型钢孔型设计课程设计

目录
摘要 (1)
第一章孔型系统的选择 (1)
1.1箱形孔型系统 (1)
1.2菱-方孔型系统 (1)
1.3椭-方孔型系统 (1)
1.4椭-圆孔型系统 (2)
1.5六角-方孔型系统 (2)
1.6方-椭圆-圆孔型系统 (2)
1.7圆-椭圆-圆孔型系统 (2)
1.8椭圆-立椭圆-椭圆-圆孔型系统 (2)
1.9选择孔型系统 (2)
第二章轧制道次和轧件尺寸计算 (3)
2.1轧制道次的确定和分配 (3)
2.1.1 轧制道次确定 (3)
2.1.2延伸系数分配 (3)
2.2延伸孔型的计算 (3)
2.2.1确定各方形断面尺寸 (3)
2.2.2确定各中间扁轧件的断面尺寸 (4)
第三章精轧孔型的设计 (8)
3.1 成品孔尺寸计算 (8)
3.2成品前椭圆孔型尺寸计算 (8)
3.2椭圆孔前圆孔计算 (9)
第四章延伸孔型的设计 (10)
4.1矩形-方箱孔型 (10)
4.3 六角-方孔型 (11)
4.4 椭圆-方孔型 (12)
4.5椭圆-圆孔型 (13)
总结 (16)
参考文献 (15)
附表 (16)
摘要
型钢是钢铁产品的主要品种之一，广泛运用于农业、交通运输业、制造业和建筑业等行业。

型钢孔型设计的好坏直接影响型钢产品的质量和成本，关系到轧机产量和工人的操作条件。

因此孔型设计一直被各钢铁厂的轧钢技术人员所重视。

但是型钢孔型设计的经验性较强，特别是复杂断面的型钢。

本设计主要对生活生产中常用的简单型钢的生产进行型钢的孔型设计。

在设计过程中本设计参考型钢孔型设计的相关资料，按照选择孔型系统到延伸孔和精轧孔型的设计和相关孔型参数计算的顺序进行设计。

本设计共分四章对孔型系统设计进行较详细的阐述，其中第一章主要介绍各种孔型系统的主要优缺点，利用其主要应用场合结合本设计的相关要求选择相应的孔型系统。

第二章介绍轧制道次的分配和各道次延伸率的确定然后根据成品圆钢的尺寸反推出各道次轧件的尺寸。

第三章内容主要介绍精轧孔孔型尺寸计算过程以及各孔型的充满程度。

第四章依次计算9道次粗轧过程延伸孔型相关参数的计算和充满程度计算，根据计算结果编写孔型相关参数表，利用CAD绘图软件绘出各孔型图。

关键词：型钢，圆钢，孔型设计，轧制
第一章选择孔型系统
延伸孔型系统有：箱形孔型系统、菱-方孔型系统、菱-菱孔型系统、椭圆-方孔型系统、六角-方孔型系统、椭圆-•圆孔型系统、圆-椭圆孔型系统及混合孔型系统等；精轧孔型系统有：方-椭圆-圆孔型系统、圆-椭圆-圆孔型系统、椭圆-立椭圆-椭圆-圆孔型系统、万能孔型系统。

究竟用哪种孔型系统合理，要根据具体的轧制条件如轧机型式、轧辊直径、轧制速度、电机能力、轧机前后辅助设备、原料尺寸、钢种、生产技术水平及操作习惯等来确定。

1.1箱形孔型系统
箱形孔型系统具有可在同一孔型中轧制多种尺寸不同的轧件，共用性大，可以减少孔数，减少换孔或换辊次数，有利于提高轧机的作业率；在轧件断面相等的条件下，与其他孔型系统的孔型相对比，箱形孔型系统的孔型在轧辊上的切槽较浅，这样相对地提高了轧辊强度，可增大压下量，对轧制大断面的轧件是有利的；在孔型中轧件宽度方向上的变形比坟均匀，同时因为孔型中各部分之间的速度差较小，所以孔型的磨损较为均匀，磨损也较少；氧化铁皮易于脱落；轧件在箱形孔中轧制比在光辊上轧制稳定；轧件断面温降较为均匀等优点，适用于初轧机、轨梁轧机、二辊和三辊开坯机、连续式钢坯轧机、中小型或线材轧机的开坯轧型，轧制大中型断面钢坯或生产大断面的成品方钢；也可以用于型钢轧机的前几道作为延伸孔型，以利于除去轧件上的氧化铁皮。

