CN102553935A - 一种不等边角钢孔型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种不等边角钢孔型设计方法，它是根据轧制不等边角钢时，金属在孔型内塑性变形及所受轧制力进行分析，计算出轧辊所受轴向力，使角钢孔型设计满足上、下轧辊轧制轴向力合力为零的条件，其孔型的关系式满足：蝶式孔型，tg²β＝Δh_C/Δh_D (a)成品孔型(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C (b)本发明的优点及效果在于采用本方法设计出的孔型进行轧制：1、容易调整，缩短了试轧调整时间，2、质量稳定，消除了长边厚、短边薄质量缺陷，3、实现负偏差轧制，与现有技术相比提高成材率高1.8％以上，4、事故减少，提高生产作业率。

Description

一种不等边角钢孔型设计方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种不等边角钢轧制中消除轧制轴向力的不等边角钢孔型设计方法。 

背景技术

不等边角钢主要用于造船，铁路车厢，机械，电力等行业。目前不等边角钢轧制生产时，采用长、短边相同的压下量，经常会出现长边厚，短边薄，易倒角现象，由于轧件不等边，轧制时调整困难，并且在短应力线轧机上经常出现上下轧辊轴向窜动，轧辊轴承损坏严重。为了调整轧制力一般靠调整各架轧机上下辊轴向预先反方向串动，使孔型短边厚度大于长边厚度，来减小轧制轴向力，但产品尺寸精度不容易控制，质量较差，成材率较低。 

发明内容

本发明公开一种不等边角钢孔型设计方法，通过对轧制不等边角钢时金属在孔型内塑性变形及所受轧制力进行分析，计算出轧辊所受轴向力，使角钢孔型设计满足轧制轴向力合力为零的条件，并在轧制过程中不等边角钢时易于调整不等边角钢两边压下量，减轻轧机轴向负荷，从而提高不等边角钢的生产效率和成材率。 

本发明的目的是这样实现的，它是根据轧制不等边角钢时，金属在孔型内塑性变形及所受轧制力进行分析，计算出轧辊所受轴向力，使角钢孔型设计满足上、下轧辊轧制轴向力合力为零的条件，发明一种消除轧制轴向力的不等边角钢孔型设计方法， 

其孔型的关系式满足： 

蝶式孔型，tg²β＝Δh_C/Δh_D     (a) 

成品孔型(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C    (b) 

式中：h_C为长边高度； 

h_D为短边高度； 

Δh_C、Δh_D分别为长边、短边的压下量； 

L_C为长边直线段； 

L_D为短边直线段 

β为长边与水平线倾角。 

其受力分析的过程如下： 

1、轧制轴向力计算： 

在用蝶式孔型和直腿孔型轧制不等边角钢时，由于长、短边与水平线的倾斜角度不同，金属与轧辊接触面积不同，所以轧件从咬入到从孔型中轧出，长边和短边的轧制力各不相同，从而产生了与轧制方向垂直(Z轴方向)的水平分力。 

上辊受长、短边水平分力的合力作用而沿Z轴向长边方向移动，下辊受长、短边水平合力的作用而沿Z轴向短边移动。 

设不等边角钢在孔型中轧制，长边和短边上部受平均单位压力为p_上，方向竖直向下。 

则短边受上辊轧制压力为P_D＝p_上×F_D； 

长边受上辊轧制压力为P_C＝p_上×Fc。 

F_D为短边与轧辊接触面积、Fc为长边与轧辊接触面积； 

以上辊孔型短边为例，短边上部平均单位压力p_上分解成对轧件垂直压力p_DN和延孔型侧壁的磨擦力p_DF。 

同时轧件轧制过程对轧辊的垂直反作用力p_DN′分解成水平分力p_DZ和竖直向上的p_DY，α为短边与水平线倾角，β为长边与水平线倾 角，p_DZ为(短边所受轴向单位力)；同理p_CZ为(长边所受轴向的单位力) 

P_DZ为短边所受的(轴向合力) 

P_CZ为长边所受的(轴向合力) 

Pz为轧辊水平合力(轴向力) 

1)上轧辊所受水平分力计算： 

1-1)短边： 

p_DN′＝p_DN＝p_上cosα 

p_DZ＝p_DN′cosβ 

＝p_上cosαcosβ 

F_D＝h_D/cosβ×(RΔh_D)^1/2

P_DZ＝p_DZ×F_D

＝p_上cosαcosβ×h_D/cosβ×(RΔh_D)^1/2

＝p_上cosα×h_D×(RΔh_D)^1/2    (1) 

