穿孔机结构设计及参数选择.doc

（输入章及标题） 140穿孔机结构设计及参数选择III 摘要摘 要随着现代无缝钢管生产的要求越来越高，对其设备也提出了新的要求。斜轧过程在无缝钢管生产中得到广泛应用，穿孔、轧管（延伸）、均整、定径都可用斜轧实现，斜轧管机有二辊和三辊两种系统。 斜轧穿孔工艺经过不断的发展，完全能满足穿孔阶段的要求。迄今，斜轧穿孔工艺在无缝钢管生产中用得最为广泛。斜轧穿孔工艺的最新发展，已为穿孔毛管带来了远比以前大得多的加工灵活性，且具有更大的生产潜力。穿孔机以成为现代化无缝钢管生产的关键设备，促进了无缝钢管多规格、小批量、小规模生产的成本降低。 220穿孔机设计成桶形穿孔机，有如下特点。二辊斜轧桶形辊穿孔机能够适应连铸坯直接穿孔和高合金钢，包括部分难变形合金制管的要求，并且对于高合金钢包括部分难变形合金。桶形辊穿孔机能达到的延伸率相对较低，它一般在规格范围较小或与其配套的主延伸机的延伸率设定得较高的情况下使用。桶形辊穿孔机的结构比较简单，因而其投资成本也相对较低。二辊斜轧桶形辊穿孔机似乎目前还未达到它的技术极限，而是在继续挖掘工艺潜力，不断适应上述要求并接近或达到上述要求的最高点。 关键词无缝钢管；斜轧；穿孔机；桶形辊39AbstractWith the modern production of seamless steel tubes have become increasingly demanding of their equipment has made new demands. Skew rolling process of seamless steel pipe production in the widely used, perforated, rolled tube (an extension), are the whole, are available for sizing the realization of cross rolling, cross rolling machine with two rollers and two three-roll system. Of the rotary piercing process through continuous development, fully able to meet the requirements of perforation stage. To date, of the rotary piercing process seamless steel pipe production in the most widely used. of the latest developments in capillary perforation has brought much larger than the previous processing flexibility, and greater production potential. Punching machine to become the key to the modernization of seamless steel pipe production equipment, the promotion of more seamless steel pipe specifications, low-volume, small-scale to reduce the cost of production. 220 puncher bucket is designed to have the following characteristics. Second Cross-Roll Barrel Roll puncher able to adapt to continuous casting and high-alloy steel direct perforation, including some less-deformable alloy pipe requirements. Perforation roller bucket extension function to achieve a relatively low rate, it is generally smaller in scope or specifications supporting an extension of the main extension machine set a higher rate of use. Barrel roll puncher relatively simple structure, so its relatively low investment costs. Second Cross-Roll Barrel Roll puncher seems it has not yet been