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, bridge s, buildings, automotive, rail vehicle manufacturers and so on, it occupies an indispens able 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 s election form. This paper mainly introduces the pass design of some of the basic kno wledge 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。
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。
(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面积
F0= Fnμnc
钢坯的边长为。根据计算出的钢坯边长选择与其接近的钢坯尺寸。
6.各道次变形量的分配
分配道次变形量应注意以下几个问题。
(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。
(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因素，例如在初轧机、钢坯轧机和型钢轧机的开坯道次，此时轧件温度高，轧件表面常附着氧化铁皮，故摩擦系数较低。所以，选择这些道次的变形量时要进行咬入验算。
(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不小于辊脖直径。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。
(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确度和表面的粗糙度。同时，孔型的磨损增加了换孔换辊时间，影响轧机产量。成品尺寸的精确度和表面的粗糙度主要决定于最后几道，所以成品道次和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，经常是各种因素综合起作用。图1.9是变形系数按道次分配的典型曲线，它的主要依据是：在轧制初期，因轧件温度高，金属的塑性、轧辊强度与电机能力不成为限制因素，而炉内氧化铁皮使摩擦系数降低，咬入条件成为限制变形量的主要因素；继之，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；随着轧制过程的继续进行，轧件的断面面积逐渐减小，轧件温度降低，变形抗力增加，轧辊强度与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。
在实际生产过程中，为了合理的分配变形系数，必须对具体的生产条件作具体的分析。如在连轧机上轧制时，由于轧制速度高，轧件温度变化小，所以各道的延伸系数可以取成相等或近似相等。
图1.9 变形系数按道次分配的典型曲线
各道次的延伸系数确定之后，要用其连乘积进行校核，若其连乘积等于总延伸系数，则说明确
定的各道次延伸系数是对的，否则需调整各道次延伸系数使其连乘积等于总延伸系数。
7.确定轧件的断面形状和尺寸
根据各道次延伸系数确定各道次轧件的断面面积，然后按照轧件的断面面积及其变形关系确定轧件的断面形状和尺寸
8.确定孔型的形状和尺寸
根据轧件的断面形状和尺寸确定孔型的形状和尺寸，并构成孔型。应指出，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，这时可不事先确定轧件尺寸。
9.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。
10.进行必要的校核
对咬入条件和电机负荷进行校核，在必要时，也要对轧辊强度进行校核。
11.轧辊辅件设计
根据孔型图和配辊图设计导卫、围盘、检测样板等辅件并构图。
第二章孔型设计
2.1圆钢孔型系统
生产圆钢的孔型系统一般由延伸孔和精轧孔两部分组成,延伸孔的主要目的是减小轧件断面,并为轧件正确、顺利地进入精轧孔创造良好的条件。延伸孔型系统包括箱形孔型系统,菱—方孔型系统,菱—菱孔型系统,椭圆—方孔型系统,六角—方孔型系统等,精轧孔型常用的孔型系统有椭圆—方孔型系统, 椭圆—圆孔型系统, 椭圆—立椭圆—椭圆—圆孔型系统,通用孔型系统。
