华北理工孔型设计讲义04简单断面型钢孔型设计

第四章简单断面型钢孔型设计型钢的品种规格很多，这里仅介绍最常见的并有代表性的型钢。轧制型钢的延伸孔型设计方法已在前面进行了详细的讨论，所以本章只讨论轧制型钢的最后几个孔型，即预轧孔型和成品孔型(或精轧孔型系统)的设汁方法。成品孔型设计的一般问题热断面成品孔型的尺寸和形状与成品名义尺寸和形状并不完全一样.这主要是由于轧件温度和断面温度不均匀对成品尺寸和断面形状的影响。一热断面尺寸轧件从成品孔型轧出后温度一般波动在之间，轧后热状态轧件的尺寸与冷却后轧件的关系为：为了使成品尺寸精确，设计成品孔型时必须考虑轧件的终轧温度，使成品孔型的主要尺寸为成品尺寸的相应倍数(1.010~1.0145)。二热断面形状轧件在成品孔型中轧制时，断面各部分的温度是不均匀的，在某些条件下，这种温度差将会影响冷却后成品的断面形状。轧制方钢时。菱形轧件进入精轧孔型之前，其锐角部位的温度比钝角部位的低，如图所示，因此成品孔型轧出方钢的水平轴温度高于垂直轴.这样冷却后水平轴的收缩量将大于垂直轴，结果造成垂直轴处的顶角小于为了防止这种现象的发生，同时又由于方钢成品孔型在使用中顶角部位磨损较快，使磨损后的顶角小于如图所示，因此不论是从保证成品断面形状正确，还是从延长孔型的使用寿命，使成品孔的水平轴略大于垂直轴是有益的，此时成品孔型的顶角为，而不是。负偏差轧制在实际生产中轧制条件是在不断变化的.如设备零部件和孔型的不断磨损，轧制温度的变化等，想要轧制出没有尺寸偏差的成品是不可能的，所以每种轧制产品都规定有一定的尺寸允许偏差。偏差的大小是根据钢材的用途和当时轧钢技术的发展水平由国家有关部门颁发的标准决定的。随着轧钢技术水平的发展，偏差规定的范围越来越小。在实际生产中全部采用最大允许负偏差轧制是不可能的，也是很危险的。采用负偏差轧制节约钢材量的多少，取决于轧钢设备的装备水平和轧钢调整工利用允许负偏差的程度。为了实现负偏差轧制，孔型设计时必须予以考虑。成品孔型设计的一般程序为：1)根据终轧温度确定成品断面的热尺寸；2)考虑负偏差轧制和轧机调整，从热尺寸中减去部分(或全部)负偏差、或加上部分(或全部)正偏差；3)必要时还要对以上计算出的尺寸和断面形状加以修正。圆钢孔型设计轧制圆钢的孔型系统圆钢的孔型系统在这里是指轧制圆钢的最后3-5个孔型，即精轧孔型系统。常见的圆钢孔型系统有如下四种。一方—椭圆—圆孔型系统这种孔型系统的优点是：延伸系数较大；方轧件在椭圆孔型中可以自动找正，轧制稳定；能与其它延伸孔型系统很好衔接。其缺点是：方轧件在椭圆孔型中变形不均匀；方孔型切槽深；孔型的共用性差。由于这种孔型系统的延伸系数大，所以被广泛应用于小型和线材轧机轧制32mm以下的圆钢。二圆—椭圆—圆孔型系统与方—椭圆—圆孔型系统相比，这种孔型系统的优点是：轧件变形和冷却均匀：易于去除轧件表面的氧化铁皮，成品表面质量好；便于使用围盘；成品尺寸比较精确；可以从中间圆孔型轧出多种规格的圆钢，故共用性较大。其缺点是：延伸系数较小；椭圆件在圆孔中轧制不稳定，需要使用经过精确调整的夹板夹持，否则在圆孔型中容易出“耳子”。这种孔型系统被广泛应用于小型和线材轧机轧制40mm以下的圆钢。在高速线材轧机的精轧机组，采用这种孔型系统可以生产多种规格的线材。三椭圆—立椭圆—椭圆—圆孔型系统这种孔型系统的优点是：轧件变形均匀；易干去除轧件表面氧化铁皮，成品表面质量好；椭圆件在立椭圆孔型中能自动找正，轧制稳定。其缺点是：延伸系数较小；由于轧件产生反复应力。