小型四辊板材冷轧机设计

小型四辊板材冷轧机设计 作者姓名： 指导教师： 单位名称：机械工程与自动化专业名称： 东北大学毕业设计（论文） 摘要 Design of a small four roller plate cold rolling machine 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：小型四辊板材冷轧机设计基本内容：1、轧机原理分析；2、辊系结构设计；3、压下结构设计；4、机架结构设计；5、编写设计书明书；6、外文科技文翻译。毕业设计（论文）专题部分：题目： 基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第1周指导教师签字：年月日I东北大学毕业设计（论文） 摘要 小型四辊板材冷轧机设计摘 要 近年来，随着冷轧带钢生产技术的的发展以及社会对冷轧带钢需求量的迅速增加，对轧机的性能提出了更高的要求，并且推动了轧机的改进与发展。 通过对小型四辊板材冷轧机功能理解，熟悉其工作原理及基本机械构造；基于其使用要求和使用环境，设计出可行的整体布局方案，从中选择出合理且经济性较好的方案；根据设计方案，明确主要设计参数，对其进行设计计算；对主要部件进行强度分析；绘制二维总装配图，部分零件图。设计的175450450轧钢机采用原料厚度小于2.75毫米，宽度小于200毫米的薄板，具有生产出厚度大于1.2毫米，最大宽度为300毫米薄钢板(Q235)的能力；以及对轧钢机部分功能以及结构方面进行改进，使其能够高效、平稳、精确的生产。设计主要内容包括：（1）轧机整体方案设计；（2）轧机传动系统设计；（3）轧机辊系设计；（4）轧机辊系调整及压下机构设计；（5）轧机机架的结构设计；（6）绘制装配图和零件图。 该设计在前人成果与经验的基础上，对现有相关知识进行分析、比较、筛选、提取加工，同时注入自己的新思想与新方法，优化整合设计。关键词：冷轧机，辊系，压下机构，机架II东北大学毕业设计（论文） Abstract Design of a small four roller plate cold rolling machineAbstract In recent years, with the development of cold-rolled strip steel production technology and the society of the rapid increase in demand for cold rolled steel strip, put forward higher requirements on the performance of the mill, and promote the improvement and development of rolling mill. Through to the small sheet four-roll cold mill function understanding, familiar with its working principle and basic mechanical structure;Based on the requirements of the use and the use of the environment, design a feasible overall layout plan, select a reasonable and economical good plan;According to the design, the main design parameters, design calculation for its;Strength analysis for main components;Draw 