材料成型设备教案 - 图文

铜陵学院课程教学详案

授课名称授课专业授课教师

材料成型设备

材料成型及控制工程

张 金 标

2012年8月

材料成型设备

第一章 概述

内容要求：了解和掌握轧钢车间机械设备的种类，掌握轧钢机的类型、标识，熟悉主机列组成及作用，

工作机座的组成及作用，了解轧钢设备的发展。

重 点：轧机的布置形式，轧机工作制度。 难 点：轧机的布置形式。

教学方法：多媒体教学，比较法，举例法等。

1.1. 轧钢生产

(1)轧钢生产的作用：钢铁企业生产环节为炼铁－炼钢－轧钢。 (2)钢材的作用：

经济、国防、工业、生活等对钢材需求量非常大； 2000km双轨－－40万吨钢(重轨50kg/m)； 万吨轮船－－6000吨钢板；

5000km石油管线－－90万吨钢板(有缝管)； 一台拖拉机－－5吨钢材。

(3)轧钢的作用:

轧钢：将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。

90%的钢材是轧制生产出来的。生产工艺图片

(4)轧钢车间：按工艺分

钢坯车间：将钢锭或连铸坯轧成小钢坯，为成品车间提供原料； 成品车间：将钢坯轧制成钢材。 (5)轧钢车间的产品：播放图片

A、钢管：截面远小于长度尺寸且中空的经济型钢材，占钢材8－15%。

规格：D＝0.2-4500mm,S=0.01-100mm

种类：据生产方式分，无缝管，有缝管；

据断面形状分：圆管,方管,三角形管等

B、板带材：横截面远小于长度且厚度尺寸远小于宽度尺寸的矩形断面钢材。

规格：h: 0.001-0.2mm－箔材，0.2-4mm－薄板，4-20mm－中板，20-60mm－厚板，

＞60－特厚板；

b: 20-60mm－－2800mm－－5000mm h,b组合(板带材规格)：＞5000， b/h：达10000以上。

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C、线材： ?＞9mm－－棒材，5＜ ?＜9mm－－线材， ?＜5mm－－丝材 D、型钢：简单断面：方钢，圆钢，角钢等

复杂断面：工、H、Z、T字钢等

特殊钢：车轮，轮箍，丝杆，钢球等

(6)轧钢生产的特点：组织、性能得到改善和提高

体积不变(无屑加工)，成材率高，＞91%； 产量高，精度高，质量高：带宽±0.025mm0； 壁厚±01mm；

易实现高速化，连续化，自动化。

(7)轧钢生产的基本工序：坯料处理(→加热) →轧钢(→热处理) →剪切(→矫直)→收集(卷取)→定尺→包装、打印→入库。

1.2轧钢机械类型

(1)定义：完成由钢锭(钢坯)到成品整个生产过程中所需的机械设备统称为轧钢机械。 (2)轧钢机械种类：主设备；辅助设备 (3)主设备：

主设备定义：使金属产生塑性变形(轧制)的机械设备，即完成轧制工序的设备；又称为主机列、轧钢机(简称轧机)，它标志了车间的类型。

主机列组成：主电机：轧钢原动机，提供动力，直流或交流电机

传动装置：轧钢的主传动，传递动力；

工作机座：轧钢执行机构，有机架、辊系、调整及平衡装置； 电气控制装置：连续化、自动化主机列上都有。

(4)辅助设备：

辅助设备定义：轧钢车间中除主设备外其它所有设备的总称。 按用途分：翻钢设备，运输设备，精整设备等。

1.3 轧钢机

1.3.1轧钢机的标识方法

(1)型钢轧机：以轧辊名义直径(或齿轮座人字齿中心距)标识，如?650轧机，?1150轧机等；

(2)板带轧机：以辊身长度(由产品最大宽度确定)标识，如1700轧机，2500轧机等； (3)钢球、钢管轧机：以所轧产品的最大外径标识，如?76钢管轧机，?140钢管轧机等； (4)机组：以生产线上的最后成品机架标识，如?350小型型钢机组。