箱形孔型的缺点是有时难以从箱形孔型中轧出几何形状精确的方形或矩形断面的轧件，轧伴断面愈小，这种现象愈严重，因此箱形孔型不适于轧制要求断面形状精确的小轧件。

另外轧件在箱形孔型中只能在一个方向受到压缩，其侧表面不易平直，有时出现皱纹，同时角部的加工也不足。

1.2菱-方孔型系统
菱-方孔型系统能轧出四边平直，角部和断面准确的方形断面轧件，且在同一套孔型中能轧出几种不同尺寸的方坯和方钢；轧件在孔型中比较稳定，对于导卫装置要求并不严格。

因此主要用于中小型轧机轧制60mm×60mm～80mm×80mm以下的方坯或方钢，•或作为三辊开坯机的后几个孔型，即用箱形与菱-方孔型组成混合孔型系统。

菱-方孔型系统的缺点是四面受压缩，氧化铁皮不易脱落，影响产品表面质量；菱形轧件角部较尖，冷却较快，而且角部在轧件断面上的部位不能变换，轧制某些合金钢时易出现角部位裂；与箱形孔系统相对比，切入轧槽铰深，影响轧辊强度；轧糟各处工作直径差较大，因此孔型磨损不均。

1.3椭-方孔型系统
椭-方孔型系统的特点是：变形系数大；能变换轧件角部的位置；轧件能得到多方向上的压缩，对于改善金属的内部组织和提高钢材的质量较为有利；轧件在孔型中所处的状态较稳定，有利于操作；椭圆孔型在轧辊上的切槽较浅。

其缺点是不均匀变形严重；椭圆孔
比方孔磨损快等。

椭-方孔型系统常用作小型或线材轧机的延伸孔型，轧制70mm以下的断面。

2.4椭-圆孔型系统
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-圆孔型系统多用于轧制低塑性的高合金钢。

2.5六角-方孔型系统
六角-方孔型系统中沿轧件宽度方向变形较为均匀，单位压力、总轧制力和能量消耗都较小；轧辊磨损小且均匀。

一般广泛用于小型和线材轧机的毛轧或毛轧机组上，所轧的方件边长a=15～55mm。

常用在箱形系统之后和椭-方系统之前，组成混合孔型系统。

2.6方-椭圆-圆孔型系统
延伸系数大，轧制稳定，能与其他延伸孔型很好的衔接。

方轧件在椭圆孔型中变形不均匀，方孔切槽深，孔型公用性差。

2.7圆-椭圆-圆孔型系统
轧件变形和冷却均匀，易除去表面氧化铁皮，便于使用围盘，成品尺寸比较精确，公用性较大。

延伸系数小，椭圆件在圆孔中轧制不稳定。

2.8椭圆-立椭圆-椭圆-圆孔型系统
轧件变形均匀，易除去表面氧化铁皮，椭圆件在立椭圆孔型中能自动找正轧制稳定。

延伸系数小，容易出现中心部位疏松。

2.9选择孔型系统
孔型系统的选择与轧机的不知形式和轧件断面大小关系密切。

对于原料为
65mm⨯65mm的方坯，断面尺寸较大，为了去除来料表面之氧化铁皮及减少刻槽深度，最好采用一对箱形孔型；箱形孔型之后可采用以方孔型系统；当轧件断面尺寸在
40mm⨯40mm～60mm⨯60mm之间时一般采用六角-方孔型系统；当轧件断面小于
40mm⨯40mm时可采用椭-方孔型系统。

