《轧钢工艺学》课程授课教案（型钢孔型设计讲义）4 简单断面型钢孔型设计

1简单断面型钢孔型设计型钢的品种规格很多，这里仅介绍最常见的并有代表性的型钢。轧制型钢的延伸孔型设计方法已在前面进行了详细的讨论，所以本章只讨论轧制型钢的最后几个孔型，即预轧孔型和成品孔型（或精轧孔型系统）的设汁方法。1.1成品孔型设计的一般问题1.1.1热断面成品孔型的尺寸和形状与成品名义尺寸和形状并不完全一样.这主要是由于轧件温度和断面温度不均匀对成品尺寸和断面形状的影响。一热断面尺寸轧件从成品孔型轧出后温度一般波动在800°～1000°之间，轧后热状态轧件的尺寸与冷却后轧件的关系为：h _b_l=1+athbr式中h、b、l一轧件的热尺寸；h、b、1一轧件的冷尺寸；t一终轧温度；a一热膨胀系数，对钢通常取0.000012。为了使成品尺寸精确，设计成品孔型时必须考虑轧件的终轧温度，使成品孔型的主要尺寸为成品尺寸的相应倍数(1.010~1.0145)。二热断面形状轧件在成品孔型中轧制时，断面各部分的温度是不均匀的，在某些条件下，这种温度差将会影响冷却后成品的断面形状。轧制方钢时。菱形轧件进入精轧孔型之前，其锐角部位的温度比钝角部位的低，如图所示，因此成品孔型轧出方钢的水平轴温度高于垂直轴.这样冷却后水平轴的收缩量将大于垂直轴，结果造成垂直轴处的顶角小于90°为了防止这种现象的发生，同时又由于方钢成品孔型在使用中顶角部位磨损较快，使磨损后的顶

1 简单断面型钢孔型设计 型钢的品种规格很多，这里仅介绍最常见的并有代表性的型钢。轧制型钢的 延伸孔型设计方法已在前面进行了详细的讨论，所以本章只讨论轧制型钢的最后 几个孔型，即预轧孔型和成品孔型(或精轧孔型系统)的设汁方法。 1.1 成品孔型设计的一般问题 1.1.1 热断面 成品孔型的尺寸和形状与成品名义尺寸和形状并不完全一样.这主要是由于 轧件温度和断面温度不均匀对成品尺寸和断面形状的影响。 一 热断面尺寸 轧件从成品孔型轧出后温度一般波动在 800 ~1000 之间，轧后热状态轧件 的尺寸与冷却后轧件的关系为： 1 r r r r r r hbl at h b r hbl hbl t a = = = + 式中 、 、 —轧件的热尺寸； 、 、 —轧件的冷尺寸； —终轧温度； —热膨胀系数，对钢通常取0.000012。 为了使成品尺寸精确，设计成品孔型时必须考虑轧件的终轧温度，使成品孔 型的主要尺寸为成品尺寸的相应倍数(1.010~1.0145)。 二 热断面形状 轧件在成品孔型中轧制时，断面各部分的温度是不均匀的，在某些条件下， 这种温度差将会影响冷却后成品的断面形状。 轧制方钢时。菱形轧件进入精轧孔型之前，其锐角部位的温度比钝角部位的 低，如图所示，因此成品孔型轧出方钢的水平轴温度高于垂直轴.这样冷却后水 平轴的收缩量将大于垂直轴，结果造成垂直轴处的顶角小于 90 为了防止这种现 象的发生，同时又由于方钢成品孔型在使用中顶角部位磨损较快，使磨损后的顶

角小于90°如图所示，因此不论是从保证成品断面形状正确，还是从延长孔型的使用寿命，使成品孔的水平轴略大于垂直轴是有益的，此时成品孔型的顶角为90°30，而不是90°。1.1.2负偏差轧制在实际生产中轧制条件是在不断变化的.如设备零部件和孔型的不断磨损，轧制温度的变化等，想要轧制出没有尺寸偏差的成品是不可能的，所以每种轧制产品都规定有一定的尺寸允许偏差。偏差的大小是根据钢材的用途和当时轧钢技术的发展水平由国家有关部门颁发的标准决定的。随着轧钢技术水平的发展，偏差规定的范围越来越小。在实际生产中全部采用最大允许负偏差轧制是不可能的，也是很危险的。采用负偏差轧制节约钢材量的多少，取决于轧钢设备的装备水平和轧钢调整工利用允许负偏差的程度。为了实现负偏差轧制，孔型设计时必须予以考虑。成品孔型设计的一般程序为：1)根据终轧温度确定成品断面的热尺寸；2)考虑负偏差轧制和轧机调整，从热尺寸中减去部分（或全部）负偏差、或加上部分（或全部）正偏差；3)必要时还要对以上计算出的尺寸和断面形状加以修正

