8孔型设计基本知识 8.1概述 为得到所需断面形状、尺寸和性能的轧件,在轧辊上刻有凹入或凸出的槽子,这种刻在一个轧 辊上的槽子叫做轧槽。通过轧辊轴线的平面为轧制面。两个或两个以上轧辊上轧槽在轧制面上组成 的断面叫孔型。为将钢锭或钢坯在变化的轧辊孔型中轧制而进行的设计和计算工作称为孔型设计。 孔型设计包括三方面内容:(1)断面孔型设计根据原料和成品断面形状和尺寸及对产品性能 的要求,确定孔型系统、轧制道次和各道次变形量,以及各道次孔型形状和尺寸;(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 孔型设计是型钢生产中一项极其重要的工作,孔型设计应该做到:(1)获得优质产品即所轧 产品断面形状应正确,断面尺寸在相关标准允许公差范围之内,表面光洁,内部组织及机械性能符 合要求;2)轧机生产率高轧机生产率决定轧机小时产量和作业率。一般情况下,轧制道次愈少愈 好,在电机和设备允许的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; 3)产品成本最低孔型设计应保证轧制过程顺利,便于调整,减少切损和降低废品率。在用户无特 殊要求情况下,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消耗:4) 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。 由于孔型设计目前还处于经验设计阶段,孔型设计合理与否主要取决于孔型设计者的经验和水 平。为了正确解决上述问题,利用计算机辅助孔型设计是十分必要的,国内外已利用这种设计方法 做出了最优化孔型设计。 82孔型设计步骤 (1)孔型设计基本条件储备1)产品技术条件包括产品断面形状、尺寸及其允许偏差,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使用情况及其特殊要求;2)原料 条件包括已有钢锭或钢坯形状和尺寸,或者按孔型设计要求重新选定原料规格:3)轧杋机性能及其 他设备条件包括轧机布置、机架数、辊径、辊身长度、轧制暕速度、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、剪机或锯机性能以及车间平面布置情况等。 (2)选择合理的孔型系统选择孔型系统是设计关键步骤之一。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问题,作为新产品孔型设计的依据;对于老产品,应了解在 其他轧机上轧制该产品情况及存在问题。在品种多、产量要求不高的轧机上应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尽量采 用专用的孔型系统,可以排除其他产品的干扰并使产量提高 (3)总轧制道次数确定孔型系统选择后,必须首先制定轧制该产品的总轧制道次数及按道 次分配变形量。当钢锭或钢坯断面尺寸已知时,如用矩形断面钢锭轧成矩形断面钢坯,则总压下量 为 ∑=0+p(H-)+(- (8-1) 式中β—宽展系数,B=0.15~0.25;H、h轧制前、后轧件高度;B、b轧制前、后轧件宽度