2 d general assembly drawing, parts drawing.Design of 175/450 x 450 rolling mill adopting raw material thickness less than 2.75 mm, width of less than 200 mm sheet, has produced more than 1.2 mm thick, maximum width of 450 mm steel sheet (Q235);Well as part of the function and structure of rolling mill was improved, so it can high efficiency, stable and precise production.Design main content includes: (1) the mill overall scheme design;(2) the rolling mill drive system design;(3) mill roll system design;(4) mill roll system adjust parts design;(5) of the mill housing structure design;(6) to draw assembly drawings and detail drawings. The design on the basis of predecessors achievements and experience, the analysis and comparison are made on the existing knowledge, screening, extracting and processing, at the same time into their new ideas and new methods, to optimize the design of the integration.Key words：Cold rolling mill, the roll system, screwdown, frameIII东北大学毕业设计（论文） 目录 目 录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1课题的背景和意义11.2国内外研究进展、现状和发展趋势11.3冷轧机的类型、特点及工作原理2 1.3.1轧机的类型2 1.3.2冷带轧机各类的特点及工作原理31.4冷轧带钢的生产工艺4 1.4.1冷轧中采用张力轧制4 1.4.2冷轧中产生加工硬化现象4 1.4.3冷轧中采用工艺冷却4 1.4.4冷轧中的工艺润滑51.5冷轧带钢中存在的问题与改善措施51.6论文主要研究内容6第2章 轧机的总体设计72.1轧机的组成72.2轧机的工作原理82.3轧机的工作制度8 2.3.1可逆式工作制度8 2.3.2不可逆工作制度82.4主传动形式92.5设计方案的确定9IV第3章 轧制力的设计103.1 原始数据103.2 轧制力主要参数的确定10 3.2.1 轧制道次的计算10 3.2.2 咬入条件的校验12 3.2.3 轧制力的计算133.3轧制力矩的计算173.4工作辊传动的四辊轧制机轧辊的稳定性203.5轧制主电动机功率的确定与选择20 3.5.1电动机与轧辊间的传动比20 3.5.2轧制主电动机力矩21第4章 轧辊系统的设计224.1轧辊的基本尺寸及校核22 4.1.1轧辊的类型与结构22 4.1.2轧辊的尺寸参数22 4.1.3轧辊的材料及辊面硬度23 4.1.4轧辊的强度校核234.2轧辊轴承的选择及校核26 4.2.1 轧辊轴承的类型与特点27 4.2.2 