熱軋棒材孔型設(shè)計探究

周發(fā)元

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005）

1 孔型設(shè)計理論

1.1 孔型設(shè)計的主要內(nèi)容

斷面孔型設(shè)計。根據(jù)原料和成品的斷面形狀、尺寸和產(chǎn)品的性能要求，選擇孔型系統(tǒng)，確定軋制各道次的變形量，設(shè)計各道次和各道次的變形量，設(shè)計各道次的孔型形狀。

1.2 孔型設(shè)計的基本原則

（1）成品質(zhì)量好。包括產(chǎn)品斷面幾何形狀正確，尺寸公差合格，表面光潔，無缺陷，機(jī)械性能好。

（2）軋機(jī)產(chǎn)量高。合理的孔型設(shè)計應(yīng)使軋制節(jié)奏時間最短，一般情況是軋勻形，使串輥的次數(shù)最少，這些有可能提高軋機(jī)的作業(yè)率。

（3）產(chǎn)品的成本低。即使金屬消耗、電能消耗合軋輥等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)降到最低。

（4）勞動條件好。勞動強(qiáng)度小，在進(jìn)行孔型設(shè)計時，應(yīng)使軋制平穩(wěn)，軋制順利，操作方便，便于調(diào)整，改善勞動條件，還應(yīng)考慮軋制過程，易于實(shí)現(xiàn)自動化，減輕勞動強(qiáng)度。

（5）適應(yīng)車間的設(shè)備條件。

1.3 孔型設(shè)計考慮的因素

①產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，成本低；②合理利用車間設(shè)備條件，軋機(jī)生產(chǎn)率高。

2 孔型系統(tǒng)的選擇

2.1 棒材孔型系統(tǒng)

棒材生產(chǎn)常用的孔型系統(tǒng)有箱形孔型系統(tǒng)、橢圓－圓孔型系統(tǒng)、橢圓－方孔型等系統(tǒng)。他們的特點(diǎn)和適用范圍各有不同。棒材粗軋機(jī)的主要任務(wù)在高溫狀態(tài)縮減斷面，中軋機(jī)組主要承擔(dān)軋件延伸和為精軋機(jī)組提供精確料型的任務(wù)。精軋機(jī)組保證軋制產(chǎn)品的尺寸精度的任務(wù)。隨著連續(xù)棒線材軋機(jī)的不斷發(fā)展及工藝技術(shù)、裝備水平的逐步提高，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐和產(chǎn)品質(zhì)量的篩選，其所用孔型系統(tǒng)不是在擴(kuò)散，而是在收斂、在趨同。粗軋機(jī)組平/立交替布置、架次為偶數(shù)時，首先采用1 ～2 對箱型孔型，再接橢圓—圓孔型系統(tǒng)。橢圓—圓孔型系統(tǒng)使用范圍從精軋機(jī)組逐漸向中軋、粗軋機(jī)組擴(kuò)張，甚至覆蓋所有軋制道次。在連續(xù)棒線材軋機(jī)發(fā)展進(jìn)程中，橢圓－圓孔型系統(tǒng)逐漸占主導(dǎo)地位，究其原因主要是連續(xù)棒線材軋機(jī)把提高軋機(jī)作業(yè)率及產(chǎn)量，保證坯料內(nèi)外質(zhì)量和成品尺寸精度，以及降低軋輥消耗和成本等作為增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力的主要手段。因此，要求選用的孔型系統(tǒng)變形柔和、生產(chǎn)穩(wěn)定、孔型磨損均勻，這些正是橢圓—圓孔型系統(tǒng)的典型特征。另外，連續(xù)棒線材軋機(jī)產(chǎn)品規(guī)格范圍寬，為盡量采用共用孔型和調(diào)整孔型，特別是生產(chǎn)較大規(guī)格從精軋機(jī)組前幾個機(jī)架甚至從中軋機(jī)組出成品，因此要求圓孔前置，這也相應(yīng)擴(kuò)大了橢圓一圓孔型系統(tǒng)的使用范圍[1]。

2.1.1 棒材箱型孔型系統(tǒng)

