一種不等邊角鋼孔型設計方法

2023-09-19 12:50:15

專利名稱：一種不等邊角鋼孔型設計方法
技術領域：
本發明屬於軋鋼技術領域，具體涉及一種不等邊角鋼軋制中消除軋制軸向力的不等邊角鋼孔型設計方法。
背景技術：
不等邊角鋼主要用於造船，鐵路車廂，機械，電力等行業。目前不等邊角鋼軋制生產時，採用長、短邊相同的壓下量，經常會出現長邊厚，短邊薄，易倒角現象，由於軋件不等邊，軋制時調整困難，並且在短應力線軋機上經常出現上下軋輥軸向竄動，軋輥軸承損壞嚴重。為了調整軋制力一般靠調整各架軋機上下輥軸向預先反方向串動，使孔型短邊厚度大於長邊厚度，來減小軋制軸向力，但產品尺寸精度不容易控制，質量較差，成材率較低。

發明內容
本發明公開一種不等邊角鋼孔型設計方法，通過對軋制不等邊角鋼時金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力進行分析，計算出軋輥所受軸向力，使角鋼孔型設計滿足軋制軸向力合力為零的條件，並在軋制過程中不等邊角鋼時易於調整不等邊角鋼兩邊壓下量，減輕軋機軸向負荷，從而提高不等邊角鋼的生產效率和成材率。本發明的目的是這樣實現的，它是根據軋制不等邊角鋼時，金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力進行分析，計算出軋輥所受軸向力，使角鋼孔型設計滿足上、下軋輥軋制軸向力合力為零的條件，發明一種消除軋制軸向力的不等邊角鋼孔型設計方法，其孔型的關係式滿足蝶式孔型，tg2β = Ahc/Ah11 (a)成品孔型(Lc/Ld)2 = Δ hD/ Δ hc (b)式中hc為長邊高度；hD為短邊高度；Ahc, Ah11分別為長邊、短邊的壓下量；Lc為長邊直線段；Ld為短邊直線段β為長邊與水平線傾角。其受力分析的過程如下1、軋制軸向力計算在用蝶式孔型和直腿孔型軋制不等邊角鋼時，由於長、短邊與水平線的傾斜角度不同，金屬與軋輥接觸面積不同，所以軋件從咬入到從孔型中軋出，長邊和短邊的軋制力各不相同，從而產生了與軋制方向垂直(Ζ軸方向)的水平分力。上輥受長、短邊水平分力的合力作用而沿Z軸向長邊方向移動，下輥受長、短邊水平合力的作用而沿Z軸向短邊移動。設不等邊角鋼在孔型中軋制，長邊和短邊上部受平均單位壓力為!)±，方向豎直向下。則短邊受上輥軋制壓力為Pd = ρ上Xi711 ；長邊受上輥軋制壓力為Pc = P上X Fc。Fd為短邊與軋輥接觸面積、Fc為長邊與軋輥接觸面積；以上輥孔型短邊為例，短邊上部平均單位壓力？±分解成對軋件垂直壓力Pdn和延孔型側壁的磨擦力PDF。同時軋件軋制過程對軋輥的垂直反作用力Pd/分解成水平分力Pdz和豎直向上的 Pdy，α為短邊與水平線傾角，β為長邊與水平線傾角，Pdz為(短邊所受軸向單位力)；同理Pcz為(長邊所受軸向的單位力)Pdz為短邊所受的(軸向合力)Pcz為長邊所受的(軸向合力)Pz為軋輥水平合力(軸向力)1)上軋輥所受水平分力計算1-1)短邊pDN' =pDN = P 上 cos αpDZ = pDN' cos β=ρ 上 cos α cos βFd = hD/cos β X (RA hD)1/2Pdz = PdzXFd= ρ 上 cos α cos β X hD/cos β X (RA hD)1/2= ρ 上cos α XhDX (RAh11)1/2 (1)1-2)長邊同理，Pcz = pczXFc = ρ上cos3 XhcX (RAhc)1/2 (2)由於 cos α = sin β1-3)計算上軋輥水平合力(軸向力)為Pz = Pcz-PdzPz = ρ上cos3 XhcX (RAhc)1/2_p上sin3 XhDX (RAhD)1/2 (3)在上式中，α為短邊與水平線傾角；β為長邊與水平線傾角；R為軋輥半徑；Ah。、AhD分別為角鋼孔型長邊、短邊的壓下量；軋輥水平合力(軸向力)與長、短邊壓下量及水平傾角關係在蝶式孔型中，hc = hDPz = ρ上hcR1/2X [(Ahc)1/2cos3_(AhD)1/2sin3] (3-1)在成品孔型中，hc= LcXsin^ , hD = LdXcos^Pz = ρ 上 R1/2 X l/2sin2 β [ ( Δ hc) l72Lc- ( Δ hD) 1/2LD] (3-2)方向沿Z軸指向長邊。2)下軋輥所受水平分力計算下軋輥的受力分析與上軋輥的受力分析同理，2-1)短邊水平分力PdzPdz = pDZX I7d = ρ 下 cos α X hD『 X (R Δ hD)1/2 (4)