容易出现中心部分疏松，甚至当钢质不良时会出现轴心裂纹。这种孔型系统一般用于轧制塑性较低的合金钢或小型和线材连轧机上。四万能孔型系统这种孔型系统的优点是：共用性强，可以用一套孔型通过调整轧辊的方法。轧出几种相邻规格的圆钢；轧件变形均匀；易于去除轧件表面的氧化铁皮。成品表面质量好。其缺点是：延伸系数较小；不易于使用围盘；立轧孔设计不当时，轧件容易扭转。这种孔型系统适用于轧制的圆钢。圆钢成品孔型设计圆钢成品孔型是轧制圆钢的最后一个孔型，其设计的好坏直接影响到成品的尺寸精度、轧机调整和孔型寿命。设计圆钢成品孔型时，一般应考虑到使椭圆度变化最小，并且能充分利用所允许的偏差范围，即能保证调整范围最大。为了减少过充满和便于调整，圆钢成品孔的形状采用带有扩张角的圆形孔。目前广泛使用的成品孔构成方法如图所示。成品孔型的基圆半径R为：式中：普碳钢碳素工具钢滚珠轴承钢高速钢1.011~1.0151.015~1.0181.018~1.021.007~1.009成品孔型的宽度：成品孔型的扩张角：。成品孔型扩张半径应按如下步骤确定，即先确定出侧角，其值为:当按上式求出的值小于时，才能求扩张半径'.若按上式求出的值为时，则只能在孔型的两侧用切线扩张;若时，有两种调整方法：1）调整值，使。当时，则可按下式确定:2）调整，使，并用切线扩张这时辊缝S可根据所轧圆钢直径d按下REF_Ref275599027表4-1选取，外圆角半径表STYLEREFu正文1级标题\n4-SEQ表\*Arabic\n1圆钢成品孔辊缝S与d的关系,mm6~910~1920~2830~7070~200,mm1~1.51.5~22~33~44~8高度设计有两种方法：标准尺寸设计：部分负公差或负公差设计：高速线材轧机，由于成品正负偏差范围很小，成品圆孔通常用切线扩张，扩张角取值范围如下:成品直径/mm5.56.5789101214扩张角/()3030252520202020这时，圆钢成品前孔（K2）的构成圆钢成品前孔为椭圆孔，利用绝对宽展系数法：孔型宽度：孔型成品孔椭圆孔圆孔0.3~0.50.8~1.20.4~0.5孔型高度：辊缝值可按成品孔型取（REF_Ref275599027表4-1）经验公式法：圆钢成品再前孔（K3）的构成基圆直径：孔型宽度：辊缝值可按成品孔型取（REF_Ref275599027表4-1）到目前为止，其他精轧孔型都是根据经验数据确定的，此时确定的是孔型尺寸，而不是轧件尺寸，这一点与延伸孔型设计不同。为了可靠，在确定各精轧孔型之后，可以利用延伸孔型系统一章中介绍的三种计算金属变形的方法，当然也可以利用其他方法，验算轧件在孔型中的充满程度。当孔型充满程度不合适时，应修改孔型尺寸。圆钢孔型设计实例例某小型轧钢车间分别由两台交流电机传动，成品机架速度为6.5m/s。试设计轧制20mm圆钢的精轧孔型。解在轧机上轧制20mm圆钢可采用方—椭圆—圆孔型系统螺纹钢孔型设计表面带肋的钢筋称带肋钢筋，又称螺纹钢筋，简称螺纹钢。螺纹钢的公称直径用横截面面积相等的光面钢筋的公称直径表示。由于螺纹钢在钢筋混凝上结构中与混凝土有较强的握裹力，所以它已经代替光面钢筋广泛用于基本建设中。根据螺纹钢的生产方式可分为热轧螺纹钢(热轧带肋钢筋)和冷轧螺纹钢(冷轧带肋钢筋)。GB1499-1998规定，热轧螺纹钢筋的横截面通常为圆形，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋，横肋的纵截面呈月牙形，且与纵肋不相交，如图4-12所示。