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資訊綜述

孔型設(shè)計

我國棒材生產(chǎn)的特點
1）產(chǎn)能高我國線棒材無論是軋機數(shù)量，產(chǎn)量還在以較快速度增長（年平均增長速度為 15%左右）。至 2008 年下半年，雖受國際金融危機的影響，其產(chǎn)量仍保持較小幅度增長。目前，我國線棒材產(chǎn)量占鋼材產(chǎn)量的 48%～50%。而美國同期線棒材產(chǎn)量占鋼材產(chǎn)量的 22%，日本同期線棒材產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的 27%，而且近幾年產(chǎn)量對平穩(wěn)。
2）生產(chǎn)設(shè)備參差不齊基于節(jié)省資源和環(huán)保的要求，鋼材的生產(chǎn)越來越重視先進技術(shù)和裝備的使用。近年來我國小型線棒材軋機向連續(xù)化、自動化、大型化發(fā)展。但同時存在大量落后產(chǎn)能，據(jù)調(diào)查，約有 40%的小型型鋼（線棒材）生產(chǎn)線屬于落后淘汰設(shè)備
3）管理水平逐年提高近年來，我國線棒材廠總體生產(chǎn)管理水平逐年提高，特別是實行負(fù)公差軋制的軋機，成材率高達 98%以上，采取多項措施擴大產(chǎn)品規(guī)格和提高產(chǎn)品質(zhì)量，可滿足不同的用戶的需求，增加了市場份額。
4）高質(zhì)量、高附加值的經(jīng)濟性線棒材所占比例少，很多高質(zhì)量、高附加值產(chǎn)品仍靠進口?？仔驮O(shè)計是型鋼生產(chǎn)中必不可少的步驟之一，孔型設(shè)計的合理與否直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、軋機的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品的成本、勞動條件和勞動強度等。圓鋼屬于簡單斷面型鋼的一種，在工業(yè)生產(chǎn)中，自然缺少不了孔型設(shè)計這一步驟。軋制圓鋼的孔型系統(tǒng)有多種，應(yīng)根據(jù)直徑、用途、鋼號及軋機形式來選用。本文主要介紹孔型設(shè)計的一些基本知識和原理，并以生產(chǎn)φ 20mm 圓鋼為例，說明孔型設(shè)計的方法。

制定工藝流程
2.1 坯料的種類
型鋼原料分為鋼錠、鋼坯和連鑄鋼坯三種。
鋼錠由于鑄造工藝的限制，一般斷面較大，而且為了脫模不可避免地在鋼錠長度方向帶有錐度，這就造成以鋼錠為原料生產(chǎn)線材時的軋制道次多，軋制過程中溫降大。目前，用鋼錠作原料直接軋成線材的生產(chǎn)方式已被淘汰。鋼坯經(jīng)粗軋機開坯軋制而成，其規(guī)格范圍廣、鋼種多但并不能消除偏析、縮孔等缺陷且再生產(chǎn)過程中要發(fā)生燒損、切頭、切尾等。故軋制鋼坯很少用。
采用連鑄坯為原料，與采用軋坯相比，金屬收得率提高、能耗低、勞動條件改善、生產(chǎn)率提高。因此本設(shè)計原料選用連鑄坯。
2.2 工藝流程

