华北理工孔型设计讲义02孔型设计理论基础

第二章孔型设计理论基础孔型设计的内容与要求孔型设计的内容：1断面孔型设汁：根据原料和成品的断面形状和尺寸及对产品性能的要求，确定孔型系统、轧制道次和各道次的变形量。以及各道次的孔型形状和尺寸。2配辊：确定孔型在各机架上的分配及其在轧辊上的配置方式，以保证轧件能正常轧制、操作方便、成品质量好和轧机产量高。3轧辊辅件设计（导卫或诱导装置的设计）：诱导装置应保证轧件能按照所要求的状态进、出孔型。或者使轧件在孔型以外发生一定的变形，或者对轧件起矫正或翻转作用等。导卫装置包括：横梁、导板、卫板、夹板、导板箱、托板、扭转导板、扭转辊、围盘、导管等。孔型设计的要求：1保证获得优质产品所轧产品除断面形状正确和断面尺寸在允许偏差范围之内外。应使表面光洁。金属内部的残余应力小，金相组织和力学性能良好。2保证轧机生产率高轧机的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数及其在各机架上的分配。在一般情况下，轧制道次数愈少愈好。在电机和设备允许条件下，尽可能实现交叉轧制，以达到加快轧制节奏，提高小时产量的目的。影响轧机作业率的主要因素是孔型系统、孔型和轧辊辅件的共用性。注：交叉轧制：两根钢同时轧制的时间（横列式轧机）。轧制节奏（）：是指机组每轧一根钢所需要的时间(即轧制第一根钢与第二根钢之间的时间间隔)，它是决定轧机产量的主要因素。轧制时间（）：即钢的纯轧时间。间隙时间（）：是指相邻道次间的时间间隔，它随轧制的具体情况而变化。轧制周期（）：是指轧制一根钢所用的总时间(包括各道次轧制时间和间隙时间)和相邻两根钢之间的空隙时间。3保证产品成本最低为了降低生产成本，必须降低各种消耗。由于金属消耗在成本中起主要作用，故提高成材率是降低成本的关键。因此，孔型设计应保证轧制过程进行顺利，便于调整减少切损和降低废品率；在用户无特殊要求的情况下，尽可能按负偏差进行轧制。同时，合理的孔型设计也应保证减少轧辊和电能的消耗。4保证劳动条件好孔型设计时除考虑安全生产外，还应考虑轧制过程易于实现机械化和自动化，轧制稳定，便于调整；轧辊辅件坚固耐用，装卸容易。孔型设计的基本原则与设计程序设计遵循的原则：是否有良好的技术经济指标和显著的经济效益，是评价和衡量孔型设计质量优劣的重要标准，也是检验设计思想是否正确、设计任务是否很好完成的主要标志。为此要求设计者注意遵循下述基本原则：1选择合理的孔型系统，因为孔型系统是轧件形状变化的体现，是型材生产中能否顺利轧制、能否获得合格产品的关键。2充分利用钢在高温阶段塑性好、变形抗力小的特点，把变形量和不均匀变形尽量放在前面道次，以降低能耗和轧辊磨损。3各机架间的道次分配和翻钢、移钢程序要合理，以便缩短轧制节奏，提高轧机产量，并有利于操作。4当生产型钢品种规格较多时，要考虑相邻规格孔型的共用性，以减少轧辊储备和相应的更换轧辊的工作时间。5力求轧件在孔型中具有良好的稳定性。以利于轧件在孔型中的变形，防止弯扭，并简化轧机的操作和调整。6确保设备安全，注意改善工人的劳动条件。做到调整容易，操作简便，工作安全。孔型设计的程序：1了解产品的技术条件产品的技术条件包括产品的断面形状、尺寸及其允许偏差，也包括对产品表面质量、金相组织和性能的要求：对某些产品还应了解用户的使用情况及其特殊要求。