轧辊轴承的工作特点27 4.2.3 轧辊轴承的选择27 4.2.4轧辊轴承的校核27第5章 压下系统的设计295.1电动压下装置的设计计算29 5.1.1压下速度29 5.1.2压下螺丝的设计计算30 5.1.3压下螺母的设计计算31V5.2压下螺丝的传动力矩和压下电机功率315.3上轧辊平衡装置33第6章 机架的设计计算356.1机架的类型356.2机架的主要结构参数366.3机架的材料和许用应力376.4机架强度计算38第7章 总结42参考文献43致谢44附录45VI东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题的背景和意义 轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。利用轧制方法生产钢材，具有生产效率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。因此，它比锻造、挤压、拉拔等工艺得到了更广泛地使用。目前，约有90%的钢材都是经过轧制成材的。有色金属成材，主要也用轧制方法。 为满足国民经济各部门的需要，除轧制一般产品外，还生产建筑、造船、汽车、石油化工、矿山、国防用的专用钢材。板带材应用范围最广，工业先进国家钢板产量占钢产量的50%至60%。板带材按制造方法可分为热轧板带和冷轧板带。随着汽车的制造、食品罐头、容器包装、房屋建设、机械制造和船舶工业的迅速发展以及家用电器和各种日常生活的需求量成倍增长，对冷轧带钢的需求量也迅速增加。当前，大力发展冷轧带钢的生产，逐渐提高冷轧带钢在轧钢产品中的比重，迅速提高冷轧带钢的质量，不断增加冷轧带钢的产品，满足各个工业部门的，特别是与人民生活密切相关的，轻纺织工业和日用电器，生活用具等。以及外贸出口对冷轧带钢急剧增加的需要，是重型机械制造和钢铁生产部门面临的一项重要而有十分紧迫的任务。1.2 国内外研究进展、现状和发展趋势 20年代，随着二辊可逆轧机的出现，轧制效率大大提高。四辊可逆轧机出现于30年代。60年代末，随着二次冷轧机和箔材轧机，平整轧机光整轧机的出现，使冷轧的可轧厚度大大减少，目前，最小可达0.001mm。冷轧带钢生产始于1660年，在国民经济中占有十分重要的地位。 起初冷轧带钢是在二辊轧机上进行的。自此以后，无论是国内还是国外，冷轧都得到广泛应用，轧辊轴颈和轴承的改进也促进了冷轧机的应用。板带冷轧钢的发展，只是在近代随着技术的进步，才真正得到了推动。冷轧钢板及带钢今年来得到较大的发展。冷连轧机末架出口速度可达2541.7m/s。为了提高产量，冷卷卷重已达60t，一套冷连轧机年产量可达250万t【1】。 由于冷轧带钢厚度公差要求高，为增加轧机压下装置的响应速度，在冷轧机上采用了全液压压下装置及厚度自动控制装置。因此，在带钢冷连轧机上，广泛地采用液压弯辊装置或抽动工作辊装置来改善板形。对于高速、高产量的带钢冷连轧机，实现了计算机控制。 自1979年开始，出现了全连续冷连轧机这种轧机只需第一次引料穿带后，就可实现连续轧制，后续带的头部通过焊接机与前一带卷尾部焊在一起，轧成后用飞剪机分卷，并有两台卷取机交替卷曲带钢。全连续冷轧轧机即使在换辊时，带钢依然停留在轧机内，换辊后可立即进行轧制。连续铸钢技术的迅速发展，连铸比将达到80%或更高。这样，初轧机将不会有更大的发展，只能起到配合和补充连铸生产的作用，许多初轧厂都面临改造的任务。 进些年来冷轧带钢生产技术及设备又有新的发展：（1）板形控制技术。冷连轧及普遍应用了液压弯辊技术，设置板形仪及灵敏的液压系统，改善工艺冷润技术，特别是研制出一批有效控制板形的新轧机，如HC轧机、CVC轧机、UC轧机等。（2）连续退火、全氢罩式退火技术的应用及多种涂镀生产技术的迅速发展，出现了许多新的生产线及新的设备，使轧钢机械在这些领域得到发展。（3）酸洗冷轧联合机组。