由此可以看出，该孔型系统是由箱形-菱-方-六角-方-椭-圆-椭圆组成的混合孔型系统。

精轧系统选用圆-椭-圆孔型系统。

第二章 孔型系统的计算
2.1轧制道次的确定和分配 2.1.1 轧制道次确定
总延伸系数 ==∑n F F 0μ()
8.532/10652
2
=π （2-1） 根据本轧机的布置形式和选择的孔型系统，参考有关厂的延伸系数，去平均延伸系数
=c μ 1.4，则轧制道次数为:
=
=
∑c n μμln ln =4
.1ln 54
ln 11.8 （2-2） 根据轧机布置应取偶数道次，取n=12，根据圆钢精轧孔型设计，确定第10道圆孔轧件断面的基圆直径为10D =12mm 。

2.1.2延伸系数分配
按附表1和附表2选择延伸系数和宽展系数
延伸孔型是由10道组成，最后确定延伸孔型是由一对箱形孔型，一对菱-方孔型，一对六角-方孔型系统组成。

为了孔型设计方便，可将粗轧的总延伸系数按对进行分配。

粗轧的总延伸系数为：
=
∑'μ2
2
)2/12(14.365⨯=37.37 （2-3） 各对的延伸系数为：
=∑2μ 1.68，=∑4μ 1.65 ，=∑6μ 2.50，=∑8μ 2.42，=∑10μ 2.23
2.2延伸孔型的计算 2.2.1确定各方形断面尺寸
按式∑
=
μA
a ，各方形轧件断面尺寸为：
5068
.165
2==
a mm 3965
.150
4==
a mm
2550
.239
6==
a mm 1642
.225
8==
a mm 1214
.323.2216R 10=⨯⨯=
mm
2.2.2确定各中间扁轧件的断面尺寸 第1孔型（矩形箱孔型）
设矩形轧件之高度451=h mm ，则
44.145
65
1
1
==
η， 889.74545400=-=
A 165
65
a 000===
B H ，取6.0=ψ 2.0tan =ϕ 斯米尔诺夫公式（查附表3得c 1~c 7的值）：
755432
1c c c 0c k c 0c c 0tan 11c 1ϕψδααη
β⨯⨯⨯⨯⨯⨯-+=A ）（ (2-4) 085.12.06.0889.7144.10714.01362.016.0746.0862
.01=⨯⨯⨯-+=）（β
7065085.1011=⨯=⋅=B B βmm (2-5)
第2孔型：
4.150
70
1
2
==
η 75050400=-=
A 556.145
70
a 110===
H B 6.0=ψ 2.0tan =ϕ 099.12.0556.1714.10714
.0116.0763.0746.0862
.02=⨯⨯⨯-+=）（β 46.4945099.1122=⨯=⋅=H B βmm 轧件宽度比应得宽度小0.54所以取m m 451=H 合适。

第3孔型：
设菱形的几何高度48'
3=h mm ，6.1k =α，85.00=δ，6.0=ψ，
来料实际高，宽度：
m m 5883.0-5041.122=⨯==R B H
208.148
58
1
3
==
η 333.74848400=-=
A 033.16.085.06.1333.71208.109
.31543.1865.485.45.007
.23=⨯⨯⨯⨯-+=--）（β m m 914.5958033.1233=⨯=⋅=B B β
验算轧件第4孔型中的情况：
091.139
60
1
4
==
η 27.63941.13941.1400=⨯⨯-=
A 菱形孔长轴：m m 47.7085.0/9.5985.0/b 3k
==='B (2-5) 菱形孔实高：mm 401b h 12R -h h 23
k =⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛
+=
75.140
70
h b k 330===α (2-6) 取85.0=δ 6.0=ψ
091.16.085.075.127.61091.1972
.017.03.1458.2665.001
.24=⨯⨯⨯⨯-+=--）（β m m 64.4340091.1h k 344=⨯=⋅=βB
第4孔型：47k =B ，9347/64.43/k 4==B B ％合适。