2了解原料条件原料条件包括已有的钢锭或钢坯的形状和尺寸或者是按孔型设计要求重新选定原料的规格。3了解轧机的性能及其他设备条件包括轧机的布置、机架数、辊径、辊身长度、轧制速度电机能力、加热炉、移钢和翻钢设备、工作辊道和延伸辊道、延伸台、剪机或锯机的性能以及车间平面布置情况等。4选择合理的孔型系统选择孔型系统是孔型设计的关键步骤之一。对于新产品，设计孔型之前应该了解类似产品的轧制情况及其存在的问题，作为考虑新产品孔型设计的依据之一。对于老产品，应了解在其他轧机上轧制该产品的情况及其存在的问题。在品种多，但产量要求不高的轧机上，应该采用共用性大的孔型系统，这样可以减少换辊次数及轧辊的储备量。但在品种比较单一，即专业化较高的轧机上，应该尽量采用专用的孔型系统，这样可以排除其他产品的干扰，使产量提高。5总轧制道次数的确定孔型系统选择之后，必须首先确定轧制该产品时所采用的总轧制道次数及按道次分配变形量。在一定的工艺与设备条件下，确定坯料的断面尺寸和轧制道次其实质就是正确地决定总变形量。三者之间的关系如下式所示：—总延伸系数—原料断面积—成品断面积总延伸系数又等于各道次延伸系数的乘积，即有如下关系：平均延伸系数一般是根据经验数据选取的。但是在既定条件下，平均延伸系数的大小既反映了轧制进程的快慢，也反映了轧件在孔型内变形的剧烈程度。因此，平均延伸系数要根据所轧钢种、孔型系统、轧机布置等具体生产条件选定。按总延伸系数平均延伸系数即可确定轧制道次。轧制道次应取整数6分配各道次延伸系数延伸系数分配的根据是：轧制开始时，轧件温度较高，表面氧化铁皮较多，摩擦系数小，咬入困难，此时延伸系数的分配主要考虑咬入条件的限制；随着轧件表面氧化铁皮的脱落，咬入条件大为改善，此时应充分利用轧件温度高、塑性好、变形抗力低的特点给以大变形；最后几道为保证成品断面形状和尺寸的正确性，减少孔型磨损，提高轧辊使用寿命以及降低能耗应采用较小延伸系数。各道次延伸系数确定之后要进行校核，看其乘积是否等于总延伸系数，如若不等则须进行调整，使之相等。在实际生产过程中，为了合理地分配变形系数，必须对具体的生产条件做具体地分析。如在连轧机上轧制时，由于轧制速度高，轧件温度变化小，所以各道的延伸系统可以取成相等或近似相等，如下图所示。7确定轧件的断面形状和尺寸根据各道次的延伸系数确定各道次轧件的横断面面积，然后按照轧件的断面面积及其变形关系确定轧件的断面形状和尺寸。8确定孔型的形状和尺寸根据轧件的断面形状和尺寸确定孔型的形状和尺寸，并构成孔型。应指出，有时孔型设计是根据经验数据直接确定孔型尺寸及其构成，这时可不事先确定轧件尺寸。在进行孔型设计计算时，通常是逆轧制顺序进行的。但有时(如初轧机孔型设计、开坯机孔型设计)也顺轧制顺序或从中间开始设计。9绘制配辊图把设计出的孔型按一定规则配置在轧辊上，并绘制配辊图。10进行必要的校核对咬入条件和电机负荷进行校核，在必要时。也要对轧辊强度进行校核。11轧辊辅件设计根据孔型图和配辊图设计导卫、围盘、检测样板等辅件并构图。孔型及其分类轧槽与孔型的概念轧槽：型材是在带有所谓轧槽的环形凹槽或凸缘的轧辊上轧制出来的。在一个轧辊上用来轧制轧件的工作部分，也就是轧辊与轧件相接触的部分称为轧槽。