧表面不易平直，甚至出现皱纹。 椭圆一圆孔型系统。椭圆一圆孔型系统的优点是：变形较均匀，轧制前后 轧件的断面形状能平滑地过渡，可防止由不均匀变形产生的局部应力；由于轧件 没有明显的棱角，冷却比较均匀，从而消除了因断面温度分布不均而引起轧制裂 纹等因素。 其缺点是：延伸系数较小，一般为1 1 5 1 4 ，造成轧制道次增加；椭圆件在 圆孔型中轧制不稳定；圆孔型对来料尺寸的波动适应能力差，易于出耳子，对调 整要求高。 本文采用以上两种孔型系统。将坯料( 断面面积1 2 0 m m x 2 0 m m ) $ l 带1 称为 3 0 m m x 3 0 m m ，采用箱形孔型系统；再将3 0 m m x 3 0 m m 的坯料轧制成直径为2 0 m m 的棒料，采用椭圆圆孔型系统。 2 2 3 孔型道次的确定 当孔型系统选定后，就可以求孔型系统总的延伸系数瓜为： p 庭= i z 0 ( 2 1 ) 式中，瓜孔型系统总的延伸系数； 磊坯料断面尺寸； c 红坯断面尺寸。 箱形孔型系统总的延伸系数为： ：墨：120 x20iv 2 6 7= 2 = 厶o ， c 3 0 3 0 再根据所选用的延伸孔型系统的延伸能力和车间轧机布置能力， 型的轧制道次为： n ：l g = a ：z ， l g 确定延伸孔 式中，石延伸孔型系统的平均延伸系数。 根据表2 i 中的数据，= 1 2 ，则可以求出箱形孔型系统的轧制道次为： 咒：蜒：! 照盟6 i g t 1 9 1 2 椭圆一圆孔型系统总的延伸系数为： 座2 每2 嚣观8 6 4 ( 2 2 ) 重庆大学硕士学位论文2 光学玻璃板状坯料热a nt 连轧机的结构设计 表2 1 各种延伸孔型系统的平均延伸系数的范围 t a b l e 2 1t h ea v e r a g ee x t e n d i n gr a t i os c o p eo fa l lk i n d so f e x t e n dp a s ss y s t e m 从表2 1 中选取，j = 1 3 ，则可以求出椭圆圆孔型系统的轧制道次为： 玎：墼：! 璺堑4 l g j 1 9 1 3 以上计算求出从坯料轧制成直径为2 0 m m 的棒料，总的轧制道次为1 0 次。 2 2 4 各道次轧件及孔型尺寸的计算 计算各道次轧件尺寸是孔型设计的重要步骤，得到各道次轧件尺寸就可以按 照延伸孔型系统的构成关系计算出孔型的相关尺寸。另外，延伸孔型系统大都是 由等轴孔型( 方孔或圆孔) 中间插入一个非等轴孔型( 平箱孔、菱形孔、椭圆孔、六 角孔等) 所组成。因此孔型设计可利用这点，首先确定延伸孔型系统中各等轴的断 面尺寸，然后再根据相邻两个等轴孔断面轧件的形状和尺寸来设计中间扁轧件的 断面尺寸和形状。具体设计方法如下： 首先将延伸孔型系统分成若干组，然后按组分配延伸系数。已知公式( 2 1 ) 应2 每 则： 拖= “2 j # 一l 以= 如2 您4 r 地。 ( 2 3 ) 式中，瓜孔型系统总的延伸系数； e 坯料断面面积； e 延伸孔型系统轧出的最终断面面积； 拖，相邻一对等轴断面孔型间的延伸系数 j z f = j z i = l j i ( 2 4 ) 已知一对等轴断面孔型间的延伸系数拖，后，按照下列关系式可以求出各种中间 等轴断面轧件的面积和尺寸： 9 重庆大学硕士学位论文 2 光学玻璃板状坯料热加工连轧机的结构设计 您：争互：玉 1 2 s 1 2 2 胜。：鲁只：旦胜42 艿f 42 乏 ( 2 5 ) ； 盹。：譬 c ：垒盹。= 等c = 生 1 n p n 如果等轴轧件为方形或圆形，在已知其面积的情况下不难求出其边长或直径。 当方孔轧件的边长或直径确定后，即可按照延伸孔型系统的构成关系表设计出各 孔型。 