556.145/70/3k
k =='=H B α 合格。

与初选的k α值非常相近，如果初选的值与最后确定的菱形孔相差较大是应重新设定然后计算。

故第三孔型的设计是合理的。

第5孔型（六角孔型）
设mm 205=H ，则轧件在第5孔型轧后的轧件宽度为：
95.12039
a 1
54===
H η
192020400=-=
A
mm
B 5539404.1a 404.18.00.319)
195.1(075.218
.0455659.0453.3815.0848
.15=⨯=⨯==⨯⨯⨯-+==-ββψ
验算轧件在第6孔型的充满程度：计算第6孔型（对角方孔）尺寸，则
78
.3120589.1589.18.09.075.2348.10)156.1(948.018
.09
.075
.22055348
.102541.12541.140056
.125
41.155
6629.045.3852.0368.0203.16006=⨯==⨯⨯⨯⨯-+======⨯⨯-==⨯=
--B A βψδαη
该孔型的槽口宽度为25mm ，
985.025
.3278
.316k 6==B B 轧件宽度比6β小，此时孔型的充满程度，故认为六角形孔型设计是合格的。

第7孔型： 设：7H =13mm 则
7
.3925588.1B 588.19.00.378.29192.1377.019
.00
.378.2913
13
400A 92.113
25
1677136.1405.0116.0507
.077
=⨯=⨯==⨯⨯⨯-+====-=
==
-a k ββψαη）（取
验算轧件在第8孔型中充满程度：计算第8孔型尺寸，则：
05
.3137.3908.111641.116
41.1250A 76
.116
41.17
.391
08
===⨯⨯-=
=⨯=
αη
89
.056.19/329.1756.19B 329.1733
.1713333.1H B 333.19.09.005.308.11)176.1(242.219
.09.08788133.1647.1234.2352.0151.180==<=⨯===⨯⨯⨯⨯-+===--且k ββψδ 认为椭圆孔型设计是合适的。

第9孔型设：7H =11mm 则
64
.1912637.1B 637.19.00.336.35156.1377.019
.00
.336.3511
11
400A 56.111
33
.171677136.1405.0116.0507
.077
=⨯=⨯==⨯⨯⨯-+====-=
==
-a k ββψαη）（取
以上各中间孔型仅计算了轧件的高和宽，而相对于的孔型尺寸计算可按各延伸孔型的构成方法进行，下面将计算孔型的尺寸。

第三章 精轧孔型的设计
3.1成品孔尺寸计算
按国家标准GB702-86,20mm 圆钢的允许偏差3组为±0.5mm ，则成品孔型的尺寸为：
()()()5.1001.15.07.01002.1~007.1]0.1~5.0[=⨯⨯+=⨯∆+=+d B k mm （3-1） ()()()5.901.15.09.01002.1~007.1]0.1~0[=⨯⨯+=⨯∆-=-d H k mm （3-2）
取2=s mm ，︒=30θ，
则︒===13.85
.105.1arctan h s arctan
k α 14.32)
5
.105.1(15.105.91b h k
k
=+=+=
）（k b S ψmm （3-3） 27.4014.3213.8=+=+=ψαϑ
取外圆角5.12~5.1==r mm 。

表3-2 圆钢成品孔辊缝s 与d 关系 （mm ）
成品孔型轧件的尺寸为：
5.9h 1k =mm
成品孔型充满程度%2.955
.1010
==
δ，充满程度合适。

3.2成品前椭圆孔型尺寸计算
椭圆前圆孔型的基圆直径
()3.121023.1d 26.1~21.1h D k =⨯===mm
()()()86.1001.125.015.1002.1~007.1]0.1~5.0d [B k =⨯⨯+=⨯+=+∆mm
椭圆孔型宽度2k b =(1.56~1.82)d=1.6×10=16mm 取5.1=s mm ，︒=30θ，外圆角2=r mm 。

验算精轧孔型的充满情况 椭圆轧件的尺寸为：
6h =mm
()1.150.15.93.123.12b =⨯-+=mm
计算结果，椭圆孔型的充满程度为%3.9416
1
.15==
δ，充满程度合适。