孔型的形状不同，构成孔型的轧槽型式也不相同。孔型：由两个或多个轧辊的轧槽所构成的断面轮廓，或在过轧辊轴线的平面上所构成的孔腔称为孔型。按形状分类：(1)简单断面（如方、圆、扁）；(2)异型断面（如工字型槽型轨型）。按用途分类：(1)开坯或延伸孔型。这种孔型的任务是把钢锭或钢坯的断面减小。常用的孔型有箱形孔、菱形孔、方形孔、椭圆孔、六角孔等。(2)预轧或毛轧孔型。其任务是在继续减小轧件断面的同时，并使轧件断面逐渐成为与成品相似的雏形。(3)成品前或精轧前孔型。它是成品孔型前面的一个孔型，是为在成品孔型中轧出合格产品做准备的。(4)成品或精轧孔型。它是一套孔型系统的最后一个孔型，它的作用是对轧件进行精加工。并使轧件具有成品所要求的断面形状和尺寸。按其在轧辊上的车削方式分类：(1)轧辊辊缝在孔型周边卜的称为开口孔型。(2)轧辊辊缝在孔型周边之外的称为闭口孔型。(3)半开(闭)门孔型，亦称控制孔型。孔型的组成及各部分的作用一辊缝S辊缝的作用在于考虑轧辊的弹跳和轧机的调整。在轧制过程中，在轧制压力作用下，工作机架和其它零部件会发生弹性变形。这种弹性变形的总和构成了轧辊的所谓“弹跳”。弹跳的结果使孔型高度增加，轧辊辊缝加大。因此，辊缝的数值应等于轧机空转时上下辊环间距加上轧辊弹跳，即弹跳应包括在辊缝之内，以式示之：：二侧壁斜度一般孔型的侧壁均不垂直于轧辊轴线而有些倾斜。孔型侧壁倾斜的程度称之为斜度，其表示方法为：或孔型侧壁斜度的作用如下：1轧件易于正确的进入孔型在垂直侧壁的孔型中，轧件入孔困难，送入不正又会碰到辊环上。而有斜度的孔型侧壁，象一个喇叭口。轧件入孔时可避免上述缺点。2有利于轧件脱槽，当孔型侧壁与轧辊轴线相垂直时，由于轧制时轧件产生展宽，轧件将严重地受到孔型侧壁的夹持作用，造成脱槽困难，严重时会缠绕轧辊。3减少轧辊车削量，增加轧辊使用寿命，因为孔型侧壁斜度不同，在侧壁磨损量相同的条件下，为恢复孔型原有宽度而车削轧辊的量也不相同。其关系式如下：设轧辊的重车次数为，轧辊的公称直径为，轧辊在使用过程中由于车削直径不断减小，新辊时的最大轧辊直径为，最后一次车削的最小轧辊直径为，则：采用梅花连接轴，；采用万向节轴，。5孔型具有共用性孔型侧壁具有较大斜度时。如箱形孔，可以通过调整孔型的充满度，在同一孔型中轧出不同尺寸的轧件，这对于生产钢坯的初轧机、开坯机的孔型具有重要作用。6加大变形量,实践证明，当轧制异型钢材时，孔型侧壁斜度对变形量有一定影响。斜度大，可以允许有较大的变形量，甚至可以减少轧制道次。另外，也有利于提高轧辊强度，改善不均匀变形情况，并减少电能消耗。因此，复杂断面孔型常用具有斜度的孔型。孔型侧壁斜度固然有上述重要作用，但斜度过大也会使轧件断面形状“走样”。因为侧壁斜度小有利于夹持轧件，其侧面加工良好，断面形状比较规整。侧壁斜度与孔型的用途、产品的公差范围以及其他一些因素有关，一般取：三圆角1孔型内圆角内圆角的主要作用有(1)防止轧件角部急剧冷却，减少角部发生裂纹的机会；(2)使槽底应力集中减弱，改善轧辊强度；(3)可以调整孔型的展宽余地，防止产生耳子(如菱形轧件翻钢进入方孔轧制时)(4)通过改变圆角尺寸，可以改变孔型的实际面积和尺寸，以调整轧件在孔型中的变形量和充满度。