1-2)长边： 

同理，P_CZ＝p_CZ×F_C＝p_上cosβ×h_C×(RΔh_C)^1/2    (2) 

由于cosα＝sinβ 

1-3)计算上轧辊水平合力(轴向力)为： 

Pz＝P_CZ-P_DZ

Pz＝p_上cosβ×h_C×(RΔh_C)^1/2-p_上sinβ×h_D×(RΔh_D)^1/2    (3) 

在上式中，α为短边与水平线倾角；β为长边与水平线倾角； 

R为轧辊半径；Δh_C、Δh_D分别为角钢孔型长边、短边的压下量； 

轧辊水平合力(轴向力)与长、短边压下量及水平倾角关系： 

在蝶式孔型中，h_C＝h_D

Pz＝p_上h_CR^1/2×[(Δh_C)^1/2cosβ-(Δh_D)^1/2sinβ]    (3-1) 

在成品孔型中，h_C＝L_C×sinβ，h_D＝L_D×cosβ 

Pz＝p_上R^1/2×1/2sin2β[(Δh_C)^1/2L_C-(Δh_D)^1/2L_D]    (3-2) 

方向沿Z轴指向长边。 

2)下轧辊所受水平分力计算： 

下轧辊的受力分析与上轧辊的受力分析同理， 

2-1)短边水平分力P_DZ

P_DZ＝p_DZ×F_D＝p_下cosα×h_D′×(RΔh_D)^1/2    (4) 

2-2)长边水平分力P_CZ

P_CZ＝p_CZ×F_C＝p_下cosβ×h_C′×(RΔh_C)^1/2    (5) 

2-3)计算下轧辊水平合力(轴向力)为： 

Pz_下辊＝P_CZ-P_DZ

Pz_下辊＝p_下cosβ×h_C×(RΔh_C)^1/2-p_下sinβ×h_D×(RΔh_D)^1/2    (6) 

式中h_D′、h_C′分别为下辊长边、短边的垂直高度； 

轧辊水平合力与长、短边压下量与水平倾角关系： 

下辊轴向力方向沿Z轴指向短边，与上辊所受轴向力大小相等，方向相反，且h_D′≈h_D h_C′≈h_C

所以有以下关系式： 

在蝶式孔型中，h_C＝h_D

Pz_下辊＝p_下h_CR^1/2×[(Δh_C)^1/2cosβ-(Δh_D)^1/2sinβ]＝Pz_上辊    (6-1) 

在成品孔型中，h_C＝L_C×sinβ，h_D＝L_D×cosβ 

Pz_下辊＝p_下R^1/2×1/2sin2β[(Δh_C)^1/2L_C-(Δh_D)^1/2L_D]＝Pz_上辊    (6-2) 

2、不等边角钢孔型的设计 

由于上、下辊受到方向相反的水平轴向力，使上、下轧辊产生轴向窜动，间隙来源于轴承内外套与轧辊的配合，要使轴向力Pz最小，也就是趋近于零， 

则：h_C(Δh_C)^1/2cosβ-h_D(Δh_D)^1/2sinβ＝0 

在蝶式孔型h_C＝h_D，可推出tg²β＝Δh_C/Δh_D    (a) 

在成品孔型h_C不等于h_D，可推出(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C    (b) 

所以在辊型设计时，满足上述公式中各参数的关系，即可满足不等边角钢的轧制要求。 

本发明在孔型设计时，蝶式孔型上轮廓形状采用k₂、k₃相同原则，k₄、k₅、k₆孔型由于压下率较大，轴向力相对降低，可以根据具体的实际情况适当调整长、短边压下参数Δh_C、Δh_D，使长、短边压下量参数相差不能太大，这样顶角变化逐步过渡，保证轧制过程稳定，又可以达到降低消除轴向力的效果，同时顶角留有假帽，使成品顶角能够充满， 

式中：k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为不等边角钢蝶式孔型。 

本发明的优点及效果，采用本方法设计出的孔型进行轧制： 

(1)容易调整，缩短了试轧调整时间， 

(2)质量稳定，消除了长边厚、短边薄质量缺陷， 

(3)实现负偏差轧制，与现有技术相比提高成材率高1.8％以上，(4)事故减少，提高生产作业率。 

附图说明

图1为本发明的成品孔型轴向力受力分析示意图； 

图2为本发明的不等边角钢孔型设计实例示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。 

如图1所示，本发明是根据轧制不等边角钢时，金属在孔型内塑性变形及所受轧制力进行分析，计算出轧辊所受轴向力，使角钢孔型设计满足轧制轴向力合力为零的条件，设计出不等边角钢的轧制孔型。 

