压加设备与车间讲义1 (3)

压力加工设备与车间设计辽宁科技大学课程的性质、目的和任务本课程是材料加工(材料成型与控制)工程专业的专业课，本课程是一门综合性很强、理论联系实际、且偏重解决实际问题的一门专业课。其主要目的在于通过这门课程的学习，使学生具有正确的设计思想，掌握塑性加工车间设备与设计的基本知识和基本方法，培养学生具有进行塑性加工设备选型以及车间设计的初步能力。本课程包括轧钢车间设计内容及其科学程序、车间的组成、轧钢生产工艺过程、坯料选择、主要设备的结构及性能参数、产量计算、辅助设备的结构及性能参数、车间环境保护与综合利用等内容。参考教材1.《压力加工设备》熊及滋主编冶金工业出版社19982.《轧钢机械设备》刘宝珩主编冶金工业出版社19833.《轧钢车间设计基础》袁康主编冶金工业出版社19864.《金属压力加工车间设计》温景林主编冶金工业出版社1992课程的主要内容一、轧钢机轧辊、轴承、压下装置、机架、轧机刚度、联轴节、主电机二、辅助设备剪切机、矫直机、卷取机、活套支撑器三、轧钢车间设计产品方案、金属平衡、工艺规程、设备选择、设备校核、年产量计算、车间平面布置第一章绪论第一节轧钢机的定义及组成一、轧钢机的定义1.狭义的定义：直接轧制钢材的机械设备2.广义的定义：用于轧制钢材所需的全部设备二、轧钢机械设备的组成1.主要设备：直接使轧件产生塑性变形的设备－－轧钢机主机列包括：工作机座、接轴、齿轮机座、减速机、联轴节、主电机2.辅助设备：主设备以外的各种设备包括：加热炉、剪切机、辊道、矫直机、包装机等各种设备第二节轧钢机的分类一、轧钢机分类（主设备）（常按用途、结构、布置分类）1、按用途分类1开坯机：将钢锭轧成钢坯（方坯、板坯、圆管坯）－－初轧机直径800～1450mm2型钢轧机：将方坯轧成型材－－轨梁轧机直径750～900mm－－大型轧机直径500～750mm－－中型轧机直径350～500mm－－小型轧机直径250～350mm－－线材轧机直径250～300mm3热轧板带轧机：将板坯轧制各种厚度的板材－－中厚板轧机：轧制4～50mm厚板材－－板带轧机：轧制0.8～4mm厚板材4冷轧板带轧机：将热轧板轧成冷轧板轧制0.005~4mm厚5钢管轧机：将圆管坯轧制成无缝钢管6特种轧机：特殊用途的轧机－－车轮轧机：轧制铁路车轮－－轮箍轧机：轧制轴承环及车轮轮箍－－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2、按结构分类（按轧辊数及其配置形式分类）1二辊式：可逆：初轧机、轨梁轧机、中厚板不可逆：型钢连轧机2三辊式：走上下两条轧制线3三辊劳特式：中辊浮动4四辊式：由两个工作辊和两个支承辊构成5多辊式：由两个工作辊和多个支承辊构成，主要用于冷轧板带钢7立辊式：8万能式：立辊＋平辊9H型钢轧机10斜辊式轧制高度300～1200mm宽边钢梁3、按布置分类（1）单机座式二辊可逆、二辊万能式、三辊式、劳特式、四辊式、多辊式、特殊型式优点：轧机少，易操作缺点：成本相对较高（一个电机、一个减速机、一个齿轮机座带一个轧机）（2）横列式主要用于型钢轧机，一个电机带多个轧机优点：（1）设备成本低；（2）可采用大规格原料，降低轧材成本；（3）头尾温差小，轧材尺寸较精确。缺点：（1）后架轧辊的速度不能与增长的轧件长度相匹配；（2）轧件要横移，需设移钢机。（3）纵列式一个电机分别带一个轧机，每架轧机轧完后进入下一架轧机。优点：（1）产量高；（2）轧辊速度与轧件长度相匹配缺点：（1）厂房细长；（2）机械投资大（4）连续式一个电机分别带一个轧机，轧件同时进入每架轧机，常用于冷轧。优点：（1）产量高；（2）厂房长度小缺点：要求严格的妙流量相等（5）半连续式（4）3/4连续式粗轧精轧二、辅助设备分类（1）切断设备：火焰切割机、锯切机、剪切机等（2）矫直设备：压力矫直机、张力矫直机、辊式矫直机等（3）卷取机：线材卷取机、钢板卷取机等（4）表面加工设备：酸洗机组、镀层机组、清洗机组、打印机等（5）热处理设备：缓冷设备、退火设备、淬火设备等（6）运输设备：辊道、推床、翻钢机、推钢机、冷床、吊车等（7）包装设备：打捆机、包装机等第三节轧钢机的命名及轧钢机的构成1.