角小于 90 如图所示，因此不论是从保证成品断面形状正确，还是从延长孔型的 使用寿命，使成品孔的水平轴略大于垂直轴是有益的，此时成品孔型的顶角为 90 30 ，而不是 90 。 1.1.2 负偏差轧制 在实际生产中轧制条件是在不断变化的.如设备零部件和孔型的不断磨损， 轧制温度的变化等，想要轧制出没有尺寸偏差的成品是不可能的，所以每种轧制 产品都规定有一定的尺寸允许偏差。偏差的大小是根据钢材的用途和当时轧钢技 术的发展水平由国家有关部门颁发的标准决定的。随着轧钢技术水平的发展，偏 差规定的范围越来越小。 在实际生产中全部采用最大允许负偏差轧制是不可能的，也是很危险的。采 用负偏差轧制节约钢材量的多少，取决于轧钢设备的装备水平和轧钢调整工利用 允许负偏差的程度。为了实现负偏差轧制，孔型设计时必须予以考虑。 成品孔型设计的一般程序为： 1)根据终轧温度确定成品断面的热尺寸； 2)考虑负偏差轧制和轧机调整，从热尺寸中减去部分(或全部)负偏差、或 加上部分(或全部)正偏差； 3)必要时还要对以上计算出的尺寸和断面形状加以修正

1.2圆钢孔型设计1.2.1轧制圆钢的孔型系统圆钢的孔型系统在这里是指轧制圆钢的最后3-5个孔型，即精轧孔型系统。常见的圆钢孔型系统有如下四种。一方一椭圆一圆孔型系统方一椭圆一圆孔型系统这种孔型系统的优点是：延伸系数较大：方轧件在椭圆孔型中可以自动找正，轧制稳定；能与其它延伸孔型系统很好衔接。其缺点是：方轧件在椭圆孔型中变形不均匀：方孔型切槽深：孔型的共用性差。由于这种孔型系统的延伸系数大，所以被广泛应用于小型和线材轧机轧制32mm以下的圆钢

1.2 圆钢孔型设计 1.2.1 轧制圆钢的孔型系统 圆钢的孔型系统在这里是指轧制圆钢的最后 3-5 个孔型，即精轧孔型系 统。常见的圆钢孔型系统有如下四种。 一 方—椭圆—圆孔型系统 这种孔型系统的优点是：延伸系数较大；方轧件在椭圆孔型中可以自动找正， 轧制稳定；能与其它延伸孔型系统很好衔接。 其缺点是：方轧件在椭圆孔型中变形不均匀；方孔型切槽深；孔型的共用性 差。由于这种孔型系统的延伸系数大，所以被广泛应用于小型和线材轧机轧制 32mm 以下的圆钢

二圆一椭圆一圆孔型系统1圆一椭圆一圆孔型系统与方一椭圆一圆孔型系统相比，这种孔型系统的优点是：轧件变形和冷却均匀：易于去除轧件表面的氧化铁皮，成品表面质量好；便于使用围盘；成品尺寸比较精确：可以从中间圆孔型轧出多种规格的圆钢，故共用性较大。其缺点是：延伸系数较小；椭圆件在圆孔中轧制不稳定，需要使用经过精确调整的夹板夹持，否则在圆孔型中容易出“耳子”。这种孔型系统被广泛应用于小型和线材轧机轧制40mm以下的圆钢。在高速线材轧机的精轧机组，采用这种孔型系统可以生产多种规格的线材。三椭圆一立椭圆一椭圆一圆孔型系统椭圆一立圆一椭圆孔型系统这种孔型系统的优点是：轧件变形均匀：易于去除轧件表面氧化铁皮，成品表面质量好；椭圆件在立椭圆孔型中能自动找正，轧制稳定。其缺点是：延伸系数较小；由于轧件产生反复应力。容易出现中心部分疏松，甚至当钢质不良时会出现轴心裂纹。这种孔型系统一般用于轧制塑性较低的合金钢或小型和线材连轧机上。四万能孔型系统