2.3 坯料的加熱
圓鋼材軋機所使用的主要是連續(xù)式加熱爐，多采用側(cè)出方式。鋼坯入爐有側(cè)入、端入兩種方式，側(cè)入爐門小，易保證爐子的嚴(yán)密性但不如端進容易排列坯料，所以兩種方式均有采用連續(xù)式加熱爐按鋼坯在爐內(nèi)運行方式分為推鋼式和步進式。步進式中又分為步進梁式爐、步進底式爐和步進梁底組合式爐。近幾年所建方鋼材軋機大都選用步進式連續(xù)加熱爐，因為步進式加熱方式更適合圓鋼材生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量要求。
爐區(qū)機械設(shè)備包括：上料臺架、分鋼機、剔除裝置、爐前輥道、兩個升降擋板、稱重裝置、裝料爐門、爐內(nèi)裝料懸臂輥道、對齊推鋼機、爐底機械、出料爐門、爐內(nèi)出料懸臂輥道、風(fēng)機等
2.4 軋機及相關(guān)設(shè)備
1. 粗軋工藝及設(shè)備
粗軋的主要功能是使坯料得到初步壓縮和延伸，得到溫度合適、斷面形狀正確、尺寸合格、表面良好、端頭規(guī)矩、長度適合工藝要求的軋件。粗軋機多采用平-立交替軋機無扭軋制，機架數(shù)一般采用平箱—立箱,平均道次延伸系1.28～1.32。在粗軋階段普遍采用微張力或低張力軋制，因為此時軋件斷面尺寸較大，對張力不敏感，設(shè)置活套實現(xiàn)無張力軋制十分困難也不經(jīng)濟。粗軋后的切頭切尾工序是必要的。軋件頭尾兩端的散熱條件不同于中間部位，軋件頭尾兩端溫度較低，塑性較差；同時軋件端部在軋制變形時由于溫度較低，寬展較大，變形不均造成軋件頭部形狀不規(guī)則，這些在繼續(xù)軋制時都會導(dǎo)致堵塞入口導(dǎo)衛(wèi)或不能咬入。為此在經(jīng)過 6 道次粗軋后必須將端部切去。通常切頭切尾長度在 70～200mm。
2. 中軋工藝及設(shè)備
中軋的作用是繼續(xù)縮減粗軋機組軋出的軋件斷面，為精軋機組提供軋制成品線材所需要的斷面形狀正確、尺寸精確并且沿全長斷面尺寸均勻、無內(nèi)在和表面缺陷的中間料。中軋機組的基本功能、使用條件及工藝要求和粗軋機組大體相同，因此在軋機的型式上除短中心距緊湊式軋機是適應(yīng)粗軋?zhí)囟l件而在中軋機組中使用外，中軋機組的設(shè)備型式基本和粗軋機組一樣。中軋采用的孔型系統(tǒng)一般是橢圓—圓—橢圓—圓孔型系。中軋的平均道次延伸系數(shù)一般在1.28～1.34 之間。
3. 精軋工藝及設(shè)備
精軋目的是軋制出成品，為保證產(chǎn)品尺寸精度，延伸量較小，成品孔和成品前孔延伸系數(shù)一般為 1.1～1.2 和 1.2～1.3.。精軋對精軋機的要求是速度和精度。精軋機組軋制品種較大，孔型復(fù)雜，變形分配不均勻，軋制速度高，要求具有優(yōu)異的抗熱裂性、耐磨性和抗崩裂剝落性能，并具有一定的耐熱疲勞性能的特性
2.5 剪切設(shè)備及工藝
軋制過程共設(shè)有三臺旋轉(zhuǎn)飛剪。其中 1#旋轉(zhuǎn)式飛剪置于粗軋機組后，用于切頭切尾和事故碎斷處理。2#旋轉(zhuǎn)式飛剪置于中軋機組后，作用同 1#飛剪. 3#旋轉(zhuǎn)式飛剪置于精軋機組后，也叫倍尺剪，是將棒材在上冷床前成倍尺分段，同樣起事故碎斷處理作用。冷剪位于冷床出口側(cè)，用于剪切成品定尺鋼材，冷剪按其剪切方式可分為兩類，一類是停剪，即鋼材在輥道上靜止后剪切；一類是飛剪，即鋼材在輥道上運輸中完成剪切。
2.6 控制冷卻工藝及設(shè)備
圓鋼材軋后冷卻的目的主要是得到產(chǎn)品所要求的組織與性能，使其性能均勻和減少二次氧化鐵皮的生成量，為了減少二次氧化鐵皮量，要求加大冷卻速度。要得到所要求的組織和性能，則需根據(jù)不同品種，控制冷卻工藝參數(shù)。一般圓鋼材軋后控制冷卻過程可分為三個階段，一階段的主要目的是為相變作組織準(zhǔn)備及減少二次氧化鐵皮生成量。一般采用快速冷卻，冷卻到相變前溫度，此溫度稱為吐絲溫度；第二階段為相變過程，主要控制冷卻速度；第三階段相變結(jié)束，除有時考慮到固溶元素的析出采用慢冷外，一般采用空冷。
2.7 冷床區(qū)設(shè)備及工藝
冷床區(qū)設(shè)備包括冷床入口設(shè)備、冷床、冷床出口設(shè)備等。
冷床入口設(shè)備包括輸入輥道、重疊裝置、升降裙板輥道、分鋼器、安全擋板等。
冷床使軋件在空氣中冷卻并將軋件輸送到冷剪工作區(qū)。為了保證斷面較小、長度較大的細(xì)長軋件不至于因冷卻過程而造成彎曲和扭轉(zhuǎn)，并防止軋件表面擦傷，圓材一般都采用步進齒條式冷床、擺式冷床。冷床由冷床床體、對齊輥道、固定擋板及水冷系統(tǒng)組成。
冷床出口設(shè)備包括帶有棒層輸送小車的輥道和棒層形成裝置。
2.8 圓鋼材的精整、運輸與成品庫
（1）圓鋼的修整圓鋼的修整主要是對它的頭、尾修剪。相對地說，圓鋼材頭、尾部分容易產(chǎn)生缺陷，且頭、尾處軋件寬展量偏大，容易造成尺寸超差。為此，在圓鋼打捆之前要進行修整，將圓鋼頭尾的缺陷剪除。
（2）成品檢查圓鋼成品檢查包括圓鋼材外觀質(zhì)量檢查和組織性能檢驗。組織性能檢驗是按照國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及合同中用戶提出的技術(shù)要求進行的。外面質(zhì)量檢查是檢查圓鋼材的形狀、尺寸和表面缺陷是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
2.9 打捆機的工藝
自動打捆機是近年來為提高作業(yè)率、降低勞動強度而發(fā)展起來的。它在連軋機上取代了傳統(tǒng)的人工手動打包或人工簡易氣動打包。一般自動打捆機根據(jù)產(chǎn)品的不同分為線材自動打捆機、棒材自動打捆機、型鋼自動打捆機等