轧钢机的命名（1）型钢轧机（初轧机）：以型钢轧机轧辊的名义直径（公称直径）来命名，或以人字齿轮机座的节圆直径（人字齿轮的中心距）命名；如φ650型钢轧机。轧辊名义直径（2）板带轧机：以轧辊辊身长度来命名；如1780热轧带钢轧机。轧辊辊身长度（3）钢管轧机：以所能生产钢管的最大外径来命名；如φ140自动轧管机组。钢管外径图3－2三辊式轧钢机主机列简图1－齿轮机座；2－减速箱；3－飞轮；4－万向接轴；5－主联轴节；6－电动机联轴节；7－主电动机；8－工作机座（1）主电机：提供动力：一般分为感应电动机、同步电动机和直流电动机三大类，从轧制的运转状态还可分为不变速、变速可逆和变速不可逆等种类。（2）减速机：将交流电机的转速和力矩转换为轧辊所需的转速和力矩。（3）飞轮：（横列式轧机上专用，因间隙时间较长）均衡主电机负荷，间隙时间储存能量，工作时间放出能量。（连轧机、可逆轧机不用飞轮）（4）齿轮机座：将一根主动轴变为二（三）根主动轴。（5）电机联轴节、主联轴节、万向接轴：联结、传递动力。（6）工作机座：完成塑性变形。2.轧钢机的构成（主机列）3.轧钢机工作制度轧钢机工作制度指轧机速度随时间变化的规律。（分两种）1）不调速：钢坯连轧机、线材轧机、穿孔机等；2）不常调速：连续式、半连续式、顺列式等；（1）不可逆式：3）常调速：三辊钢坯轧机、轨梁轧机、连续单卷板带轧机等；4）带飞轮：三辊轧机。（2）可逆式：初轧机、板带粗轧机、板坯轧机、二辊万能等第四节轧制工艺技术的特点和发展趋势1工艺流程的连续化和紧凑化是轧钢技术发展的方向和主流（1）短流程技术的发展（2）连续轧制和无头轧制技术得到发展（3）实现钢材性能、铸坯厚度、轧钢工艺最佳组合（4）低成本、高效率的板带生产将进一步发展2发挥钢材性能的潜力是轧制过程的主要任务（1）控轧控冷工艺技术的推广和开发（2）新型钢铁材料的开发（3）钢材组织性能在线模型预报和控制（4）轧钢柔性生产技术的发展（5）建立直接联系用户的产品研究与开发机构3高新技术的应用是传统轧钢工业增加市场竞争力的主要途径(1)高新技术的应用使轧钢生产达到全新水平(2)轧机控制转向人工智能控制(3)计算力学与数值模拟相结合改变了轧制技术研究方法第二章轧钢机第一节轧辊一、轧辊工作特点：（1）承受巨大的轧制力、力矩和动载荷；（2）热轧时承受很大的交变应力（温度应力，冷轧时）受很大的接触应力；（3）最易磨损，影响寿命；（4）工作环境恶劣，水中有大量铁皮、灰尘等。二、轧辊分类：（1）按结构分：1）带孔型：辊面上刻有轧槽（型钢轧机、初轧机、线材轧机）；2）平辊：辊面稍有凸或凹的辊型（板带轧机）；3）特殊辊：轧辊具有各种不同的形状（穿孔机、车轮轧机）（2）按用途分：1）工作辊2）支承辊三、轧辊的结构及参数1.轧辊结构辊颈辊头辊身LlDd辊身：与轧件接触，完成塑性变形；辊颈：轧辊支承部分，承受轧制力；辊头：传递轧辊扭矩部分；2.轧辊参数（1）辊身尺寸（L×D）：表征轧辊尺寸的基本参数。（a）辊身直径（D）公称直径（名义直径）：轧机人字齿轮中心距。工作直径：与轧件相接触部位的直径。DgDm辊颈辊颈辊身Dm/Dg=1平辊Dg/Dm＜1带孔型通常：Dg/Dm＞0.7辊身直径（D）的确定原则：1考虑轧辊强度；2考虑咬入条件：Dg≥△h/（1–cosα）Dg：工作辊直径△h：压下量α：最大咬入角3冷轧时，考虑最小可轧厚度：M.D.Stone公式：)(/28.0minpkfEhDD：工作辊直径；E：轧辊弹性模量；hmin：带材的最小厚度；f：摩擦系数；K：金属平面变形抗力，K＝1.15σs；σp：平均张力。4考虑轧辊的重车率：重车率η＝ΔD/Dm×100％ΔD：辊身直径从最大到最小的变化量；Dm：辊身的名义直径。