二 圆—椭圆—圆孔型系统 与方—椭圆—圆孔型系统相比，这种孔型系统的优点是：轧件变形和冷却均 匀：易于去除轧件表面的氧化铁皮，成品表面质量好；便于使用围盘；成品尺寸 比较精确；可以从中间圆孔型轧出多种规格的圆钢，故共用性较大。其缺点是： 延伸系数较小；椭圆件在圆孔中轧制不稳定，需要使用经过精确调整的夹板夹持， 否则在圆孔型中容易出“耳子”。这种孔型系统被广泛应用于小型和线材轧机轧 制 40mm 以下的圆钢。在高速线材轧机的精轧机组，采用这种孔型系统可以生产 多种规格的线材。 三 椭圆—立椭圆—椭圆—圆孔型系统 这种孔型系统的优点是：轧件变形均匀；易干去除轧件表面氧化铁皮，成品 表面质量好；椭圆件在立椭圆孔型中能自动找正，轧制稳定。 其缺点是：延伸系数较小；由于轧件产生反复应力。容易出现中心部分疏 松，甚至当钢质不良时会出现轴心裂纹。这种孔型系统一般用于轧制塑性较低的 合金钢或小型和线材连轧机上。 四 万能孔型系统

万能孔型系统这种孔型系统的优点是：共用性强，可以用一套孔型通过调整轧辑的方法。轧出几种相邻规格的圆钢：轧件变形均匀：易于去除轧件表面的氧化铁皮。成品表面质量好。其缺点是：延伸系数较小；不易于使用围盘；立轧孔设计不当时，轧件容易扭转。这种孔型系统适用于轧制的圆钢。1.2.2圆钢成品孔型设计圆钢成品孔型是轧制圆钢的最后一个孔型，其设计的好坏直接影响到成品的尺寸精度、轧机调整和孔型寿命。设计圆钢成品孔型时，一般应考虑到使椭圆度变化最小，并且能充分利用所允许的偏差范围，即能保证调整范围最大。为了减少过充满和便于调整，圆钢成品孔的形状采用带有扩张角的圆形孔。目前广泛使用的成品孔构成方法如图所示。圆钢成品孔的构成

这种孔型系统的优点是：共用性强，可以用一套孔型通过调整轧辊的方法。 轧出几种相邻规格的圆钢；轧件变形均匀；易于去除轧件表面的氧化铁皮。成品 表面质量好。其缺点是：延伸系数较小；不易于使用围盘；立轧孔设计不当时， 轧件容易扭转。这种孔型系统适用于轧制的圆钢。 1.2.2 圆钢成品孔型设计 圆钢成品孔型是轧制圆钢的最后一个孔型，其设计的好坏直接影响到成品的 尺寸精度、轧机调整和孔型寿命。设计圆钢成品孔型时，一般应考虑到使椭圆度 变化最小，并且能充分利用所允许的偏差范围，即能保证调整范围最大。为了减 少过充满和便于调整，圆钢成品孔的形状采用带有扩张角的圆形孔。目前广泛使 用的成品孔构成方法如图所示

成品孔型的基圆半径R为：[d -(0 ~ 1.0)△, ](1.007 ~ 1.02)R=-2式中：d一圆钢的公称直径或称为标准直径，mmA一负公差，mm；1.0071.02一热膨胀系数，其具体数据根据终轧温度和钢种确定。各钢种取为普碳钢碳素工具钢滚珠轴承钢高速钢1.011~1.0151.015~1.0181.018~1.021.007~1.009成品孔型的宽度：b, =[d +(0.5 ~ 1.0)^,J(1.007 ~1.02)式中：△一允许正偏差，mm。d一圆钢的公称直径或称为标准直径，mm;1.007~1.02一热膨胀系数，其具体数据根据终轧温度和钢种确定。各钢种取为同上。成品孔型的扩张角：0=20°~30，常用0=30%。成品孔型扩张半径应按如下步骤确定，即先确定出侧角p，其值为P= tan-1 b_-2Rcos@2Rsin0-s当按上式求出的p值小于θ时，才能求扩张半径R若按上式求出的p值为P=时，则只能在孔型的两侧用切线扩张；若p>θ时，有两种调整方法：1)调整b,R、S值，使p<。当p<θ时，则可按下式确定R：2Rsin0-SR'=4cos p(- p)2）调整，使p=0，并用切线扩张这时