2.2延伸孔型的设计方法
2.2.1孔型系统的选择
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，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.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较均匀，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；
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。
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60×60~80×80mm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。
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。
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。
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=1 5～55mm。用在箱形系统之后和椭-方系统之前，组成混合孔型系统。
2.2.2孔型的设计方法
由于延伸孔型系统一般均为间隔出现方孔型,因此设计时可以利用这一特点.首先设计各方轧件断面的尺寸,然后根据相邻两方轧件的断面形状和尺寸设计中间轧件的断面和尺寸;再根据已确定出的轧件断面形状和尺寸构成孔型。
1.间隔方轧件断面的设计
根据总延伸系数和平均延伸系数可以计算出总道次数,然后分配各道次的延伸系数,并使各道次或孔型的延伸系数的连乘积等于总延伸系数.这样就可以根据坯料或成品坯的断面面积确定出各孔型中轧件的断面面积,其中也确定出了各方轧件的断面面积F。
(1)确定总延伸系数：μ∑= F0/Fn
(2)确定平均延伸系数，计算轧制道次。
①按下表选取延伸系数和宽展系数
孔型系统平均延伸系数宽展系数方孔型宽展系数
箱形 1.15～1.4 0.25～0.45 0.2～0.3
菱－方 1.2～1.4 0.3～0.5 0.25～0.4
椭－方 1.25～1.6 a=6～9 1.4～2.2 0.3～0.5
a=9～14 1.2～1.6
a=14～20 0.9～1.4
a=20～30 0.7～1.1
a=30～40 0.55～0.9
菱－菱 1.2～1.38 0.25～0.3
六角－方 1.4～1.6 a＞40 0.5～0.7 0.4～0.7
a＜40 0.65～1.0
椭圆－圆 1.3～1.4 0.5～0.95 0.3～0.4（圆）
椭－立椭 1.15～1.34 0.5～0.6 0.3～0.4（立椭）
②确定轧制道次：n=㏒μ∑/㏒μc
(3)逐道分配延伸系数并检验：μ∑=μ1μ2μ3…μn
(4)确定方（圆）轧件尺寸：
如上图所示：
，，…，
，，…
则方件边长：
2.中间轧件的断面的设计
这里所指的中间轧件是两个方轧件之间的轧件.在两个方轧件之间可为矩形,菱形,椭圆或六角形轧件.在后面所介绍的确定这种中间轧件的断面尺寸,是指确定其断面最高和最宽处的尺寸.以箱形孔型系统为例说明之.因为宽展系数β为宽展量Δb与压下量Δh之比,因此在确定中间轧件断面尺寸时需同时满足下述两个条件
(1) βz =(b-A)/(A-h)(2) βa=(a-h)/(b-a)
由上述条件则可求出轧件在中间孔型中的宽度b和高度h为:
b=(A+Aβz-aβz-aβzβa)/(1-βzβa);h=(a+aβa-Aβa-Aβzβa)/( 1-βzβa)
用上述方法可以确定出箱形孔型系统，菱－方、椭－方、六角－方、椭圆－圆孔型系统及其混合孔型系统各孔型的轧件尺寸。确定出各孔型中的轧件断面尺寸后，则可根据这些轧件尺寸构成孔型。
2.3精轧孔型设计
2.3.1成品孔的设计
在轧制较高精度的圆钢时,成品孔型的构成方法是否正确,对于轧机调整,孔型寿命和轧机的生产能力都有很大影响.
轧制圆钢时垂直方向的尺寸是用调整成品孔的上下辊来控制的,水平方向的尺寸是用调整成品前椭圆孔的高度来改变,对角线的尺寸差可用串动轧辊来纠正,但两个对角线的尺寸由于孔型磨损超过允许偏差时,则不得不换孔或换辊,为此已淘汰了用一个半径构成轧槽的成品孔型.
