金属压力加工车间设计06工艺计算与金属平衡

NortheasternUniversity，NEU1NEU2019年10月7日星期一第六章工艺计算与金属平衡授课教师：彭良贵压力加工车间设计课程NortheasternUniversity，NEU2NEU2019年10月7日星期一第6章工艺计算与金属平衡6.1轧制、挤压、拉拔工艺计算6.2编制生产工艺流程定额卡6.3编制金属平衡表本章主要内容：NortheasternUniversity，NEU3NEU原料成品2019年10月7日星期一6.1工艺计算工艺计算的目的：产品方案生产方案生产工艺流程主要设备辅助设备辅助设备设备校核、优化选型确定产品的具体工艺规程和工艺参数制订各种消耗定额•工艺规程指加工件材质、尺寸、形状及各加工道次被加工件的形状、尺寸变化等；•工艺参数是指力、温度、速度及表面介质等条件。NortheasternUniversity，NEU4NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算轧制规程的核心是变形规程（压下规程或压下制度），其制订过程必然离不开温度制度、速度制度、张力制度和辊型制度的确定，这些参数的选择，应符合实际，可根据同类工厂的实际情况加以确定，并作必要的计算。在此，着重介绍与设备校核相关的轧制工艺计算内容，以确定设备选择是否合适。NortheasternUniversity，NEU5NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算A、最大咬入角校核•接触角（α）01cos11hhhDD式中：Δhmax为道次最大压下量；Dmin为工作辊最小辊径；αy为允许咬入角，热轧按轧制速度查有关资料确定。冷轧按润滑条件确定：式中:R——工作辊最小半径，f——摩擦系数变形区基本参数maxmin(1cos)yhD2maxminhRfNortheasternUniversity，NEU6NEU2019年10月7日星期一B、热轧时的温降计算终轧温度对轧制过程的稳定性及材料微观组织及力学性能都有深刻的影响，道次间温降的确定，可采用实测、经验公式与理论公式计算。pQKFtqhpQTTTCG式中：K：热量损失系数，kJ/(m2.s)（查手册）Fp：该道次轧件平均散热面积，m2；t：该道次的散热时间（轧制时间+间隙时间）Tq，Th：道次前后轧件温度，℃Cp：轧件比热，J/(kg.℃)G：轧件重量，kg轧件在该道次的热量损失（J）：zjttt于是，道次温降(℃)：而：6.1.1轧制工艺计算NortheasternUniversity，NEU7NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算C、轧制力计算典型的轧制力计算公式：热轧中厚板：斋藤公式，西姆斯公式或志田茂公式等热轧薄板带：西姆斯公式或志田茂公式等冷轧板带：斯通公式，Bland-Fort公式或Hill公式等型钢，钢管：艾克隆德公式等。轧制力参数在轧机牌坊设计、轧制规程制订、轧机和轧辊校核、电机选型等方面都有广泛的应用。pPPBRh计算轧制力：yPP轧制力校核：Pp：接触面积上的平均单位压力，MPa；（可采用理论计算或经验法计算）B：轧件宽度，mm；R：轧辊半径，mm；Δh：道次绝对压下量，mm；Py：轧机的最大允许压力，kN。（由轧辊的强度确定）NortheasternUniversity，NEU8NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算D、轧辊强度校核（四辊轧机工作辊传动为例）maxmax333()()5(2)482240.10.14zyzyzyyzzzPLlLLlLPPLlMWDDD支撑辊最大允许压力Pzy支撑辊辊身的最大弯曲应力σmax：34[]5(2)zyzyDPLl其中：Dz、L、l：分别为支撑辊辊身直径、辊身长度和辊颈的长度，mmW：支撑辊抗弯模量，mm3Mmax：支撑辊辊身最大弯曲力矩[σy]:支撑辊的最大允许弯曲应力，MPaNortheasternUniversity，NEU9NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算max335220.12zjzjyzzPlPldd支撑辊辊颈最大允许压力Pzj支撑辊辊颈的最大弯曲应力σmax：32[]5zyzjdPl其中：dz为支撑辊辊颈直径，mmNortheasternUniversity，NEU10NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算maxmaxmax30.5()0.2ggyzmkzygjgjDPRhdMDWd工作辊的最大扭曲应力τmax：3max2[]5()gjygygzmzdPDRhdD其中：R、Dg：分别为工作辊辊身半径和直径，mmWgj：工作辊辊颈的抗弯模量，mm3Mkmax：工作辊的最大扭曲力矩[τy]:工作辊的最大允许扭曲应力，Mpaμ：摩擦系数Δhmax：工作辊的最大压下量工作辊最大允许压力PgyNortheasternUniversity，NEU11NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算maxmaxmax30.5()0.2ggtzmkzygtgtDPRhdMDWd3max2[]5()gtygtgzmzdPDRhdD其中：Wgt：工作辊辊头的抗弯模量，mm3dgt：工作辊辊头直径，mm工作辊辊头最大允许压力PgtNortheasternUniversity，NEU12NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算E、转矩的计算电机轴上的转矩M：zjdmkdMMMMMMMi其中：Mj：静力矩，kN.mMd：动力矩，kN.mMz：轧制力矩，kN.mi：轧辊与电机间的传动比Mm：摩擦力矩，kN.mMk：空转力矩，kN.m轧制力矩：用于使轧件塑性变形所需之力矩；摩擦力矩：克服轧制时发生在轧辊轴承，传动机构等的附加摩擦力矩；空转力矩：克服空转时的摩擦力矩；动力矩：克服轧辊非匀速转动时产生的惯性力；NortheasternUniversity，NEU13NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算轧制力矩Mz在转动轧辊所需的力矩中，轧制力矩是最主要的。