总轧制道次为 式中1b。一道次平均压下量,M=(08-10)△hn 轧制型钢时,由于断面形状比较复杂,而且压下量是不均匀的,所以变形量通常用延伸系数来 表示。当坯料和成品的横断面面积为已知时,总延伸系数为 x五x Fi F2 F3 式中F1F2,F3,…,F1一各道轧后的轧件横断面面积;F,F一坯料和成品的横断面面积 如果用平均延伸系数μ代替各道延伸系数,则 (84) 由此可以确定总轧制道次数 IgAy Ig Fo-lg Fr (85) 轧制道次数应取整数,具体取奇数还是偶数则取决于轧机布置。平均延伸系数μ是根据经验或同类 轧机用类比法选取。表81为我国某些轧钢厂生产各种产品时所采用的平均延伸系数和总延伸系数 的数据,供设计时参考 如有儿种钢坯尺寸可以任意选择时,应根据轧机具体情况选择最合理的轧制道次,然后求出钢 坯横断面面积和边长,再根据计算出的钢坯边长选择与其接近的钢坯尺寸。 (4)各道次变形量分配分配各道次变形量应注意金属的塑性、咬入条件、轧辊强度和电机 能力、孔型磨损等几个问题。影响道次变形量的因素很复杂,经常是各种因素综合起作用。 图8-—1是变形系数按道次典型分配曲线。轧制初期轧件温度高,金属的塑性、轧辊强度和电 机能力不成为限制因素,而炉生氧化铁皮和峧咬入条件成为限制变形量的主要因素,一般取较大值 随着炉生氧化铁皮的剥落,咬入条件得到改善,而此时轧件温度降低不多,故变形系数可不断增加, 并达到最大值:随着轧制过程继续进行,轧件断面面积逐渐减小,轧件温度降低,变形抗力增加, 轧辊强度和电机能力成为限制变形量的主要因素,因此变形系数降低;在最后几道中,为了减少孔 型磨损,保证成品断面形状和尺寸精确度,应采用较小的变形系数。实际生产中应具体问题具体分 析,如连轧机上轧制时,延伸系数分配如图8-2所示。 〔5)确定轧件断面形状和尺寸根据各道延伸系数确定各道次轧件橫横断面面积,然后按照轧 件横断面面积及其变形关系确定轧件断面形状和尺寸 (6)确定孔型形状和尺寸根据轧件断面形状和尺寸确定孔型形状和尺寸,并构成孔型。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,可不事先确定轧件尺寸。 (7)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 8)校核对咬入条件和电机负荷进行校核,必要时,也要对轧辊强度进行校核。 (9)轧辊辅件设计根据孔型图和配辊图设计导卫、检测样板等辅件并绘图。导卫装置是轧 制任何断面型钢所不可缺少的诱导装置,其作用是使轧件正确送入孔型,并使轧件出轧辊时能以正 确的方向向前运动,以防止轧件扭转、旁串、甚至缠辊。导卫装置有时还能起自动翻钢和调整作用, 使轧制过程正常进行。导卫装置设计与安装的好坏,对产品的产量、质量有很大的影响,是型钢生 产中重要的一环。 装在工作辊的入口处的导卫装置叫入口导卫装置,装在出口处的叫出口导卫装置。轧机的导卫 装置通常包括横梁、导板、卫板、夹板、导板箱、托板、扭转导管、扭转辊、围盘、导管和其他诱 90
导、夹持轧件或使轧件在孔型以外产生既定变形和扭转等的各种裝置。导卫裝置必须坚固、适用 结构简单、便于制造、安装和调整、表面光滑耐磨及共用性大。 表81几种典型轧机轧制不同产品的延伸系数 伸系平 轧机 首次 名称规格/n边长m 系数μ 1597 d750×1方坯 1.147 1921 48500 φ630×1方坯 500×2方还 67000 1442 1.210 67000 27.30 L247 515×2 14.40 中450×2 12号120×160 19200 1569 1225 1.256 8×569090×120 l0800 1113.3 轻轨 125×165 2307 φ515×2 字钢10号10 15400 L.241 中450×2 球扁钢 9号90×105 电梯导轨15kg125×1659 1923 l10×140 1.36l 7069 φ430×2六角钢 39.28 300×5方钢 1960 1,219 扁钢 25×50 