材料成型工程 第七讲 轧制压力及力矩计算3
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1.1.5轧制压力模型工程计算中经常采用如下简化的专用于孔型轧制的轧制压力公式计算轧制压力:Q F K P d m =(1.25) 式中:m K ——平均变形抗力;d F ——接触投影面积;确定轧件与轧辊的接触面积,经常采用如下公式:用矩形-箱形孔,方-六角,六角-方,方-平椭圆,平椭圆-方以及矩形-平辊系统轧制时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=1122101ηA B B H S (1.26) 按方-椭轧制方案时 75.0)1(121-+=A H S ηξη(1.27)()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=213.009.011845.0375.01128.0)1(29.071.0221k k a a ηηηδξ 按椭-椭,椭-圆,圆-椭,椭-立椭和立椭-椭轧制时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1121ηξA H S (1.28)椭圆-圆 )1.01)(62.1(201K K a a --=δδξ (1.29)圆-椭圆 )4.01)(62.1(2101δδδξK K a a +-=(1.30) Q ——载荷系数,针对各种孔型轧制情况的Q 值回归模型为:W W Q /61.10771.0731.0++-=式中:W ——考虑不同轧制条件的无量纲参数; 102F F F W d+=其中:10,F F 分别为轧件入出口断面面积。
1.1.6轧制力矩及功率模型轧制力矩计算公式为:ψm z PL M =(1.31) 式中:P ——轧制压力m L ——平均接触弧长度ψ——力臂系数力臂系数ψ也采用对各种孔型轧制情况的回归模型:W W /083.0108.0705.0+-=ψ(1.34) 轧制功率是单位时间所做的功,即:tAN =(1.35) 式中:A ——变形功,KJ ; t ——轧制时间,s 。
又由轧制所消耗的功与轧制力矩之间的关系为:VtARt A AM ===ωθ(1.36) 式中:θ——角度,rad ; ω——角速度,rad/s ; R ——轧辊半径,mm ; V ——轧辊线速度,m/s 。
三、几个重要工艺参数的计算1、轧制压力、轧制力矩的计算(1)平均单位压力计算平均单位压力一般形式式中? ——应力状态影响系数;——考虑外摩擦及变形区几何参数对应力状态的影响系数;——考虑外区(外端)对应力状态的影响系数;——考虑张力对应力状态的影响系数,其值小于1,当张力很大时可达到0.7~0.8。
——考虑轧件宽度影响的系数;——对应一定的钢种、变形温度、变形速度、变形程度的单向拉伸(或压缩)变形抗力(或屈服极限);——考虑中间主应力对应力状态的影响系数。
在1~1.15范围内变化,如果忽略宽展,认为轧件产生平面变形,有,则,=1.15。
斯米尔诺夫根据因次理论得出如下关系式当时,当时,、为变形区平均宽度和平均高度,为外摩擦系数。
根据大量现场实测和实验室研究结果表明,影响轧件应力状态的主要参数是接触弧长度与轧件平均高度的比值。
该比值综合反映了变形区三个主要参数R(工作辊半径)、(轧前厚度)、(压下量)对影响状态的影响。
1)热轧钢板轧机热轧钢板轧机包括中厚板与薄板轧机。
中厚板轧机(包括热轧薄板轧机的粗轧机组)轧制特点与初轧(开坯)机相近,外区影响()是主要的;与初轧不同点是宽度较大,可近似认为是平面应变情况,此时,。
薄板轧机的产品厚度为1.2~16mm。
其待点是,一般为1.5~7,此时,外区影响不存在(),而接触弧上摩擦力是造成应力状态的主要因素,其平均单位压力可表示为外摩擦对应力状态的影响系数,可按前面介绍的采利柯夫方法与西姆斯方法进行计算。
热轧薄板精轧机组平均单位压力计算用得最多的是西姆斯公式。