孔型設(shè)計
3.1 確定各道次延伸系數(shù)
產(chǎn)品要求：用 140×140mm 坯料軋制成直徑 20mm 的圓鋼
（1）計算總延伸系數(shù)
根據(jù)本軋機的布置形式和選擇的孔型系統(tǒng)，參考相關(guān)延伸系數(shù)，取平均延伸系數(shù)μ =1.35，則軋制道次數(shù)為：
孔型系統(tǒng)的選擇：圓鋼孔型系統(tǒng)一般由延伸孔型系統(tǒng)和精軋孔型系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。延伸孔型系統(tǒng)的作用在于壓縮軋件斷面，為成品孔型系統(tǒng)提供合適的紅坯。它對鋼材軋制的產(chǎn)量、質(zhì)量有很大影響，但對產(chǎn)品形狀尺寸影響不大。常用的延伸孔型系統(tǒng)有箱形、菱-菱、菱-方、橢-方、橢圓-圓、六角-方、橢圓-立橢圓等，常用精軋孔型系統(tǒng)有方-橢圓-圓，圓-橢圓-圓等。
整個孔型系統(tǒng)分為粗軋，中軋，精軋三部分
粗軋孔型系統(tǒng)：斷面大，采用箱型孔型系統(tǒng)解決開花頭子問題，以及有利于去除表面在加熱時形成的一次氧化鐵皮。
中軋孔型系統(tǒng)：可采用橢-方、六角-方等孔型系統(tǒng)，采用橢-圓孔型系統(tǒng)有利于軋件自動認(rèn)面進鋼，變形穩(wěn)定
精軋孔型系統(tǒng)：采用橢圓—圓孔型系統(tǒng)，這是因為雖然延伸系數(shù)小，但變形緩和能保證產(chǎn)品質(zhì)量，軋機為平-立交替布置，利于實現(xiàn)翻鋼。
孔型系統(tǒng)的選擇為：1 矩形箱—2 方箱—3 矩形箱—4 方箱—5 橢圓—6 圓—7 橢圓—8 圓—9 橢圓—10 圓—11 橢圓—12 圓—13 橢圓—14 圓