2-2)長邊水平分力PczPcz = pczXFc = pTcos3Xhc' X (RΔhc)1/2 (5)2-3)計算下軋輥水平合力(軸向力)為Pz 下棍=Pcz-PdzPzrffi= ρ下 cos β XhcX (RΔ hc) 1/2-ρ下 sin β XhDX (RAh11)1/2 (6)式中h/ ,hc'分別為下輥長邊、短邊的垂直高度；軋輥水平合力與長、短邊壓下量與水平傾角關係下輥軸向力方向沿Z軸指向短邊，與上輥所受軸向力大小相等，方向相反，且 V ^ hD hc' ^ hc所以有以下關係式在蝶式孔型中，hc = hDPz 下棍=P 下 hcR"2 X [ ( Δ hc) 1/2cos β _ ( Δ hD) 1/2sin β ] = Pz 上棍 (6—1)在成品孔型中，hc= LcXsin^ , hD = LdXcos^Pz 下棍=P 下 R1/2 X l/2sin2 β [ ( Δ hc) l72Lc- ( Δ hD) "2Ld] = Pz 上棍 (6—2)2、不等邊角鋼孔型的設計由於上、下輥受到方向相反的水平軸向力，使上、下軋輥產生軸向竄動，間隙來源於軸承內外套與軋輥的配合，要使軸向力I3Z最小，也就是趨近於零，則:hc( Δ hc) 1/2cos β -hD ( Δ hD) 1/2sin β = O在蝶式孔型hc = hD，可推出 tg2 β = Δ hc/ Δ hD (a)在成品孔型hc不等於hD，可推出(LC/LD)2 = AhD/Ahc (b)所以在輥型設計時，滿足上述公式中各參數的關係，即可滿足不等邊角鋼的軋制要求。本發明在孔型設計時，蝶式孔型上輪廓形狀採用k2、k3相同原則，k4、k5、k6孔型由於壓下率較大，軸向力相對降低，可以根據具體的實際情況適當調整長、短邊壓下參數 Δ hc、Δ hD，使長、短邊壓下量參數相差不能太大，這樣頂角變化逐步過渡，保證軋制過程穩定，又可以達到降低消除軸向力的效果，同時頂角留有假帽，使成品頂角能夠充滿，式中k2、k3、k4、k5、k6分別為不等邊角鋼蝶式孔型。本發明的優點及效果，採用本方法設計出的孔型進行軋制(1)容易調整，縮短了試軋調整時間，(2)質量穩定，消除了長邊厚、短邊薄質量缺陷，(3)實現負偏差軋制，與現有技術相比提高成材率高1. 8%以上，(4)事故減少，提
高生產作業率。


圖1為本發明的成品孔型軸向力受力分析示意圖；圖2為本發明的不等邊角鋼孔型設計實例示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細說明。
如圖1所示，本發明是根據軋制不等邊角鋼時，金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力進行分析，計算出軋輥所受軸向力，使角鋼孔型設計滿足軋制軸向力合力為零的條件， 設計出不等邊角鋼的軋制孔型。圖2為本發明對75X50X6不等邊角鋼設計的孔型示意圖，按照本發明的軋輥孔型關係公式蝶式孔型tg2i3 = Ahc/Ah11(a)成品孔型(Lc/Ld)2 = Δ hD/ Δ hc (b)將上述的孔型設計方案代入常規的不等到邊角鋼設計方法和公式中，具體設計時考慮不等邊角鋼軋制時上下輥產生軸向力，變形不均勻，要求短邊壓下係數nD大於長邊壓下係數ne;按照tg2i3 = Ah。/Ah11設計壓下量，提高軋制穩定性。減小蝶式孔型水平段長度，成品孔和各蝶式孔採用傾斜配置，即長邊垂直投影大於短邊垂直投影；長邊與水平線傾角β，對於蝶式孔β取越大，長邊水平段越長，不利於軋制穩定，但β越大，軸向力變小，有利於長短邊變形均勻。