这种机组改变了传统冷轧生产将酸洗和轧钢两个工序分开的方式，而联合为一个机组。这样可提高酸洗、冷轧工序的成材率1%3%，提高机时产量30%50%，减少中间仓库500010000，降低投资及生产成本等优点。（4）带钢连铸连轧工艺。带钢连铸机浇铸出的钢坯须经热轧或稍经热轧即可进入冷轧机生产冷轧带钢，使这一工艺在今后经进一步完善和推广。 HC轧机是板带轧机改造和新建的主选优良机型，可提供具有优良板形 的高精度板带满足工业领域对高精度的要求。HC轧机正逐步代替具有100多年历史的普通四辊轧机【2】。1.3 冷轧机的类型、特点及工作原理1.3.1 轧机的类型 轧钢机构造可以轧辊数目及其在机座中位置为特征进行分类为：二辊式轧机、三辊式轧机、三辊劳特式轧机、复二辊式轧机、四辊式轧机等。轧钢机按布置分类可分为单机座式、横一列式、连续式等。连轧机生产效率高，轧制速度快，但产品单一，变动不大时，最能发挥其优越性。其类型如图所示：图1.1 轧辊类型图1.3.2 冷带轧机各类的特点及工作原理 由于轧辊的辊数不同，则各类轧机的特点也不同： 1、二辊式轧机：此轧机结构简单，工作可靠，由直流电动机驱动，用于二辊可逆式初轧机，可将钢锭往复轧制成各种矩形坯，也可用于轧制轨梁和中厚板。 2、三辊式轧机：其在同一机座上轧件可两向轧制，而轧机无需反转，由一台交流电动机经减速器和齿轮座驱动数台三辊式轧机，可实现轧件往复多道次轧制。它用于开坯和型钢生产，具有设备简单和投资少的特点。 3、三辊劳特式轧机：此轧机中辊直径较上下辊为小，浮动在上下辊间。轧机由交流马达经减速器和齿轮座驱动轧机上下两辊，中辊靠摩擦力转动，轧件可往复多道次轧制，用于轧制中厚板或薄板开坯。 4、复二辊式轧机：此轧机作用与三辊式相似，但轧辊调整、孔型配置较方便，用于横列式中小型轧机。 5、四辊式轧机：是带钢冷轧机中最通用的机组，这种轧机采用闭口式机架，两个牌坊有横梁或其它轧机连接形成一个刚体，通常采用工作辊驱动，但是近来趋向于支承辊驱动。相比于二辊提高了轧制力，轧制刚度。 6、多辊式轧机：为适应冷轧板带产品尺寸向高精度和大的宽厚比方向发展需要，出现了六辊、十二辊和二十辊轧机。另外，为提高轧机刚度，简化轧机结构，又出现了各种类型多辊式轧机。1.4 冷轧带钢的生产工艺 冷轧带钢的生产工艺主要体现在以下四点：1.4.1冷轧中采用张力轧制 张力轧制是冷轧的一大特点。所谓“张力轧制”，就是轧件在轧辊中的辗轧变形是有一定的前张力与后张力作用下实现的。张力的主要作用有以下几个方面：（1）防止带钢在轧制过程中跑偏（即保证正确对中轧制）；（2）降低轧件的变形抗力，便于轧制更薄的产品；（3）适当调整冷轧机主电机负荷的作用；（4）使所轧带钢保持平直（包括在轧制过程中的保持板形平直以及轧后板形良好）。 防止轧件跑偏是冷轧操作中关系到能否实现轧制的一个重要问题。跑偏将破坏正常板型，引起操作事故甚至设备事故，若不很好加以控制，将不能保证冷轧的正常进行。通过改变卷取机，开卷机及轧机主电机的转速以及各架压下可以使轧制力，张力在较大的范围内变动。借助准确可靠的测试仪，并使之与自动控制系统结成闭环，可以按要求实现恒张力控制，配备这种张力闭环控制系统是现代冷轧机的起码要求。1.4.2冷轧中产生加工硬化现象 在冷轧中，冷轧是在金属再结晶温度以下进行的轧制，金属的晶粒被破碎且不能产生再结晶回复，导致金属产生加工硬化。由于加工硬化，使金属变形抗力增大，轧制压力升高，金属的塑性降低，容易产生脆断。当钢种一定时，加工硬化程度与冷轧的变形程度有关，变形程度愈大，加工硬化愈严重。加工硬化超过一定程度后，因金属过于硬脆而不能继续轧制。因此板带经一定的冷轧总变形量之后，须经热处理（再结晶退火或固溶处理），恢复塑性，降低变形抗力，以利于继续轧制。在冷轧生产过程中，每次软化退火之前完成的冷轧工作称为一个“轧程”，在一定的条件下，钢质愈硬，成品愈薄，所需之轧程愈多。