螺纹钢的孔型系统螺纹钢的孔型系统与圆钢非常相似，两者之间的差别仅在于成品孔和成品前孔。在实际生产中，除K1和K2孔外，各轧钢厂相同规格的圆钢和螺纹钢都是公用一套孔型的，所以螺纹钢延伸孔型系统设计与圆钢相同。其精轧孔型系统一般为:方—椭圆—螺或圆—椭圆—螺。一成品孔（KI孔）设计1）成品孔内径由于螺纹钢圆形槽底的磨损大于其它各处，并考虑负偏差轧制，因此成品孔内径按负偏差设计，即:或式中—内径允许最大负偏差，mm；—成品内径的公称直径，mm。如果考虑负偏差和热膨胀近似相等，则2）成品孔内径开口宽度Bk为了保证螺纹钢的椭圆度要求。成品孔内径的开口宽度按下式确定:或3）成品孔内径的扩张角和扩张半径当成品孔内径和开口宽度Bk已知时，可利用圆钢成品孔的设计方法，求出螺纹钢成品孔内径的扩张角和扩张半径。开口处的圆角半径：4）横筋高度和宽度为了提高成品孔的使用寿命，防止由于圆形槽底磨损较快而造成横筋高度小于最大负偏差的情况发生，故横筋的设计高度通常按部分正偏差设计：或—公称尺寸。横筋顶部宽度不能按负偏差设计，否则金属很难充满横筋。所以横筋宽度的设计尺寸应取公称尺寸，或比公称尺寸大0.1~0.2mm。或5）纵筋宽度纵筋宽度是指纵筋的厚度，也就是辊缝值的大小。一般纵筋宽度按公称尺寸选取。6）横筋半径横筋在钢筋截面上的投影半径，即是轧槽加工时的铣槽半径。由图4-13可知，横筋的弓形弦长为：（4-7）式中成品孔内径，mm；横筋末端最大间隙。横筋的弓形高度为：由图4-14可知因故将上式整理后得（4-12）7）横筋间距——螺纹槽数间距与轧辊直径与螺纹槽数有对应关系。式中8）螺旋角二成品前孔(K2孔)设计平椭圆孔：优点是能减少成品纵肋，但受来料宽度的影响。当K3孔来料小时，平椭圆孔不能轧出理想的圆弧；来料较大时，则极易起耳子，进入成品孔会形成折叠而造成废品。双弧椭圆孔：双弧椭圆孔是用两个不同的圆弧半径连接起来的，克服了单弧椭圆孔易形成纵肋耳子过大和横肋边部填充不好的缺点。但是制作孔型样板及刀具研磨较困难。短平弧椭圆：克服了平弧椭圆的缺点，同时制作样板及样板刀较容易。项目平椭圆孔双弧椭圆孔短平椭圆孔备注孔型高度为螺纹钢名义直径。平弧椭圆与双弧椭圆当时当时槽口宽度槽底宽度外圆角半径内圆角半径圆弧半径辊缝值孔型1.88~3.16三成品再前孔（K3孔）构成采用圆—短平椭圆—螺纹孔型系统，成品再前孔尺寸为：基圆直径：—钢筋名义直径。孔型高度：孔型宽度： 辊缝、圆角半径、圆弧半径见下表：规格高度宽度圆弧半径圆角半径辊缝15.5167.75131818.691320.52110.2514232411.51.54252612.51.5428301424角钢孔型设计角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的两个边宽相等。其规格以边宽×边宽×边厚的毫米数表示。如“∠30×30×3”，即表示边宽为30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。也可用型号表示，型号是边宽的厘米数，如∠3#。型号不表示同一型号中不同边厚的尺寸，因而在合同等单据上将角钢的边宽、边厚尺寸填写齐全，避免单独用型号表示。热轧等边角钢的规格为号。同一号角钢常有种不同的边厚。一般边长12.5cm以上为大型角钢，边长为12.5~5cm为中型角钢，边长5cm为小型角钢。角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构，如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等。