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1.3.2轧钢机的类型播放图片

(1)按用途分：开坯机；型钢轧机；板带轧机；钢管轧机；特殊钢轧机。 (2)按构造分：具有水平辊的轧机；具有垂直辊的轧机；具有倾斜辊的轧机；

万能轧机；大立辊轧机。播放视频

1.3.3工作机座布置形式 播放图片

(1)单机座：车间只有一个工作机座。

用于：轧制大断面的二辊可逆轧机；轧制钢管及冷轧板带二辊不可逆轧机； 冷、热轧带钢的四辊及多辊轧机等。

(2)横列式：几个工作机座横向排成一列，由一台电机传动。

用于：小企业的型钢及线材生产。 (3)纵列式：几个工作机座纵向排成一列。

用于：中厚板轧制

(4)阶段式：多个工作机座分成几组，组内成横列式，组间成纵列式排布。

用于：型钢生产。

(5)连续式：多个机座纵向排成一列

(6)半连续式：机座中一部分为横列式或纵列式，另一部分为连续式排列 1.3.4轧机工作制度 播放图片

(1)不可逆式工作制度：轧辊不能正反转，有：恒速轧制；带飞轮轧制；

不经常调速轧制；经常调速轧制。

(2)可逆式工作制度：轧辊可正反转。

(3)周期式工作制度：行星轧机、周期式轧管机等。 (4)带张力工作制度：连轧

1.3.5轧钢机轧制速度及生产率

(1)轧制速度：轧件从辊缝中流出的速度不考虑前滑则有

??Dn

v?,m/s 60?1000式中，D－工作辊径，mm；n－轧辊转速，rpm。 G(2)生产率：机械设备的小时产量

Q?3600?,t/h;T?Tz?Tj,s T式中，G－单重,t；T－轧制周期,s；Tz－纯轧时间,s；Tj－间隙时间,s。

本章小结：

本章介绍的轧钢机械的概念、类型，分析了车间主设备的结构形式、机座布置和工作制度，补充简介了轧钢车间的轧制产品。 课后思考与练习：

1.轧辊直径为?1150mm，辊身长度为L＝2800mm。该轧机在型轧厂应叫什么轧机，在钢板厂又叫什么轧机？

2.某型轧厂有两列机组，分别为?700和 ?500。这里700、500是什么意思？ 3.轧钢车间主设备工作机座布置形式有哪些，各有什么特点？

4.轧钢机的工作制度有哪些形式，不可逆式工作制度的具体方式有哪些？

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第二章 轧辊

内容要求：了解轧辊的功能、材质及许用应力，熟悉轧辊的构造、工作特点、类型，掌握轧辊结构、尺

寸设计方法，会计算轧辊强度。

重 点：轧辊尺寸设计与强度校核。 难 点：轧辊强度计算与校核。

教学方法：多媒体教学，比较法，举例法，引导法等。

2.1. 轧辊的类型与结构

2.1.1轧辊概念

(1)定义：是轧机在工作中直接与轧件接触并使其产生塑性变形的重要部件，是易损件。 (2)作用：对高产、优质、低耗各项经济指标有很大的影响 2.1.2轧辊工作特点

(1)工作时承受很大的轧制力和轧制力矩，惯性力及冲击力；

(2)在高温和大温变情况下工作，工作环境恶劣； (3)磨损快。

2.1.3轧辊结构组成

(1)辊身：轧辊中间部分，与轧件直接接触使其塑性变形。

Cr5大型锻参数：辊身直径，名义直径D(公称直径)；工

钢支承辊作直径Dk；辊身长度L。

性能要求：高强度，以承受高载荷；高刚性，以减小弹性变形；

良好的热稳定性；高的表面硬度及抗疲劳强度。

(2)辊颈：轧辊支承部分，与轧辊轴承装配在机座中，将轧制力经压下装置传递给机架。

参数：辊颈直径d ；辊颈长度l。

工作特点：承受大的弯矩和扭矩；面压力高；p?值高；

存在应力集中；氧化铁皮的摩擦。

性能要求：足够的强度、硬度及耐磨性；表面要光洁、无麻点和裂纹；

要有防铁皮装置。

种类：圆柱形：与开式轴承、滚动轴承装配；

圆锥形：与液体摩擦轴承装配。播放图片

(3)辊头：传递动力部分，与连接轴连接，转动轧辊。

参数：与连接轴有关。

类型：梅花辊头；万向辊头；带键槽或圆柱形辊头；平台辊头。播放图片 2.1.4轧辊种类 播放图片

(1)按构造分：光面辊（平辊）：轧制板材及无孔型轧制；

有槽辊：型钢、线材、管材及特殊钢的孔型轧制。

(2)按用途分：工作辊：与轧件接触使其变形；

支承辊：与工作辊接触，支承工作辊，提高其刚性。

(3)按辊身表面硬度分：软面轧辊，HB＝150 -250，HS＝25 - 35；

半硬面轧辊，HB＝250 - 400，HS＝35 - 40； 冷硬面轧辊,HB＝400 - 600，HS＝60 - 85；

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无限冷硬面轧辊,HB＝600 - 800，HS＝85-100

