圆钢孔型设计

圆钢孔型设计 摘要

型钢是经各种塑性加工成形的具有一定断面形状和尺寸的直条实心钢材，是重要的钢材产品之一，它被广泛的应用于国民经济的各个部门，如机械、金属结构、桥梁建筑、汽车、铁路车辆制造等，它都占有不可缺少的地位。孔型设计是型钢生产中必不可少的步骤之一，孔型设计的合理与否直接影响到产品的质量、轧机的生产能力、产品的成本、劳动条件和劳动强度等。圆钢属于简单断面型钢的一种，在工业生产中，自然缺少不了孔型设计这一步骤。轧制圆钢的孔型系统有多种，应根据直径、用途、钢号及轧机形式来选用。本文主要介绍孔型设计的一些基本知识和原理，并以生产φ25mm圆钢为例，说明孔型设计的方法。

关键词：型钢，圆钢，孔型设计

Abstract

Beam is formed by a variety of plastic processing section of a certain shape and size of solid bar steel, steel products is an important one, it has been widely used in various sectors of the national economy, such as machinery, metal structures, bridges, buildings, automotive, rail vehicle manufacturers and so on, it occupies an indispensable position. Pass design is essential to steel production in one step, or not pass the rational design of a direct impact on product quality, mill capacity, product cost, labor conditions and labor intensity and so on. Steel round bar is a simple cross-section of industrial production, the natural lack of this step can not pass design. Rolling round a number of the pass system, should be based on diameter, uses, and its steel mill selection form. This paper mainly introduces the pass design of some of the basic knowledge and principles, and to produce φ25mm round as an example to show the way to pass design.

Keywords: beam ,round bar, pass design

目 录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1孔型及其分类 1

1.2孔型的组成及各部分的作用 2

1.3孔型设计的内容和要求 6 1.3.1孔型设计的内容 6 1.3.2孔型设计的要求 6 1.4孔型设计的程序 7 第二章 孔型设计 12 2.1圆钢孔型系统 12

2.2延伸孔型的设计方法 12 2.2.1孔型系统的选择 12 2.2.2孔型的设计方法 14 2.3精轧孔型设计 16 2.3.1成品孔的设计 16

2.3.2成品前精轧孔的设计 17 第三章 典型产品孔型设计 19 参考文献: 24 致谢 25

附录A:精轧孔型图 26 附录B:粗轧孔型图 27

第一章 绪论 1.1孔型及其分类

由两个或两个以上的轧槽在过轧辊轴线的平面上所构成的空洞称孔型。根据孔型的形状。用途及其在轧辊上的切削方式可将孔型分类。 1、按形状分类

按孔型形状可以把所有孔型分为简单断面（如方、圆、扁等）和异型断面（如工字形、槽形、轨形等）两大类。也可按孔形的直观外形分为圆、方、箱、菱、椭圆、六角、扁、工字、轨形以及蝶式孔型等。

2、按用途分类（图1.1）

根据孔型在变形过程中的作用分为：

(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。常用的孔型有箱型孔、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，并使用轧件具有成品所要求的断面形状和尺寸。

图1.1 孔型按用途分类

3、按孔型在轧辊上的车削方式可分为如下三类；（图1.2） (1)轧辊辊缝s在孔型周边上的称为开口孔型。 (2)轧辊辊缝s在孔型周边之外的称为闭口孔型。 (3)半开（闭）口孔型，亦称控制孔型。

图1.2 孔型按车削方式分类 1.2孔型的组成及各部分的作用

为了轧出所需的各种型钢，必须设计出相应的孔型。尽管孔型的种类很多外形也各有差异，但

它们都是由几个基本部分组成的，如辊缝、圆角、侧壁斜度等(图1.3)。下面来讨论孔型各部分的作用。

图1.3 孔型的组成 1、辊缝s

在轧制过程中，除轧件产生塑性变形外，工作机架各部分因受轧件变形抗力的作用将产生弹性变形。机架的弹性变形由下面几部分组成： (1)轧辊的弯曲和径向压缩； (2)牌坊立柱的拉伸； (3)牌坊上下横梁的弯曲；

(4)压下螺丝、轴承、轴瓦的压缩等。

以上弹性变形的总和称为轧辊的弹跳，简称辊跳。辊跳值的大小与轧制压力和轧机的结构有关。在轧制压力相同时，开口式牌坊比闭口式牌坊的辊跳大的多。轧辊的辊跳增加了孔型的高度，所以如果早设计孔型时没有考虑轧辊的辊跳，就不可能轧出合格的产品。