reached the limits of the technology, but continue to tap the potential of technology to continuously adapt to these requirements and approach or reach the highest point of the above-mentioned request. Keywords Seamless steel pipe; Cross-rolling;目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 穿孔机的发展11.3 穿孔机的发展趋势21.4 穿孔原理及要求41.5 本章小结6第2章 穿孔机类型与结构特点72.1 穿孔机类型72.1.1 轧辊布置82.1.2 导位系统92.2 工作范围102.3 穿孔机的结构特点102.3.1 机架112.3.2 出料系统112.3.3止推座、顶杆与顶头112.5 本章小结12第3章 穿孔机力能参数的计算133.1 概述133.2斜轧机力能参数的计算133.2.1接触面积的计算143.2.2 变形区长度的确定153.2.3 接触面宽度的确定153.2.4 变形速度的确定173.2.5 变形程度的确定193.2.6 轧制力的确定193.2.7 顶头轴向力的确定203.2.8 计算轧制力力矩203.3 本章小结21第4章140穿孔机结构特点及参数234.1 概述234.2 结构参数23第5章 强度计算校核245.1 轧辊设计245.2 轧辊轴承校核255.3 机架的结构尺寸及强度，刚度计算265.3.1 机架的结构尺寸设计265.3.2 机架强度计算275.3.3 机架变形计算295.1 本章小节30结 论31参考文献32附录1开题报告34附录2 文献综述38附录3 外文翻译41致谢51第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景无缝钢管的轧制通常分为穿孔、延伸、减径三个阶段。穿孔阶段很重要，一是要求穿孔提供较高尺寸精度的毛管，因下游延伸机对穿孔毛管的尺寸公差无法改进；二是能毫无问题地穿轧连铸坯，因连铸坯的低成本将增强无缝钢管的竞争力。 斜轧穿孔工艺经过不断的发展，完全能满足穿孔阶段的要求。迄今，斜轧穿孔工艺在无缝钢管生产中用得最为广泛。斜轧穿孔工艺的最新发展，已为穿孔毛管带来了远比以前大得多的加工灵活性，且具有更大的生产潜力。穿孔机以成为现代化无缝钢管生产的关键设备，促进了无缝钢管多规格、小批量、小规模生产的成本降低。 国外对穿孔机的研究要早些，二辊穿孔机、二辊斜轧一次穿孔和二次穿孔机，三辊斜轧穿孔机的研制大部分都是国外的。国内的起步比较晚，但从引进到发展壮大也就短短的几十年。新研究的各种穿孔机成为了无缝钢管的主要生产设备。 1.2 穿孔机的发展 1883到1892年间德国曼内斯曼又多项专利被批准，其中大部分涉及穿孔机轧辊形状和布置。第一台轧机是三辊斜轧机，其后是二辊斜轧机。经过多年的研究和改进，到1891年曼内斯曼兄弟发明周期式轧管机时为穿孔钢锭，才将辊形确定下来。其特征是轧辊由导向、穿孔、碾轧、减径和定径组成。在穿孔和碾轧之间有一很短的柱状段，导卫装置为导辊。这种辊形知道20世纪50年代中期，按卡尔莫斯法建成的周期轧管机组仍在延伸机上采用。这种辊形的穿孔机称为“曼式穿孔机”。 现代常用的二辊斜轧穿孔机，是斯蒂弗尔与1905年完成的自动轧管机组中采用的。轧辊由两个锥体一大直径对接而成，即桶形辊，导卫装置为导板。这就是现在所说的斜轧穿孔机。狄塞尔于20世纪20年代在研究改进斜轧穿孔工艺时，提出了采用高速回转导盘的斜轧延伸机理论，与1932年在美国一家公司的钢厂的建成投资了第一台狄塞尔轧管机。其主要特征是采用驱动的大导盘，当大导盘应用于穿孔机时，轧辊仍是斯蒂弗尔式的穿孔机的桶形辊，称这种穿孔机为“狄塞尔穿孔机”。 锥形穿孔机的工艺是1899年由斯蒂弗尔提出，首先用于美国。这种穿孔机的轧辊表面速度和金属在穿孔过程中增加的流动速度相一致，从而可以减少在毛管上的切应力，具有能耗小、毛馆内外表面光洁、璧厚均匀、可以轧制各种合金钢和难变形钢等优点。在曼内斯曼兄弟研究斜轧时，首先提出的就是三辊斜轧穿孔机。1965年为配合研究应用连铸圆管坯轧制无缝钢管，英国钢管投资公司制作投产了14台三辊斜扎穿孔机。它在穿孔过程中，坯料不受交变应力的破坏作用。 我国斜轧穿孔机的发展：先是20世纪50年代从苏联引进了两台，后俩于20世纪80年代和90年代毛管生产的主力机组。开始设计制作比较简陋和粗糙，而且设计制作单位既有无缝钢管厂，也有冶金机修厂和其他设备制作厂等。以后逐渐发展和提高，并逐步走向正轨，有专业冶金设备厂设计制造或有专业冶金设计院设计和机械厂制造。目前，我国的二辊斜轧穿孔的设计、制造水平和能力，以及穿孔机的调整、检测、控制和自动化水平及精度等均到达国际水平。