实际计算时常常使用以下简化式或美板佳助简化式。
2)冷轧带钢轧机冷轧带钢轧机的轧件尺寸更接近于推导理论公式时所做的假设,即宽度比厚度大得多,宽展很小,可认为是平面变形问题。
轧件厚度小,轧件内部不均匀变形可忽略,因而平面断面假设和滑动摩擦理论与冷轧带钢(薄板)的情况较符合。
此外,冷轧时均采用张力轧制,因而计算冷轧平均单位压力时,必须考虑张力影响。
轧制力矩及计算
轧制时垂直接触面水平投影的轧制总压力与其作用点到轧辊中心线的距离(即力臂)和乘积叫轧制力矩,如图1所示。
图1 简单轧制时作用在轧辊上的力
轧制力矩是驱动轧辊完成轧制过程的力矩。
轧制力矩的计算方法如下:
1)按轧件给轧辊的压力计算
M1=P总a (1)
式中 M1——传动一个轧辊需要的力矩,N•m;
P总——垂直接触面水平投影的轧制总压力,N;
a——P总的作用点到轧辊中心线的距离,m。
根据轧制压力和接触面积的计算公式可知,
P总=p平均S接触=p平均(RΔh)1/2[(B+b)/2] 式中 p平均——平均单位轧制压力,MPa;
B、b——轧件轧前与轧后的宽度,mm
R——轧辊半径,mm
△h——压下量,mm。
力臂a可按下式计算:
a=Ψ(R△h)1/2×10-3,m (2)
式中Ψ一轧制压力的力臂系数。
将(2)代入(1)可得
M1=p平均R△hΨ[(B+b)/2]×10-3,N•m (3)热轧时力臂系数取值如下:
方形断面轧件Ψ=0.5
圆形断面轧件Ψ=0.6
在简单轧制情况下,即两个轧辊的直径相同,转速相等,双辊驱动,轧件作匀速运动,当轧件性质相同时,在上下两辊的作用下,轧件两面产生的变形一样,这时驱动两个轧辊的轧制力矩为:
M=M1+M2
因 M1=M2
故
M=2P总a
或
M=p平均R△hΨ(B+b)X10-3,N•m
2)按能量消耗计算
M1=A变R/l
式中A变——变形功,J;
R——轧辊半径,mm;
l——轧件轧后长度,mm。
这种方法适用于计算轧制非矩形对称断面轧件的轧制力矩。
4轧制力和功率的计算轧制代表了很多关系分析的特殊问题,它也是一个重要的工业流程。
其中板的轧制已经被广泛的研究了。
4.1通过局部应力分析的轧制力计算x x x h dh h d σσσ-++横向应力ααsin cos 2⎪⎭⎫ ⎝⎛dx p r 2个轧辊上的径向压力 图4.1带钢轧制的变形区域的剖视图,展示了带钢中性面两边的2个单元体的受力图。
虚线表示在载荷作用下轧辊的变形,轧辊半径变为R ’。
ααμcos cos 2⎪⎭⎫ ⎝⎛dx p r 2个轧辊上的摩擦力因为稳定轧制,所以单元体处于平衡状态:02tan 2=+++dx p dx p dh hd r r x x μασσ(4.1)在中性点入口一侧的单元体B 也处于平衡状态,摩擦力的方向与其相反,我们得到一个类似的方程:为方便起见,将2个方程统一表达:02tan 2=±++dx p dx p dh hd r r x x μασσ(4.2)这里,上面的符号“-”表示前滑区,下面的符号“+”表示后滑区。
带入公式αtan 2dx dh =得:常需要考虑S 的增加,因此方程4.3变为:()()()dh p hp hS d h d x αμσcot 1±-=-=(4.6)由于假设轧辊的半径是恒定的,所以能方便的用极坐标(R,α)替换dh: 又因为()()αμαcot 1sin 2±-=-Rp hp hS d根据量纲比S p /,()αμαααcot sin 2)(11±-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-Rp d hS d S p S p d d hS(4.7) 由Bland 和Ford 于1948年提出的简化,让这个方程更直接的积分。
在大多数情况下,轧制压力随辊缝里角度位置的变化比屈服应力随之的变化要大的多。
此外,hS 的乘积的变化将更小,因为S 随h 的减小而增加。
因此,与式子⎪⎭⎫ ⎝⎛-S p d d hS 1α比较,式子()hS d d S p α⎪⎭⎫ ⎝⎛-1通常被忽略。