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《材料成型设备》讲义学院：材料与冶金学院专业：材料成型与控制工程主讲教师：周家林日期：2006-7-231《材料成型设备》教学大纲一、课程的基本情况课程中文名称：材料成型设备课程英文名称：FormingEquiPmentformaterials课程代码：0201005课程类型：限选课程学分：2课程学时：36授课对象：材料成型与控制工程专业本科生前导课程：《材料力学》、《塑性力学》、《金属学》、《金属塑性加工学一轧制理论与工艺》二、教学目的通过学习该课程，使学生了解材料成型的主要机械设备及其工作原理，能对轧辊、机架、万向接轴等主要零部件进行强度验算，能对轧钢车间主要工艺设备的设计及改造进行结构选型并提出合理的设备参数。三、教学基本要求第一章绪论基本要求：了解压力加工设备学科术语及其发展状况，理解并领会主机列的概念，掌握轧钢机的标称方法。重点与难点：主机列、轧钢机标称。第二章轧钢机基本要求：了解轧机及其主机列的组成及结构，了解轧辊轴承类型及其工作原理，了解轧辊压下及其平衡装置类型；领会轧机纵向、横向刚度的含义，了解提高轧机刚度的方法，理解液压弯辊装置控制板型的原理；掌握轧辊、机架强度验算及主电机的发热校核方法，能对主轧机进行结构选型并提出合理参数。重点与难点：轧辊、机架、万向接轴强度校核；轧机横向刚度及液压弯辊工作原理；主电机发热校核；连轧机主减速器速比选择；设备结构选型。第三章辅助设备基本要求：了解剪切机、矫直机、卷取机及活套支撑器的作用、类型、结构；理解飞剪、矫直机、卷取机及活套支撑器的工作原理；掌握剪切机、矫直机、卷取机等主要辅助设备结构选型及主要参数选择方法。重点与难点：矫直机、飞剪工作原理；活套形成实质及其工作原理。第四章拉拔与挤压机械设备基本要求：了解拉拔、挤压设备的类型及其基本结构；理解拉拔、挤压设备的工作原理。重点与难点：拉丝机、挤压机的工作原理；拉丝机、挤压机主要设备参数的选取方法。四、课程的内容与学时分配I课程的内容与学时分配表内容学时1．绪论22．轧钢机203．辅助设备124．拉拔与挤压机械设备2总学时36实验部分（见实验教学大纲）：内容学时轧机刚度测定4总学时4五、教材与参考书教材：熊及滋主编，《压力加工设备》（第二版），冶金工业出版社，1999参考书：刘宝布主编，《轧钢机械设备》（第一版），冶金工业出版社，1999高有志主编，《轧钢机械设备》（第一版），东北工学院，1988边金生主编，《轧钢机械》（第一版），冶金工业出版社，2002李曼云主编，《小型型钢连轧生产工艺与设备》（第一版），冶金工业出版社，1999六、教学方式和考核方式1.教学方式：以课堂讲授为主，辅以实验教学，课后作业等。2.考核方式：闭卷考试／帀卷考试。II第一章绪论1轧钢机械设备的概念和分类1.1轧钢机械设备的概念（轧钢生产中完成一系列工艺过程的设备）1.1.1主要设备①轧钢机以实现金属（钢锭、钢坯）在旋转的轧辊间依靠轧制压力作用而发生塑性变形的机械设备。②主要设备的配置一标志着轧钢车间的主要特征。1.1.2辅助设备轧钢车间除轧钢机以外的各种机械设备。占设备总量的比重大，机械化、自动化程度越来越高。1.1.3广义定义轧钢车间的所有机械设备统称为轧钢机。2轧钢机械设备的分类2.1主要设备的分类2.1.1按用途分类：按其生产的产品品种规格分（见表1.1）。