锥形辊穿孔机：1992年在某无缝钢管厂建成投产，这是该厂精密轧管机组的配备设备，也是我国第一台锥形辊穿孔机。同年开始了锥形辊穿孔机的研制工作，并先后设计制造了多台锥形辊穿孔机。三辊斜轧穿孔机：1968年根据国家开发研制计划开始设计、制造三辊斜轧穿孔机，1973年在某钢管厂安装、调试并进行穿孔试验。1978年这台斜轧穿孔机和新设计的三辊轧管机组成轧管机组进行生产。1979年开发设计、制造的三辊斜轧穿孔、轧管机也进行了试生产。 1.3 穿孔机的发展趋势 二辊斜轧穿孔机从1886 年用于工业生产以来,已成为目前应用最为广泛的穿孔机型。但是, 工业的发展对热轧无缝钢管的质量和品种提出了新的更高的要求, 为了提高钢管质量、扩大品种和采用连铸管坯直接穿孔, 降低生产成本和提高成材率, 近十多年来, 经过轧钢工作者不懈的探索, 研制出了新型锥形穿孔机。由于锥形辊的锥底在出口方向,因此轧辊圆周速度由进口到出口是逐渐增加的, 这样的轧辊运动速度和轧件运动速度更为协调,从而可以减小轧件的轴向滑移, 可以减小轧件的周向附加剪切应力,最终使毛管内外表面缺陷显著减少。实践证明这种新型锥形穿孔机适合于穿轧连铸坯和合金量较高的钢种, 在热轧无缝钢管生产中取代曼内斯曼穿孔机。 100多年来，锥形辊穿孔机在设备结构、工艺技术和实际应用等方面， 都取得了重要进展。特别是1983年日本住友金属公司海南厂的锥形辊穿孔机的投产和相关报道， 更引起人们对锥形辊穿孔机的关注。目前，全世界已有锥形辊穿孔机约20台! 但其中约一半分布在中国。因此， 准确地认识锥形辊穿孔机的特点， 充分地发挥锥形辊穿孔机的潜力， 进一步挖掘桶形辊穿孔机的工艺潜力， 这是钢管工作者面临的重要课题。 实践证明， 二辊斜轧锥形辊穿孔机能够对高合金钢的管坯进行穿孔， 其中包括固溶强化的难变形合金. 在轧辊轧制带至出口端之间，二辊斜轧锥形辊穿孔机轧辊直径逐渐增加，减轻了扭转变形和周向剪切应力。二辊斜轧锥形辊穿孔机可以增大辗轧角，轧制高合金。 二辊斜轧锥形辊穿孔机延伸系数较大，轧管机的变形量分配可以前移， 变形分配较灵活。在应用方面，二辊斜轧锥形机都能适应对连铸坯直接穿孔和高合金钢（包括部分难变形合金）制管的要求。 随着斜辊穿孔机的不断发展，二辊斜轧桶形辊穿孔机也脱颖而出。现在事实已经证明： 二辊斜轧桶形辊穿孔机能够适应连铸坯直接穿孔和高合金钢，包括部分难变形合金制管的要求，并且对于高合金钢包括部分难变形合金，在二辊斜轧桶形辊穿孔机上穿孔的主要工艺质量问题是什么，产生这些问题的原因是什么，解决这些问题的措施是什么，都有了明确的回答。 因此， 二辊斜轧桶形辊穿孔机似乎目前还未达到它的技术极限，而是在继续挖掘工艺潜力，不断适应上述要求并接近或达到上述要求的最高点。要根据实际情况充分发挥挤压机和二辊斜轧锥形辊穿孔机的作用，这是完全应该的。但是由于难变形合金管材的需求是有限的，碳钢、 低合金钢和部分高合金钢管材的需求是大量的。 目前世界无缝管材的产能基本等于或大于需求， 再新建无缝管机组是很少的，因此，二辊斜轧桶形辊穿孔机不会被轻意地淘汰， 它的历史还不会结束，它将和挤压机、二辊斜轧锥形辊穿孔机一起并存一段很长的时间。 综上所述，二辊斜轧桶形辊穿孔机和二辊斜轧锥形辊穿孔机一样，将在未来钢管生产中起到极为重要的作用。也将成为未来发展的趋势。除此之外，应用新软件对穿孔机的工作情况进行操作也正在得到发展。最近，某公司开发了一种技术系统，该系统为技术人员和操作人员进行生产优化作业提供工具、计算程序和专家知识。借助此系统，轧机技术人员就能计算出轧机设定值和穿孔机顶头几何尺寸。设定值和工具数据储存在技术系统终端，储存的数据又可供车间和操作人员使用。操作人员可随时在斜轧穿孔机的控制台上操作工艺优化系统。在与穿孔毛管公称尺寸发生偏差时，可快速、方便而精确地计算出新的优化设定值。连续测得的同心度值采用统计方法进行记录和评估，若出现不允许的高值时，系统就会发出报警信息。1.4 穿孔原理及要求 在斜轧穿孔工艺中，具有双锥形的轧辊以同一方向旋转，与轧制线构成喂入角。坯料由轧辊带动沿纵轴旋转。由于轧辊是倾斜布置的，故轧制中坯料会纵向前行，并同时缩减外径和断面。 在纵向前行期间，坯料被设置在轧辊间的穿孔顶头强制穿孔，其后，穿孔毛管的壁厚得以进一步缩减而外径却得到扩大。 坯料在旋转时的减径会使轧件产生有利的应力状态。这种状态一方面会降低顶头上的负荷，另一方面又使顶头在轧件中部得到准确定心，并使穿孔毛管获得均匀的壁厚。这种应力状态的缺点是在坯料与顶头接触前，会使坯料中心过早撕开，但通过对变形工具和辊缝的准确控制得到遏制。 实心管坯在二辊斜轧穿孔机变形区的斜轧区（从咬入点到顶头端部）总会出现内裂和孔腔，导致无缝管内部产生裂纹、折叠、层裂等缺陷，将此现象称为曼内斯曼效应。二辊斜轧实心坯时形成孔腔的机理，长期以来一直是轧管理论研究的一个重要课题。以捷捷林为首的一部分学者认为，孔腔形成的根本原因在于斜轧区中发生的高度应变（特别是多余应变），另一部分学者认为在于斜轧区中的高度应力集中。