用绝对宽展系数法设计中间扁孔，绝对宽展定义： = 石a b ( 2 6 ) 得： 屈= 嚣 届2 措 ( 2 7 ) 解式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 得出中间扁孔中轧件的尺寸为： 6 2 ：皇= 竺垒二刍垒二刍垒垒 啊届尝啪 ( 2 8 ) 见：垒刍垒二堡垒二壁垒垒 、 2 1 一屈反 式中，曰进入中间孔的轧件宽度( m m ) ； 日进入中间孔的轧件高度( m m ) ； 6 l 中间孔下一孔轧出的轧件宽度( r a m ) 扛中间孔下一孔轧出的轧件宽度( m m ) ； 届、履中间孔型和下一孔型的绝对宽展系数，见表2 2 箱形孔型系统各道次轧件尺寸的计算。从前面计算可知，箱形孔型系统总 共轧制6 个道次，1 、3 、5 为扁孔型，2 、4 、6 为等轴孔型。下面分别计算等轴孔 型的尺寸： 第2 道次的面积及轧件边长为： 只：旦：1 2 0 x ：2 0 ：1 6 6 6 7 如2 1 2 。 a 2 = e = 、i 1 6 6 6 7 4 0 1 0 表2 2 各种延伸孔型系统的绝对宽展系数届、履的经验值 t a b l e 2 2n e e x p e r i e n c ev a l u eo ft h ea b s o l u t ew i d t hs p r e a dc o e f f i c i e n tf l ；，屈 、m t ht h ep a s se x t e n d i n gs y s t e m 一 孔型系统名称 中间扁孔屈 下一等轴孔屈 箱形0 2 0 t o 4 5 0 2 5 。0 3 5 菱方0 2 5t o 4 0 0 15 - 0 3 0 椭方0 6 t1 6 0 4 5 - - 0 5 5 椭圆0 5 - 0 9 5 0 2 6 0 4 、。， a 4 0 r a m 0 6 5 1 0 0 4 5 t o 6 5 椭圆立椭0 5 - - - - 0 6 0 3 - 0 4 第4 道次的面积及轧件边长为： 只：旦：了1 6 6 6 7 ：1 1 5 7 4 胜4 1 2 。 a 4 = 只= 4 1 1 5 7 4 3 4 第6 道次轧件的边长为3 0 m m x 3 0 m m 。 由于坯料的尺寸为1 2 0 m m x 2 0 m m ，所以第1 道次依据平均延伸系数五：1 2 可 以求出第1 道次轧件的面积为2 0 0 0 m m 2 ，所以第1 道次的尺寸为：8 0 m m x 2 5 m m 。 根据表2 2 中的绝对宽展系数，有：届= 0 2 5 ，及= 0 2 。由公式( 2 8 ) 求出中 间扁孔的尺寸。 第3 道次轧件的尺寸为： 6 = 1 一。6 ： 40+40 x02-34x02-34x025x02：415 1 0 2 5 x 0 2 鬼：刍刍盆二皇垒二丝盆垒：34+34x025-40 x025-40 x025x02：321 2 1 一届反 1 - 0 2 5 x 0 2 一 第5 道次轧件的尺寸为： 6 2 = 1 8 。p 2 34+34xo2-30 xo2-30 xo25xo2：350 1 0 2 5 x 0 2 ：bl+h,b_1-b=_il1=_-h,b一,b2：30+30 x0 2 5 - 3 4x025-34x0 2 5x 0 2 ：2 8 7 1 一届履 1 - 0 2 5 x 0 2 椭圆一圆孔型系统各道次孔型计算。从前面计算可知，椭圆圆孔型系 统共轧制4 个道次。依照统一编号，第8 道次和第1 0 道次为等轴孔型，第7 道次 和第9 道次为椭圆扁孔型。 第8 道次轧件的尺寸为： 磊2 去= 詈娟2 5 嚷= 辱= 堕4 x 5 3 2 5 锄 第1 0 道次为最终成品，直径为2 0 m m 。 从表2 2 查取，有届= o 2 6 ，屈= o 5 ，再根据公式( 2 8 ) ，求出椭圆轧件的尺 寸。第7 道次轧件的尺寸为： 及= 1 8 。b i 见：刍刍垒二堡垒二丝垒垒： 1 一p 。8 2 第9 道次轧件的尺寸为： 6 2 = 1 一p l | b 2 3 0 + 3 0 0 5 - - 2 6 0 5 - 2 6 0 2 6 一0 5 ：3 2 9 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _