椭圆—圆孔型系统设计

攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：椭圆—圆孔型系统设计
学生姓名：学号： 201111102042 所在院(系)：材料工程学院
专业：材料成型及控制工程
班级： 2011级压力加工班
指导教师：肖玄职称：助教
2014年10 月13 日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
摘要
椭圆—圆孔型因其延伸较小,轧制稳定性差等原因, 过去在生产中较少使用。

近年来,由于对钢材表面质量要求越来越高,具有变形较均匀和表面皱折少等特点的椭圆—圆孔型在国外被广泛使用,尤其在轧制合金钢中使用更为普遍。

但由于过去使用少,因此其设计方法研究也较少。

椭圆-圆孔型系统中变形较为均匀，轧制前后的断面形状过渡缓和，能防止产生局部应力；轧件断面各处冷却均匀；氧化铁皮易于脱落；还可由延伸孔型轧出成品圆钢，减少了轧辊数量和换辊次数。

椭圆—圆孔型系统多用轧制低塑性的合金钢，也用于轧制普通的后几个延伸孔型，特别是现代化连续式线材轧机上45°无扭精轧机组的延伸孔型。

关键词椭圆-圆孔型，表面质量，轧件断面，延伸孔型
目录
摘要........................................................................................................................................ - 1 -1 绪论 ..................................................................................................................................... - 3 -
1.1椭圆-圆孔型设计简介................................................................................................. - 3 -
1.1.1椭圆-圆孔型系统的优点 ................................................................................... - 3 -
1.1.2椭圆-圆孔型系统的缺点 ................................................................................... - 3 -
1.2椭圆-圆孔型系统的应用范围..................................................................................... - 3 -
1.3变形系数 ...................................................................................................................... - 4 -
1.3.1宽展系数............................................................................................................. - 4 -
1.3.2延伸系数............................................................................................................. - 4 -
1.4椭圆-圆孔型系统的孔型尺寸及其构成....................................................................... - 4 -
2 了解生产条件 ................................................................................................................... - 6 -
2.1了解产品的技术条件................................................................................................... - 6 -
2.2了解原料条件............................................................................................................... - 6 -
2.3了解轧机的性能及其它设备条件............................................................................... - 6 -
3 选择合理的孔型系统 ..................................................................................................... - 7 -
4 总轧制道次数的确定 ..................................................................................................... - 8 -
4.1 当钢锭或钢坯的断面尺寸.......................................................................................... - 8 -
4.2如有几种钢坯尺寸可以任意选择时........................................................................... - 8 -
5 各道次变形量的分配 ..................................................................................................... - 9 -
5.1 金属的塑性.................................................................................................................. - 9 -
5.2咬入条件 ...................................................................................................................... - 9 -
5.3轧辊强度和电机能力................................................................................................... - 9 -
5.4孔型的磨损................................................................................................................... - 9 -
6 确定轧制断面形状和尺寸 .......................................................................................... - 11 -
6.1 椭圆-圆孔型的设计尺寸........................................................................................ - 11 -
6.2轧机辊缝调整............................................................................................................. - 12 -
6.2.1 孔型设计误差................................................................................................... - 12 -
6.2.2 辊缝调整量计算............................................................................................... - 12 -
7 结论 ................................................................................................................................... - 15 -
1 绪论
1.1椭圆-圆孔型设计简介
图1 椭圆—圆孔型系统
1.1.1椭圆-圆孔型系统的优点
⑴轧件变形较为均匀，轧制前后轧件的断面形状过渡均匀，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生局部应力。

⑵轧件断面各处冷却均匀，因而不易产生冷却裂纹。

⑶孔型形状有利于去除轧件表面上的氧化皮，使轧件表面质量良好。

⑷在某些情况下，可由椭圆-圆延伸孔型系统轧出成品圆钢，因而可减小轧辊数量和换辊次数。

1.1.2椭圆-圆孔型系统的缺点
⑴延伸系数较小，通常不超过1.3~1.4，因为所需轧制道次较多。

⑵椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板班调整准确。

⑶在圆孔型，轧件对放宽展敏感，易产生耳子，因此轧机调整要求严格。

1.2椭圆-圆孔型系统的应用范围
椭圆-圆孔型系统主要用于轧制塑性极低的钢材。

近年来，由于连轧机的广
泛使用，特别是在水平轧辊机架与立辊机架的交替布置的连轧机和45°轧机上，为了使轧件在机架上不进行翻钢，以保证轧制过程中的稳定和消除卡钢事故，因而椭圆-圆孔型系统代替了椭圆-方孔型系统被广泛地用于小型和线材和连轧机。