在应力观点方面又有以赛别尔为代表5 的切应力理论和以斯米尔诺夫为代表的正应力理论的不同争论。 （1） 切应力理论认为中心撕裂是中心受交变的剪应力作用的结果，属于韧性断裂。这种理论在上世纪二三十年代比较流行，代表人物是德国的赛别尔。目前欧美各国仍用此理论。 （2） 正应力理论认为中心破裂是由于中心金属受拉应力作用的结果，一般属于脆性断裂。这一理论从上世纪四十年代在苏联广为流行，最有代表的是三向拉应力理论，他根据自己的实验提出：斜轧实心圆坯，由于外作用力具有集中载荷的性质，塑性变形只发生于表层，中心不产生塑性变形而只产生弹性变形，即所谓中心是弹性核。这种不均匀变形导致管坯中心受附加的轴向和横向拉应力。随着工件不断旋转加工，中心的附加拉应力不断积累，以致中心在外压力作用方向也产生很大的拉应力，工件中心在三向拉应力的共同作用下产生脆性断裂。正应力理论考虑了拉应力对孔腔形成的影响，但斯米尔诺夫关于中心金属在外压力作用方向也产生很大的拉应力，和直径压下率达10%时中心仍不产生塑性变形的论点，始终是不能令人信服的。 （3） 综合应力理论认为孔腔形成是由于中心部分金属受到交变的切应力和很大的拉应力共同作用的结果大都属于韧性断裂。这是上世纪五十年代末期提出的理论。他的基本论点可归纳为： 1）横斜轧时，单位压下量很小，首先表层金属产生塑性变形。随着轧件旋转，直径压下率增加，塑性变形不断从表面向中心深入，最终轧件中心也可能产生较大的塑性变形。但变形是不均匀的，在直径压下率不很大的情况下，表层的塑性变形大于中心； 2）由具有集中载荷性质的外压力作用和变形不均匀的结果，轧件中心的工作应力状态为：外压力作用方向为压应力，横向为拉应力，无顶头作用时轴向为拉应力，有顶头作用是轴向可能为压应力。 3）轧件在上述的异名应力状态作用下不断旋转加工时，轧件中心部分金属受不断增大的交变的切应力和横向拉应力作用。切应力使金属产生滑移塑性变形，并随滑移而产生微裂，拉应力使微裂扩展成裂缝，各裂缝的进一步扩大并互相连接而成孔腔。孔腔形成是中心金属韧-脆性断裂的过程。总之，过程分两个阶段，第一阶段是由于剪切用力作用产生属塑性变形并出现微裂，微裂在拉应力作用下扩大成许多未相互连接的裂缝，使中心金属“疏松”（继续进行压力加工时可以焊合）；第二阶段是裂缝在大的拉应力作用下继续扩大并互相连接而成不可焊合的孔腔。 综合应力理论同时考虑了交变剪切应力和交变横向拉应力对孔腔形成的影响，与前两个理论相比能较好的反映实际。但是工件横断面上塑性变形的分布规律和顶头对轴向应力符号的影响等问题，仍未有统一的见解，尚需进一步加以研究。 直到现在对孔腔的形成原因还没有一个统一的见解。对于变形区是什么应力状态以及破坏机构是脆性破坏还是塑性破坏，还存在很大的分歧。 在轧制中，工作辊间的辊缝将被固定导板或从动导盘包围，这些导卫装置会防止轧件径向偏移。通过这种对轧件的封闭式机械导卫以及将顶杆置于变形区外，就能在斜轧穿孔期间的整个轧件长度上获得稳定的高精度壁厚公差。 为了适应生产不同规格、材质的毛管，穿孔机应满足下列要求： (1) 两个轧辊同向转动，并且有较大的调整范围 (2) 轧辊倾角可调，并具有可靠的固定装置，以保证在工作过程中倾角不变 (3) 轧辊对称于轧制线，可方便、灵活地调整轧辊间距 (4) 导板（导辊）和顶头的位置应能调整和固定 (5) 有可靠的后台装置，以保证方便地输出毛管 1.5 本章小结 本章主要介绍了斜轧穿孔工艺对于无缝钢管生产的重要性，斜轧穿孔机是当代无缝钢管生产的重要设备；斜轧穿孔机的类型以及各种穿孔机的发展和特点，主要介绍了桶形穿孔机和锥形穿孔机两种。其次介绍了发展过程和发展趋势。在发展过程中主要讲了我国穿孔工艺的发展，近年来新型穿孔机的面世和气各自特点。在穿孔工艺的要求中主要介绍了形成曼内斯曼效应的各种原因以及为了适应生产不同规格、材质的毛管，穿孔机应满足的条件。 第2章 穿孔机类型与结构特点第2章 穿孔机类型与结构特点2.1 穿孔机类型区别不同类型的现代斜轧穿孔机的重要特点就在于其轧辊的布置及轧件导卫装置的不同。第一台轧机是三辊斜轧机，其后是二辊斜轧机。经过多年的研究和改进，到1891年曼内斯曼兄弟发明周期式轧管机时为穿孔钢锭，才将辊形确定下来。其特征是轧辊由导向、穿孔、碾轧、减径和定径组成。在穿孔和碾轧之间有一很短的柱状段，导卫装置为导辊。这种辊形直到20世纪50年代中期，按卡尔莫斯法建成的周期轧管机组仍在延伸机上采用。这种辊形的穿孔机称为“曼式穿孔机”。现在常用的二辊斜轧穿孔机，是斯蒂弗尔穿孔机，也就是现在所说的斜轧穿孔机，轧辊是由两个锥体以大直径对接而成，即桶形辊，导卫装置为导板。如下图2-1示：图2-1桶型辊穿孔机工作示意图1-轧辊 2-顶头 3-顶杆 4-管坯 5-毛管-入口锥角-出口锥角-送进角锥形辊穿孔机的工艺也是由斯蒂弗尔提出的，这种穿孔机的轧辊表面速度和金属在穿孔过程中增加的流动速度相一致，从而可以减少在毛管上的切应力，具有能耗小、毛管内外表面光洁、壁后均匀、可轧制各种合金钢和难变形钢等优点。