成品孔型的基圆半径 R 为： 1 [ (0 ~1.0) ](1.007 ~1.02) 2 R d = − − 式中 ： mm — d −  —圆钢的公称直径或称为标准直径，mm; —负公差， ； 1.007 1.02 热膨胀系数，其具体数据根据终轧温度和钢种确定。各钢种取为： 普碳钢 碳素工具钢 滚珠轴承钢 高速钢 1.011~1.015 1.015~1.018 1.018~1.02 1.007~1.009 成品孔型的宽度： — [ (0.5 ~1.0) ](1.007 ~1.02) mm k d b d + + = +   —圆钢的公称直径或称为标准直径，mm; 1.007 1.02 热膨胀系数，其具体数据根据终轧温度和钢种确定。各钢种取为同上。 式中： —允许正偏差， 。 成品孔型的扩张角：   = = 20 ~ 30 30 ，常用 。 成品孔型扩张半径应按如下步骤确定，即先确定出侧角  ，其值为: 1 2 cos tan 2 sin k b R R s    − − = − 当按上式求出的  值小于  时，才能求扩张半径 R ' .若按上式求出的  值为  = 时，则只能在孔型的两侧用切线扩张;若   时，有两种调整方法：1） 调整 k b R S 、 、 值，使   。当   时，则可按下式确定 R : 2 sin 4cos ( ) R S R     −  = − 2）调整  ，使  = ，并用切线扩张这时

S(4-4)= arctan 2RR(4-5)arccosα=arccosOBNB+ s?则2RS(4-6)+arctan9=α+Y=arccosB.NB+s辊缝s可根据所轧圆钢直径d按下表1-1选取，外圆角半径r=0.5~1mm表1-1圆钢成品孔辊缝S与d的关系d,mm6~910~1920~2830~7070~200S,mm1~1.52~33~44~81.5~2高度设计有两种方法：1）标准尺寸设计：h，=（1.007~1.02)d2）部分负公差或负公差设计：h=[d-(0~1)A_J(1.007~1.02)高速线材轧机，由于成品正负偏差范围很小，成品圆孔通常用切线扩张，扩张角取值范围如下：891214成品直径/mm5.56.571025303025 20202020扩张角（）

辊缝 S 可根据所轧圆钢直径 d 按下表 1-1 选取，外圆角半径 r mm = 0.5 ~1 表 1-1 圆钢成品孔辊缝 S 与 d 的关系 d ,mm 6~9 10~19 20~28 30~70 70~200 S ,mm 1~1.5 1.5~2 2~3 3~4 4~8 高度设计有两种方法： 1）标准尺寸设计： (1.007 ~1.02) k h d = 2）部分负公差或负公差设计： [ (0 ~ 1) ](1.007 ~ 1.02) k h d = − − 高速线材轧机，由于成品正负偏差范围很小，成品圆孔通常 用切线扩张，扩张角取值范围如下: 成品直径/mm 5.5 6.5 7 8 9 10 12 14 扩张角  /( ) 30 30 25 25 20 20 20 20

这时，B,=2R/cos0-S·tan01.2.3圆钢成品前孔（K2）的构成圆钢成品前孔为椭圆孔，利用绝对宽展系数法：孔型宽度：b,=A+β-h 或 b,=A(I+β)-dβ,(I+β)1- β,β2A-K3孔的方坏或圆坏直径；β,-椭圆孔型的绝对宽展系数；见下表β,-成品孔的绝对宽展系数；见下表Ah-椭圆孔型K2的压下量。孔型成品孔椭圆孔圆孔β0.3~0.50.8~1.20.4~0.5孔型高度：h=d-β,Ah或 h=d-β(b-d)d-成品直径；Ah一成品孔压下量。辊缝值可按成品孔型取（表1-1）经验公式法b, =(1.45~1.8)dhe=(0.77~0.88)d1.2.4圆钢成品再前孔（K3）的构成D,=(1.15~1.28)d基圆直径：bk =(1.15 ~ 1.28)D,孔型宽度：辊缝值可按成品孔型取（表1-1）