图2为本发明对75×50×6不等边角钢设计的孔型示意图， 

按照本发明的轧辊孔型关系公式： 

蝶式孔型tg²β＝Δh_C/Δh_D       (a) 

成品孔型(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C    (b) 

将上述的孔型设计方案代入常规的不等到边角钢设计方法和公式中，具体设计时考虑不等边角钢轧制时上下辊产生轴向力，变形不均匀，要求短边压下系数n_D大于长边压下系数n_C；按照tg²β＝Δh_C/Δh_D设计压下量，提高轧制稳定性。减小蝶式孔型水平段长度，成品孔和各蝶式孔采用倾斜配置，即长边垂直投影大于短边垂直投影；长边与水平线倾角β，对于蝶式孔β取越大，长边水平段越长，不利于轧制稳定，但β越大，轴向力变小，有利于长短边变形均匀。 

考虑极限锁口长度，并保证孔型两边辊环直径相等，使轧件不产生扭转条件下，β范围：32.2°＜β＜45°， 

设计取β＝36°， 

1)成品孔设计： 

成品长边长度为(75+1.2)×1.013＝77mm 

短边长度为(50+1.2)×1.013＝52mm 

边厚度取负偏差5.8mm。 

应用轴向力最小条件公式：(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C    (b)： 

取Δh_D＝1.5mm    Δh_C＝0.7mm 

则：Pz＝pR^1/2×0.5sin72°[(0.7)^1/2×77-(1.5)^1/2×52] 

＝0.35pR^1/2达到最小值。 

取长边锁口长度为5mm，短边锁口长度为7.6mm。 

2)蝶式孔型设计： 

蝶式孔型上轮廓形状采用k₂、k₃相同原则，k₂、k₃按公式(a)制定参数，k₄、k₅、k₆道次，由于压下率较大，轴向力相对降低，可以根据具体的实际情况适当调整长、短边压下参数Δh_C、Δh_D，使 长、短边压下量参数相差不能太大，这样使顶角变化逐步过渡，保证轧制过程稳定，又可以达到降低消除轴向力的效果，同时顶角留有假帽，使成品顶角能够充满， 

K₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇分别为成品孔型和蝶式孔型。 

成品前k₂孔设计： 

采用上开口，短边直线段L_D范围(0.15～0.45)×50取18mm，圆弧半径R_D范围(0.5～0.75)×50取25mm。 

长边直线段L_C范围(0.15～0.45)×75取30mm。由于两水平段上部在同一水平线上，推出长边圆弧半径R_C为39.7mm。 

应用轴向力最小条件公式tg²β＝Δh_C/Δh_D，同时考虑到长、短边压下量相差太多会影响变形稳定，产生单边拉拽及扭转现象， 

取Δh_D＝2.3mm    Δh_C＝1.5mm。 

则前一孔型长边厚为6.5+1.5＝8.0mm，短边厚为7.3+2.3＝9.6mm。 

生产时，测量的成品尺寸和抽查入库合格品的规格尺寸数据经过得出，长边平均长度74.70mm，平均厚度5.91mm，短边平均长度49.88mm，平均厚度5.72mm。 

工艺设计上以120×120连铸方坯为原料，选用13道次轧制，前6道次为开坯箱形孔型，第7道次为立轧孔控制坯料宽度，第8道次为切分孔型，9～12道次采用蝶式孔型设计，按照金属流动规则，长、短边分别给予不同压下量，直到第13道次成品孔型。总延伸系数为19.65，平均延伸系数为1.26。(有6道次为开坯孔型，这里不详细说明) 

各个参数如下表。 

Claims (3)

1.一种不等边角钢孔型设计方法，其特征在于，通过对不等边角钢轧制过程中金属在孔型内塑性变形及所受轧制力进行分析，计算出轧辊所受轴向力，设计出的孔型满足使角钢轧制轴向力合力最小的条件，其

蝶式孔型，tg²β＝Δh_C/Δh_D     (a)

成品孔型(L_C/L_D)²＝Δh_D/Δh_C    (b)

