CN104353672A - 一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型，所述孔型为上下、左右对称的中凸椭圆形结构，所述孔型包括第一外倒角圆弧R，第一外倒角圆弧R两边为与其外切的第二外倒角圆弧R1，第二外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧r过渡至辊缝的槽口平面，第二外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角，中凸椭圆孔型结构的长、短轴之比小于3:1。本发明更有利于获取大应变棒材改善材料综合性能，并且大应变逐渐导入了产品心部，相比传统孔型心部应变小，边角部应变大，更有利于心部压实防止心部缺陷产生；同时新型孔型能够产生累积大应变的同时断面应变梯度变化小，轧件多向变形均匀。在增大宽展量减少轧制道次提高生产效率的同时也有利于防止“耳子”的产生。

Description

一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型

技术领域

本发明属于冶金工艺孔型设计开发领域，特别涉及一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型。 

技术背景

孔型设计是型钢生产中的核心环节，它直接关系到金属塑性流动的合理性以及轧后产品的组织性能，并且孔型连轧棒材技术本身具有多道次、多方向同时加工的大应变特性。 

然而，传统孔型设计受咬入条件、宽展和形状控制等因素的制约，多以获取棒材产品几何尺寸为主要目标，很少涉及材料组织性能；多以经验公式和试错法决定连轧孔型基本参数及系列配置方式，大大制约了生产效率和金属流动性能。导致道次断面收缩率低，材料中心部位应变不高，截面应变梯度分布大、组织性能不均匀，芯部缺陷严重产品性能十分受限。 

因此，通过改进或创新孔型设计工艺，将产品几何尺寸与材料组织性能同时考虑到孔型开发过程，从而获得横截面的大应变，实现多向大塑性应变棒材轧制仍是摆在工程技术人员面前的重要难题。结合数值模拟的计算机辅助孔型设计，则是今后新孔型、新工艺研发的趋势。 

国内外对如何创新孔型设计轧制大应变棒材的研究已经开展了很多年，大应变是显著改善材料组织性能的必备条件。多道次、大塑性变形技术的研究亦有诸多报道，如等通道挤压法、高压旋转法、叠轧等。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于心部大应变棒材轧制的新型孔型结构，使得产品心部得以压实防止心部缺陷产生，改善材料组织结构和性能。 

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型，所述孔型为上下、左右对称的中凸椭圆形结构，所述孔型包括第一外倒角圆弧R，第一外倒角圆弧R两边为与其外切的第二外倒角圆弧R1，第二外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧r过渡至辊缝的槽口平面，第二外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角，中凸椭圆孔型结构的长、短轴之比小于3:1。 

本发明在进行中凸椭圆形新型孔型设计时，充分考虑了凸槽深度引入、孔型线轮廓、孔型填充情况计算，将内部质量因素与轧件几何尺寸同时考虑到新型孔型设计的创新过程中，借助计算机辅助设计与孔型设计基础，研究凸槽深度对金属流动规律的影响，在满足形状尺寸精确的条件下更好的将大塑性应变引入到断面中心，并使得断面塑性应变趋于均匀，又由于轧制过程中的翻钢旋转，使得轧件中间凸槽部位，正是下一个道次轧制时的辊缝方向，这样，不仅保证了孔型的充满程度以及轧件在孔型内轧制的稳定性，中间凸槽也有利于防止“耳子”的产生，从而新型孔型中凸椭圆在增大宽展量的前提下，即减少了轧制道次也同时向轧件芯部逐渐导入了累积大应变。 

为了找到最佳凸槽深度，在保持来料与产品尺寸不变的情况下，进行不同深度值的孔型设计与模拟仿真，如图4所示的三组试探孔型的分析过程，综合各道次的孔型充满程度以及连轧后的心部应变累积情况，最后选取第二组凸槽深度M＝4mm为理想设计方法；在新型孔型中凸椭圆的设计过程中，孔型填充程度良好，并严格控制其长、短轴之比小于3:1，和通常意义上的椭圆孔型之比相当，一方面，在于确保各道次间的顺利进入，不至于因为大的孔型宽高比而产 生轧件倾倒现象；另一方面，保证中凸椭圆下一道次孔型填充程度良好的前提下，企图使中凸椭圆也同时充满，即主要是图1所示的横筋肩膀部位，确保轧件在孔型内轧制的稳定性。 

新型孔型中凸椭圆尺寸参数设计依据： 

①主要外形尺寸： 

B＝a+(a-h)β 

h＝H-2M 

B、H为参考设计孔型椭圆的宽度与高度； 

β为宽展系数，a为来料宽度； 

b为中凸椭圆轧件的宽度，相当与孔型的充满程度；用δ＝b/B表示。一般以 

δ＝0.85～0.96。 

②孔型倒角： 

内倒角r＝(0.08～0.12)B； 

外倒角 $R=\frac{{(H-s)}^2+B^2}{4(H-s)};$ 外倒角 $R_1=\sqrt{\mathrm{RM}-{(M/2)}^2}.$

③辊缝与宽展系数： 

辊缝s＝(0.2～0.3)h； 

宽展系数β＝0.3～0.6(椭圆件进方孔)；β＝0.6～2.2(方件进椭圆孔)。 

方孔型尺寸参数设计依据： 

主要外形尺寸： 

B＝(1.41～1.42)a 

H＝(1.4～1.41)a 

h＝h-0.828R 

b＝b-s 

R＝(0.1～0.2)h 

r＝(0.1～0.35)h 

s＝0.1a 

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型，与现有技术相比具有这样的有益效果： 

1、因为本发明将产品几何尺寸与材料组织性能以及心部大应变有效累积同时考虑到孔型创新过程中，相比仅仅以热轧和控制形状为思路的传统孔型，更有利于获取大应变棒材改善材料综合性能，并且大应变逐渐导入了产品心部，相比传统孔型心部应变小，边角部应变大，更有利于心部压实防止心部缺陷产生；同时新型孔型能够产生累积大应变的同时断面应变梯度变化小，轧件多向变形均匀； 