箱形孔型優(yōu)點(diǎn)如下：①用改變輥縫的方法可以軋制多種尺寸不同的軋件，共用性好。這樣可以減少孔型數(shù)量，減少換孔或換輥次數(shù)，提高軋機(jī)的作業(yè)率。②在軋件整個寬度上變形均勻。因此孔型磨損均勻，且變形能耗少。③軋件側(cè)表面的氧化鐵皮易于脫落，這對改善軋件表面質(zhì)量是有益的。④與相等斷面面積的其他孔型相比，箱形孔型在軋輥上的切槽淺，軋輥強(qiáng)度較高，故允許采用較大的道次變形量。⑤軋件斷面溫度降較為均勻。

箱形缺點(diǎn)如下：①由于箱形孔型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，難以從箱形孔型軋出幾何形狀精確的軋件。②軋件在孔型中只能受兩個方向的壓縮，故軋件側(cè)表面不易平直，甚至出現(xiàn)皺紋。由箱形孔型系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)可知，采用箱形孔型軋制大型和中型斷面時軋制穩(wěn)定，軋制小型斷面時穩(wěn)定性較差。它適用于：小型棒材粗軋機(jī)架。

2.1.2 橢圓—圓孔型系統(tǒng)

該孔型系統(tǒng)特點(diǎn)如下：①變形較為均勻。孔型形狀能使軋件從一種斷面平滑的轉(zhuǎn)換成另一種斷面，從而避免了金屬由于劇烈的不均勻變形而產(chǎn)生的局部應(yīng)力；②在此孔型中軋出的軋件沒有尖銳的棱角，可以保證軋件斷面各處冷卻均勻，因此，軋制時不易形成皺紋；③孔型形狀有利于去除軋件上的氧化鐵皮，使軋件具有良好的表面；④在某些情況下，可以在橢圓－圓孔型系統(tǒng)中的圓孔型軋出成品圓鋼，這樣當(dāng)改變品種規(guī)格時，可以只換孔不換輥，從而減少軋輥儲量和換輥次數(shù)；⑤延伸系數(shù)小，因而增加了軋制道次，降低了產(chǎn)量，增加了軋輥與設(shè)備的消耗，提高了產(chǎn)品成本；⑥橢圓軋件在圓孔型中不易穩(wěn)定，要求圓孔型入口夾板調(diào)整機(jī)準(zhǔn)確；⑦在圓孔型中，對寬展敏感大，容易出耳子，因此調(diào)整嚴(yán)格。

鑒于橢圓－圓孔型系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，主要是由于延伸系數(shù)小，增加了軋制道次，使軋機(jī)工作效率低，產(chǎn)量降低和成本的提高，但是由于質(zhì)量好，減少了精整工序和精整設(shè)備，并且減少了廢品率和次品率，即可以完全補(bǔ)償所增加的成本[2]。

2.2 孔型的設(shè)計計算

典型產(chǎn)品品種：圓鋼，規(guī)格：Φ20mm，鋼種：20MnSi。

（1）各道次延伸系數(shù)的確定原則如下

①軋制的前幾道次的延伸系數(shù)應(yīng)小些。軋制開始時，軋件溫度高，氧化鐵皮厚而且附著在鋼坯表面上，摩擦系數(shù)較低，咬入困難。此外，電機(jī)能力也限制了前幾道次的延伸系數(shù)。②中間道次的延伸系數(shù)由大到小。經(jīng)前幾道次軋制后，氧化鐵皮脫落，咬入條件得到改善；而且溫降不多；由于軋件斷面積不斷減小，亦使延伸系數(shù)提高，并達(dá)到最大值。以后，軋件斷面大為減小，溫降嚴(yán)重，變形抗力顯著增加，因此，此時延伸系數(shù)應(yīng)逐漸減小。③最后幾道次的延伸系數(shù)要小。