是一种优点较多的穿孔机。锥形穿孔机在结构上与一般二辊穿孔机基本上相同，但轧辊由两个同向的截锥体构成。轧辊对轧制线的倾斜角喂入角外，还有碾轧角，如下图2-2示： 图2-2 锥型辊穿孔机工作示意 1-轧辊 2-顶头 3-顶杆 4-管坯 5-毛管 -入口锥角-出口锥角 -送进角 -辗轧角2.1.1 轧辊布置一般而言，使用两辊布置的穿孔机时，穿孔毛管的壁厚均匀度高，工具寿命长，几何形状灵活度大。锥形辊穿孔机与桶形辊穿孔机间有一定差别，此种差别就在于轧辊的设定角不同和各有独特的轧辊形式。 同桶形辊穿孔机相比，锥形辊穿孔机的延伸率更大，产量更高，尺寸更灵活，规格范围更广。 在轧制变形难度大的坯料时，锥形辊穿孔机的优势明显。理论与实践研究表明，锥形辊穿孔机的轧件受材料应力的影响小。当主应变即轧件的几何形状, 与桶形辊穿孔机相同时，锥形辊穿孔机的剪切应变非常小。 桶形辊穿孔机能达到的延伸率相对较低，它一般在规格范围较小或与其配套的主延伸机的延伸率设定得较高的情况下使用。桶形辊穿孔机的结构比较简单，因而其投资成本也相对较低。 还有一种三辊穿孔机，3个轧辊的布置使应力产生在坯料的中心，使其具有更高的压应力，因而它完全不同于二辊穿孔机。 在三辊穿孔机中，穿孔机顶头上的负荷较高，轧件上的应力较低，故在 轧制具有临界特性的材料时优势尤为显著。 2.1.2 导位系统穿孔机机架上配置有导卫装置，导卫与轧辊构成近乎于封闭的空间，成为“孔型”，轧件由此通过。导卫装置有两种，一种是导板，这是最广泛应用的一种；另一种是导盘，导盘直径约为轧辊直径的2倍，其缘面运动速度大于毛管的轧出速度。配备导盘穿孔机的送进效率可达90%。而配置导板的穿孔机的送进效率约为80%. 二辊穿孔机可配备各种导卫装置。当无实际变形时，导卫装置能在轧辊间限制轧件的径向偏移80%。 固定导板与旋转导盘与狄塞尔导盘之间存在差别。导盘在穿孔时能适应轧件的外径变化，通常是轧制壁厚与外径比值偏小的穿孔毛管时使用。采 用导板导卫，能防止过大的材料应力。 狄塞尔导盘能在轴向支撑轧件的前移，它的优点在于轧件的出口速度较高，因而轧机的产量较高。同导板相比，狄塞尔导盘摩擦力小，工作面积大，故其使用寿命长，工具成本低。三辊穿孔机没有导卫装置，因为3个轧辊的布置本身就能稳定地支撑轧件，若增加导卫装置将增大实施难度。 在穿制薄壁毛管时，若没有导卫装置，轧件的横向变形更会导致穿孔毛管的径向扩展，这种现象在薄壁毛管的端头最易发生，其结果是限制了三辊穿孔机穿制薄壁毛管。但三辊穿孔机可方便地穿制合金钢和高合金钢毛管。 2.2 工作范围 定义斜轧穿孔机工作范围的最主要的技术参数有：1 延伸系数；2 穿孔毛管的径壁比；3 扩径率（从实心坯到毛管的直径增大）。图1为锥形辊穿孔机和桶形辊穿孔机的工作范围。从图中可清楚地看出，锥形辊穿孔机的工作范围较大，扩径率最大为40，延伸系数最大为56，径壁比超过30。桶形辊穿孔机的延伸系数仅为3.74.0。图2-3 锥形辊和桶形辊穿孔机的工作范围比较 2.3 穿孔机的结构特点穿孔机由主机架、轧辊、主传动、前台和后台组成。前台设有受料槽和推钢装置，后台有顶杆支持和定心装置。现代化的穿孔机为提高生产率，顶杆在完成一根毛管的穿孔之后，与毛管一起被拔出轧制线，从毛管中抽出后，进入循环运送系统经冷却后从轧制线另一侧插入，开始另一个工作循环。 2.3.1 机架穿孔机的机架有两种结构。一种是轧辊及轴承座安装在两个转鼓内，转动转鼓可调整喂入角，在卧式配置轧辊的穿孔机上，转鼓布置在轧制线两侧的牌坊内；另一种是在立式布置轧辊的穿孔机上，转鼓布置在机架的四个立柱之间、轧制线的上方和下方。前一种形式的穿孔机当换轧辊时，打开机架上盖，用吊车逐个吊出轧辊。后一种穿孔机换轧辊时，先将上轧辊坐落在下轧辊上，机架上盖代开后，用吊车一次吊出。另一种是我国的76mm穿孔机，机架结构简单，轧辊轴承座配置在牌坊的窗口内，由两片牌坊上不同尺寸的窗口设定喂入角。喂入角用垫片调整，实际操作中，不调整喂入角。 为满足穿孔毛管的壁厚精度要求，在机架设计时必须特别注意最小回弹和最大弯曲强度的问题。立式布置的轧辊及列于两边的轴承均安装在转鼓上，锥形辊穿孔机就采用此种布置。 轧辊借助机架顶盖进行更换，为缩短更换时间，顶盖设计为液压摆出或移开式，这样的方式可减少厂房的高度。 2.3.2 出料系统高精度的壁厚公差要求穿孔机在出料阶段要有封闭式的导卫。现有的顶杆支撑装置通过传感器在液压控制下精确定位，并且对变形过程中的同心性有直接影响。因此，这类支撑装置都紧邻轧辊，直接与穿孔机机架装成一个整体。 2.3.3止推座、顶杆与顶头顶头止推座为移动式。止推座的传动方式取决于所需的最小空转时间，它可设计为链条式、钢绳式或齿条式。 顶杆为内冷式。顶头安装在顶杆上的方式要适应于穿孔毛管的长度或要达到的循环时间，以及顶头上的热负荷。根据顶头的热负荷情况可进行轧制间外冷、高压水内冷等。对产量很高及生产能力很大的轧机，要配备更换顶头和顶杆的装置。 