角钢轧制过程的金属变形：腿部变形较均匀，而两条腿的压下量基本相同。因为顶部的温度低，金属流动阻力较大，保证轧制过程中角钢成尖锐清晰的顶角，是角钢孔型设计必须注意的问题。角钢的孔型系统轧制角钢可以采用多种孔型系统，其中使用最广泛的是蝶式孔型系统。一蝶式孔型系统蝶式孔型系统中有用立压孔和不用立压孔的蝶式孔型系统之分。(1)用立压孔型的蝶式孔型系统这一系统如图4-14所示。立压孔型可位于靠近成品孔型，如有些连轧机带有立辊机架，成品前孔常为立压孔：一般在三辊式轧机上把它放在下轧制线卜，因而处于成品前前孔。立压孔型数可用1或2个：在有平立辊交替布置的连轧机上，根据需要有时其下采用3个立压孔型:若在角钢孔型之前接以延伸孔型系统，则靠近成品孔处用一个立压孔型即可。使用立压孔型的目的是加工角钢边端和控制角钢边部长度，有时是为了增加延伸孔型的共用性，如用一套延伸孔型可轧边长差较大的几种规格的角钢。使用立压孔型的好处是：可以用自由展宽的孔型；一套轧辊能轧尺寸相邻的几种不同规格的角钢；角钢边端质量好；轧件表面上的铁皮易脱落，成品表面质量好；在立压孔型中可给轧件形成较尖锐的顶角创造有利条件，顶角易尖。使用立压孔型的缺点是：用一个立压孔型就要有两次翻，它有时使轧制的间隙时间增加，从而影响轧机的生产能力，同时使操作困难和劳动强度增加；轧槽较深，影响轧辊强度和轧辊的使用寿命；进立压孔型的轧件不能太薄，若轧件太薄，立压孔型就不起控制边长和加工边端的作用，这是因为边部薄的轧件在立压孔型中将被压弯之故。这种孔型系统主要适用于有立辊机架的连轧机和用人工操作的小型轧机。(2)无立压孔型的蝶式孔型系统这种孔型系统如图4-15所示。它是较为常用的孔型系统，既可用于轧制大型和中型角钢，也可用于轧制小型角钢。它的特点是用闭口孔型使蝶形轧件的边端得到加工，同时控制其边长。由于无立压孔型，因此不要求翻钢，可使操作简便，劳动强度减轻，而且使轧机生产能力提高。二几种特殊的孔型系统(1)“对角“轧制的蝶式孔型系统这种孔型系统如图4-16所示。在中小型轧机上，有时方坯尺寸较小又要求轧出较大号的角钢，用一般的轧法轧不出足够的边长；还有时为了延伸孔型尽量共用，用少量的轧辊进行多品种小批量生产，这时可用小断面方轧件经生道次轧出角钢，如用mm的方断面坯料轧出mm的等边角钢。(2)“钟”形蝶式孔型系统当钢坏质量不好和角钢边端加工不足时，轧出的角钢边端常有发纹，轧机又无翻钢设备，不能采用对角轧法，这时可采用“钟”形蝶式孔型系统，如图4-17所示。其特点是使钢锭或钢坯的角部处于成品角钢的边端部位，以便改善其边端质量。实践表明使用这种孔型系统对于改善角钢边端质量是有效的。(3)W型的蝶式孔系统：W型的蝶式孔型系统如图4-18所示。采用这种孔型系统的目的是用较小的钢坯轧制较大规格的角钢，如用mm的扁坯可轧出mm的等边角钢，而且还可以保证角钢边端质量良好。(4)折弯轧法这种轧法的特点是先将钢坯轧成异型扁钢，再把异型扁钢边部轧薄，然后在轧薄边部的同时弯折边部；或在开口孔型中轧制与弯曲同时进行，如图4-19所示：或者热轧成满足成品角钢所需断面形状和尺寸的轧件，然后于800℃左右，在热弯成型机组上得出薄壁角钢如图4-20所示，这种轧法主要用于生产薄壁角钢。孔数与变形系数孔数轧制角钢所用的异型孔数视具体轧制条件而异，其异型孔(蝶式)孔数可取为4-6个，轧制小角钢最少可用2个异型孔，轧制大角钢异型孔数可达7个。