1.4.3 冷轧中采用工艺冷却 冷轧过程中变形热与摩擦热使轧件和轧辊温度升高，故需要采用有效的人工冷却。轧制速度越高，冷却问题显得尤为重要。如何合理的强化冷却过程的冷却已成为发展现代冷轧机的重要的研究课题。 冷却液简单地喷浇在轧辊和轧件上，与高压冷却液雾化，冷却效果大大不同，实际资料表明，即使在采用有效的工艺冷却的条件下，冷轧板卷在卸卷后的温度优势仍达130，甚至还要高，由此可见在轧制变形区的料温一定比这还要高，辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度的下降，并有可能促使淬火层内发生组织分解，使辊面出现附加的组织应力。 此外，从其对冷轧过程本身的影响来看，辊温的反常现象以及辊温分布规律的反常或突变均导致正常辊面条件的破坏，直接有害于板形与轧制精度。同时，辊面过高也会使冷轧工艺润滑剂失效（油膜破裂），使冷轧不能顺利进行。因此，为了保证冷轧的正常生产，对轧辊和轧件必须应采取有效的冷却和控温措施。1.4.4 冷轧中的工艺润滑 生产实践与实验表明，采用天然油脂作为冷轧的工艺润滑剂在润滑效果上优于矿物油，这是由于天然油脂与矿物油在分子的结构上与特性上有质的差别所致。 冷轧采用工艺润滑的主要作用是减少金属的变形抗力这不但有助于保证已有的设备能力条件下实现更大的压力，而且还可使轧机能够经济上可行的地生产厚度更小的产品。此外，采用有效的工艺润滑也直接对冷轧过程的发热率以及轧辊的温度起到了良好的影响，在轧制某些产品时采用的工艺润滑还可以防止金属粘辊的作用。 现在，可以通过乳化剂的作用把少量油于大量水混合起来制成乳状润液。可以较好的解决油的循环使用问题【4】。1.5 冷轧带钢中存在的问题与改善措施 随着工业技术的发展，对冷轧带钢质量的要求越来越高，特别是带材的尺寸精度已成为重要的质量指标之一。推动现代冷轧板带轧机发展的主要动力是板带的两大质量问题，即带钢厚度精度和带钢的板形。 带钢厚度精度，20世纪50年代开发出弹跳方程，即将轧机的弹性变形及带钢的塑性变形联系在一起，从此找到了提高板厚精度的途径。随着自动化技术的发展，厚度自动控制技术(AGC技术)日益完善。AGC的执行机构：液压压下(或压上)系统的位置控制精度及响应速度由于各设备制造者不断努力，压下系统的精度保证值达1 m，响应速度为20 ms。近年来，激光测速广泛地用于连轧机的流量控制，使连轧机的AGC精度又进一步提高。 带钢的板形。随着汽车和家电工业的发展对板形要求愈来愈高，世界各设备制造商为了改善和控制板形其主要对策是发明各种各样的轧机，故当今板带轧机的结构越来越复杂。目前常用的冷轧轧机已形成两大主流，东方以日立为代表的HC系列；西方以西马克代表的CVC系列。为了控制板形，各类轧机都采用了工作辊的正负弯曲，但是对宽带钢而言(LD 4)，弯辊力就不能影响到带钢中部。同时，支持辊的作用在两端形成有害接触区，基于这种思想，出现了将支持辊端部车成台阶消除有害区，以至更进一步发明了有中间支持辊、并可以移动的HC轧机(7O年代初)。HC轧机的中间辊可根据板宽的不同将中间支持辊移动到板宽的边缘，这样不仅可消除有害区，同时也提高了工作辊弯曲的效果及辊缝的横向刚度。减少边部减薄，加之6辊轧机工作辊直径相对较小，因此可轧得较薄；相同的轧制力可得到较大的压下量，这样可减少轧制道次，提高产量。如果中间支持辊增加了弯曲，除具有上述HC轧机的优点外，对提高高次方板形缺陷调控能力大大加强【5】。 纵观以上冷轧中的问题，应该在以下几个方面进行改善提高： （1）采用先进技术，加速改造现有旧轧机。 （2）装备轧机的自动检测和控制设施，提高板卷质量。不管新建还是改造，或引进国外二手设备，首先要配AGC装置，有AGC才能保证带钢的纵向厚度精度，在这个基础上来改善板形，提高带锕平直度和提高带材尺寸精度是十分有效的。 （3）改革酸洗系统，例采用先进的卧式全连续或半连续盐酸酸洗系统。 （4）冷轧各工序带钢跑偏自动控制。在冷轧带型各机组上为了不使带钢偏离机组中心运行，可根据各机组的具体情况，设有较正带钢跑偏的自动控制系统 （5）在改革冷轧各工序机组工艺和设备的基础上，加强生产和管理的现代化，推行生产管理制度，质量管理制度和标准化操作，从而有效地提高老轧机的综合水平。 （6）淘汰单机架不可逆冷轧机。我国对于制作四辊可逆冷轧机积累了一定经验，应积极研制新型冷轧机组。1.6 论文主要研究内容 本次设计对象是175450450四辊板材冷轧机，主要设计内容包括以下方面：（1）轧机整体方案设计；（2）轧机传动系统设计；（3）轧机辊系设计；（4）轧机辊系调整及压下机构设计；（5）轧机机架的结构设计；（6）对部分结构进行强度校核。- 65 -东北大学毕业设计（论文） 第2章 轧机的总体设计 第2章 轧机的总体设计2.1轧机的组成 轧机是实现金属轧制过程的设备，泛指完成轧材生产全过程的装备包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。 轧机的主要设备有工作机座和传动装置。图2.1 轧机示意图 工作机座由轧辊轧辊轴承上轧辊平衡装置、压下装置机架轨座等组成。 轧辊是使金属塑性变形的部件轧辊轴承支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。轧辊轴承工作负荷重而变化大因此要求轴承摩擦系数小具有足够的强度和刚度而且要便于更换轧辊。 轧辊调整装置用于调整辊缝使轧件达到所要求的断面尺寸。上辊调整装置也称“压下装置”有手动电动和液压三种。手动压下装置多用在型材轧机和小的轧机上。电动压下装置包括电动机减速机制动器压下螺丝压下螺母压下位置指示器球面垫块和测压仪等部件它的传动效率低运动部分的转动惯性大反应速度慢调整精度低。液压压下装置具有板材厚度偏差小和产品合格率高等优点。上轧辊平衡装置用于抬升上辊和防止轧件进出轧辊时受冲击的装置。形式有弹簧式多用在型材轧机上重锤式常用在轧辊移动量大的初轧机上液压式多用在四辊板带轧机上。 轧机机架由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置需有足够的强度和钢度承受轧制力。 轧机轨座用于安装机架并固定在地基上又称地脚板。承受工作机座的重力和倾翻力矩同时确保工作机座安装尺寸的精度。传动装置由电动机减速机齿轮座、联轴器连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到两个或几个轧辊上。2.2 轧机的工作原理 主电机通过联轴器带动减速机高速轴,减速后由低速轴通过齿轮联轴器与人字齿轮机座输入端相联，输出端通过万向节轴带动上下工作辊使其产生线速度相等、旋转方向相反的轧制运动。 轧件通过相对旋转的轧辊产生塑性变形。 工作辊包含有旋转和移动两种运动。前者靠摩擦力进行轧制运动，由轧机主传动实现；后者用来调节压下量，控制轧件的变形程度，由轧机压下装置实现。压下装置共两组，安装在机架上面，经左、右各一台压下电机及两级蜗轮、蜗杆副减速后传递给压下螺杆，压下螺杆由压下螺母固定在每片机架的窗口中间，调整两工作辊之间的距离以保持正确的辊缝开度、给定压下量、调整两工作辊的平行度。2.3 轧机的工作制度 对于单机座轧机，有可逆式和不可逆的工作制度。2.3.1可逆式工作制度 可逆式工作制度是当一道轧完之后，为了能在原来的轧辊间进行下一道轧制，将轧辊反转，这样轧件便在轧辊间反复进行轧制。在这种工作制度下，轧件的咬入和抛出也是在降低扎辊转速的情况下进行的。 目前，对单机座小型冷带轧机，采用可逆式有很多有优点，它能大大提高生产效率，以减少板带钢的吊运与安装。2.3.2不可逆式工作制度 不可逆式的工作制度应用最广，在这种工作制度下，每个轧辊的旋转方向不变，而轧辊的转速则有不变与可变的两种。