表1.1轧钢机按用途分类轧辊尺寸（mm）轧机类别用途直径辊身长度初轧机800～1450-将钢锭或连铸坯轧成方坯板坯机1100～1200-将钢锭或连铸坯轧成板坯帀坯机钢坯轧机450～750-将方坯轧成50×50～150×150mm钢坯轨梁轧机750～900-轧制43～50kg/m标准钢轨，高度240～600mm钢梁大型轧机500～750-轧制大型钢材：80～150mm方钢、圆钢，高度120～240mm工字钢、槽钢型钢轧机中型轧机350～500-轧制中型钢材：40～80mm方钢、圆钢；高度1120mm以下工字钢及槽钢；50×50～100×100mm角钢小型轧机250～350-轧制小型钢材：8～4Omm方钢、圆钢；20×20～50×5Omm角钢线材轧机20～300-轧制直径5～32mm线材厚板轧机-2000～5000轧制4～50mm或更厚钢板热带钢轧机-500～2500轧制400～2300mm宽轧热带卷钢板轧机薄板轧机-700～1300轧制厚度0.2～4mm、宽度500～1200mm薄板冷轧钢板轧机-700～2800轧制宽度600～2500mm冷轧板或带卷冷轧带钢轧机-150～700轧制厚度0.2～4mm、宽度20～600mm带钢卷冷轧板带轧机箔材轧机-200～700轧制厚度0.005～0.012金属箔钢管轧机--轧制直径20mm以上或更大的无缝管车轮轧机--轧制铁路车轮特种轮箍轧机--轧制轴承环或车轮轮箍轧机钢球轧机--轧制钢球周期断面轧机--轧制变断面轧件齿轮轧机--轧制齿轮，即滚压齿轮的齿型2.1.2按结构分类：按轧辊数目及其在工作中的配置形式分（见表1.2）。表1.2轧钢机按构造分类图示型式名称用途1.可逆式有：初轧机、轨梁轧机、中厚板轧轧机二辊式2.不可逆式有：钢坯或型钢连轧机、叠轧薄板轧机、冷轧薄板轧机及带钢轧机、平整机三辊式轨梁轧机，大、中、小型型钢钢机，帀轧坯轧机2三辊劳特式中板轧机（中辊浮动）复二辊式中、小型轧机中厚板轧机、宽窄带钢轧机、冷热薄板轧机、平整机四辊式十二辊式冷轧钢板及带钢廿辊式冷轧钢板及带钢偏八辊式冷轧钢板及带钢(MKW式）行星式热轧板带卷立辊式厚板轧机、钢坯连轧机、型钢连轧机3H型钥轧机轧制高度300～1200mm宽边钢梁斜辊式无缝钢管穿孔机、均整机45°式连续式线材轧机、钥管定径机、减径机钢球轧机轧制钢球三辊斜轧轧制圆形周期断面周期断面轧机120°式连续式线材轧机车轮轧机轧制车轮可以说，轧辊结构的确定相当大程度上决定了轧机的强度、刚度、轧机的生产方式—即决定了能生产的产品规格、产量及其质量（尺寸精度、表面质量、性能指标等）,也即是说，首先，设备是为工艺服务的，工艺需要决定所需设备；反过来，一旦确定了设备，则设备决定了能否生产优质、高产、低耗的产品。42.1.3按轧机布置形式分类：按轧机相互位置关系、轧件运动方向分类。在线主轧机工艺平面布置形式简图（见图1.1）。图1.1各种轧机布置简图a-单机座；b-纵列式双机座；c、d、e-横列式；f、g-连续式；h、i-半连续式；j-串列往复式2.2辅助设备分类①切断设备（火焰切割机、各种剪切机、锯切机）；②矫直设备（压力矫直机、辊式矫直机、拉伸弯曲矫直机等）；③控制轧件尺寸与形状的设备（卷取机、活套支撑奇器、围盘、检测设备等）；④表面加工设备（酸洗机组、镀层机组、清洗机组、打印机、除鳞机等）；⑤改善组织性能设备（缓冷坑、退火装置、淬火设备、加热炉、控轧控冷设备）；5⑥输送设备（辊道、推床、翻钢机、冷床、吊车、推出钢机等）；⑦包装设备（打捆机、包装机）。2轧钢机的构成2.1主机列轧钢机有一个或多个主机列组成，主机列包括原动部分（提供动力或能源、传动部分（将能源动力传递、分配给执行部分）及执行部分（直接完成金属塑性变形-轧辊）（见图l.2～图1.5）。图1.2单电机、单传动、单机座轧钢机1-主电机；2-电动机联轴节；3-飞轮；4-主减速器；5-主联轴节：6-人字齿轮机座；7-半万向接轴：8-轧辊图1.3单电机、单传动、多机座轧钢机1-主电机；2-电动机联轴节；3-主减速器；4-主联轴节；5-人字齿轮机座；6-半万向接轴；7-轧辊；8-梅花接图1.4单电机、多传动、多机座轧钢机1一主电机；2一电动机联轴节；3一主减速器：4一主联轴节；5-认字齿轮机座；6-万向接轴；7-轧辊；8-中间轴；9-圆锥齿轮6图1.5双电机、双传动、单机座轧钢机1-主电机；2-电动机联轴节；3-中间轴；4万向接轴；5-轧辊2.2轧钢机工作机座（见图1.6)图1.6450型钢轧机工作机座1-轧辊；2-机架；3-机架盖；4-轧辊轴承；5-压下螺丝；6-压下螺丝调整手柄；7-压下螺丝；8-压下上螺丝调整手柄；9-轨座；10-固定螺丝；11-轧辊轴向调整压板；12-平衡弹簧；13-机架下横梁①轧辊—直接完成金属塑性变形；②轧辊轴承一支持固定轧辊，与轧辊构成辊系；③轧辊辊调整装置—（包括轴向、径向、水平位置、平衡、定位）；④机架—（安装固定辊系、调整装置、平衡装置及导卫装置）；⑤轧辊导卫装置—引导轧件进出轧辊；⑥平衡装置—平衡轧辊及接轴；7⑦轨座（地脚板）—固定机架于基础上。