（2）分配延伸系數(shù)：

3.2 確定各道次軋件的斷面尺寸
3.2.1 求各道次方或圓的孔型尺寸

3.2.2 確定孔型系統(tǒng)中間軋件尺寸
中間軋件是指前后兩個方（圓）件之間的軋件，可為矩形、菱形、六角形、橢圓等，且所指的中間軋件斷面尺寸是指高和寬處尺寸。

根據(jù)圓夾橢來計算軋件尺寸

bA、hA、ba、ha――方件在孔型中的高和寬處尺寸，是軋件尺寸，非孔型尺寸，可取邊長的 1.2 倍。當(dāng)中間孔為菱形時，為簡化計算，均以尖角處的尺寸為準(zhǔn)，這樣，hz、bz、bA、hA、ba、ha 均為對角線尺寸。
一般按下表選取寬展系數(shù)：

3.3 孔型設(shè)計計算
3.3.1 精軋孔型設(shè)計
1.成品孔型設(shè)計
圓鋼成品孔型是圓鋼成品孔型設(shè)計的好壞直接影響到成品的尺寸精度、軋機調(diào)整和孔型壽命。設(shè)計圓鋼成品孔型時，一般應(yīng)考慮到使橢圓度變化小，并且能充分利用所允許的偏差范圍，即能保證調(diào)整范圍大。為了減少過充滿和便于調(diào)整，圓鋼成品孔型的形狀采用帶有擴張角的圓形孔。
目前廣泛采用的成品孔構(gòu)成方法有兩種，一種是雙半徑圓弧法，另一種是由孔型兩側(cè)用切線連結(jié)的擴張角法。雙半徑圓弧法長期以來是圓鋼成品孔慣用的設(shè)計方法，但隨著對圓鋼產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，這種方法不適應(yīng)高精度圓鋼的生產(chǎn)，因為這種成品孔的設(shè)計造成公差帶減少，調(diào)整范圍變窄，成品尺寸難以控制。
由孔型兩側(cè)用切線連結(jié)的擴張角法具有的優(yōu)點是：
1.作圖簡單，便于制作軋槽樣板；
2.其中心張角比較小，使軋件的真圓度提高，軋制時金屬超出標(biāo)準(zhǔn)圓的部位比較少；
3.增大了測壓作用，使限制軋件寬展的作用加強，更有利于控制成品寬度方向的尺寸；
4.軋件充滿孔型時，輥縫斜線直徑仍不會超出公差范圍；
5.可以減少因孔型磨損后在中心張角 30°對應(yīng)的圓周上直徑超出公差范圍的現(xiàn)象。因此本設(shè)計中采用由孔型兩側(cè)用切線連結(jié)的擴張角法。成品孔型的高度hk為：

d 為圓鋼的公稱直徑或稱為標(biāo)準(zhǔn)直徑，單位 mm；Δ _為負(fù)公差，單位 mm;1.007～1.02 為熱膨脹系數(shù)，其具體數(shù)值根據(jù)終軋溫度和鋼種而定，各種鋼可取為：

由上表取輥縫 s=2mm
則θ =19.4°
外圓半徑： r=1mm 孔型圖如下：
2.圓鋼成品前孔的構(gòu)成
橢圓的成品前孔是橢圓孔型，用絕對寬展系數(shù)計算法確定成品前圓孔。

3.圓鋼成品再前孔
圓-橢圓-圓精軋孔型系統(tǒng)成品再前孔為圓孔。
基圓直徑：
當(dāng)圓鋼的直徑 d0=8—12 時，D3=H3=（1.18—1.22）d0
當(dāng)圓鋼的直徑 d0=13—30 時，D3= H3=（1.21—1.26）d0
式中：d0為成品圓鋼直徑；
孔型寬度：bk=（1.15—1.28） D3
從而：D3= H3=（1.21—1.26）d0= 25
bk=（1.15—1.28） D3= 30
取輥縫 s =2mm