考慮極限鎖口長度，並保證孔型兩邊輥環直徑相等，使軋件不產生扭轉條件下，β 範圍32. 2° < β < 45°，設計取β =36°，1)成品孔設計成品長邊長度為(75+1.2) X 1. 013 = 77mm短邊長度為(50+l.2) X 1. 013 = 52mm邊厚度取負偏差5. 8mm。應用軸向力最小條件公式(Lc/Ld) 2 = Δ hD/ Δ hc (b)取 Δ hD= 1. 5mm Ahc = 0. 7mm則Pz= pR1/2X0. 5sin72° [(0. 7) 1/2X77-(1. 5) 1/2X52]= 0. 35pR1/2 達到最小值。取長邊鎖口長度為5mm，短邊鎖口長度為7. 6mm。2)蝶式孔型設計蝶式孔型上輪廓形狀採用lc2、k3相同原則，k2、k3按公式(a)制定參數，1^4、、、1^6道次，由於壓下率較大，軸向力相對降低，可以根據具體的實際情況適當調整長、短邊壓下參數Ah。、AtvH長、短邊壓下量參數相差不能太大，這樣使頂角變化逐步過渡，保證軋制過程穩定，又可以達到降低消除軸向力的效果，同時頂角留有假帽，使成品頂角能夠充滿，K1, k2、k3、k4、k5、k6、k7分別為成品孔型和蝶式孔型。成品前Ii2孔設計採用上開口，短邊直線段Ld範圍(0. 15 0. 45) X 50取18mm，圓弧半徑Rd範圍 (0. 5 0. 75) X 50 取 25mm。長邊直線段Lc範圍(0. 15 0. 45) X75取30mm。由於兩水平段上部在同一水平線上，推出長邊圓弧半徑&為39. 7mm。應用軸向力最小條件公式tg2 β = Ahe/AhD，同時考慮到長、短邊壓下量相差太多會影響變形穩定，產生單邊拉拽及扭轉現象，取 AhD = 2.3mm Ahc= 1.5mm。
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則前一孔型長邊厚為6. 5+1. 5 = 8. Omm,短邊厚為7. 3+2. 3 = 9. 6mm。生產時，測量的成品尺寸和抽查入庫合格品的規格尺寸數據經過得出，長邊平均長度74. 70mm,平均厚度5. 91mm,短邊平均長度49. 88mm,平均厚度5. 72mm。工藝設計上以120X120連鑄方坯為原料，選用13道次軋制，前6道次為開坯箱形孔型，第7道次為立軋孔控制坯料寬度，第8道次為切分孔型，9 12道次採用蝶式孔型設計，按照金屬流動規則，長、短邊分別給予不同壓下量，直到第13道次成品孔型。總延伸係數為19. 65，平均延伸係數為1^6。(有6道次為開坯孔型，這裡不詳細說明)各個參數如下表。
權利要求
1.一種不等邊角鋼孔型設計方法，其特徵在於，通過對不等邊角鋼軋制過程中金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力進行分析，計算出軋輥所受軸向力，設計出的孔型滿足使角鋼軋制軸向力合力最小的條件，其蝶式孔型，tg2 β = Ahc/Ah11 (a) 成品孔型(LC/LD) 2 = Δ hD/ Δ hc (b) 式中hc為長邊高度； hD為短邊高度；Ahc, Ah11分別為長邊、短邊的壓下量； Lc為長邊直線段長度； Ld為短邊直線段長度； β為長邊與水平線傾角。
2.根據權利要求1所述的一種不等邊角鋼孔型設計方法，其特徵在於，不等邊角鋼軋制過程中金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力分析軋制軸向力計算設不等邊角鋼在孔型中軋制，長邊和短邊上部受平均單位壓力為P上，方向豎直向下； 則短邊受上輥軋制壓力為Pd = ρ上Xi^11 ； 長邊受上輥軋制壓力為Pc = ρ上XFc ； Fd為短邊與軋輥接觸面積，Fc為長邊與軋輥接觸面積；以上輥孔型短邊為例，短邊上部平均單位壓力？