孔型设计

孔型设计
本设计以φ16mm圆钢为代表产品进行设计。

1 孔型系统的选择
圆钢孔型系统一般由延伸孔型系统和精轧孔型系统两部分组成。

延伸孔型的作用是压缩轧件断面，为成品孔型系统提供合适的红坯。

它对钢材轧制的产量、质量有很大的影响，但对产品最后的形状尺寸影响不大。

常用的延伸孔型系统一般有箱形、菱—方、菱—菱、椭—方、六角—方、椭圆—圆、椭圆—立椭圆等；精轧孔型系统一般是方—椭圆—螺或圆—椭圆—螺孔型。

本设计采用无孔型和椭圆—圆孔型系统。

1.1无孔型轧制法
优点：
（1）由于轧辊无孔型，改轧产品时，可通过调节辊缝改变压下规程。

因此，换辊、换孔型的次数减少了，提高了轧机作业率。

（2）由于轧辊不刻轧槽，轧辊辊身能充分利用；由于轧件变形均匀，轧辊磨损量少且均匀，轧辊寿命提高了2~4倍。

（3）轧辊车削量少且车削简单，节省了车削工时，可减少轧辊加工车床。

（4）由于轧件是在平辊上轧制，所以不会出现耳子、充不满、孔型错位等孔型轧制中的缺陷。

（5）轧件沿宽度方向压下均匀，故使轧件两端的舌头、鱼尾区域短，切头、切尾小，成材率高。

（6）由于减小了孔型侧壁的限制作用，沿宽度方向变形均匀，因此降低了变形抗力，故可节约电耗7%。

1.2椭圆—圆孔型系统
优点：
（1）孔型形状能使轧件从一种断面平滑的过渡到另一种断面，从而避免由于剧烈不均匀变形而产生的局部应力。

（2）孔型中轧出的轧件断面圆滑无棱、冷却均匀，从而消除了因断面温度分布不均而引起轧制裂纹的因素。

（3）孔型形状有利于去除轧件表面氧化铁皮，改善轧件的表面质量。

（4）需要时可在延伸孔型中生产成品圆钢，从而减少换辊。

缺点：
（1）延伸系数小。

通常延伸系数不超过1.30~1.40，使轧制道次增加。

（2）变形不太均匀，但比椭圆—方孔型要好一些。

（3）轧件在圆孔型中稳定性差，需要借助于导卫装置来提高轧件在孔型中的稳定性，因而对导卫装置的设计、安装及调整要求严格。

（4）圆孔型对来料尺寸波动适应能力差，容易出耳子，故对调整要求高。

2延伸系数的分配
2.1总的延伸系数μ
()()()4
/1.086.022
2
0t n t t t
t n a d a A A a F F
u π-==∑
=[(1.012×140)2-0.86×(0.1×1.012×140)2]/[0.25×3.14×(16×1.012)2]
=96.69mm
式中：F o —红坯断面面积，mm 2;
Fn —成品于热状态断面面积，mm 2;
t a —热胀系数，取t a =1.012； t A —钢坯边长，mm;
d t —成品直径，mm;
∴轧制道次数n=282.169
.96lg lg g g c l l =
∑μμ=18道次 2.2延伸系数的初步分配
分配原则：初轧道次小，以便取出氧化铁皮，保证产品质量；随后加大，以利用轧件
在高温下塑性好，产生大的变形；精轧道次延伸系数小，以保证成品质量及孔型的耐磨性和成品尺寸精度。

将12道次的总延伸系数根据经验（如考虑咬入、摩擦等因素）具体分配如下：
μ1=1.250 μ2= 1.249 μ3=1.287 μ4=1.339
μ5= 1.431 μ6=1.292 μ7=1.394 μ8=1.255 μ9= 1. 354 μ10=1.339 μ11=1.276 μ12=1.250 287.113=μ 260.114=μ 258.115=μ 202.116=μ
384.117=μ 132.118=μ
3各孔型中轧件尺寸的确定
3.1计算各等轴孔的轧件尺寸
1) 各等轴孔轧件的横截面积
12--⨯⨯=n n n n F F μμ 2 ) 确定各等轴孔尺寸
由圆面积公式F=πR 2
得：
d=2
π
Fi
各道次的轧件参数列于表（5—1）。