根据轧制速度来分析，不可逆式工作制度在实际生产操作中有以下几种运转方式：（1）几乎保持严格不变的轧制速度；（2）轧件通过时，轧制速度稍微降低；（3）仅在轧机调整时才调节速度；（4）在轧件通过时，在较大范围内调节轧制速度。2.4 主传动形式 目前，小型四辊冷轧机的主转动方式有三种：传动工作、辊传动支撑辊、单辊传动。电机通过减速器与齿轮座来直接传递工作辊，这种形式对于轧制过程比较有利，但是对于较小的轧机，它又受到工作辊辊颈和方向接轴所能传递的扭转力矩的限制，而传递工作辊不能达到要求时，就需传动支撑辊，而传动支承辊是靠摩擦力来传动工作辊的。这样将会碰到关于工作辊力的传递问题，这就是要增大轧辊的传动部件。同时还要考虑轧辊与轧件间的打滑问题。因此，为了解决上述问题，防止出现支承辊断辊、工作辊方头扭断等现象，可采用单辊驱动等措施来解决。由于采用单辊传动，使两个工作辊自然会产生一定的速度差，从而使轧制力有所降低。 本次设计由于轧制力与轧制力矩不是很大，故不需考虑此问题，采用传动工作辊的形式。2.5 设计方案的确定 根据所设计的轧机类型、特点和使用实际情况，经综合比较考虑，本设计采用：可逆工作制度，驱动工作辊，压下装置为电动压下，上辊为弹簧平衡，采用纵向排布。总体布局图如下：1工作机座；2万向接轴；3齿轮机座；4、5联轴器；6减速器；7电动机图2.2 总体布局图东北大学毕业设计（论文） 第3章 轧制力的设计 第3章 轧制力的设计3.1 原始数据 1. 轧制带材Q235； 2. 原材料带宽B=200mm,带厚=2.75mm,成品厚度=1.2mm,轧制规格：2.751.81.41.2； 3. 轧辊直径 175/450mm； 4. 轧制速度 v=1.5m/s。3.2 轧制力主要参数的确定3.2.1 轧制道次的计算 第一道次加工过程中，钢坯厚度由2.75mm被轧制到1.80mm. （1）本道次压下量 =2.75mm1.80mm=0.95mm （2）本道次压下率 =34.55% （3）平均压下率 由于存在加工硬化现象，在计算冷轧薄板平均单位压力时，轧件材料变形阻力（对冷轧亦可称为屈服极限）需按考虑加工硬化后的选用。由于存在加工硬化影响，各道次的变形阻力不仅与本道次变形程度有关，而且还与前面各道次的总变形程度有关。对本道次来说，沿接触弧也是变化的，出口处比入口处要大，计算时一般把变形区作为圆弧（或抛物线）变化来计算平均总变形程度,按此平均总变形程度来选取平均变形阻力。 平均总变形程度计算公式： （3-1） 式中 系数，一般取0.250.4； 系数，一般取0.450.6。 （通常取0.3，0.5。） 本道入口处的总变形程度（从退火状态开始各道次变形程度的积累）， ； （3-2） 本道出口处的总变形程度，； 退火状态坯料原始厚度； 该道次轧制前轧件厚度； 该道次轧制后轧件厚度； （4） 金属材料的屈服极限 冷轧由于存在加工硬化，各道次的屈服极限不同，由图3.1查得低碳钢Q235在平均压下率为 20.7%时的屈服极限=460MPa。 图3.1 冷态下变形阻力曲线（5）无润滑剂时的摩擦系数 在一定的轧制条件下，轧件速度和轧辊圆周速度是不相等的，轧件出口速度比轧辊圆周速度大，轧件入口速度比轧辊圆周速度小，从而产生前滑和后滑现象。摩擦力将阻碍金属的变形，摩擦系数对轧制力影响较大，并且是变化的。为计算方便取为常数，由表3.1查得取【6】表3.1 冷轧低碳钢时的摩擦系数润滑油摩擦系数无润滑剂0.09煤油润滑0.08乳化液0.05 （6）金属材料变形抗力 （3-3） 式中 m板带轧制时取m=1.15。 （7）张应力 张力轧制是冷轧带钢的特点，也可以减小轧制力防止带钢跑偏。 （3-4） 3.2.2 咬入条件的校验 进行轧制时，要经过自然咬入阶段和继续咬入阶段，为了完成正常连续的轧制过程，轧件与轧辊之间需要满足一定的咬入角。