（2）軋制道次的確定：

連鑄坯斷面積：0F =180×180=32400mm。

熱膨脹系數(shù)：β=1.012 ～1.015（一般生產(chǎn)取1.013）。

Φ20 圓鋼直徑尺寸：d=20×1.013=20.26mm。

Φ20 圓鋼的總延伸為：u=Fo/En=32400÷314.16=103.13。

式中：Σμ ——總延伸系數(shù)；0F ——原料斷面面積；nF ——成品斷面面積。

若坯料的斷面積F0和成品的斷面積En 均為已知，則總延伸系數(shù)為：

式中：0F 、1F ······ Fn為第1、2······n 道次軋件的斷面積；

1μ 、2μ ······nμ 為第1、2······n 道次軋件的延伸系數(shù)。

為了孔型設(shè)計方便，可將粗軋的總延伸系數(shù)按對進(jìn)行分配，粗軋總延伸系數(shù)為：

中軋同理。

一般情況下，在確定軋制道次時，用平均延伸系數(shù) pμ 代替某個道次的延伸系數(shù)。所謂平均延伸系數(shù)是指在軋制道次和總延伸系數(shù)一定的條件下，各個道次的延伸系數(shù)相等。它是為了簡化軋制道次的計算而提出來的假想延伸系數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中各個道次的延伸系數(shù)并不相等。具體確定方法如下：

對上式取對數(shù)，則求出軋制道次數(shù)N：N = ln μ∑/μ∑。

（3）根據(jù)孔型分配延伸系數(shù)見表1。

表1 孔型延伸系數(shù)

延伸系數(shù)的分配見表2。

表2 各機(jī)架的延伸系數(shù)

（4）延伸系數(shù)分配的校核：

μ1·μ2·μ3······μ18＝1.4×1.36×1.34×……×1.2×1.16 ＝103.1 ＝Σμ

所以以上為延伸系數(shù)初步分配。

（5）軋制各道次面積的確定，由延伸系數(shù)與軋件斷面面積關(guān)系，確定各道次軋件斷面面積，見表3。

表3 各道次軋件斷面面積（單位mm2）

然后確定等軸斷面的尺寸：a2=180/√1.9=131mm，a4=131/√1.8=98mm

（6）延伸孔型的設(shè)計：

①第1 孔型一矩形箱孔型：軋件在第1 孔的寬展系數(shù)取0.3，在第2 孔中的寬展系數(shù)取0.25，設(shè)第一孔型高為h1=114mm，則b1=a0+(a0-h1)β=199.8mm 。驗(yàn)算軋件在第2 孔型一方箱形孔型的充滿情況：與131 很接近，合適，否則需重新設(shè)定 h1。②第3 孔型一矩形箱孔型：軋件在第3 孔的寬展系數(shù)取0.3，在第4 孔中的寬展系數(shù)取0.25，設(shè)第一孔型高為h3=86mm，則。驗(yàn)算軋件在第4 孔型一方箱形孔型的充滿情況：，與98 很接近，故設(shè)計合適，否則需重新設(shè)定 h3。③第5 孔型一橢圓孔型：軋件在第5 孔和第6 孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3，設(shè)孔型高為h5=75 mm，則，驗(yàn)算軋件在第6 孔型一圓形孔型的充滿情況：，與84 很接近，故設(shè)計合適，否則需重新設(shè)定 h5。④第7 孔型一橢圓孔型：軋件在第7 孔和第8 孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3，設(shè)孔型高為h7=52mm，則，驗(yàn)算軋件在第8 孔型一圓形孔型的充滿情況：，與64 很接近，故設(shè)計合適。⑤第9 孔型一橢圓孔型：軋件在第9 孔和第10 孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3，設(shè)孔型高為h9=38mm，則，驗(yàn)算軋件在第10 孔型一圓形孔型的充滿情況：，故設(shè)計合適。⑥第11 孔型一橢圓孔型：軋件在第11 孔和第12孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3，設(shè)孔型高為h11=31mm，則，驗(yàn)算軋件在第12 孔型一圓形孔型的充滿情況：，故設(shè)計合適。⑦第13 孔型一橢圓孔型：軋件在第13 孔和第14 孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3，設(shè)孔型高為h13=24.5mm，則，驗(yàn)算軋件在第14 孔型一圓形孔型的充滿情況：，故設(shè)計合適。⑧第15 孔型一橢圓孔型，軋件在第15 孔和第16 孔中的寬展系數(shù)分別取0.7 和0.3：設(shè)孔型高為h15=20mm，則，驗(yàn)算軋件在第16孔型一圓形孔型的充滿情況：，充滿度合適。