2.1.5轧辊材质

(1)合金锻钢：热轧辊：55Mn ,55Cr ,60CrMnMo 等，

冷轧辊：9Cr, 9Cr2W, 60CrMoV等；

(2)合金铸钢：无标准

(3)铸铁：普通铸铁：半冷硬面轧辊；合金铸铁：冷硬面轧辊；

球墨铸铁：无限冷硬面轧辊。

(4)半钢轧辊：兼有铸钢的高强度、耐热龟裂性和铸铁的耐磨性。

2.2 轧辊结构尺寸

2.2.1 辊身尺寸

(1)型钢轧机：Dg→D→L

?hmaxDA、名义直径D： Dg???1.4?D1?cos?Dmaxg

式中，?max－最大咬入角，表3－1。

B、辊身长度L：决定于孔型配置及抗弯强度和刚度，表3－2查得L/D→L。

注：D、L要进行圆整，以符合轧辊尺寸系列化标准。 (2)板带轧机：bmax →L →D(D1、D2)

A、辊身长度L：据产品最大宽度bmax确定，L＝ bmax＋a。 B、辊身直径D：二辊轧机：由表3-2查L/D→D；

四辊轧机：由表3-3查L/D1(L/D2) 和D2/D1 → D2、D1 ；

支承辊传动时， D2/D1 = 3-4。

(3)轧辊重车率：指轧辊从开始使用到报废为止，其全部重车量与轧辊名义直径的百分比。

D?Dmin ??max?100%D

注：各种轧辊的重车率查表3-4。 2.2.2 辊颈尺寸

与轧辊轴承类型有关，d、r应尽量大，以提高强度。 滑动轴承：d/D→l/d→r/D，表3-5；

滚动轴承：d = 0.5-0.55D；l/d = 0.83-1.0；r/D 查表3-5可得。 油膜轴承：辊颈锥度1:50，大头直径d = 0.75D。 2.2.3辊头尺寸

与连接轴有关。

(1)梅花辊头尺寸：三辊型钢及线材轧机：d1＝d-(10~15)mm；

二辊型钢及线材轧机：d1＝d-10 mm； 中板轧机：d1＝(0.9-0.94)d mm； 三辊薄板轧机：d1＝0.85dmm； 其它尺寸：由d1表3-6可得。 (2)万向辊头尺寸：结构如图所示；尺寸为经验值。

D1?D??5~15?,mm

S??0.25~0.28?D1,mm

a??0.50~0.60?D1,mm

b??0.15~0.20?D1,mm c??0.50~1.00?b,mm

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例：设计?650轧机的轧辊尺寸，用梅花辊头。 解：一、辊身尺寸的确定：

由题意知：D ＝ 650，由表3-4查取重车率 9%，取Dmax= 650,

则:Dmin= (1-9%)Dmax= 590

由表3-2取L/D = 2.0, 则：L = 2.0D = 1300。 二、辊颈尺寸的确定： 设使用滑动轴承，则：

由表3-5取：d/D = 0.55→d = 357.5, 取d = 360

l/d = 1.0→l = 360 r/D = 0.065→r = 42 三、辊头尺寸：梅花辊头

设 ?650 为三辊型钢轧机，则d1＝d – (10-15)

取d1＝340，则由表3-6查得：D3 = 362, r1 = 70, l2 = 225,l3 = 255。

2.3.无支承辊的轧辊强度校核

轧辊破坏形式：辊身中间部位断裂；轧槽槽底断裂；

辊颈扭断；辊头扭断。

轧辊破坏原因：弯曲应力，扭转应力，接触应力，

热应力，残余应力，磨损等综合作用。 (1)轧辊设计不合理或设计强度不够； (2)材料热处理或加工工艺不合要求； (3)使用不合理。

校核内容（静强度）：辊身弯曲应力；

辊颈的弯曲应力和扭转应力； 辊头的扭转应力

2.3.1光辊强度计算

受力分析：如图所示。

?ab?辊身强度：弯曲力矩 Msh?P????48?

弯曲应力 ?sh?Msh30.1D

辊颈强度：弯矩及弯曲应力M j?P?c?P?l24 Mj?j?扭矩及扭转应力 0.1d3d?? Mn?P?a??1??P???h?R????2??

Mn?j? 0.2d32钢辊，第四强度理论 合应力 ?h??2j?3?j 2?h?0.375?j?0.625??2j?4?j铁辊，第二强度理论

Mn辊头强度：梅花辊头，扭转应力 ???30.07d1

? sh,?h????;???[?]强度验算：

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2.3.2带轧槽轧辊强度计算

受力分析：如图所示。

辊身强度：判定危险截面：弯矩最大处；直径最小处。

弯曲力矩 Msh?R1?x Msh弯曲应力 ?sh?0.1D3

辊颈强度：弯矩 Mj?Rd?c?Rdl2

dM?P??hR?????Piii扭矩 n?i2应力:同前。

辊头:同前。

2.3.3.轧辊安全系数及允用应力

轧辊载荷：静载荷:计算载荷；动载荷:用安全系数保证。 安全系数： n?3?5；许用应力：

?????b。

n

例1：二辊薄板轧机，轧辊D＝900，l = 600, d = 600, 辊身余量a=200, bmax = 1000, 轧制力P＝15MN，压下量为△h = 30mm，轧辊为球墨铸铁，轧辊轴承处?=0.02。试设计轧辊辊身、辊颈尺寸并进行强度验算（辊头等效直径

d??360mm )。

取Dmin = D = 900mm 。 L?bmax?a?1000?200?1200mm， 解：一、设计尺寸：

二、受力分析：如图。 P三、辊身强度： ?L?lb??18001000?MnMsh?P????15?106??? 8?8??4?4 ?8625?106N.mmP/2P/2 6Msh8625?10?sh???118.313MP 30.1Dmin0.1?9003 MPP?l6?0.25?15?10?600四、辊颈强度： Mj??c?图Msh24