成品孔型的基圆半径R为:R=1/2[d-(0~1.0)Δ_](1.007~1.02),其中的d为圆钢的公称直径或称为标准直径，Δ_为负公差，1.007~1.02为热膨胀系数，其具体数值根据终轧温度和钢种而定，各种钢可取为
普碳钢碳素工具钢滚珠轴承钢高速钢
1.011~1.015 1.105~1.018 1.018~1.02 1.007~1.009
成品孔的宽度bk=[d+(0.5~1.0)Δ+](1.007~1.02)，其中的Δ+为正公差。
成品孔的扩张角θ，一般可取为=20°~30°，常用θ=30°
成品孔的扩张半径R应按如下步骤确定，即先确定出侧角ρ，其值为
ρ=tan﹣(bk-2Rcosθ)/(2Rsinθ-s)
当按上式求出的ρ值小于θ时才能求扩张半径R，若ρ=θ时，则只能在孔型的两侧用切线扩张；若ρ>θ时，则需调整bk，R和s值使ρ≤θ。当ρ<θ时，则可按下式确定R′之值
R′=(2Rsinθ-s)/(4cosρsin(θ-ρ))
辊缝s可根据所轧圆钢直径d按表2.1选取，外圆角半径r=0.5~1毫米
表2.1 圆钢成品孔辊缝s与d的关系
d,毫米6~9 10~19 20~28 30~70 70~200
s, 毫米1~1.5 1.5~2 2~3 3~4 4~8
2.3.2成品前精轧孔的设计
因为通用孔型具有共用性，这里只介绍通用孔型的设计方法。
1．椭圆孔型的设计
椭圆孔型的构成参见表2.2，其孔型的高度是按最小圆钢直径确定，其宽度尺寸是按最大圆钢直径确定，其hk和bk与d和D的关系如表2.2所示
表2.2 椭圆孔型尺寸
圆钢直径14~18 18~32 40~100 100~180
hk/d
bk/D 0.75~0.88
1.5~1.8 0.80~0.9
1.38~1.78 0.88~0.94
1.26~1.50 0.85~0.95
1.22~1.40
辊缝s可取值为s≤0.01DZ，DZ为轧辊直径。孔型内外圆弧半径R和r的取法同前所述。2．力压孔型的设计
力压孔型的高度hk按所轧最小圆钢d直径确定，其宽度bk按最大圆钢直径D确定。力压孔型的主要构成尺寸hk和bk与D和d的关系如表2.3所示。在设计力压孔型时，要注意使hk> bk，并且使hk大于力压孔型任一方向的尺寸，以保证轧件在立轧孔型中轧制稳定。
表2.3力压孔型尺寸与所轧圆钢直径的关系
圆钢直径，毫米14~18 18~32 40~100 100~180
hk/d
bk/D 1.17~1.23
1.14~1.25 1.25~1.32
1.15~1.2 1.2~1.3
1.05~1.1 1.15~1.25
1.0~1.06
3．扁孔型的设计
扁孔型最好做成圆弧形槽底，采用这种孔型的好处是方轧件进入弧底扁孔型能自动找正，轧件在立压孔型中的变形均匀，轧件侧面少或无摺纹,这对于轧制优质钢尤为重要.扁孔型的主要构成尺寸与所轧圆钢直径的关系如表2.4所示。
表2.4扁孔型的构成尺寸与所轧圆钢直径的关系
圆钢直径，毫米14~18 18~32 40~100 100~180
hk/d
bk/D 0.7~0.9
2.1~2.3 1.0~1.1
1.65~1.8 0.9~1.0
1.35~1.69 0.96~1.0
1.45~1.5
4．方孔型的设计
在此所指的是对角方孔型或箱方孔型。在方孔型中轧出的方轧件尺寸是用其边长a表示的。其边长a与所轧圆钢直径的关系如表2.5所示。
表2.5边长与所轧圆钢直径的关系
圆钢直径,毫米14~32 40~100 100~180
a/D+d/2 1.26~1.47 1.2~1.4 1.2~1.37
5．校核
由于除方孔之外的各孔型尺寸都是按经验数据确定的,为了保证轧制顺利及成品质量,应进行校核,即计算轧件在各孔型中的轧后宽度,要求轧件在轧后应小于孔型的槽口宽度(b< bk)。校核或计算轧件在各孔型中的宽度,可根据方轧件边长a从扁孔型开始直到成品孔为止。
轧件在通用精轧孔型系统的各孔型中的展宽系数β如表2.6所示, 轧件在扁孔型中的展宽系数
如表2.7所示。
表2.6轧件在通用精轧孔型中的展宽系数β
孔型成品孔型椭圆孔型力压孔型扁孔型
大圆钢
小圆钢0.22~0.3
0.3~0.5 0.5~0.8
0.6~0.9 0.2~0.3
0.2~0.3 0.4~0.6
0.5~0.75
表2.7轧件在扁孔型中的展宽系数
轧机330 580 800
弧底扁孔型
平底扁孔型
光辊0.5~0.75
0.45~0.65
0.45~0.65 0.45~0.65
0.4~0.5
0.4~0.5 0.45~0.6
0.35~0.5
0.35~0.5
第三章典型产品孔型设计
以φ25mm圆钢为例，设计其轧制时所需孔型。(精轧机轧辊直径为300mm,粗轧机轧辊直径为500mm)
根据前面所述孔型设计的方法、孔型系统的选择等因素综合考虑，本题以通用孔型系统为精轧所采用，而粗轧选用菱——方孔型系统。
精轧孔型设计
1.成品孔型尺寸
成品孔宽度bk=[d+(0.5~1.0)Δ+]1.003
=[25+0.5×0.3]1.003
=25.4mm
成品孔高度hk=[d-(0.5~1.0)Δ+]1.003
=[25-0.5×0.3]1.003
=24.8mm
成品孔基圆半径R=1/2[d-(0~1.0) Δ-]1.003
=1/2[25-0.5×0.8]1.003
=12.5mm
辊缝s=2mm,成品孔扩张角θ=30°,外圆角半径r=1mm.