应指出，异型孔数太少，山于不均匀变形严重，对稳定轧制不利;而异型孔数太多，一方面使道次数增多，对轧机生产能力不利，另一方面也将为轧机的调整带来麻烦。变形系数(1)延伸系数轧制角钢的平均延伸系数。最小的延伸系数。最大延伸系数以上。(2)压下系数与压下量设计角钢孔型时和设计扁钢孔型一样，经常以压下系数和压下量为主要依据。为了轧制稳定，最小压下系数对于中小型角钢一般取为1.15~1.2，对于大号角钢取1.1左右；平均压下系数，最大压下系数。一般轧制小号角钢时，压下系数取大些；轧制大号角钢时，压下系数取小些。轧制角钢时，允许的变形系数常受孔型磨损程度限制。为了减少换孔或换辊，使轧制稳定，并保证轧件表面质量，所选用的压下系数应比轧制扁钢时略小一些。设计角钢孔型时，在各异型孔中实际使用压下量和压下系数的数据如表4-13所示。限制压下系数和压下最的主要因素有咬入条件、轧辊强度、电机能力、轧件表面质量和在横列式型钢轧机上交叉轧制的条件等。(3)展宽系数轧件在各异型孔型中两个边部的总展宽系数因轧制条件而异一般设计角钢孔型时可按表4-14所列数据选取。等边角钢的孔型设计一成品孔型的设计等边角钢成品孔型如图4-21所示。成品孔型的锁口有两种形式，其一如图4-21a所示，在其边端处有凸台，用它控制边长和使边端得到一定的加工，防止边端出现大圆角现象，并便于确定导卫板的安装位置。有的专业化生产角钢的车间，采用带凸台的成品孔型和开口在下的成品前蝶式孔型相配合的轧制方法，轧出了尺寸精确和外形美观的角钢。但是对于边厚小于4mm的角钢就不必采用这种方法，因为这时对边端的加工作用不大。一般型钢车间在轧制角钢时，为了防止成品角钢边端出“耳子”，常采用不带凸台的成品孔型如图4-21b所示。角钢成品孔型的边厚可取标准尺寸，边长：式中成品的边长，如图4-22所示；成品正公差。成品孔型的锁口长度（或腿长余量）。可视在同一成品孔型所轧产品边厚差来确定一般用4~15mm或更大些。公式为：—成品腿厚。通常希望使成品孔型的槽口宽度大于成品前孔的宽度，这样就要求值大些；但值过大将使轧辊的最小直径变小，从而使轧辊强度下降。胯下圆角半径值按标准尺寸确定。成品孔型的顶角可取为，10号以上的角钢为防止轧后冷却收缩时顶角变小，所以成品孔型顶角采用。辊缝S的最小值应大于轧辊的弹跳值：其最大值应在调整轧辊使S=0时，上下轧槽应不接触，即。这一原则适用于各种异型钢材的孔型设计。辊缝圆弧：二蝶式孔型的设计蝶式孔数目根据断面大小一般取3~7个，蝶式孔型多轧制过程变形缓和孔型磨损均匀。对产品质量有益。但增加轧制道次，轧辊车削量和储备量都增加。因此应慎重确定。一般轧制小号角钢取3~4个，中号角钢4~7个角钢蝶式孔型设计的方法很多，而目各有一套孔型的构成方法和计算方法。下面介绍的是以角钢和蝶式轧件边部中心线长度作为依据的蝶式孔型设计方法。基本参数计算：（1）成品前蝶式孔（K2孔）顶角a一般取其等于成品孔顶角，即。（2）K2孔的、圆弧段半径、水平段长度。表4-15角钢蝶式孔参数规格参数水平段长度/mm2~3.6号0~4.54~6.3号0~207.5~12号12~18（3）各蝶式孔的腿厚。蝶式孔的孔型设计均逆轧制方向进行。各孔型腿厚均按前一孔型的腿厚压下量或压下系数确定。各蝶式孔中的压下系数或压下量可按表4-16中的数据确定。表4-16蝶式孔型中的压下系数和压下量表孔型K1K2K3K4K5K6K71.1~1.371.13~1.731.205~1.571.27~1.91.31~1.481.27~1.521.3~1.450.5~21~52~73~18