19600 701.217 5×50 11 1165 中300×4 槽钢 8号 90 8100 1024 13.1 中450×3 22500 201.1 111.89 φ400×2圆钢 17 314.2 中350×4 490.9 中300×6 150 22500 804.2 中500×1 中400×5 677,71 350×2 线材 4 22500 447.32 1.290 中280×8 503 4731 φ360×4 23 Φ275×4 φ210×10 150 169.56
:经影 乳剂道次 图8-1变形系数按道次分配的典型曲 图8-2连轧机上延伸系数按道次分配曲线 8.3孔型分类 8.3.1按孔型用途分类 根据孔型在变形过程中的作用分为:(1)延伸孔型(又叫开坯孔型或毛坯孔型)其作用是减 小坯料的断面积。常用延伸孔型有箱形孔、方形孔、菱形孔、椭圆孔、六角孔等;(2)成型孔型(即 中间孔型、预轧或毛轧孔型)除进一步减小轧件断面积外,还进行粗加工,使轧件断面形状和尺 寸逐渐接近于成品。轧制复杂断面型钢时这种孔型是不可缺少的,而且数量较多;轧制简单断面型 钢时则较少或没有。它的形状决定于成品断面形状;(3)成品前或精轧前孔型位于成品孔的前 道,它的作用是保证成品孔能轧出合格的产品,因此对它的形状和尺寸要求较严格,与成品孔十分 接近;(4)成品孔或精轧孔是一套孔型系统的最后一个孔型,其作用是对轧件进行精加工,并使 轧件具有成品要求的断面形状和尺寸(图8-3)。 口霉母 开目型 口孔型 率开(口孔型 图8-3孔型按用途分类 图84孔型按车削方式分类 a一延伸(或开坯)孔型:b预轧(或毛轧)孔型; 精轧前(或成品前)孔型;d精(或成品)孔型 8.3.2按孔型形状分类 根据孔型形状可以分为简单断面孔型和复杂断面孔型(异型断面孔型)两大类。简单断面孔型 包括:箱(矩)形、方形、圆形、扁形、椭圆形、菱形、六角形等。常用于延伸孔型,轧制简单断 面钢材时成品前孔或成品孔型。复杂断面孔型:工字形、轨形、T字形、槽形等。用于异形断面钢 材的预轧、成品前或成品孔型。 8.33按孔型在轧辊上的车削方式分类 辊缝在孔型周边上称为开口孔型,辊缝在孔型周边之外称为闭口孔型,介于两者之间称半开 (闭)口孔型,亦称控制孔型(图8-4)。 84孔型基木组成和各部分作用 尽管孔型种类很多,外形也各有差异,但它们都是由辊缝、侧壁斜度、圆角、辊环、锁口(封 口孔型)等几个基本部分组成(图8-5)。 92
8孔型设计基本知识 (1)辊缝s 两轧辊辊环之间的缝隙称为辊缝,如图8-5所示。轧制过程中辊跳增加了孔型的高度,在设 计孔型时不考虑辊跳值就不可能轧岀合格产品。辊缝值应大于辊朓值,如果辊缝值正好等于辊跳值 将引起附加能量消耗与轧辊的磨损。调整辊缝值可改变孔型的尺寸(如菱形、方形、椭圆形等),相 对地减少轧槽刻入深度,提高轧辊强度,增加轧辊使用寿命。当孔型磨损时,可以用减小辊缝的方 法使孔型恢复到原来高度。但辊缝值过大使轧槽变浅,起不到限制金属流动的作用,使轧出轧件形 状不正确。 实际生产中通常根据轧辊直径来估计辊缝值。例如:在大中型轧机开坯机上一般采用8 15mm,在毛坯机上用6mm~10mm,成品轧机上4mm-6mm,小型轧机开坯机上6mm~l 毛轧机上3mm~-5mm,精轧机上1mm-3m。 同样也可以根据如下经验关系确定辊缝值s:成品孔型s001D,毛坯孔型s0.02D,开坯孔型 s=003D,D轧辊直径。开坯孔型和毛坯孔型的辊缝值比成品孔型大 (2)孔型侧壁斜度 孔型侧壁斜度指孔型侧壁对轧辊轴线垂直线的倾斜程度。