3轧钢机的标称3.1标称方法①型钢轧机—以轧辊辊身的名义直径，即人字齿轮机座中心距（人字齿轮机座节圆直径）D0命名，轧钢车间多机架轧制时，以末架轧辊辊身名义直径命名之；②板带轧机—以轧辊辊身长度B0标称之；③钢管轧机—以能轧产品的昀大外径命名。3.2较完整标称一个轧钢车间轧机轧机生产产品的品种规格／轧辊辊身主要尺寸／轧机结构特征（数目、配置形式）／轧机台数／轧机布置形式／轧机工作制度。例：①Φ790×4H/V//Φ450×6H/V//Φ410×6H/V//Φ340×6H/V30万吨连续式棒材轧机；②Φ400×1/Φ430×4//Φ300×2×3//Φ265×2×420万吨半连续式复二重式线材轧机；③1700二辊/1700四辊可逆/l700×2四辊//l700×7四辊400万吨3/4式热连轧带钢轧机。4轧钢机械设备的发展方向①大型化Φ1300-Φ1500初轧／带钢2135-2285／冷带2500；锭10-20吨甚至25-70吨，线材1O0—500-2000-4000kg。②高速化热连轧带钢3Om/s、冷带41m/s、棒材25m/s、线材5-13-40-100-16Om/s。③连续化棒线材的无头轧制、连铸连、异型材连轧、带钢连轧。④自动化带钢AGC厚控系统，带钢宽度控制系统、棒线材及型材计算机自动控制系统。8第二章轧钢机1轧辊1.1概述1.1.1载荷〔轧辊轧制时所受载荷）①机械载荷轧制压力P越大，转矩越大，则轧辊上弯曲应力、传动辊上的扭转应力、辊面间的接触应力也越大；同时，在轧件咬入瞬间及轧制过程中速度的变化会引起动负荷，导致轧辊上的应力变化。②摩擦辊身表面与轧件之间由于变形区中的前后滑、轧件咬入打滑或卡钢造成相对运动，而造成轧辊表面剧烈摩擦。③热负荷热轧时轧辊辊身受轧件高温及冷却水交替作用，产生的热循环应力；冷轧时由于轧件变形热效应，轧辊表层也产生热循环应力。1.1.2轧辊的主要失效形式①磨损达到一定辊次（反复车削，辊身表层硬度丧失，强度削弱而报废。②辊面剥落轧辊受到循环应力交替作用表面产生掉块形成凹坑。③断辊（折断）过大轧制压力产生的机械应力是断辊的主要原因；轧制时如冷却水足够，单纯的热应力不至于断辊，但由此产生的细小的裂纹扩展，形成应力集中源加上一定的机械负荷作用或断水可能致断辊；铸造时的残余应力一般不至于断辊。1.1.3设计要求①工艺要求：合理的结构、尺寸、材质—以保证成品的尺寸精度、表面质量及产量。②寿命要求：工作时间适当—轧辊需要一定的强韧性、耐磨性、耐热性及耐剥落性；材质特性值—机械性能和硬度。1.2轧辊的结构和参数（见图2.1.1)91.2.1分类有槽轧辊／平轧辊／特殊轧辊。1.2.2轧辊的结构（见图2.1.1）图2.1.1轧辊的结构1-辊身；2-辊颈；3-辊头a-梅花形的辊头；b-扁头形的辊头；c-带双键形的辊头①辊身工作部分，轧槽，平辊或微凸、微凹型。②辊头传动连接或吊装部分，其形状由连接轴型式确定，梅花型、单键型、双键型、万向节型。③辊颈支持固定轧辊部分，即安装轴承及轴承座部分。形状由轴承型式确定，滑动轴承或圆柱滚动轴承为圆柱体，液体摩擦轴承或球面滚柱滚动轴承为圆锥形。辊颈、身交界处为应力集中处应用过度圆弧连接，属于强度薄弱环节。1.2.3轧辊的主要参数1.2.3.1型钢轧辊主要参数①辊身直径⑴轧辊公称直径，即轧机标称直径D0，辊环直径D，工作直径Dg，为避免轧辊切10槽过深，D/Dg≤1.4；⑵强度条件：[]σσ≤=WMz(2.1.1)式中，σ-轧辊切槽昀