表1 等轴孔轧件尺寸
道次 6 8 10 12 14 16 18 轧件高/宽（mm）71.44 53.30 38.93 31.39 23.84 20.03 16.20 轧件面积（mm2）4006.6 2231.23 1190.31 773.88 446.38 315.10 206.12
3.2计算平辊出口轧件的断面积
前几个道次轧件表面氧化铁皮较多，摩擦系数较小，影响咬入。

根据现场经验，无孔型轧制时既要防止产生轧件歪扭脱方现象，又要保证轧件在平辊上轧制的稳定性，故平辊出
口轧件断面尺寸初步设计如下：
由筱仓公式：
β=1+0.8[2L c/(H o+2B o)][(H o-h)/H o]
式中：L c—平均接触弧长度，
2)
(
0h
H
D
L
c -
=
H o—轧前轧件平均高度；
h—轧后轧件平均高度；
B o—轧前轧件宽度；
D—轧辊直径.
No.1 （第一道次）
来料：B o×H o =141.60×141.60mm
初设：h1=108.00mm;
2
)
00
. 108
60
.
141
(
500
1-
=
Lc=91.65mm
β
c1
=1+0.8[2×91.65/(141.60+2×141.60)][(141.60-108.00)/141.60]
=1.082
则b1=β
c1
B o=1.082×141.60=153.20mm
F1= h1 b1=108.00×153.20=16545.6mm2
校核：（1）B o/ H o>0.6~0.7 保证少产生歪扭脱方；
（2）h1/ b1<1.2 保证轧制状态稳定。

本道次中：B o/ H o=1，h1/ b1=0.7 符合要求
No.2 （第二道次）
来料：B1×H1=108.00×153.20mm
初设：h2=108.00mm;
2
)
00
. 108
20
.
153
(
500
2-
=
c
L=106.30mm
β
c2
=1+0.8[2×106.30/(153.20+2×108.00)][(153.20-108.00)/153.20]
=1.136
则b2=β
c2
B1=1.136×108.00=122.70mm
F2= b2h2=122.70×108.00=13251.6mm2 校核：B1/ H1=0.7 h2/ b2=0.88 符合要求No.3 （第三道次）
来料：B2×H2=108.00×122.70mm
初设：h3=82.00mm;
2
)
00 . 82
70
.
122
(6.
529
3-
=
c
L=103.81mm
β3=1+0.8[2×103.81/(122.70+2×108.00)][(122.70-108.00)/122.70]
=1.160
则b3=β
c3
B2=1.160×108.00=125.60mm
F3= b3h3=125.60×82.00=10299.2mm2
校核：B2/ H2=0.88 h3/ b3=0.65 符合要求
No.4 （第四道次）
来料：B3×H3=82.00×125.60mm
初设：h4=75.00mm;
2
)
00 . 75
60
.
125
(5.
531
4-
=
c
L=115.96mm
βc4=1+0.8[2×115.96/(125.60+2×82.00)][(125.60-75.00)/125.60]
=1.258
则b4=β
c4
B3=1.258×82.00=103.20mm
F4= b4h4=75.00×103.20=7737.3 mm2
校核：B3/ H3=0.65 h4/ b4=0.73 符合要求
将前面四道次的出口轧件的有关尺寸列成表格见表5—2
表2 平辊出口轧件尺寸
道次延伸系数横截面积2
mm轧件高度mm轧件宽度mm
1 1.250 16545.6 108.0 153.20
2 1.249 13251.6 108.0 122.70
3 1.287 10299.2 82.0 125.60
4 1.339 7737.3 75.0 103.20
3.3 椭圆孔型中轧件尺寸的确定
具体方法是两个等轴孔夹一个非等轴孔，以两圆夹一椭为例，根据经验理论确定轧件在椭孔中的延伸系数βt ，轧件在圆孔中的延伸系数βy ,来料尺寸为B i-1×H i-1,经椭孔后轧件尺寸为h i ×b i ,经过下一道次后轧件尺寸为 d i+1,则由宽展系数的定义便可求得中间非等轴孔轧件的尺寸h i 、b i ，即：
βt =
i i i i h H B b ----11
βy =
1
1++--i i i
i d b h d
联立（1）（2）得：
b i =
y
t i y t i t i t i d d H B ββββββ---+++--11
111
h i =y
t i y t i y i y i H B d d ββββββ---+--++11
111
轧件在椭孔中的宽展系数=t β0.5~0.95，在圆孔中是宽展系数为=y β0.3~0.4。