扩张半径R′的计算：
侧角ρ=tan-1(bk-2Rcosθ)/(2Rsinθ-s)
= tan-1 (25.4-25×cos30°)/(25×sin30°-2)
=21.1°
ρ<θ,所以R′=(2Rsinθ-s)/(4cosρsin(θ-ρ))
=10.5/0.56
=18.8mm
2.成品前孔——椭圆孔型尺寸
hk=25(0.80~0.9)=25×0.85=21.25mm
bk=25(1.38~1.78)=25×1.58=39.5mm
取s=2mm,则椭圆孔型内圆弧半径R=[( hk-s) 2+ b2k]/4( hk-s)
=[(21.25-2) 2+39.152]/4(21.25-2)
=18.0mm
椭圆孔型的外圆角半径r=1mm.
3.立椭圆孔型尺寸
hk=(1.25~1.32)d=1.3×25=25.8mm
bk=(1.15~1.2)d=1.18×25=29.5mm
孔型侧壁斜度ψ=40%，R=0.7×25=17.5mm,R′=R/3=5.8mm,r=1mm,s=2mm
4.扁孔型尺寸
hk=(1.0~1.1)d=1.0525=26.3mm
bk=(1.65~1.8)d=1.725=42.5mm
孔型侧壁斜度ψ=40%，R=（0.05~0.2）bk=0.1×42.5=4.3mm
R′=(2~5)d=4×25=100mm, s=2mm,r=1mm
5.确定方轧件边长
a=(1.26~1.47)d=1.35×25=34mm
为使方轧件断面形状较为精确,采用对角方孔型,其孔型的构成尺寸为
h=1.41a=48.0mm b=1.42a=48.2mm
取s=2mm,r=1mm
为有可能使方轧件四个角近于相同，而使孔型的内圆角半径R=5mm,这时孔型的实际高度为h k=h-0.828R=48-0.828×5=43.94mm。
在上述各精轧孔型尺寸确定之后，按已定出的方轧件尺寸及表2.6和表2.7的数据求出各孔型中的轧件实际可能达到的宽度皆略小于孔型的宽度，因此可以认为所设计的孔型尺寸是可用的。粗轧孔型设计
1.轧制道次的确定
F0=120×120=14400mm2，F1=34×34=1165mm2
菱——方孔型系统的平均延伸系数μ=1.2~1.4, 取μ=1.3, 则轧制道次为
n=(㏒14400-㏒1165)/ ㏒1.3=7.6道,取8道.