±分解成對軋件垂直壓力Pdn和延孔型側壁的磨擦力Pdf ；同時軋件軋制過程對軋輥的垂直反作用力Pdn'分解成水平分力Pdz和豎直向上的Pdy， α為短邊與水平線傾角，β為長邊與水平線傾角，pDZ為(短邊所受軸向單位力)Pcz為(長邊所受軸向的單位力)，Pdz為短邊所受的(軸向合力)， Pcz為長邊所受的(軸向合力)， I3Z為軋輥水平合力(軸向力)， 1)上軋輥孔型受水平分力計算 1-1)短邊Pdn' =Pdn = P 上 cos αPdz = Pdn' COS β =PiCosacosiiFd = hD/cos β X (R Δ hD)1/2.1 DZ 「 =PDZXFD=ρ 上 cos a cos β X hD/cos β X (RA hD)1/2=ρ上cosa XhDX (RAhD)1/2 (1).1-2)長邊同理，Pcz = PczXFc=ρ上cos3 XhcX (RAhc)1/2 (2)由於 cos a = sin β.1-3)計算上軋輥水平合力(軸向力)為Pz 上輥=Pcz-PDZPziffi= ρ 上cos β XhcX (RAhc)1/2-p±sin3 XhDX (RAh11)1/2 (3) 在上式中，α為短邊與水平線傾角；β為長邊與水平線傾角； R為軋輥半徑；Ah。、AhD分別為長邊、短邊的壓下量； 軋輥水平合力與長、短邊壓下量與水平傾角關係 在蝶式孔型中，h。= hDPziffi= p±hcR1/2X [(Ahc) 1/2cos β-(Ah11) 1/2sin β] 在成品孔型中，hc = LcXsin^ ,hD = LdXcos^ Pz 上棍=ρ 上R"2Xl/2Sin2i3 [ ( Δ hc) l72Lc-( Δ hD) 1/2Ld] 方向沿Z軸指向長邊； 2)下軋輥孔型受水平分力計算 下軋輥的受力分析與上軋輥的受力分析同理， 2-1)短邊水平分力PdzPdz = PdzXI7d = P下cos α XhD' X(RAh11)"2 (4) 2-2)長邊水平分力PczPcz = PczXFc = P下 COS β Xhc' X(RAhc)"2 (5)2-3)計算下軋輥水平合力(軸向力)為PzTffi= Pcz-PDZPzrffi= ρ 下 cos β Xhc' X (RAhc)1/2-pTsin3 XhD' 式中hD' ,hc'、分別為下輥長邊、短邊的垂直高度； 軋輥水平合力與長、短邊壓下量與水平傾角關係 下輥軸向力方向沿Z軸指向短邊，與上輥所受軸向力大小相等，方向相反，且h/ hDV ^hc所以有以下關係式 在蝶式孔型中，h。= hDPz下棍=Pz 上棍 ρ下hcR"2X [(Ahc) "2C0S β-(Ah11) "2Sin β] =Pz 上棍 (6—1) 在成品孔型中，hc = LcXsin^ ,hD = LdXcos^Pz 下棍=P 下 R1/2 X l/2sin2 β [(Ahc) l72Lc- ( Δ hD) "2Ld] = Pz 上棍 (6—2)
3.根據權利要求1或2所述的一種不等邊角鋼孔型設計方法，其特徵在於，在孔型設計時，蝶式孔型上輪廓形狀採用!^七相同原則，^！^頂角變化逐步過渡，保證軋制過程穩定，同時頂角留有假帽，使成品頂角能夠充滿，式中k2、k3、k4、k5、k6分別為不等邊角鋼蝶式孔型。(3-1) (3-2)X(RAhn)172 (6)
全文摘要
本發明公開一種不等邊角鋼孔型設計方法，它是根據軋制不等邊角鋼時，金屬在孔型內塑性變形及所受軋制力進行分析，計算出軋輥所受軸向力，使角鋼孔型設計滿足上、下軋輥軋制軸向力合力為零的條件，其孔型的關係式滿足蝶式孔型，tg2β＝ΔhC/ΔhD (a)成品孔型(LC/LD)2＝ΔhD/ΔhC (b)本發明的優點及效果在於採用本方法設計出的孔型進行軋制1、容易調整，縮短了試軋調整時間，2、質量穩定，消除了長邊厚、短邊薄質量缺陷，3、實現負偏差軋制，與現有技術相比提高成材率高1.8％以上，4、事故減少，提高生產作業率。
文檔編號B21B37/00GK102553935SQ20101059714
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者劉立新, 姜雨 申請人:鞍鋼股份有限公司