其值为轧件对轧辊的垂直压力P与力臂a之乘积。1.单位压力曲线；2.单位压力图形重心线111222()22()zppzppzzppgMPaPLPBLLMPBRhDMPBRhD1/aL力臂系数：其中：Pp：轧制变形区平均单位压力，Mpa；Bp：轧制变形区轧件平均宽度，m；L1：变形区接触弧长，m（4Hi轧机支撑辊传动时）NortheasternUniversity，NEU14NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算摩擦力矩Mm式中，μ：轧辊轴承摩擦系数djm：轧辊辊颈的摩擦直径，m14()22jmmjmdPMPd12mmmMMMi对二辊轧机而言（上/下辊，传动侧/操作侧共计4个轴承）：Mm1：轧辊轴承中的摩擦力矩Mm2：传动机构诸如减速机、齿轮机座中的摩擦力矩轧辊轴承中的摩擦力矩Mm1：NortheasternUniversity，NEU15NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算对四辊轧机而言：轧制时的总压力主要为支撑辊所承受，故此时摩擦力主要发生在支撑辊的轴承中。此摩擦力对支撑辊的旋转所形成的阻力矩为：1mzzzzjmMPd12/2zzzjmmzmzzPdMFDD于是，作用在支撑辊与工作辊间的摩擦力：受此摩擦力作用而形成对工作辊旋转的阻力矩为：12ggmgmzzzjmzDDMFPdD因此：对工作辊传动的4Hi轧机：1gmzzzjmzDMPdD式中，μzz：支撑辊辊颈轴承的摩擦系数dzjm：支撑辊辊颈的摩擦直径，m对支撑辊传动的4Hi轧机：1mzzzjmMPdNortheasternUniversity，NEU16NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算传动机构中的摩擦力矩Mm2：12:(1):zmmMMMi121(1)zmmMMMi式中，η为传动机构效率，即从主电机到轧机的传动效率。最终换算到主电机轴上的总的摩擦力矩为：111211(1)1(1)mmzmmmmzmMMMMMMiiiMMMiiNortheasternUniversity，NEU17NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算空转力矩Mk指空载转动轧机所需的力矩，通常可根据转动部分（如轧辊、联接轴、人字齿轮、飞轮等）的重量和在轴承中的摩擦圆半径来计算：()/2nkknnnndMMGi式中：μn：转动部件在支撑轴承中的摩擦系数；dn：转动部件被支撑于轴承中的轴颈直径，m；Gn：转动部件的重量；in：电机与该部件间的传动比；通常按经验公式来确定：(0.065~0.10)kHMM其中，MH为电机额定转矩，kN.m，新式轧机取下限，旧式轧机取上限。NortheasternUniversity，NEU18NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算动力矩Md当轧机轧制速度变化时，便产生了克服惯性力的动力矩。22375375dGDGDdnMdt式中，ΣGD2为折合到电机轴上的各部分转动惯量之和，kN.m2；G为转动部分的重量，N；D为转动部分之惯性直径，m；dn/dt=ρ为电机轴上的转动角加速度，r/（min.s）。电机的转动惯量可由产品样本或电机铭牌查得。电机的转动惯量2[]motorGD22[]motorGDGD2[]WRGD2[]BURGD2[]materialGDNortheasternUniversity，NEU19NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算折合到电机轴上的支撑辊的转动惯量2[]BURGD2222222[]2(//)zzBURzdzdzzzggdzggdGDGDGDGDiiii222212()4gzzzgdDDLDDi式中：izg：支撑辊对工作辊的传动比（i=Dz/Dg）igd：工作辊对电机的传动比γ：轧辊的密度L：支撑辊的辊身长度NortheasternUniversity，NEU20NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算折合到电机轴上的工作辊的转动惯量2[]WRGD22222221[]224gggWRgdgdggdgdGDDGDGDLDii422ggdDLi折合到电机轴上的轧件的转动惯量2[]materialGD2222222364601[]()jmaterialjdjdjggdggdGGDGDGnini式中，Gj：轧件重量，t；ng：工作辊的转动速度，r/min；v：轧制速度，m/sNortheasternUniversity，NEU21NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算F、电机运行图静负荷图静力矩随时间变化的关系图。单独传动的连轧机静负荷图单机架可逆式轧机静负荷图可逆式轧机轧制速度与静/动/合成负荷图动负荷图动力矩随时间变化的关系图。NortheasternUniversity，NEU22NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算道次轧制阶段-空载加速阶段电机转矩：1kjkdMMM电机转速：0-nknk：空载稳定运转时的转速dn/dt=ρ为电机轴上的转动角加速度，r/（min.s）空载加速段时间：1kkjnt道次轧制阶段-空载稳定运转阶段电机转矩：kwkMM电机转速：nk空载稳定运行时间=间隙时间NortheasternUniversity，NEU23NEU2019年10月7日星期一6.1.1轧制工艺计算道次轧制阶段-带载加速阶段电机转矩：1djjdMMM电机转速：nu-ndw带载加速段时间：1dwudjnntnu：轧件咬入时的转速ndw：