这时， 2 / cos tan B R S k = −    1.2.3 圆钢成品前孔（K2）的构成 圆钢成品前孔为椭圆孔，利用绝对宽展系数法： 孔型宽度： 2 2 1 2 2 1 2 (1 ) (1 ) 1 k k A d b A h b       + − + = +  = − 或 2 1 2 3 K2 A K h   − − −  − 孔的方坯或圆坯直径； 椭圆孔型的绝对宽展系数；见下表 成品孔的绝对宽展系数；见下表 椭圆孔型 的压下量。 孔型 成品孔 椭圆孔 圆孔  0.3~0.5 0.8~1.2 0.4~0.5 孔型高度： 1 1 1 1 k k k h d h h d b d d h = −  = −   −  − 或 （ - ） 成品直径； 成品孔压下量。 辊缝值可按成品孔型取（表 1-1） 经验公式法： (1.45 ~1.8) (0.77 ~ 0.88) k k b d h d = = 1.2.4 圆钢成品再前孔（K3）的构成 基圆直径： 3 D d = (1.15 ~ 1.28) 孔型宽度： 3 3 (1.15 ~ 1.28) k b D = 辊缝值可按成品孔型取（表 1-1）

到目前为止，其他精轧孔型都是根据经验数据确定的，此时确定的是孔型尺寸，而不是轧件尺寸，这一点与延伸孔型设计不同。为了可靠，在确定各精轧孔型之后，可以利用延伸孔型系统一章中介绍的三种计算金属变形的方法，当然也可以利用其他方法，验算轧件在孔型中的充满程度。当孔型充满程度不合适时，应修改孔型尺寸。1.2.5圆钢孔型设计实例例某Φ400/Φ250×5小型轧钢车间分别由两台交流电机传动，成品机架速度为6.5m/s。试设计轧制20mm圆钢的精轧孔型。解在?250轧机上轧制20mm圆钢可采用方一椭圆一圆孔型系统统，也可以采用圆一椭圆一圆孔型系统，考虑到变形均匀、使用围盘，确定采用圆-一椭圆-一圆升型系统。按国家标准（B702一86，20mm圆钢的允许偏差3组为士0.5mm，则成品孔型的尺寸（图4~7）为：B=(d ± (0. 5 ~1.0),J× (1.007~1.02)=(20+0.7×0.51×1.011=20.6mmhk=- [d--(O--1.0)31X(1.007~1.02)(20-0.9× 0.5)×1.011- 19.8mm取s=2mm0=30°B-2Rcos0则p=aretan2Raing20.6--19.8c0s30°arctan19.8sin30°-223.6°因为，故可求出R为2Rsin0R'=24cos/sin(o--p)19.8sin30°-=4cos23.6%min(30--23.69)=19.3mm参照表4-3确定成品前摘圆孔型尺寸为：h=0.80~0.83)d-0.80×20-16mmB.-(1.34~1.64)d-1.6×20=32mm取辑缝：=3mm.则随圆-半径R为：(hs)+13R-4(hk- s)-（16元3±324(16-3)=23mm

到目前为止，其他精轧孔型都是根据经验数据确定的，此时确定的是孔型尺 寸，而不是轧件尺寸，这一点与延伸孔型设计不同。为了可靠，在确定各精轧孔 型之后，可以利用延伸孔型系统一章中介绍的三种计算金属变形的方法，当然也 可以利用其他方法，验算轧件在孔型中的充满程度。当孔型充满程度不合适时， 应修改孔型尺寸。 1.2.5 圆钢孔型设计实例 例 某   400 / 250 5  小型轧钢车间分别由两台交流电机传动，成品机架速 度为 6.5m/s。试设计轧制 20mm 圆钢的精轧孔型。 解 在 250 轧机上轧制 20mm 圆钢可采用方—椭圆—圆孔型系统

楠圆前圆孔型的基圆直径刀为：D-hh=-(1.211.26)d-1.25×20-25mm其他尺寸的确定与成品孔类同。按设计尺十画出各个孔型如图4-11所示。h验算精轧孔型的充满情况。表4-5给出了各精轧孔型宽展系数的取值范围，由制原理的知识可知，在-般情况下，当成品圆钢直径大时，宽展系数取下限，反之则相反。本例是设计20mm圆钢，则宽展系数应取偏小值，取椭圆孔型中的宽展系数3一0.7，成品孔型中的宽展系数3,=0.35。椭圆轧件的尺寸为：h-16mm6=25+(25~16)X0.7=31.3mm成品孔型中轧件的尺寸为：h = 19.8mmh=16+(31.3~19.8)×0.35=20mm计算结果表明，椭圆孔型的充满程度为31.3/32=0.98，充满程度太大。取椭圆孔型的充满程度为0.9，则椭圆孔型的B31.3/0.9=34.8mm，再依h=16mm，B，=34.8mm，计算椭圆圆弧半径R=(16-3)*+34.8=26.54.4(16-3)