1.3 变形系数
1.3.1宽展系数
轧件在椭圆孔型中宽展系数为0.5～0.95。

轧件在圆孔型中的宽展系数为0.3～0.4
1.3.2延伸系数
椭圆-圆孔型延伸率一般不超过1.3～1.4。

轧件在椭圆孔型系统中延伸系数为1.2～1.6
轧件在圆孔型中的延伸系数为1.2～1.4
1.4椭圆-圆孔型系统的孔型尺寸及其构成
(1)求基圆半径（mm）：R=（Fy/π）1/2 式中的Fy为圆轧件断面积
(2)设计孔型高度（mm）：hk=2R
(3)设计孔型宽度（mm）：bk=2R+△式中△为宽展余量，可取为△=2～4mm
(4)选取扩张角α：α一般在15°～30°范围内选择，通常取α=30°
椭圆—圆孔型系统如图所示。

仍以轧件高度H1和宽度B1作为非线性方程组的未知量，以辊缝S1和充满度ξ1作为设定量，则根据图示的几何关系，孔型和轧件的其他各参数表达式为：
下面采用筱仓宽展公式建立椭圆—圆系统的非线性方程组，公式的统一表达式为：
式中α为孔型常数，圆进椭圆和椭圆进圆都为0.83；H0、B0、F0分别为来料的高、宽、断面积；FH为被孔型压下的轧件面积，即轧件与孔型的交点宽度Bn以内，孔型以外的轧件面积。

图2 孔型作图法
2 了解生产条件
2.1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、尺寸及其允许的偏差，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。

2.2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，或者是按照孔型设计要求重新选定原料的规格。

2.3了解轧机的性能及其它设备条件
括轧机的布置、机架数量、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、剪机或者锯机的性能，以及车间平面布置情况等。

3 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，应该采用共性大的孔型系统，这样可以减少换辊次数及轧辊的储备量。

但在品种单一，及专业化较高的轧机上，应该尽量采取专用的孔型系统，这样可以排除其他产品的干扰，使产量提高。

这是采用的椭圆-圆孔型系统。

4 总轧制道次数的确定
4.1 当钢锭或钢坯的断面尺寸为已知条件的情况下
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/Δhe 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。

如果用平均延伸系数μc代替各道的延伸系数，则：
μ∑=μc
由此可确定出总轧制道次数为：
n=㏒μ∑/㏒μc=(㏒F0-㏒Fn)/ ㏒μc
轧制道次数应取整数，具体应取奇数还是偶数则取决于轧机的布置。

平均延伸系数是根据经验或同类轧机用类比法选取。

在实际设计时也可根据轧机的具体条件，首先选择最合理的轧制道次，然后求出生产该产品的平均延伸系数μc，然后将这一平均延伸系数与同类轧机生产该产品所使用的平均延伸系数相比较，若接近或小于上述数字，则说明生产是可能的，若大于这些数字很多时，则需要增加道次。

若增加道次也不能解决，则说明原料断面过大，需要首先轧成较小的断面，然后经过再加热才能轧出成品。

4.2如有几种钢坯尺寸可以任意选择时
应根据轧机的具体情况选择最合理的轧制道次，然后求出钢坯的横断面积；钢坯得边长计算出的钢坯边长选择与其接近的钢坯尺寸。

5 各道次变形量的分配
5.1 金属的塑性
根据对金属的大量研究表明，金属的塑性一般不成为限制变形的因素。

对于某些合金钢锭，在未被加工前，其塑性较差，因此要求前几道次的变形量要小些。

5.2咬入条件
在许多情况下咬入条件是限制道次变形量的主要原因，例如在初轧机，钢坯机和型钢机的开坯道次，此时轧件温度高，轧件表面长有氧化皮，故摩察系数较低，所以，选择这些道次的变形量时要进行咬入验算。