以箱形孔型为例(图8-5),侧壁斜 度y为 y=tan= 式中y孔型侧壁斜度;φ一孔型侧壁倾斜角;B-孔型槽口宽度;b槽底宽度;b孔型高度 有时侧斜度也可用角度表示。 孔型侧壁斜度的作用:1)使轧件容易进、出孔型当孔型有侧壁斜度时轧件能方便而准确地 送入孔型;2)轧件容易脱槽如果孔型侧壁与轧辊轴线垂直,轧件进入孔型后因受压而宽展,变宽 的轧件将被侧壁牢牢加紧,易发生缠辊现象和断辊事故。有侧壁斜度会使轧件易脱槽;3)对异型断 面轧件来说,增大孔型侧壁斜度可增大腿部侧压量,提高孔型的变形量,减少道次:4)当孔型磨损 后进行再车削时,有侧壁斜度则只要少量的重车深度就可以恢复孔型原来的尺寸。如果没有侧壁斜 度或斜度很小时,孔型不能恢复到原来的形状。孔型侧壁斜度越大,轧辊重车量越小,轧辊的使用 寿命越长。重车时轧辊的车削量与孔型侧壁斜度的关系见图8-6: (当q角不大时sing≈tanq) sin p tan 式中a-孔型侧壁磨损深度;D、D’—轧辊重车前、后的直径 图85孔型组成 图8-6侧壁尔度与轧辊车削量关系 侧壁倾角φ越大,当a相同时,为恢复孔型所需要的轧辊车削量D-D′越小。实际生产中,在不影 响质量的情况下应尽量采用大侧壁斜度。开坯用箱形孔型为10%~25%,最大不要超过30%;钢轨、 槽钢成型孔型取5%~10%;闭口扁钢延伸孔型取5%~17%;成品孔型取1%6~2%。 (3)孔型圆角 孔型角部除特殊要求外,一般均做成圆弧形(图8-5),位于孔型内部的称内圆角,外部的称 93
二篇型材生产及孔型设计 外圆角 内圆角R的作用:1)防止因轧件角部急剧令却而造成轧件角部的裂纹和孔型磨损不均;2)防 止因尖角部分应力集中削弱轧辊强度;3)通过改变内圆角半径,可以改变孔型实际面积和尺寸,从 而改变轧件在孔型中的变形量和孔型充满程度,有时还对轧件局部加工起一定作用。 外圆角r的作用:1)当轧件进入孔型不正确时,外圆角能防止轧件一侧受辊环切割,即刮铁丝 现象;2)当轧件在孔型中略有过充满,即岀现“耳子”时,外圆角可使“耳子”处避免有尖锐的折 线,防止轧件继续轧制时形成折叠:3)对于异型孔型,增大外圆角半径会使轧辊的局部应力集中减 少,增加轧辊强度。根据孔型不同,内、外圆角可按经验取值,在轧制某些简单断面型钢时,其成 品孔孔型的外圆角半径可取小些,甚至可为零。 (4)辊环 隔开相邻两个孔型的轧辊凸缘称为辊环。有中间辊环和端辊环,其作用是承受金属给轧辊的侧 压力,并为安裝导板留有余地。位于轧辊两端的辊环还可以防止氧化铁皮落入轴承。 辊环宽度取值原则:保证有足够强度;能安装下导板;合理利用辊身。钢轧辊辊环宽度应大于 或等于轧槽深度之半;铸铁辊辊环宽度应大于或等于轧槽深度。初轧机边辊环宽度一般取50mm~ 100mm,轨梁与大型轧机取100mm-150mm,三辊开坯机取60mm-150mm,中小型轧机取50m (5)锁 采用闭口孔型以及轧制某些异型型钢时,为控制轧件断面形状,要使用锁口(图8-4)。在同 孔型中轧制儿种厚度或高度差异较大的轧件时,其锁口长度必须大些,以防止轧制时金属流入辊 缝。用锁口的孔型,其相邻孔型锁口一般上下交替岀现 8.5孔型在轧辊上的配置 在孔型系统及各孔型断面尺寸确定之后,还要将孔型分配和布置到各机架轧辊上,这就是配辊。 配辊应做到合理,使轧制操作方便,保证产品质量和产量,并使轧辊得到有效利用。为了正确掌握 配置孔型的方法,首先说明下面几个基本概念。 851轧辊压力 在轧制过程中希望轧件能平直地从孔型中出来,但实际生产中由于受各种因素(如轧件各部分 温度不均、孔型磨损及上下轧槽形状不同等)影响,轧件出孔后不是平直的。这不但给工人操作带 来困难,影响轧机产量和质量,而且也会造成人身和设备事故。为了使轧件出孔后有一个固定方向, 生产中常采用不同辊径轧辊。