轧件尺寸偏大时，偏大取值，尺寸较小时，应偏小取值。

具体计算过程如下：
No.5 （第五道次椭圆孔）
来料：B 4×H 4=75.00×103.20mm 轧件经第六道次后的尺寸为71.44mm;
取：=t β0.5, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第五道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 74.954
.05.0144
.714.05.044.715.02.1035.0755=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 72.615
.04.0120.1035.04.0754.044.714.044.715=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第六道次圆孔中轧件的充满度δ：
第六道次后轧件的宽度
()mm d b h b y 44.714.0)44.7174.95(72.616556=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 44.72144.7166=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%95%6.98%10044.72/44.71%100/66>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.7 （第七道次椭圆孔）
来料：B 6×H 6=71.44×71.44mm
轧件经第八道次后的尺寸为53.30mm;
取：=t β0.8, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第七道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 32.1014
.08.0130
.534.08.030.538.044.718.044.717=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 09.348
.04.0144.718.04.044.714.030.534.030.537=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第八道次圆孔中轧件的充满度δ：
第八道次后
轧
件
的
宽
度
()mm d b h b y 30.534.0)30.5332.101(09.348778=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 30.54130.5388=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%95%2.98%10030.54/30.53%100/88>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.9（第九道次椭圆孔）
来料：B 8×H 8=53.30×53.30mm
轧件经第十道次后的尺寸为38.93mm;
取：=t β0.7, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第九道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 86.724
.07.0193
.384.07.093.387.030.537.030.539=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 36.257
.04.0130.537.04.030.534.093.384.093.389=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第十道次圆孔中轧件的充满度δ：
第十道次后
轧
件
的
宽
度
()mm d b h b y 93.384.0)93.3886.72(36.25109910=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 93.39193.381010=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%95%5.97%10093.39/93.38%100/1010>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.11 （第十一道次椭圆孔）
来料：B 10×H 10=38.93×38.93mm
轧件经第十二道次后的尺寸为31.39mm;
取：=t β0.7, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第十一道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 19.494
.07.0139
.314.07.039.317.093.387.093.3811=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 27.247
.04.0193
.387.04.093.384.039.314.039.3111=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第十二道次圆孔中轧件的充满度δ：
第十二道次后轧件的宽度
()mm d b h b y 39.314.0)39.3119.49(27.2412111112=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 39.32139.311212=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%959.96%10039.32/39.31%100/1212>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.13(第十三道次椭圆孔)
来料：B 12×H 12=31.39×31.39mm
轧件经第十四道次后的尺寸为23.84mm; 取：=t β0.7, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第十三道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 67.414
.07.0184
.234.07.084.237.039.317.039.3113=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 71.167
.04.0139.317.04.039.314.084.234.084.2313=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第十四道次圆孔中轧件的充满度δ：
第十四道次后轧件的宽度
()mm d b h b y 84.234.0)84.2367.41(71.1614131314=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 84.24184.231414=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%95%9.95%10084.24/84.23%100/1414>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.15(第十五道次椭圆孔)
来料：B 14×H 14=23.84×23.84mm
轧件经第十六道次后的尺寸为20.03mm; 取：=t β0.7, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第十五道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 03.294
.07.0103
.204.07.003.207.084.237.084.2315=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 43.167
.04.0184.237.04.084.234.003.204.003.2015=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第十六道次圆孔中轧件的充满度δ：
第十六道次后轧件的宽度
()mm d b h b y 03.204.0)03.2003.29(43.1616151516=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 03.21103.201616=+=∆+= (∆为宽展留的余量，取1 mm ）
则δ=%95%2.95%10003.21/03.20%100/1616>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