计算椭圆圆弧半径()()
3.155.164165.16R 2
2
=-⨯+-=
mm
3.3椭圆前圆孔型的尺寸计算 由表3-2可知：
轧件长度3A =(1.08~1.04)d=1.1×10=11mm
3b =1.423A =15.62mm 3h =1.413A =15.51mm 辊缝 3s =0.13A 取1.5mm 孔型宽度3k b =3b -3s =14.12mm 孔型高度3k h =3h -0.828R=13mm 内圆角半径 R=(0.15~0.2)h 3=0.2×15.51=3.02mm 外圆角半径 r=(0.1~0.35)h 3=0.3×15.51=4.65mm
表3-3 方-椭圆-圆孔型系统K3方孔构成参数 （mm ）
第四章 延伸孔型的设计
4.1矩形-方箱孔型
对于矩箱孔型，由于来料尺寸为656500⨯=⨯B H mm ，轧出轧件尺寸为
704511⨯=⨯b h mm ，取8=s ，内圆角()5.4451.02.0~1.01=⨯==h R mm ，外圆角
()5.4451.015.0~05.01=⨯==h r mm ，槽底宽度为：
m m 606~001==）（—B b k
槽口宽度为
()()7610~5203.06510~501=+⨯+=+∆+=h B B z k βmm （5-1）
侧壁斜度为
%43%1002
84526076%100211=⨯-⨯
-=⨯-=
p
k K h b B y （5-2）
孔型高度4511==h h k mm ，充满程度%3.9375
7011===
k B b δ。

对于方箱孔型，来料尺寸为704511⨯=⨯b h mm ，轧出轧件尺寸为46.4946.4922⨯=⨯b h mm ，取
8
=s ，内圆角
()5
46.491.02.0~1.02=⨯==h R mm ，外圆角
()5.446.4909.0h 15.0~05.0r 2=⨯==mm ，槽底宽度为：
()406~012=-=h b k mm （5-3） 槽口宽度为
()()()()5210~546.497025.04510~52112=+-⨯+=+-+=a b h B a k βmm （5-4） 侧壁斜度为
%29%1002
846.49240
52%100222=⨯-⨯
-=⨯-=
p
k K h b B y （5-5）
孔型高度46.4922==h h k mm ，
充满程度%9.8752
4022===k B b δ。

4.2菱-方孔型
对于菱形孔型，参考延伸孔型的设计计算，
轧出轧件的尺寸914.594833⨯=⨯b h mm ， 菱形孔的几何尺寸为68'
3=h mm ，47.70'
3=b mm ，
实际尺寸为443=k h mm ，槽口宽度643=k B mm ，603k =b mm ，取8=s mm ，
内圆角()6.92.0~1.0'
3==h R mm ，
外圆角()8.435.0~1.0'
3==h r mm ，
充满程度%6.9364
914
.59B b 3k 3===
δ。

对于方箱孔型，参考延伸孔型的设计计算， 轧出轧件的尺寸64.4364.4344⨯=⨯b h mm ， 孔型的几何尺寸为55'
4'
4==b h mm ，
实际尺寸为48=k h mm ，槽口宽度474=k B mm ，取10=s mm ，
内圆角()5.52.0~1.0'4==h R mm ，
外圆角()5.535.0~1.0'
4==h r mm ，
充满程度%9.9247
64
.43B b 4k 4===
δ。

4.3 六角-方孔型
对于六角孔型，参考延伸孔型的设计计算
轧出轧件的尺寸552055⨯=⨯b h mm ，
槽底宽度64.43b 5k =mm ，
槽口宽度()594~2b B 55k =+=mm ，取()83.0~2.05==h s mm ，
内圆角()46.0~3.05==h R mm ，
外圆角()4h 4.0~2.0r 5==mm 充满程度%8.9459
55
B b 5k 5===
δ。