?2250?106N.mm

Mj2250?106 ?j???104.166MPa33

五、辊头强度：

0.1?600d??Mn?P???h?R?????15?106?0.5?30?450?300?0.022???798.77?106,N.mm0.1d??Mn798.77?106?j???18.49MPa0.2d30.2?60032?h?0.375?j?0.625??2j?4?j铁辊，用第二强度理论

?0.375?104.166?0.625?104.1662?4?18.492?108.49MPaMn798.77?106?????85.65MPa33?0.2d0.2?360??0.625?2???107.70MPa?h- 7 -

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六、验算强度：由P92内容知，轧辊 ????80?120MPa???????sh,?h,?h故：轧辊强度满足生产要求。

例2：某二辊不可逆式轧机，辊身直径D=400mm，长度L=1200mm；辊颈直径d=250mm，长度l＝264mm；辊头为梅花辊头，d1=240mm，l1=180mm，轴承为布胶轴瓦，摩擦系数为f′=0.04。轧辊材质为铸钢，轧辊许用应力[σ]=130Mpa，[τ]=60~90Mpa。轧辊上一轧槽深度hp=25mm，距左侧压下螺丝中心714mm，该轧槽轧制轧件时，轧制力P=940kN，压下量Δhmax=20mm， 轧件与轧辊摩擦系数f＝0.05。 PMn试计算轧辊应力并校核强度（不考虑其它轧槽）。

解：一、受力分析，如图所示。

二、计算有关参数： RARBDk?D?2hp?350mm

Ma?L c??232mm图2 MshaR?P?714?R?458.44kNBB

RA?P?RB?481.56kN

二、计算应力： 1、辊身： Msh?RA?714?343.83?106N.mm

Msh343.83?106?sh???80.19MPa 330.1Dk0.1?350 6M?R?c?111.72?10N.mmjA2、辊颈：

Mj 2250?106?j???104.166MPa 0.1d30.1?6003 1d6?M?P?R?h?P?f??30.16?10N.mmnkmax 22 Mn30.6?106?j???9.79MPa 330.2d0.2?250 2222????3??104.166?3?9.79?105.54MPahjj

3、辊头：

Mn ????31.17MPa30.07d1

三、强度检验： ????130MPa;;;????60~80MPa

??sh,?h????;;???????故：轧辊安全。

2.4.四辊轧机的轧辊强度计算

2.4.1. 轧辊负荷特点

支承辊承受弯矩； 工支承辊间接触压力； 工作辊承受水平张力。

2.4.2. 弯曲应力和扭转应力的计算:见表

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轧辊工作辊支承辊传动方式工作辊支承辊工作辊支承辊计算内容辊身Q→MQQ→MQP→MpP→Mp辊颈Q→MQ；MnQ→MQP→MpP→Mp, ；MnMn辊头Mn2.4.3接触应力计算

q?r1?r2??max?max接触压应力

?2??r1r2

??K1?K2

1??21??2K1?;K2? ??E1??E2

?max?0.304?max接触剪应力

2.4.4强度检验

弯曲应力、扭转应力不超过许用应力，同前； 接触应力不超过接触许用应力，表3-8(P90)。

例3．试计算某厂?90/?200×200四辊冷轧机轧辊强度。

轧辊尺寸如图所示，轧制带钢宽度b=150mm，压下量△h=0.4mm，工作辊材质为9Cr,?b=833MPa，支承辊材质为40Cr，?b =686MPa；由工作辊传动，轧制力P＝313.6kN，最大张力差T＝1.96kN。 解：一、支承辊强度计算：

1、辊身： ?aL??380200?Msh2?P?2???0.3136?106??? 8??48??4 ?22?106N.mm Msh222?106?sh2???27.5MPa 30.1D20.1?2003

2、辊颈： PMj2??c2?0.5?0.3136?106?90

2

?14.1?106N.mm

6M14.1?10j2 ?j2???163.289MPa330.1d20.1?95

3、辊头：无计算内容。

?6864、检验：安全系数 n?b??4.2?3，∴支承辊是安全的。 ?max164

二、工作辊强度计算： 1、辊身：

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