2.方孔尺寸的计算
取k1与k3一对方孔的平均延伸系数μ1=1.26,则a3=μ1×34=43mm
则k1孔尺寸为a1=34mm,b1=h1=1.41×34=48mm
取s1=4mm,r1=0.15×34=5mm,r2=0.12×34=4mm
bk1= b1-s=44mm, hk1= h1-0.83×8=45mm
3.扁孔尺寸的计算
k2孔高度h2=0.690×34(1+34/43)-1=41mm
k2孔宽度b2=1.38×43(1+3/43)+2=64mm
β=2arctan41/64=65°18′
α=180°-65°18′=114°42′<120°,轧制稳定
取s2=4mm,R1=0.09×64=6mm,R2=0.1×64=6mm
bk2=64×(4/41)=57.76mm
hk2=41-2×6(1+(41/64)-1)=37.63mm
k3、k5、k7孔的求法同k1孔，其尺寸分别为
k3孔：a3=43mm,b3=h3=1.41×43=61mm
s3=2mm,r1=0.15×43=6mm,r2=0.12×43=5mm
bk3=b3-s=57mm, hk3=h3-0.83×8=54mm
k5孔:a5=56mm,b5=h5=1.41×56=79mm
s5=5mm,r1=0.15×56=8mm,r2=0.12×56=7mm
bk5=b5-s=74mm,hk5=h5-0.83×8=72mm
k7孔:a7=75mm,b7=h7=1.41×75=106mm
s7=5mm,r1=0.15×75=11mm,r2=0.12×75=9mm
bk7=b7-s=101mm,hk7=h7-0.83×8=99mm
k4、k6、k8孔的求法同k2孔，其尺寸分别为
k4孔：h4=0.690×43(1+43/56)-1=51mm
b4=1.38×56(1+3/51)+2=84mm
β=2arctan51/84=62°24′
α=180°-62°24′=117°36′<120°, 轧制稳定
取s4=4mm,r1=0.09×84=8mm,r2=0.1×84=8mm
bk4=84×(1-4/51)=77.40mm
hk4=51-2×6(1+(51/84)-1)=48.96mm
k6孔:h6=0.690×56(1+56/75)-1=66mm
b6=1.38×75(1+3/66)+2=108mm
β=2arctan66/108=62°48′
α=180°-62°48′=117°12′<120°, 轧制稳定
取s6=5mm,r1=0.09×108=10mm,r2=0.1×108=11mm
bk6=108×(1-5/66)=99.82mm,
hk6=66-2×6(1+(66/108)-1)=63.94mm
k8孔:h8=0.690×75(1+75/120)-1=83mm
b8=1.38×75(1+3/83)+2=109mm
β=2arctan83/109=74°30′
α=180°-74°30′=105°30′<120°, 轧制稳定
取s8=5mm,r1=0.09×109=10mm,r2=0.1×109=11mm
bk8=109×(1-5/83)=102.42mm
hk8=83-2×6(1+(83/109)-1)=79.92mm
轧制中各道次孔型的构成参数见表3.1和表3.2
表3.1精轧各道次孔型的构成参数
道次辊缝，mm 轧槽宽度,mm 孔型高度,mm 侧壁斜度基圆半径,mm 扩张半径,mm
1
2
3
4
5 2
2
2
2
2 25.4
39.5
29.5
42.5
——24.8
21.25
25.8
26.3
43.94 ——
——
40%
40%
——12.5
——
——
——18.8
——
——
——
——
表3.2粗轧各道次孔型的构成参数
道次辊缝,mm 轧槽宽度,mm 孔型高度,mm 构成宽度,mm 构成高度,mm β
6
7
8
9
10
11
12
13 4
4
4
4
5
5
5
5 44
57.76
57
77.40
74
99.82
101
102.42 45
37.63
54
48.96
72
63.94
99
79.92 48
64
61
84
79
108
106
109 48
41
61
51
79
66
83 ——
65°18′
——
62°24′
——
62°48′
——
74°30′
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,2000,1-18.
[2]王延溥.轧钢工艺学[M].北京:冶金工业出版社,1981,
[3]白光润.孔型设计[M].沈阳:东北工学院出版社,1992,
[4]沈茂盛李曼云.[M].北京:冶金工业出版社,2003,149
致谢
历时一个多月的毕业设计终于结束，我终于完成了这部作品，这里面每一个图形的绘制，每一行语句的调试，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。一个月的设计时间虽然短暂，
但我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。
特别感谢我的老师李春福，他在学习、设计上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。他洞察全局、高屋建瓴，为我的论文的顺利完成指出了很好的方向，他渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我毕生受益。
在此我谨向李老师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意！
附录A:精轧孔型图
附录B:粗轧孔型图