式中：h_C为长边高度；

h_D为短边高度；

Δh_C、Δh_D分别为长边、短边的压下量；

L_C为长边直线段长度；

L_D为短边直线段长度；

β为长边与水平线倾角。

2.根据权利要求1所述的一种不等边角钢孔型设计方法，其特征在于，不等边角钢轧制过程中金属在孔型内塑性变形及所受轧制力分析轧制轴向力计算：

设不等边角钢在孔型中轧制，长边和短边上部受平均单位压力为p上，方向竖直向下；

则短边受上辊轧制压力为P_D＝p_上×F_D；

长边受上辊轧制压力为P_C＝p_上×Fc；

F_D为短边与轧辊接触面积，Fc为长边与轧辊接触面积；

以上辊孔型短边为例，短边上部平均单位压力p_上分解成对轧件垂直压力p_DN和延孔型侧壁的磨擦力p_DF；

同时轧件轧制过程对轧辊的垂直反作用力p_DN′分解成水平分力p_DZ和竖直向上的p_DY，α为短边与水平线倾角，β为长边与水平线倾角，p_DZ为(短边所受轴向单位力)p_CZ为(长边所受轴向的单位力)，

P_DZ为短边所受的(轴向合力)，

P_CZ为长边所受的(轴向合力)，

Pz为轧辊水平合力(轴向力)，

1)上轧辊孔型受水平分力计算：

1-1)短边：

p_DN′＝p_DN＝p_上cosα

p_DZ＝p_DN′cosβ＝p_上cosαcosβ

F_D＝h_D/cosβ×(RΔh_D)^1/2

P_DZ＝p_DZ×F_D

＝p_上cosαcosβ×h_D/cosβ×(RΔh_D)^1/2

＝p_上cosα×h_D×(RΔh_D)^1/2    (1)

1-2)长边：

同理，P_CZ＝p_CZ×F_C

＝p_上cosβ×h_C×(RΔh_C)^1/2    (2)

由于cosα＝sinβ

1-3)计算上轧辊水平合力(轴向力)为：

Pz_上辊＝P_CZ-P_DZ

Pz_上辊＝p_上cosβ×h_C×(RΔh_C)^1/2-p_上sinβ×h_D×(RΔh_D)^1/2    (3)

在上式中，α为短边与水平线倾角；β为长边与水平线倾角；

R为轧辊半径；Δh_C、Δh_D分别为长边、短边的压下量；

轧辊水平合力与长、短边压下量与水平倾角关系：

在蝶式孔型中，h_C＝h_D

Pz_上辊＝p_上h_CR^1/2×[(Δh_C)^1/2cosβ-(Δh_D)^1/2sinβ]    (3-1)

在成品孔型中，h_C＝L_C×sinβ，h_D＝L_D×cosβ

Pz_上辊＝p_上R^1/2×1/2sin2β[(Δh_C)^1/2L_C-(Δh_D)^1/2L_D]    (3-2)

方向沿Z轴指向长边；

2)下轧辊孔型受水平分力计算：

下轧辊的受力分析与上轧辊的受力分析同理，

2-1)短边水平分力P_DZ

P_DZ＝p_DZ×F_D＝p_下cosα×h_D′×(RΔh_D)^1/2    (4)

2-2)长边水平分力P_CZ

P_CZ＝p_CZ×F_C＝p_下cosβ×h_C′×(RΔh_C)^1/2    (5)

2-3)计算下轧辊水平合力(轴向力)为：

Pz_下辊＝P_CZ-P_DZ

Pz_下辊＝p_下cosβ×h_C′×(RΔh_C)^1/2-p_下sinβ×h_D′×(RΔh_D)^1/2    (6)

式中h_D′、h_C′、分别为下辊长边、短边的垂直高度；

轧辊水平合力与长、短边压下量与水平倾角关系：

下辊轴向力方向沿Z轴指向短边，与上辊所受轴向力大小相等，方向相反，且h_D′≈h_D  h_C′≈h_C

所以有以下关系式：

在蝶式孔型中，h_C＝h_D

Pz_下辊＝Pz_上辊p_下h_CR^1/2×[(Δh_C)^1/2cosβ-(Δh_D)^1/2sinβ]＝Pz_上辊    (6-1)

在成品孔型中，h_C＝L_C×sinβ，h_D＝L_D×cosβ

Pz_下辊＝p_下R^1/2×1/2sin2β[(Δh_C)^1/2L_C-(Δh_D)^1/2L_D]＝Pz_上辊    (6-2)

3.根据权利要求1或2所述的一种不等边角钢孔型设计方法，其特征在于，在孔型设计时，蝶式孔型上轮廓形状采用k₂、k₃相同原则，k₄、k₅、k₆顶角变化逐步过渡，保证轧制过程稳定，同时顶角留有假帽，使成品顶角能够充满，

式中：k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为不等边角钢蝶式孔型。

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