对于方箱孔型，参考延伸孔型的设计计算， 轧出轧件的尺寸4.254.2566⨯=⨯b h mm ， 孔型的几何尺寸为8.28'
6=h mm ，8.28'6=b ，
实际尺寸为8.356=k h mm ，槽口宽度30B 6k =mm ，取5=s mm ，
内圆角()42.0~1.0'
6==h R mm ，
外圆角()435.0~1.0'
6==h r mm ，
充满程度%6.8430
4
.25B b 6k 6===
δ。

4.4 椭圆-方孔型
对于椭圆孔型，参考延伸孔型的设计计算，
轧出轧件尺寸7.391377⨯=⨯b h mm ，
槽口宽度()2.4311.1~088.177==b B k mm ，取3=s mm ，
外圆角()312.0~08.07==k B r mm ，
()()()()
3531342.433134R 2
2
72727=-+-=
-+-=s h B s h k 椭mm ，
充满程度%9.912
.437
.39B b 7k 7===
δ。

对于方箱孔型，参考延伸孔型的设计计算，
轧出轧件的尺寸33.1733.1788⨯=⨯b h mm ， 孔型的几何尺寸为3.24'
8=h mm ，3.24'8=b ，
实际尺寸为3.178=k h mm ， 槽口宽度9.188=k B mm ，取2=s mm ，
内圆角()22.0~1.0'
8==h R mm ，
外圆角()235.0~1.0'
8==h r mm ，
充满程度%7.919
.1833
.17B b 8k 8===
δ。

5.5椭圆-圆孔型
对于椭圆孔型，参考延伸孔型的设计计算，
轧出轧件尺寸44.171199⨯=⨯b h mm ，
槽口宽度()1811.1~088.199==b B k mm ，取3=s mm ，︒=30θ，
外圆角()212.0~08.09==k B r mm ，
()()()()
25.113114183114R 2
2
92929=-+-=
-+-=s h B s h k 椭mm ， （5-8）
充满程度%8.9618
44
.17B b 9k 9===
δ。

结论
本次型钢孔型设计要求将65mm×65mm坯料经所设计的孔型系统轧制成为Φ10的圆钢。

本设计利用斯米尔诺夫宽展公式进行相关宽展系数的计算，根据计算结果获得轧件的相关尺寸。

设计过程主要包括：
1．分析各种孔型系统的优缺点按需要选择最合适的孔型系统，根据公式计算得到轧制道次为12道次，分为9道次粗轧和3道次精轧；孔型系统由箱型孔、菱-方孔、六角-方孔、椭圆方孔、椭圆孔、圆-椭圆-圆孔组成。

2．计算各道次结束后轧件的基本尺寸，在确定孔型系统和轧制道次之后根据成品规格按照由后往前的顺序推算出个道次轧制后轧件的基本尺寸，没到此的宽展系数需根据斯米尔诺夫宽展公式计算得出。

3．选择好精轧孔型后，按照相关孔型的计算要求和相关参数的需要计算出所需数据，以及各个孔型的充满程度确保每个孔型不会处于过充满或者充满不足要求。

4．确定各道次轧件尺寸后根据各孔型制造工艺以及实际要求计算出合理有效的孔型系统的相关参数，根据孔型系统的参数绘制CAD孔型图，明确标注相关参数。

本课程设计是在指导老师刘建的亲切关怀和悉心指导下完成的。

他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

刘建老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向刘建老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我做课程设计的过程中给予我很多建议，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师批评和指正。

参考文献
[1].赵松筠,唐文林.型钢孔型设计（第2版）.北京工业出版社,北京:2000.
[2].上海市冶金工业局孔型学习班.孔型设计.上海人民出版社,上海:1977.
[3].白光润.型钢孔型设计.冶金工业出版社,北京:1995.
[4].许云祥.型钢孔型设计.冶金工业出版社,北京:2005.
[5].徐春，王全胜，张弛等.型钢孔型设计.化学工业出版社，北京:2008.10.
附表
宽展系数
各种孔型系统中的系数值
说明：对箱型孔型C
7=0.362，对其他孔型系数C
7
=0
孔型参数表
附图
孔型图。