顶头的几何形状及磨损行为对轧制后的穿孔毛管精度和质量影响极大。若穿孔顶头材料选择恰当并进行适当的热处理，即使轧制高强度材料及超长毛管时，都能确保其具有较长的使用寿命。 顶杆和顶头的结合方式有两种，一种是顶头用螺纹拧接在顶杆前端，顶头因磨损或更换产品规格而更换时，连同顶杆一起更换；另一种方式是顶头由人工置于穿孔机孔后喉处的下导板上，顶杆由推力支座送到工作位置，当管坯被轧辊咬入时，顶头落在顶杆前端的顶尖上，完成穿孔一根毛管后，顶头落在下导板上，由人工更换顶头，顶杆由推力支座拖出毛管。 2.5 本章小结本章介绍了穿孔机的类型和特点，主要通过桶形和锥形穿孔机在结构和工作范围上做了比较。在结构上主要是通过轧辊布置和导卫装置两个方面介绍的，轧辊布置对于穿孔毛管的壁厚均匀度，工具寿命有重要的影响；导卫装置有导板和导盘两种。在工作范围里主要从两种穿孔机的各个技术参数出发，对工作范围做了比较。穿孔机是由主机架、轧辊、主传动、前台和后台组成的。而其结构特点主要是从机架，出料系统，止推座、顶杆和顶头做了介绍。机架主要有两种结构，一种是卧式配置轧辊的穿孔机上的，另一种是在立式布置轧辊的穿孔机上的，各自都有其特点。在出料系统中主要介绍高精度的壁厚公差要求穿孔机在出料阶段要有封闭式的导卫，直接与穿孔机机架装成一个整体。顶头止推座为移动式；顶杆为内冷式；顶杆和顶头的结合方式有两种，其布置得方式不同。第4章 穿孔机力能参数的计算第3章 穿孔机力能参数的计算3.1 概述轧制压力顶头轴向负荷轧制力矩和轧制功率是钢管斜轧机工具设计和设备设计中的主要参数。由于斜轧过程中存在有必要应变和多余应变，使得斜轧时力能参数的计算复杂化。 计算各种形式斜轧机轧制功率的方法与步骤，原则上与纵轧一样，即可根据： 1 金属对轧辊的压力计算 2 单位能耗曲线计算 按金属对轧辊的压力计算，即根据求出的总轧制力，算出轧制力矩和轧制功率 为求总压力，计算金属的变形抗力和平均单位压力，计算轧辊与轧件本身所具有的一系列特点，例如必须引入径向压下量、螺距、滑移系数等参量，要考虑顶头轴向力、接触面宽度变化、送进角等因素。 斜轧机轧制力计算公式目前有四种类型： 1 借用纵轧板材的单位压力公式 2 根据斜轧本身的变形特点，用塑性力学的工程计算法推导出的理论式 3 用数值法导出的理论式，如有限元法、上限法、变分法 4 经验公式 第一种方法虽然是把斜轧过程简化成纵轧过程，不甚合理，但这种方法目前仍被工程界广为采用，后两种根据斜轧特点所推导的理论式，由于在推导中作了大量的简化假定，其准确性有待于实践验证。 3.2斜轧机力能参数的计算接触面积 F变形区长度 l 接触面宽度 b 变形速度 v变形程度 轧制力 P 顶头轴向力 Q 3.2.1接触面积的计算为计算总轧制压力，必须确定接触面积。这里研究在辊式斜轧机上穿孔时的接触面积计算。由于沿变形区长度，接触表面的宽度是变化的(如下图3-1所示)，在确定接触面积时需将变形区长度分成若干等份，而在每一（哈哈）段内将接触面积近似地看成为一梯形，从而总的接触面积为各梯形面积之和。F= （3-1）式,-在等分点i及i+1上的接触面积3.2.2 变形区长度的确定变形区的长度为由入口断面到出口断面的距离。如下图所示，入口断面的管坯直径为，出口断面上的毛管直径为，轧辊之间的最小距离为，轧辊的入口锥和出口锥的母线倾角为，如果不计送进角，则由几何关系求得变形区长度 （3-2） 当考虑送进角时，变形区的长度L要较按上式计算得到的数值小，在时，误差不超过8%-10%。确定L的精确公式很复杂，考虑角时可近似地按下式计算 在 角较大时，该式可给出较为精确地结果 3.2.3 接触面宽度的确定任一断面的接触面宽度b，可根据该断面上的轧辊半径R，径向压下量及管坯的轧前半径确定。+由于比值远小于1，上式的根号项可展开成麦克劳林级数，取展开式的前两项已足够精确，则有代入上式，经整理后得b=把，R=代入，有b=上式在假定金属仅与轧辊连心线之一边相接触且不产生弹性变形的情况下导出的。但实际上由于轧辊和轧件的局部弹性压缩，使金属还在连心线的另一边流动，实际的径向压下量比理论计算的要大，因此计算值一般都比实测值低。虽然如此，因该式比较简单，故实际计算中常被采用。上式中的径向压下量，根据图对各个区域分别按下式计算。对于区域，表示配料在K周中两相邻断面半径之差 对于区域，为周中两相邻断面壁厚之差对于区域式中上式中的s按式计算，对于二辊斜轧机k=2，对于三辊斜轧机k=3，考虑二辊斜轧机上穿孔时，管坯在变形区内形成的椭圆度对接触面宽度的影响，可对式接触面宽度进行修正，按下式计算接触面宽度b=式中，第二项为椭圆度的影响使接触面宽度所增加的数值。椭圆度系数对于五孔腔的区域取1.005-1.01，对于有空腔的区域，由于椭圆度受导板的控制，椭圆度系数可按断面上导板距离与辊面的距离d的比值确定：3.2.4 变形速度的确定材料变形抗力的大小与变形过程中的变形温度、变形速度和变形程度有关。对于斜轧穿孔过程，变形区中的温度变化不太显著，而变形速度与变形程度对不同断面差别较大。