若上轧槽轧辊工作直径大于下轧槽轧辊工作直径称为“上压力”轧制, 反之称为“下压力”轧制。上下两辊工作直径差称为“压力”值。当采用“上压力”轧制时,由于 上辊圆周速度大于下辊,则轧件出口后向下弯曲,故只需在下辊安裝卫板。由于上卫板安装复杂, 且使用上卫板时机架被堵塞,难于观察轧辊,因此在轧制型钢时大部分釆用“上压力”。但在轧制异 形断面钢材时,有时闭口槽在下辊,用“下压力”帮助轧件脱槽。在二辊可逆式初轧机、板坯初轧 机或大型型钢轧机上,因为轧件较短,不易发生缠辊现象,且轧件出槽后会冲击和破坏辊道,采用 下压力”轧制避免这种现象。孔型设计时“压力”值不应取得太大,因为1)辊径差造成上、下 辊压下量分布不均,上、下轧槽磨损不均;2)辊径差使上、下辊圆周速度不同,而轧件以平均速度 出辊,造成轧辊与轧件之间的相对滑动,使轧件中产生附加应力;3)辊径差会使轧机产生冲击负荷 容易损坏设备 通常箱形延伸孔型“压力”值不大于2%~3%,其它形状开口延伸孔型不大于1%D0(D一
8孔型设计基本知识 轧辊名义直径),对成品孔尽量不采用“压力”。 8.52轧辊中线、轧制线和孔型中性线 1)轧辊中线上下两个轧辊轴线间距离的等分线称为轧辊中线。 (2)轧制线配置孔型的基准线称为轧制线。当“压力”为零时,轧制线和轧辊中线重合;当 配置“上(下)”压力时,轧制线在轧辊中线之下(上),两者的距离x可按压力大小来决定,如图 7所示 上帆龃水平轴 设采用“上压力”为m,已知:Rk上-R下= 由图87可知:R上=Rc+x:Rk上=R上+H2 L缆中线 R下=R-x;Rx下=Rx-H2 那么 Rk上-RK下=2 所以 m/4 下轧辊水平轴虎 111 即当采用“上压力”m轧制时,轧制线在轧辊中线之 下m4处。 图87采用上压力时孔型在轧辊上的配置 (3)孔型中性线上、下轧辊作用于轧件上的力矩对于某水平直线相等,该水平直线称为孔 型中性线。确定孔型中性线目的在于配置孔型,即将它与轧辊中线重合时,上、下轧辊轧制力矩相 等,使轧件出轧辊时能保持平直;若使它与轧制线相重合,则能保证所需“压力”轧制。 在简单对称孔型中,如箱形孔、圆形孔、椭圆形孔等,孔型中性线与孔型水平对称轴重合,即 孔型中性线通过孔型高度的中心。对非对称孔型,即异形断面孔型,孔型中性线比较复杂,一般采 用如下方法确定:1)重心法先求出孔型面积重心,然后通过中心画水平直线,该直线就是孔型中 性线。这是最常用的方法,但对水平轴不对称的孔型般不能得到满意结果;2)面积相等法该法 认为孔型中性线是孔型面积的水平平分线;3)周边重心法把上下轧槽重心间距的等分线作为孔型 中性线;4)按轧辊工作直径确定孔型中性线。 8.53孔型配置原则 (1)孔型在各机架分配原则是力求轧机各架轧制时间均衡。横列式轧机上,由于前儿道次轧」 件短,轧制时间也短,所以在第一架可以多布置几个孔型(道次)。接近成品孔型时,由于轧件较长, 应少布置孔型 (2)为了便于调整,成品孔必须单独配置在成品机架的一个轧制线上 (3)根据各孔型磨损程度及其对质量的影响,每一道备用孔型数量在轧辊上应有所不同。如 成品孔和成品前孔对成品表面质量与尺寸精确度有很大影响,在轧辊长度允许范围内应多配置; (4)咬入条件不好的孔型或操作困难的道次应尽量布置在下轧制线,如立轧孔、深切孔等; (5)确定孔型间距即辊环宽度时,应同时考虑辊环强度以及安装和调整轧辊辅件操作条件。 8.54孔型配置步骤 (1)按轧辊原始直径画出上辊和下辊轴线;(2)画出轧辊中线;(3)在距轧辊中线x=m4处 画轧制线;(4)使孔型中性线与轧制线重合,绘制孔型图;(5)确定孔型各处轧辊直径,画出配辊 95