2孔型外圆角外圆角的主要作用有：(1)在孔型过充满不大的情况下能形成钝而厚的耳子，避免在下一个孔型内轧制时产生折迭，因为外圆角增加了展宽余地；(2)较大的外圆角可以使比孔型宽的轧件进入孔型时，不会受到辊环的切割而产生刮铁丝的现象，也避免了刮导卫板事故；(3)对于异型孔型适当增大外圆角可以改善轧辊的应力集中，有利于提高轧辊强度。四锁口当采用闭口孔型以及轧制某些复杂断面型钢用的异形孔时。为控制轧件的断面形状而使用锁口，如图所示。若在同一孔型中轧制厚度或高度差异较大时，其所用的锁口长度应适当增加，以便防止轧制较厚和较高轧件时金属有可能挤入辊缝内。位得注意的是，用锁口的孔型，其相邻孔型的锁口位置是相互交替的，以保证刻件形状正确。孔型在轧辊上的配置孔型在轧辊上配置的任务是：把己设计好的断面孔型按照一定的规律放置到已定轧机的轧辊上去。其主要内容有二方面，即在孔型轧制面垂直方向上的配置和在轧辊辊身长度方向上的配置。垂直方向上的配置关于配置的一些基本概念：(1)名义直径：型钢轧机的大小一般采用传动轧辊的齿轮座的齿轮的中心距或其节圆直径的大小来表示。如此定义的原因：型钢轧机通常用轧辊直径表示轧机大小。当轧机有几个机架或排列成几个机列，而这些机架的轧辊直径又不相同时，则以成品机架的轧辊直径来表示。因为一般情况下最后一机架的轧辊直径大小决定了所轧产品的尺寸规格。直接用实际的轧辊直径表示轧机大小并不完合适，因为轧辊在使用过程中因磨损需要车削而使每次使用的轧辊直径各不相同。(2)原始辊径：在配置孔型或绘制轧辊图时，是以新辊直径为依据的。我们通常把这种包括辊缝在内的直径称为轧棍的原始辊径。为了提高轧辊的使用寿命，在机架窗口高度允许的条件下，常使新辊直径大于轧辊名义直径，而最后使用报废前的轧辊直径小于轧辊名义直径。(3)工作直径：在轧制过程中轧件与轧辊接触处的轧辊直径叫做工T作直径或轧制直径。轧制钢板或采用无孔型轧制时其辊身直径即为工作直径，但在孔型轧制的条件下，轧件与孔型接触的各处工作直径往往是不相同的。对于箱形孔即可采用孔型的底部处的直径为轧制直径。对于其他孔型采用平均高度的方法：式中—孔型平均高度；—孔型面积；—孔型宽度。此时(4)压力：在开坯和型钢生产中，经常有目的的使上下轧辊直径不等，这种上下轧辊工作直径的差值称之为“压力”。若上轧槽轧辊的工作直径大与下轧槽轧辊工作直径，称为“上压力”反之，如下轧槽轧辊工作直径大于上轧槽轧辊工作直径.称为“下压力”。采用压力的原因：在生产中为了安全，要求轧件顺利平直地脱槽。当上下轧辊工作直径相等时轧件一般能平直地从孔型中轧出。但由于各种原因会使轧件造成上弯或下弯，严重时甚至会造成缠辊。因此，在向轧辊上配置孔型时，采用上下轧辊工作直径不等的办法，避免轧件任意弯曲，而使轧件固定地向一个方向弯曲，以控制轧件的走向，这就是为什么要采用“压力”的原因。通常在型钢轧机上采用“上压力”井安装下卫板，以使轧件能贴着下卫板自孔型中平直轧出。初轧机则多用“下压力”，它能减轻轧件前端对轧机第一个辊道的冲击，因为轧制断而粗大的坏料不会发生缠辊的危险。在轧制如工字钢、槽钢等异型钢材时，原则上当闭口腿的轧槽车削在下或上辊时，则采用“上”或“下”压力，以使轧件能顺利地脱离闭口轧槽而不致产生缠辊。配辊时采用一定的“压力”是必要的，是控制轧件出口方向保证轧制过程顺利进行的一项措施。