因此在确定斜轧穿孔的变形抗力时，应将变形区划分为若干区段，分段计算其变形速度与变形程度，根据各段的不同情况确定相应的变形抗力。 斜轧过程变形速度的计算，一般都是根据下式推导：式中的代表总应变或某一应变量，代表生产总应变或某一分应变所需的时间。变形速度也可用速度分量表示式中H-管件在径向的变形深度（1）斯米尔诺夫公式。对入口锥对出口锥式中：n-轧辊转速-轴向滑移系数-轧腰处轧辊直径-坯料在轧辊入口与孔喉处直径-送进角-轧辊辊面入口锥角与出口锥角-毛管壁厚-顶头鼻前被穿坯料的直径-孔喉处轧件的断面面积-毛管的断面面积（2） 切克马辽夫公式。轧制实心坯时碾轧毛管时式中-毛管咬入点所对应的轧辊中心角-金属切下速度分量-径向压下量R，r-轧辊半径与轧件半径b-辊管接触宽度-顶头半径3.2.5 变形程度的确定斜轧穿孔变形区内任一横断面的变形程度可以用相对变形与对数变形两种方式表示：轧制实心坯心时 轧制毛管时 式中-该截面的径向压下量-该截面轧件直径-该截面毛管壁厚3.2.6 轧制力的确定计算步骤如下： 把斜轧穿孔变相地看成是连续纵轧过程，将斜轧穿孔中的几何参量与变形参数合理转化成纵轧的相应参数，利用纵轧公式近似计算斜轧穿孔单位压力。 由于斜轧变形区形状的不规则，变形区各部分的变形程度和变形速度都不同，在计算单位压力时，应将变形区划分成若干段，分别计算各段的平均单位压力。（1）按 计算各种单位压力时，应先根据每段比值大小计算或。根据每段的变形速度与变形程度的平均值，确定该段的变形抗力然后将各段求得的， 代入式，求出各段的平均单位压力和接触面积，则轧制力为P=3.2.7 顶头轴向力的确定顶头轴向力的确定用理论方法计算是很复杂。根据顶头受力的平衡条件而求出的轴向力解析计算公式十分庞大，式中的各分力很难正确算出，因此在实际中无法应用。目前在设计时广为应用的办法是根据实际测定的 Q/P，比值来确定。如下表示轧制方法Q/P桶形轧辊二辊穿孔机由钢锭穿成厚壁毛管时由轧制坯穿成薄壁毛管时0.22-0.330.25-0.45锥形轧辊二辊穿孔机0.32-0.40三辊穿孔机0.40-0.50均整机0.35-0.50延伸机0.15-0.20可以看出，Q/P比值在的范围内，故推荐下述经验公式作为设计时的依据。Q=（0.350.50）P3.2.8 计算轧制力力矩穿孔轧辊总受力情况如图3-1所示，图中X轴是轧制线方向，X轴是轧辊轴线方向，Z轴是两轧辊轴线投影相交点处的两轧辊中心连线方向，它垂直于X轴和X轴，Y轴垂直于Z轴和X轴，Y轴垂直于Z轴和X轴。因此，每个轧辊在各个方向的受力为：X=Y=Z=式中一个轧辊的轧制力矩不考虑管子压扁式中b合理P作用点处接触宽及轧制带处接触宽轧辊距离及轧辊半径可以求出Z=659379.6NY=89737.6N最后代入轧制力矩公式图3-1穿孔轧辊总受力3.3 本章小结本章主要介绍了穿孔机的力能参数的确定。由于斜轧过程中存在有必要应变和多余应变，使得斜轧时力能参数的计算复杂化。计算各种形式斜轧机轧制功率的方法与步骤，原则上与纵轧一样。按金属对轧辊的压力计算，即根据求出的总轧制力，算出轧制力矩和轧制功率。力能参数分为接触面积、变形区长度、接触面宽度、变形速度、变形程度、轧制力和顶头轴向力。确定接触面积主要是为了求出轧制力，主要研究在辊式斜轧机上穿孔时的接触面积。变形区的长度为由入口断面到出口断面的距离，在送进角比较大时，得到的结果会很精确。任一断面的接触面宽度，可根据该断面上的轧辊半径和径向压下量及管坯的轧前半径确定，椭圆度影响着接触面宽度。材料变形抗力的大小与变形过程中的变形温度、变形速度和变形程度有关。对于斜轧穿孔过程，变形区中的温度变化不太显著，而变形速度与变形程度对不同断面差别较大。因此在确定斜轧穿孔的变形抗力时，应将变形区划分为若干区段，分段计算其变形速度与变形程度，根据各段的不同情况确定相应的变形抗力。斜轧穿孔变形区内任一横断面的变形程度可以用相对变形与对数变形两种方式表示。把斜轧穿孔变相地看成是连续纵轧过程，求出各段的平均单位压力和接触面积，则可求出总轧制力。顶头轴向力的确定用理论方法计算是很复杂。因此在实际中无法应用，目前在设计时广为应用的办法是根据实际测定的比值来确定。最后是根据图示来求总轧制力矩。第4章 140穿孔机结构特点及参数第4章140穿孔机结构特点及参数4.1 概述本轧机的结构特点是两个轧辊上下配置，上面配置有固定的导辊，下有固定的导板，每个轧辊各由一台直流电机通过各自的减速机驱动，与卧式穿孔机相比，它具有以下三个优点： 1.可在有利于采用大送进角的条件下合理布置主传动； 2.万向接轴能在较小偏角的有利条件下运转，保证传动系统运转平稳，减少万向接轴的磨损； 3.便于快速更换导卫装置（狄赛尔导盘）。 国内现有的自动轧管机组的出料侧特点是每穿一根荒管，顶杆小车带着顶杆作一次往返运动，辅助时间长，从而限制了穿孔机的生产能力。另外更换顶头一般是人工操作，劳动强度大。 为了克服上述缺点，西德曼内斯曼米尔公司为宝钢设计制造的穿孔机组出料侧带有一组顶杆冷却循环的后台。