5.3轧辊强度和电机能力
在轧件很宽而且轧槽切入轧辊很深时，轧辊强度对道次变形量也起限制作用。

在一般情况下轧辊工作直径应该不小于辊直径。

在新建轧机上，一般电机能力是足够的，仅在老轧机上，电机能力往往限制着道次的变形量。

5.4孔型的磨损
在轧制过程中，由于摩擦力的存在，孔型不断磨损。

变形量越大，孔型磨损越快，孔型的磨损直接影响到成品尺寸的精度和表面粗糙度。

同时，孔型的磨损增加了换孔换辊的时间，影响轧机参量。

成品尺寸的精确度和表面粗糙度主要取决定于最后几道次，所以成品道次额成品前道次的变形量应取小些。

不难看出，影响道次变形量的因素是很复杂的，经常是各种原因综合起作用。

下图是变形系数按照道次分配的典型曲线，它的主要依据是：在轧制初期，因为轧件温度高，金属的塑性和轧辊强度以及电机能力不同成为限制因素。

而炉生氧化铁皮是摩擦系数降低，咬入条件成为限制的变形量的主要因素：随着卢生氧化铁皮的剥落，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。

随着轧制过程的继续进行，轧件断面积逐渐减小，轧件温度降低，变形抗力增加，轧辊强度和电机成为主要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，保证成品断面的形状和尺寸的精确度，应采用较小的变形系数。

曲线的变化范围很大，是考虑其他意外因素的影响。

实际生产过程中，为了合理的分配变形系数，必须对具体的生产条件做具体的分析。

如果在连轧机上轧制时，由于轧件速度高，轧件温度变化小，所以各道次的延伸系统可以取成相等或者近似相等。

图3 轧制道次的分配
各道次的延伸系数被确定之后，要用其连乘稳进行校核，若其连乘积中有积等于总的延伸系数，则说明确定的各道次的延伸系数是对的；否则需要调整各道次的延伸系数使其连乘积等于总的延伸系数。

6 确定轧制断面形状和尺寸
6.1 椭圆-圆孔型的设计尺寸
椭圆一圆孔型系统，从椭圆，到圆，均匀分配延伸系数，即从圆到圆的平均延伸系数为1.16--1.28，佳值区为1.27--1.28。

一般都把轧制系统的主支置于佳值上。

在求得每个圆的宽度后，再按孔型的构成算挂其他尺寸。

当确定了每个圆孔后，再分别设计每个立椭圆孔上一道椭圆孔的尺寸。

如图
图4 孔型尺寸
高度为:
H4＝（0.6～0.8）B3;
H6=(0.71～0.85)B5;
……
宽度为:
B4=1.65B3+；（0～5）;
B6=1.65B5+（0～5）;
……
辊缝为:
S4＝（1/5～1/4）H4;
S6=（1/5～1/4）H6;
6.2轧机辊缝调整
6.2.1 孔型设计误差
按照上述方法进行孔型尺寸计算，其迭代模型是根据宽展公式建立的非线性方程组，所以选取的宽展公式不同，得到的结果也不尽相同。

设已知条件为：D1＝D2＝400 mm，R0＝20 mm，R2＝15 mm，S1＝5 mm，ξ1＝0.9，采用不同公式得到的椭圆—圆孔型系统计算结果列于表
表1 椭圆—圆轧制方式的计算结果
公式β1 β2 H1 B1 BK
筱仓恒树 1.256 1.315 22.819 50.224 55.804 斯米尔诺夫 1.195 1.169 25.666 47.789 53.099
对表1中某一结果用另一公式进行仿真计算，则在圆孔中轧出的轧件其水平与垂直方向约有3 mm的径差，这说明由于宽展公式的误差将导致设计出的孔型无法轧出断面形状正确的轧件。

因轧制过程中影响宽展的因素复杂，难以精确预报，宽展公式的误差总是存在的，例如筱仓公式给出的预报精度为：Δβ／β＝±4%［5］所以问题在于，如何通过正确的轧机调整，使得在已设计出的孔型系统中能够轧制出合乎要求的轧件。