No.17(第十七道次椭圆孔)
来料：B 16×H 16=20.03×20.03mm
轧件经第十八道次后的尺寸为16.20mm; 取：=t β0.7, y β=0.4
根据公式（5-7），（5-8）可算得第十七道次椭圆后轧件的尺寸：
mm b 24.254
.07.0120
.164.07.020.167.003.207.003.2017=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
mm h 58.127
.04.0103.207.04.003.204.020.164.020.1617=⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
校核第十八道次圆孔中轧件的充满度δ：
第十八道次后轧件的宽度
()mm d b h b y 20.164.0)20.1624.25(58.1218171718=⨯-+=⨯-+=β
mm d b k 20.16020.161818=+=∆+= (因为成品为16Φmm 圆钢，故成品孔的
∆=0）
则δ=%95%100%10020.16/20.16%100/1818>=⨯=⨯k b b 符合要求，校核通过。

3.4各孔型尺寸参数的确定
1精轧孔型设计
1) 成品孔（K1孔）设计 ① 成品孔内径d
d=[d 0-(0~1.0) Δ-]×（1.007~1.02）
式中：Δ-─内径允许最大负偏差，mm
按GB715-89,取Δ-=0.35mm
d 0─成品内径的公称直径，mm d=[16－0.8×0.35]×1.011=15.89mm
② 成品孔内径开口宽度B k
B k =[d 0+(0.5~1.0)+∆]×（1.007~1.02 ） 式中：+∆─内径允许最大正偏差，mm
按GB715-89,取+∆=0.35
=k B [16+0.8×0.35]×1.011=16.46mm
③内径开口处圆角R
R 的设计参考值一般为φ10～φ25mm,R =1～1.5mm
φ28～φ40mm,R =2～2.5mm
设计φ16，取R =1mm
④成品孔内径的扩张角R ’
取θ=30o
,辊缝s =2mm 则侧角
s
R R B arctg
k --=θθ
ρsin 2cos 2
=0
05.252
30sin 2/89.15230cos 2/89.15246.16=-⨯⨯⨯⨯-arctg ∴ρ〈θ符合要求。

∴R ’=)sin(cos 4sin 2ρθρθ--s R =)
5.2530sin(5.25cos 42
30sin 2/89.1520
000-⨯-⨯⨯=21.01 2)成品前孔（K2孔）设计
①成品前孔高度k h =（0.78~0.86）0d =0.82⨯16=13.12mm ②成品前孔宽度k B =（1.42~1.70）0d =1.6⨯16=25.6mm ③椭圆圆弧半径R
取辊缝s=3mm,则R=mm s h B s h k k k 72.18)
312.13(46.25)312.13()(4)(2
22
2=-+-=-+-
验算轧件在K2孔中的充满度δ：
已知K2孔中轧件的尺寸为mm h b 58.1224.251717⨯=⨯， 则
δ=25.24/25.6=98.6%，充满度太大。

取该椭孔中的充满度为0.9，
则k B =25.24/0.9=28.04mm
∴椭圆圆弧半径R=
mm 00.22)
312.13(404.28)312.13(2
2=-⨯+- 1） 平辊设计
平辊设计，只需确定辊缝值，其与轧后高度h 一致，在前面轧件尺寸确定时已经计算过。