例如轧制直径30毫米的圆钢时，如果轧槽的深度为圆钢直径之半（图1.4.a），当轧制时由于辊跳，轧件的垂直直径将大于水平直径，不能轧出合格的产品。为了获得精确的断面形状和尺寸，孔型设计时必须在轧辊间留辊缝，使两个轧槽的深度与辊缝之和等于孔型的总高度。这样在轧制前使轧辊之间的距离比设计的辊缝小一辊跳值。在轧制时由于辊跳孔型达到要求的高度，如图1.4.b所示。

图1.4 在圆孔型中轧制

a——无辊缝；b——有辊缝

不难看出，辊缝值应大于辊跳值。如果辊缝值正好等于辊跳，在轧件进入孔型前，轧辊将相互接触，这将引起附加的能量消耗与轧辊的磨损。

在许多情况下，调整辊缝值的大小可改变孔型的尺寸（如菱形、方形、椭圆孔等），这从提高轧辊的共用性和节约轧辊的角度出发是很有价值的。此外，增大辊缝值可相对减少轧槽刻入深度，提高轧辊强度，延长了轧辊的使用寿命；简化轧机调整，即当孔型磨损时，可以用减少辊缝的方法使孔型恢复原来的高度。

轧辊的弹跳与金属作用在轧辊上的压力成正比，而允许轧制压力的大小又与轧辊的强度和轧辊直径有关，所以在实际生产中通常根据轧辊直径来估算辊缝值。如大中型轧机的开坯机上采用8~15mm,成品轧机采用4~6mm,小型轧机的开坯机采用6~10mm,精轧机用1~3mm。

同样也可以根据如下经验关系确定辊缝值s，成品孔型s=0.01D；毛轧孔型=0.02D；开坯孔型=0.03D。式中D为轧辊直径。开坯孔型和毛轧孔型的辊缝值比成品孔型大，这是因为最初道次辊缝大对成品质量影响不大的缘故，且辊缝越大，调整范围大，增加轧辊重车次数。 2、孔型侧壁斜度

孔型的侧壁斜度是指孔型的侧壁对轧辊轴线的倾斜程度。孔型的侧壁在任何时候都不垂直于轧辊轴线，而是有一定的倾斜度。以箱型孔为例（图1.3），孔型的侧壁斜度用下式表示： tanφ=(Bk-bk)/2hp×100%

孔型侧壁斜度的作用是使轧件易于进、出孔型。当孔型有侧壁斜度时，孔型的进出口部分由喇叭口形成，因而轧件进孔型和和脱槽都比较容易。当孔型无侧壁斜度时，如喂钢稍有不正，轧件碰到辊环就被顶回，不能实现咬入；即使轧件进入孔型，由于宽展，孔型侧壁对轧件造成很大的夹持作用，使轧件不易脱槽，易造成缠辊事故。

在轧制过程中，孔型不断磨损，形状和尺寸都发生变化，如继续使用磨损严重的孔型，则会在成品上出现许多缺陷，影响产品的质量，所以轧辊需要进行重车。假如孔型侧壁无斜度时，重车也无法恢复原来的宽度，如图1.5所示。

图1.5 侧壁斜度对重车后孔型宽度的影响

重车时轧辊的车削量与孔型侧壁斜度的关系由图1.6可以看出：

D—D′=2a/sinφ=2a/tanφ(当φ角不大时sinφ≈tanφ)

式中a——孔型侧壁的磨损深度；D、D′——轧辊重车前后的直径

由上式可知，侧壁倾角φ越大，当α相同时，为恢复孔型所需的轧辊车削量(D—D′)越小。所以在实际生产中，在不影响质量的情况下应尽量采用大的侧壁斜度。

图1.6 侧壁斜度与轧辊车削量的关系

轧制异形断面型钢时孔型的侧壁斜度往往允许的变形量有关系。孔型的侧壁斜度越大，允许的变形量也越大。由于孔型侧壁斜度大，甚至可以减少轧制调整，这不仅可以节约轧辊还可以节省电能。