6.2.2辊缝调整量计算
当孔型尺寸的计算存在一定误差时，使用已设计好的孔型系统能否轧出断面形状规则的方、圆轧件，将取决于辊缝的调整量和孔型充满度的变化是否在允许的范围之内。

根据前述的孔型设计方法，如果只考虑对中间扁孔进行压下调整，则辊缝调整量ΔS1和调整后的孔型充满度ξ1的计算问题可看作孔型尺寸计算的
逆命题，即将孔型尺寸作为已知量，根据修正后的宽展公式建立非线性方程组，求解未知量ΔS1和ξ1。

根据筱仓公式计算时:
式中Bs1、Hs1、F1的计算式不变。

另外，式中各参数的计算式也不变。

考虑宽展修正量后的非线性方程组为
式中ε1和ε2为椭圆孔和圆孔中的宽展修正量。

设孔型尺寸计算时选用的宽展公式预报精度为Δβ／β＝±5 %，根据表1
的条件并考虑两个道次宽展误差四种可能的组合，其计算结果如表2。

由表可知，第一种情况下辊缝和充满度的变化最大，但此时轧辊上抬调整，且充满度变小，不会破坏正常轧制过程；第二种情况轧辊需压下调整，实际辊缝变小，充满度增大，有可能造成轧辊压靠或孔型过充满。

这就要求在孔型计算中设定S1和ξ1值时，除应考虑轧机弹跳、来料温度、尺寸变化等因素之外，还需增加一些余量，以满足修正孔型设计误差的调整需要。

表2 宽展误差四种可能组合的计算结果
β1 β2 H1 B1 △S1 ζ 1
β1(1-0.05) β2(1-0.05) 24.946 45.529 2.127 0.816
β1(1+0.05) β2(1+0.05) 21.466 54.443 -1.347 0.976
β1(1+0.05) β2(1-0.05) 23.692 51.711 0.872 0.927
β1(1-0.05) β2(1+0.05) 22.083 48.528 -0.737 0.869
以上只考虑了对扁孔进行调整，如果方或圆孔也可进行调整(如精轧前的方、圆孔型)，那么对于表2中的第二种情况，当圆孔给出ΔS2＝0.5 mm的调整量时，椭圆孔调整量将减少为ΔS1＝－0.8 mm左右。

7 结论
从以上介绍可以看出，采用宽展系数方法设计孔型是很简单的，使用这种设计方法的关键是正确选择宽展系数，这时没有经验的孔型设计人员是很困难的。

为了便没有经验的孔型设计人员能比较正确地选择宽展系数的数值，可参考如下原则：在其他条件相同的情况下，轧件温度越高，宽展系数越小。

在一般情况下，在轧制过程中轧件温度逐渐降低的，这样对同类孔型系统宽展系数应越来越大的数值。

轧辊材质的影响。

使用钢轧辊时应取较大的宽展系数。

轧件断面大小的影响。

轧件断面越大，宽展系数越小。

在轧制过程中，轧制断面面积减小的速度大于轧辊直径变化的速度。

所以，宽展系数应沿轧制道次逐渐增加。

轧制速度的影响。

在其他条件下，轧制速度越高，宽展系数越小。

轧制钢种的影响。

在其他条件相同时，普碳钢的宽展系数小，合金钢的宽展系数大。

另外，还有其他因素影响宽展系数的取值范围，凡是有利于宽展的因素，宽展系数应取较大值，反之则相反。

在轧制过程中往往是多种因素同时起作用的，所以选取宽展系数时应考虑诸因素的综合影响，当然要分清主要影响因素和次要影响因素。

参考文献
[1] 赵松筠，唐文林．型钢孔型设计（第二版）[M]．北京：冶金工业出版社，2000.4
[2] 庞玉华，社忠泽．金属塑性加工学［M］．西安：西北工业大学出版社，2011.4．
[3] 田占坡，李春智．椭圆一圆孔型系统在小型轧机中的应用［C］.首钢集团公司，2001．
[4] 白光润，栾瑰馥．型钢孔型设计［C］东北工学院，1991。