后台的特点是止推座的移动行程很短，顶杆与毛管在轧制作业线外分离，多根顶杆循环使用，这样就可使后台操作时间缩短到6秒，不论毛管长度多长，其操作时间不变，在顶杆循环过程中，顶头已经随时检查更换，充分冷却。由于毛管前端首先从顶杆上脱出，以在毛管长度上温度分布比较均匀，头尾温差为一般穿孔机后台拔出方式的一半，这对改善钢管纵向尺寸公差很有利。 由于穿孔机使用单一规程的管坯（175），因此，采用狄赛尔导盘，有着独特的特点，加上后台工艺流程及设备布局合理，再配上先进的自动控制技术，因此这台穿孔机每分钟可穿4根空坯。4.2 结构参数140穿孔机的结构参数如下表示（1）最大轧制力 1200KN（2）轧辊直径 140mm（3）辊身长度 670mm（4）轧辊转速 20-130rpm（5）轧辊偏转位置 5-15（6）推入机行程 6600mm第5章 强度计算校核第5章 强度计算校核5.1 轧辊设计已知轧辊直径D=140mm辊身长L以满足工艺对管坯直径压下量和毛管外扩径量的要求为依据来确定轧辊尺寸断面圆角半径实际上，穿孔外径为最大的包庇毛管时所用的压下量即为Dp.max 值，而与此相应的出口锥毛管外径扩经量即为（Dk+Dp)max值。 轧制带长度L3与角1和2的大小有关，L3一般为020mm，当1，,2值很小时，可取L3=0,两锥间用大圆弧过渡。端面圆角半径R1和R2一般为1525毫米。为改善咬入条件，提高穿孔效率和改善毛管质量，应采用小的入口锥角1，但1过小会使轧制压力增加，故目前常用的1值为2.54.5，最常用的为33.5，当采用大送进角时，为使过程稳定，应采用更小一些的1角。有时为了改善咬入条件而又不至于变形区过长，则采用双段入口锥。 小的出口锥角2可改善毛管质量和减轻壁厚不均匀，故2值一般应取为2=2.54.5。大送进角穿孔用的轧辊，则需采用较小的2值。用小直径管坯生产大直径管时，为了得到大的外扩经量，应采用大的2角。 穿孔轧辊大多采用辊轴和辊身套组合式，两者热压和或用键配合，这样可费辊身而不费轴，减少工具成本。辊轴多用40Cr或45Cr这种综合性能较好的材料。滚身套用55、50Mn或65Mn等材质的铸钢或锻钢，硬度HB约141184左右，这样既便于咬入，又有一定的耐磨性。 下面根据本次设计的基本要求，选取一些经验数据： 其中，选取1=2 =3.5。 R1 = R2 =25mm L3 = 20mm p.max=30mm （Dk+Dp)max=40mm 以上数据带入上式， L1 = Dp.max/2tan1+R1 = 20/2tan3.5 + 25 = 275mm 同理， L2 = 375mm 因此， L=L1+L2+L3=670mm 5.2 轧辊轴承校核本轧机采用四列圆柱滚子轴承 型号为FCD72102370 d=360mm D=510mm B=370mm C=4040kN C0r=10000kN Lh=(106/60n)(C/P) 式中 Lh 以小时计的轴承额定寿命， n 轴承的转速，r/min C 额定动负荷，N 寿命指数，此处取为10/3 P当量动负荷，N 经查表得 Pr=0.94Fr+0.8Fa （5-6） Fr=P/2 Fa = Q 经计算得，Lh = 93033 h5.3 机架的结构尺寸及强度，刚度计算5.3.1 机架的结构尺寸设计 在轧制过程中，被轧制的金属作用到轧辊上的全部轧制力，通过轧辊轴承，轴承座，压下螺丝及其螺母传给机架，并由机架全部吸收，不传给地基。因此，对机架必须要求有足够的强度和刚度。 本机架采用闭式机架，机架的主要结构尺寸包括：机架窗口宽度（B）和高度（H）以及机架立柱端面尺寸。 1.机架窗口宽度B的设计 为了便与换辊，在闭式机架中，窗口的宽度B应稍大于轧辊的辊径D，而且在换辊侧的窗口宽度应大于510mm，通常由滑板内的厚度差来保证。 B = Bz + 2S （5-7） 式中 B 机架的窗口宽度 Bz支承辊轴承座的宽度 S 窗口滑板的宽度，一般取S=2040mm 由上式，取B=1200mm 2.机架窗口高度H的设计 机架窗口高度H主要取决于轧辊直径，轴承座高度，压下螺丝伸出量（或液压压下的油缸及有关零件的高度尺寸）和安全臼（或止推垫）短支撑等有关零件的高度尺寸，以及换辊等要求来决定。 H = H1 + H2+ H3 + S1 + S2 (5-8) 式中： H1 两个（或四个）轧辊接触时，上下轴承座之间的最大距离 单位：mm H2 安全臼或测压元件及均压块的高度，mm H3 下轴承座底垫板的厚度,mm S1 轧辊换辊时的最大开口度，mm S2 机架窗口高度尺寸裕量，mm 通过上式，取H = 3400mm 3.机架立柱断面尺寸的设计 机架立柱断面尺寸是根据强度条件确定的。由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊径强度近似地与其直径的平方（d2）成正比，故机架立柱根据（F/ d2）的经验数据，取 F/ d2 = 0.8 则 F=0.8