具体见孔型尺寸表5-3 2） 椭圆孔尺寸设计
槽口宽：
k B =(1.088～1.11)b ， 本设计取b B k 1.1= 孔高：h h k = 辊缝：s=(0.2～0.3)h
圆弧半径：)
(4)(2
2s h B s h R k -⨯+-=
外圆角半径：r=(0.08～0.12)k B 轧件断面积：sb b s h F +-=)(3
2
充满度：k
B b =
δ 则各椭圆孔型的计算尺寸见孔型尺寸表5-3 3） 圆孔型设计 孔高：d h k = 槽口宽：,tan cos 2a s a
R
B k -=
015=a ～300，常取0025,15==a a 本设计取 扩张角：0
30=θ 辊缝：s=(0.10～0.15)d 外圆角半径：r=(0.2～0.3)d 内圆角半径：R=d/2
轧件面积：98.0(=F ～4
)99.02
π
d
则圆孔型尺寸见表3
表3 孔型参数尺寸表
道次孔型孔高
k
h
mm
槽口宽
k
B
mm
内圆半径
R
mm
外圆半
径r
mm
辊缝
s
mm
扩张角
充满度
%
1 平辊108.00 153.20 ——108.00 ——
2 平辊108.00 122.70 ——108.00 ——
3 平辊82.00 125.60 ——82.00 ——
4 平辊75.00 103.20 ——75.00 ——
5 椭圆61.72 105.31 69.63 9.84 13.58 —90.9
6 圆71.44 74.49 35.72 17.14 9.29 30098.6
7 椭圆34.09 111.45 123.43 10.03 7.50 —90.9
8 圆53.30 55.58 26.65 12.79 6.93 30098.2
9 椭圆25.36 80.15 86.14 7.21 5.58 —90.9
10 圆38.93 40.01 19.20 9.34 5.06 30097.5
11 椭圆24.27 54.11 43.40 4.87 5.34 —90.9
12 圆31.39 32.74 15.70 7.53 4.08 30096.9
13 椭圆16.71 45.84 43.57 4.13 3.68 —90.9
14 圆23.84 24.86 11.92 5.72 3.10 30095.9
15 椭圆16.43 31.93 23.09 2.87 3.61 —90.9
16 圆20.03 21.09 10.02 4.81 2.20 30095.2
17 椭圆13.12 28.04 22.00 2.00 2.00 —90.0
18 圆15.89 16.46 7.95 1.00 2.00 0
30100
表4 φ16mm圆钢轧制程序表
架次孔型
形状
轧件尺寸
延伸
系数
轧
辊
直
径
mm
工作
辊径
mm
出口
速度
m/s
轧件
长度
mm
轧制
温度
o c
压下
量
mm
轧辊
转速
r/min
轧制时间
高
mm
宽
mm
面积
mm2
纯轧s
间
隔
s
1H 平辊108.0
0 153.2
16545.6 1.250 500 500 0.21 20.3 977 33.6 8.5 96.7 5
2V 平辊
108.0
0 122.7
13251.6 1.249 500 500 0.26 25.4 965 45.2 10.6 97.7 5
3H 平辊82.00
125.6
10299.2 1.287 500 500 0.33 32.7 959 40.7 13.7 99.1 5 4V 平辊75.00
103.2
7737.3 1.339 500 500 0.42 43.8 955 50.6 18.3 104.3 5 5H 平椭61.72 95.74 4471.2 1.431 600 553.3 0.57 62.7 952 41.48 28.6 110.0 5 6V 圆71.44 71.44 4006.6 1.292 600 543.9 0.81 81.0 959 24.3 32.5 100.0 5 7H 平椭34.09
101.3
2
2638.0 1.394 420 394.0 1.05 112.9 954 37.35 68.2 107.5 5 8V 圆53.30 53.30 2231.2 1.255 420 378.1 1.46 141.7 962 48.02 83.9 97.1 5 9H 平椭25.36 72.86 1394.0 1.354 420 400.9 1.83 191.9 969 27.94 126.8 104.9 5 10V 圆38.93 38.93 1190.3 1. 339 420 389.4 2.48 256.9 982 33.93 152.8 103.6 5 11H 平椭24.27 49.19 905.0 1.276 420 401.6 3.33 327.8 986 14.66 194.9 98.4 5 12V 圆31.39 31.39 773.9 1.250 420 395.3 4.24 409.8 998 17.8 231.6 96.7 5 13H 平椭16.71 41.67 526.0 1.287 365 352.4 5.30 527.4 1003 14.68 382.2 99.5 5 14V 圆23.84 23.84 446.4 1.260 365 346.3 6.83 664.5 1001 17.83 458.4 97.3 5 15H 平椭16.43 29.03 361.0 1.258 365 352.6 8.60 835.9 999 7.41 556.7 97.2 5 16V 圆20.03 20.03 315.1 1.202 365 349.3 10.82
1004.
8
1007 9.00 643.8 92.9 5 17H 平椭12.58 25.24 249.2 1.384 365 355.1 13.00
1390.
6
1011 7.45 800.7 101.0 5 18V 圆16.20 16.20 206.1 1.132 365 352.3 18.00
1574.
1
1018 9.04 975.8 87.5 5
产品孔型图
本设计代表产品共18道孔型。

各道孔型图如下（平辊略）：
第5孔第6孔
第7孔第8孔
第9孔第10孔第11孔第12孔
第13孔第14孔第15孔第16孔第17孔第18孔。