2、由于轧制过程中的翻钢旋转，新型孔型凸槽部位，正是下一个道次轧制时的辊缝方向，不仅保证了心部大应变的有效引入，相比传统孔型在增大宽展量减少轧制道次提高生产效率的同时也有利于防止“耳子”的产生； 

3、新型孔型中凸椭圆的设计过程中，严格控制其长、短轴之比小于3:1，孔型填充程度良好，和通常意义上的椭圆孔型之比相当，确保了轧件在孔型轧制过程中各道次间的顺利进入，不至于因为大的孔型宽高比以及大的欠充满程度而产生轧件倾倒现象，相比以往的创新孔型，如扁椭圆孔型，更有利于投入实际生产创造效益。本发明更有利于获取大应变棒材改善材料综合性能，并且大应变逐渐导入了产品心部，相比传统孔型心部应变小，边角部应变大，更有利于心部压实防止心部缺陷产生；同时新型孔型能够产生累积大应变的同时断面应变梯度变化小，轧件多向变形均匀。在增大宽展量减少轧制道次提高生产效率的同时也有利于防止“耳子”的产生。 

附图说明

图1为本发明的新型孔型中凸椭圆的构成； 

图2为传统孔型系统主要设计尺寸； 

图3为传统孔型连轧末道次形状与应变分布情况，(a)六道次菱/方；(b)四道次方/方； 

图4为三组不同M值深度的试探孔型各道次形状与等效应变分布情况。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型，如图1所示，所述孔型为上下、左右对称的中凸椭圆型结构，所述孔型包括第一外倒角圆弧R，第一外倒角圆弧R两边为与其外切的第二外倒角圆弧R1，第二外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧r过渡至辊缝的槽口平面，第一外倒角圆弧R的半径为第二外倒角圆弧R1的半径为第二外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝度，所述孔型的宽度为B＝(1.41～1.42)a，其高度为h＝h-0.828R，中凸椭圆孔型结构的长、短轴之比小于3:1。 

实施例1： 

主要是进行传统孔型系统分析，即图2和图3所示，与实施例2形成对比分析，突出本发明的新型孔型结构的优点。其中，来料尺寸和各模型参数均与实施列2相同，经过六道次菱/方和四道次方/方后轧制为变长为17mm的方钢。 

实施例2： 

将边长为24mm，长800mm，倒角半径6mm的方钢经两道次轧制为边长17mm的方钢。即图4所示的第二组试探孔型，这里重点介绍第一道次新型孔型凹底 椭圆的具体外形设计过程，而对于其它道次传统孔型等省略。 

并选择合理的孔型尺寸，孔型参数值计算如下： 

①第一组孔型系统 

1.第一道次(新型孔型中凸椭圆) 

取H＝22，β＝1.0，M＝2 

h＝H-2M＝22-4＝18 

B＝a+(a-h)β＝24+(24-18)＝30 

s＝(0.2～0.3)h＝4 

R＝17 

r＝(0.08～0.12)B＝3 

R₁＝5.74 

2.第二道次(方孔型) 

取a＝17.5 

h＝1.41a＝24.68 

R＝5；r＝5 

h＝24.68-0.83R＝20.53 

b＝24.68-2＝22.68 

s≈0.1a≈2 

②第二组孔型系统 

1.第一道次(新型孔型中凸椭圆) 

取H＝22，β＝1.0，M＝5 

h＝H-2M＝22-10＝12 

B＝a+(a-h)β＝24+(24-12)＝36 

s＝(0.2～0.3)h＝3 

$R=\frac{{(H-s)}^2+B^2}{4(H-s)}=\frac{{(22-3)}^2+{36}^2}{4(22-3)}=21.8$

r＝(0.08～0.12)B＝4 

$R_1=\sqrt{\mathrm{RM}-{(M/2)}^2}=\sqrt{21.8*5-{2.5}^2}=10.14$

δ＝b/B＝33.7/36＝0.936 

2.第二道次(方孔型) 

取a＝17.5 

h＝1.41a＝24.68 

R＝5；r＝5 

h＝24.68-0.83R＝20.53 

b＝24.68-2＝22.68 

s≈0.1a≈2 

③第三组孔型系统 

1.第一道次(新型孔型中凸椭圆) 

取H＝22，β＝1.0，M＝6 

h＝H-2M＝22-12＝10 

B＝a+(a-h)β＝24+(24-10)＝38 

s＝(0.2～0.3)h＝3 

R＝23.75 

r＝(0.08～0.12)B＝4 

R₁＝11.55 

2.第二道次(方孔型) 

取a＝17.5 

h＝1.41a＝24.68 

R＝5；r＝5 

h＝24.68-0.83R＝20.53 

b＝24.68-2＝22.68 

s≈0.1a≈2。 

Claims (1)

1.一种实现心部大应变棒材轧制的新型孔型，其特征在于：所述孔型为上下、左右对称的中凸椭圆形结构，所述孔型包括第一外倒角圆弧R，第一外倒角圆弧R两边为与其外切的第二外倒角圆弧R1，第二外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧r过渡至辊缝的槽口平面，第二外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角，中凸椭圆孔型结构的长、短轴之比小于3:1。