則θ =37.6°3.3.2
延伸孔型設(shè)計
1.箱形孔的構(gòu)成

2、橢圓孔的構(gòu)成表

將數(shù)據(jù)帶入相應(yīng)上面各表，求得各延伸孔的孔型尺寸為：

第 4 章校核
4.1 咬入校核

2.精軋工作輥徑的確定

因為 S·愛克隆德公式使用范圍：軋件溫度大于等于 800℃，軋件材質(zhì)為碳鋼（其化學(xué)成分中 Mn 不超過 1％及 Cr 不超過 2～3％），軋制速度不超過 20m/s。
由于高線軋制的工藝特性，軋制過程中的溫度難以用公式來計算。所以，在此以同類車間生產(chǎn)實際中采集的數(shù)據(jù)來大概確定各道次的溫度，詳見下表

4.2 軋輥校核
在完成某個新產(chǎn)品的孔型設(shè)計時，或?qū)垯C進行技術(shù)改造時，必須對軋輥強度驗算以判定工藝規(guī)程設(shè)計的合理性。
根據(jù)前面的配輥情況可知，每架軋機的軋輥都有多個軋槽，由各個軋槽過鋼時，軋制壓力及軋制力矩均相同，且根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)知識可知：當(dāng)中間軋槽過鋼時，軋輥危險面的彎矩大，軋輥危險。在型鋼生產(chǎn)中，通常把軋輥上的軋制力當(dāng)成是集中力來看待。
4.2.1 軋制壓力的計算
1. 計算單位軋制壓力，采用艾克隆德公式

2、計算接觸面積

4.2.2 軋制力距計算
制力矩的方法有三種：
1. 按金屬作用在軋輥上的總壓力 P 計算軋制力矩。
2. 按金屬作用在軋輥上的切向摩擦力計算軋制力矩。
3. 按軋制時的能量消耗確定軋制力矩。
計算中采用一種方法計算。

式中：P—軋制壓力
x—力臂系數(shù)，對Φ 20mm 圓鋼生產(chǎn)，取 x=0.5
R—工作輥徑的半徑
Δ h—壓下量
帶入數(shù)據(jù)得：

4.2.3 軋輥校核
軋輥直接承受軋制力和轉(zhuǎn)動軋輥的轉(zhuǎn)動力矩，因此，軋輥強度往往決定整個軋機負(fù)荷能為了保證軋輥有足夠的強度抵抗破壞的能力，孔型設(shè)計完成之后一般要對軋輥進行強度校核，它包括：輥身強度、輥頸強度和輥頭強度的校核。通常對輥身計算彎曲，對輥頸則計算彎曲和扭轉(zhuǎn)，對傳動端計算扭轉(zhuǎn)。型鋼軋機的軋輥，沿輥身長度上布置有許多孔型槽。軋制壓力可近似看成集中力，軋件在不同的軋槽中軋制時，軋制力的作用點是變動的。所以要分別判斷不同軋槽過鋼時軋輥個斷面的的應(yīng)力，進行比較，找出危險斷面。
軋輥斷面的彎曲應(yīng)力為：

1.采用鋼軋輥時，按第四強度理論：

2.采用鑄鐵軋輥時，按摩爾理論：

在型鋼生產(chǎn)中，通常把軋輥上的軋制力當(dāng)成是集中力來看待。
因為，粗軋第 2 架軋機軋輥，中軋第 5 機架軋輥，精軋第 11 機架軋輥對軋件施加的軋制力大，所以，此個三軋輥危險，故校核之。
第 2 機架：
型鋼軋機輥身長度 L/軋輥輥身直徑 D=1.5—2.5，取 2
由于 D=600mm
所以輥身長度 L=2×600=1200mm
選用滾動軸承
輥徑 d=（0.50～55）D C=l/2d 取 d=0.55D=0.55×600=330
則 l=1*330=330mm C=330/2=165mm a=L+2C=1530mm
采用梅花軸頭
則 d1=d-10=320mm（梅花軸頭外徑）
x=930mm
（1）由靜力學(xué)，求得軋輥輥頸處的支反力為：

（2）輥身處彎矩為：

（3）輥身強度計算：

（4）輥頸強度：

（5）輥頸危險斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（忽略摩擦力矩，則 Mn=Mz=29620N.m）

（6）輥頭強度計算（采用梅花輥頭）

（7）軋輥的作用力為：