用大斜度的孔型可增加孔型的共用性。例如大斜度的箱型孔型，通过控制孔型的充满程度，可以轧出尺寸不同的轧件。这一点对于初轧机，开坯机以及型钢轧机的毛轧孔型尤为重要。 3、孔型的圆角

除特殊要求外孔型的角部很少用折线，一般都做成圆角，(见图1.3) (1)孔型内圆角的作用

可以防止轧件角部的急剧冷却；可以使槽底的应力集中减小增加轧辊强度：通过改变内圆角半径，可以改变孔型的实际面积和尺寸，从而改变轧件在孔型中的充满程度，有时还对轧件的局部加工起一定的作用。 (2)孔型外圆角的作用

当轧件进入孔型不正时，外圆角能防止轧件的一侧受辊环切割；当轧件在孔型中略有过充满现象时，即出现“耳子”时，外圆角可使其避免有尖锐的折线，这样可以防止轧件继续轧制形成折叠（图1.7）；对于异型轧孔，增大外圆角半径也可使轧辊的局部应力集中减少，从而增加轧辊的强度。

应当指出，在轧制某些简单断面型钢时，其成品孔型的外圆角半径可以取小些，甚至为零。

图1.7 孔型外圆角的作用

4、锁口

当采用闭口型以及轧制某些异型钢时，为了控制轧件的断面形状，要使用锁口。孔型的锁口如图1.8所示，在同一孔型中轧制几种厚度活高度差异较大的轧件时，其锁口长度必须大些，借以防止轧制较厚或较高的轧件时金属流入辊缝。用锁口的孔型，其相邻孔型的锁口一般是上下交替出现的。

图1.8 孔型的锁口 1.3孔型设计的内容和要求

将钢坯或钢锭在两个或两个以上带轧槽轧辊间经过若干道次的轧制变形,以获得所需要的断面形状、尺寸和性能的产品,为此而进行的设计和计算工作称之为孔型设计。 1.3.1孔型设计的内容

孔型设计是型钢生产的工具设计,完整的孔型设计包括三方面:

(1)断面孔型设计 根据原料和成品的断面形状、尺寸和性能要求,选择孔型系统,确定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)轧辊孔型设计 根据断面孔型设计确定孔型在每个机架上的分配及其在轧辊上的配置,要求轧件能正常轧制且操作方便,并且其轧制节奏时间短,轧机的生产能力高,成品的质量好。 1.3.2孔型设计的要求

孔型设计合理与否直接影响到产品的质量、轧机的生产能力、产品的成本、劳动条件和劳动强度等。因此合理的孔型设计应满足以下几点要求:

1.获得优质的产品 即保证成品的断面几何形状正确,断面尺寸达到所要求的精度范围内,表面

光洁,无耳子、折迭、裂纹、麻点和擦伤等表面缺陷,金属内部的残余应力小,金相组织及机械性能能达到标准要求。

2.轧机生产率高 孔型设计是通过轧制节奏时间和轧机作业率影响着轧机生产能力。

影响轧制节奏时间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、孔型和轧辊辅件的公用性。 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顺利进行，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。

应当指出的是，空型设计时必须考虑各轧钢车间主辅设备的性能及其布置。机械的将某一轧钢车间的孔型设计搬到另一车间使用往往是要失败的。由于孔型设计目前还处于经验设计阶段，孔型设计的合理与否主要取决于空型设计工作者的经验与水平。为了解决上述问题，利用计算机辅助孔型设计是十分必要的。目前，国内外用这种方法做出最优孔型设计。 1.4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、剪机或锯机的性能及车间平面布置情况等。 4.选择合理的孔型系统

选择合理的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，应该采用公用性大的孔型系统，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，应该尽量采用专业的孔型系统，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。 (1)当钢锭或钢坯的断面尺寸为已知时

如用矩形断面的钢锭轧成矩形断面的钢坯，则总压下量为： ∑Δh=(1+β)[(H-h)+(B-b)] 总轧制道次为： n= ∑Δh/Δhc

式中β=Δb/Δh宽展系数，β=0.15~0.25;Δhc——道次平均压下量，Δhc=(0.8~1.0) Δhmax

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积为已知时，总延伸系数为： μ∑=μ1μ2μ3…μn

=F0/F1×F1/F2×F2F3×Fn-1/FN=F0/Fn

式中F1、F2、F3、…、Fn——各道轧后的轧件横断面面积；F0、Fn——坯料和成品的横断面面积。