但是压力值太大对生产也是不利的。这是因为：【1】辊径差使轧辊圆周速度不等，导致轧辊与金属间产生滑动，并使轧件内部产生附加应力；【2】辊径差造成了压下量分布不均，使轧辊磨损也不匀；【3】辊径差使轧钢机受到冲击，使相应的传动件如接轴、梅花套筒以及齿轮等承受不同的扭矩而产生不均匀磨损，有时甚至会因此而扭断。“压力”大小与孔型的用途有关。如“上压力”一般按轧辊直径大小选取。如对箱形孔可取不大于辊径的3%；对其它开坯延伸孔取不大于辊径的1%：对成品孔应尽量取小值，甚至可为零。(5)轧辊中线：等分上下两个轧辊轴线之间距离的等分线叫做轧辊中线，亦称为轧辊平均线。(6)轧辊中性线：上下轧辊作用在轧件上的力对某一水平直线的力矩相等，此条水平直线称为孔型中性线。确定孔型中性线的目的是为了配置轧辊孔型。因为配辊时孔型中性线必须和轧制线重合，使上下轧辊对轧件作用的力矩相等，使轧件出孔时能保持平直。孔型中性线的确定由于孔型不同而有许多方法。对于轧制前后轧件断而形状上下均为对称的，其孔型中性线就是它们的水平对称轴线，如箱形孔、菱形孔、椭圆孔、圆孔、方孔等；对非对称形状的轧件如槽钢孔型等，应根据上下轧辊对其作用的力矩相等并使轧件平直出孔的原则确定。由于影响上下轧辊作用于轧件使之力矩相等的因素较多，因而这类孔型中性线的确定比较复杂。通常都采用简化的力法来确定这类孔型中性线。常用的办法有：(1)重心法：它是将通过孔型几何形状面积重心的水平线作为孔型中性线。(2)面积相等法：孔型中性线是将孔型面积等分为上下两部分的那条水平线。(3)平均高度法。此法认为孔型中性线是等分孔型平均高度的水平线。(4)轮廓线重心法。此法也称为周边重心法此种求法认为：孔型中性线是通过在两个轧辊上的孔型轮廓(也即轧槽)的两个重心之间等距离的地方的水平线。(7)轧制线：当采用“上压力”或“下压力”时，孔型的中性线必须配置在离轧辊中线一定距离的另一条水平线上。以保证一个轧辊的工作直径大于另一轧辊，该线称为轧制线。配置孔型的基准线。配辊时孔型中性线和轧制线重合。显然，当采用“零压力”时，即上下轧辊工作直径相同时，轧制线与轧辊中线重合；若采用“上压力”时；则轧制线在轧辊中线的下方；当采用“下压力”时，轧制线则在轧辊中线上方。设压力值为，将孔型配置上压，则：式中—上辊平均工作直径，；—下辊平均工作直径，。因此故式中轧辊中线与孔型中性线的距离。当上压配置时，上辊的平均工作直径大于下辊平均工作直径，轧辊中线位于孔型中性线上方，距离为的压力值。下压配置时，正好相反，轧辊中线位于孔型中性线下方。无论上压与下压配置，孔型中性线与轧制线重合。孔型压力配置步骤：1）画出轧辊轴线和轧辊中线。2）选择压力，确定压力值，确定孔型中性线在轧辊中线的上方还是下方，上压时，孔型中性线在轧辊中线之下。下压时，孔型中性线在轧辊中线之上。距离为1/4的压力值。3）使孔型中性线与轧制线重合，并画上孔型图。4）注明孔型各部分轧辊直径与尺寸。孔型在辊身长度方向配置在轧辊辊身长度方向上配置孔型的原则是：有利于轧机产量的提高和产品质量的保证；操作方便，便于实现机械化和自动化，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