通常：初轧机：10～12％；型钢轧机：8～10％；中厚板轧机：5～7％；板带轧机：3～6％。（b）辊身长度（L）的确定：1）板带轧机：L与所轧板带的宽度有关。L=bmax＋△L：辊身长；bmax：所轧板带的最大宽度；△：余量。bmax＜200mm△＝50mmbmax≥200mm△＝100~200mm2）型钢轧机：L与孔型布置数目和轧辊强度有关。一般采用L/Dm的比值来计算。初轧机：L/Dm＝2.2~2.7型钢轧机：粗轧机：L/Dm＝2.2~3.0精轧机：L/Dm＝1.5~2.0（2）辊颈尺寸（l×d）：与所采用的轴承有关，同时考虑辊颈的强度及轴承的寿命。（a）辊颈直径（d）滚动轴承：d小些，d=(0.5~0.55)D。滑动轴承：d大些，d=(0.55~0.8)D。摩擦轴承：与液压轴承直径配合，且做成1:5锥度；（b）辊颈长度（l）l=(0.8~1.2)dl过长：弯曲严重（辊颈与轴承之间的接触由面接触变为线接触，局部载荷变大）；轴承磨损严重。l过短：与轴承接触面积小，单位面积承受力较大，轴承寿命低。（3）辊头尺寸：根据联接轴的型式确定。四、轧辊的材质1.常用轧辊材料：合金锻钢、合金铸钢、铸铁、半钢热轧轧辊：55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo等（1）合金锻钢：冷轧轧辊：9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV等（2）合金铸钢：没有统一标准。半冷硬轧辊：轧辊表面没有明显的白口层，辊面硬度，HS≥50（HRC37）；（3）铸铁：冷硬轧辊：表面白口层、中心灰口层、中间为麻口层，HS≥60（HRC45）；无限冷硬轧辊：表面是白口层、中心是灰口层，中间没明显界线，HS≥65（HRC48）；优点：硬度高、表面光洁、耐磨；缺点：强度低。（3）半钢：C含量介于铸钢和铸铁之间（1.4~1.8%C），杂质含量较低，具有过共析组织的钢，成分中添加Ni、Cr、Mo以强化基体组织。特点：具有较好的综合性能，强度高、耐热龟裂性好；耐磨性好。2.轧辊材料选择：（1）初轧机：轧辊的强度和咬入居第一位，表面耐磨性和光洁度居第二位，故材质多选铸钢或锻钢。40Cr、50CrNi、60CrMoV、60CrMnMo、60SiMnMo等。（2）型钢轧机：粗轧机（考虑轧辊强度）:选择铸钢辊。ZG70、ZG70Mn、ZG8Cr、ZG15CrNiMo等。精轧机（考虑产品尺寸精度）：选择铸铁辊。（3）热轧带钢轧机：工作辊（考虑硬度、耐磨性）：常选择铸铁辊。支承辊（考虑强韧性）：选择合金锻钢。60CrMo、60CrMnMo、60SiMnMo等。（4）冷轧板带轧机：工作辊：（考虑最小可轧厚度与E有关，铸铁的弹性模量E只是钢的一半），选用锻钢辊，9Cr、9Cr2、9Cr2W等。支承辊：同热轧，选择锻钢。（5）叠轧薄板轧机：多采用冷硬球墨铸铁复合浇铸轧辊。各种轧辊的特点及用途见教材P21-表2.1-4五、轧辊强度验算辊身：计算弯曲应力和挤压应力；辊颈：计算弯曲和扭转共同作用的组合应力；辊头：计算扭转应力。1.型钢轧辊强度验算：（1）验算特点：1）轧制力在孔型中进行的，轧制力按集中载荷计算；2）采用多条轧制或交叉轧制工艺，一根轧辊上常作用着多个轧制力；3）每个孔型的开槽深度不同，辊身各处的工作直径不同；4）型钢生产由多机座完成，关键是判断出最危险的机座以及该机座中最危险的轧辊。（2）校核实例1）计算辊身断面的弯曲应力：)(xaaxPMDDMWMDDDD1.03σMD：辊身断面的弯矩；WD：轧辊抗弯断面系数；P：轧制力；a:压下螺丝间的中距；x:作用力距辊颈中心距离；如果σD≤[σ]，则强度验算通过。如同时轧制两根以上的轧件应分别计算力矩最大，辊径最小处的辊身弯曲应力2）计算辊颈的弯曲应力和扭转应力：dWMcRddd1.031σ弯曲应力：扭转应力：dWMnnndM2.03τMn:辊颈危险断面的弯矩；Wn:轧辊抗扭断面系数。组合应力钢轧辊，