只有轧件被轧辊咬入变形区，轧制过程才能建立，可分为两个阶段，即开始咬入阶段和已经咬入阶段。根据经验，冷轧薄带钢是允许咬入角为。由公式 （3-5）得 所以满足开始咬人阶段的要求。由图3.2可知，当轧件被咬入后，若继续咬入，则必须满足条件，由于，所以，这说明了轧件一旦咬入，就会继续咬入，轧制过程能建立起来。图3.2 开始咬入及咬入后作用于轧件上的力3.2.3 轧制力计算 轧件对轧辊的总压力为轧制平均单位与轧件和轧辊接触面积之积，即 （3-6） 接触面积的一般形式为 （3-7） 式中 、轧制前、后轧件的宽度； 接触弧长度的水平投影。 计算接触面积实际是计算接触弧长度。 在不考虑轧辊弹性压扁时，当两个轧辊直径相同时，接触弧长度的水平投影为 式中 轧辊半径； 压下量。 冷轧薄板时，由于单位压力较高，因此轧辊产生局部弹性压缩变形，它将使得接触弧长度有较显著的增加，如图3.3所示。【7】图3.3 轧辊弹性压扁后接触弧变化 （3-8） 式中 考虑压扁时的接触弧长度； 不考虑压扁时的接触弧长度； 压扁系数。 在轧薄板时可简化为 式中 咬入角，。 以第一道次（2.75-1.80）为例，计算步骤如下：【8】 根据M.D.斯通（M.D.Stone）方法求平均单位压力公式如下： （3-9） 式中 平均张应力 考虑轧辊弹性压扁接触弧加长对单位压力的影响系数 ， （3-10） 根据赫奇可克公式 （3-11） （3-12）式中 轧辊半径； 考虑轧辊弹性压扁后的接触弧长度 接触弧长度的水平投影 ； 轧制前后轧件平均高度； 轧辊弹性模数，取； 泊松比，对于钢轧辊取； 常数， （3-13） 对于钢轧辊取。 将代入公式 ，经整理后得： （3-14） 将式代入上式，整理得： （3-15） 因为 ，整理得： ； （3-16） 则可综合写成： （3-17） 代入数值得： （3-18） 根据此式以为右边坐标，为左边坐标，为中间曲线坐标，做成诺谟图如图3.4所示【9】：图3.4 决定压扁后接触弧长度诺谟图 根据此图求得值， 则 （3-19） （3-20） 即不考虑弹性压扁单位压力。 将代入式求得： 将代入式求得： 再将代入计算公式，再求出，又将代入公式求出。 如是反复循环，当，当时，计算结束。 最后算得： 则得出轧制过程总轧制力 （3-21）表3.2 各道次轧制力计算结果 项目道次H(mm)h(mm)h(mm)(%)(%)k(MPa)f(MPa)12.751.800.9534.5520.75290.0946021.801.400.4022.243.255520.0938031.401.200.2014.353.20471.50.09350 项目道次hm(mm)(mm)ZYXML(mm)12.27510.110.140.030.401.23509.5110.14321.606.20.120.030.371.21558.0110.12631.304.40.090.030.3251.182599.7210.1123.3 轧制力矩的计算 工作辊的轧辊的受力情况如下图3.5所示 图3.5 带张力轧制时四辊轧机轧辊受力图 工作辊上的作用力有三个：轧制力，它与力臂组成轧制力矩；工作辊轴承处的摩擦力，它与摩擦圆半径相切；支承辊对工作辊的反力。考虑支承辊轴承处的摩擦及工作辊与支承辊间的滚动摩擦时，支反力的方向应与摩擦圆半径相切，并在工作辊与支承辊接触处偏离一个滚动摩擦力臂的距离，一般情况下mm，取mm。 传动工作辊的四辊冷轧机，传动轧辊所需力矩有轧制力矩，由工作辊轴承中摩擦力矩与工作辊带动支承辊的力矩三部分之和，即。 （1）求轧制力矩 （3-21） 式中 轧制力； 轧制力臂，其大小与轧制力作用点及前后张力大小有关， 时，其中： 工作辊直径； 不考虑张力时轧制力作用点对应的轧辊中心角； 前后张力对轧制方向影响的偏转角。 （3-22） （2）求工作辊传动支承辊的力矩 （3-23） 由于工作辊偏移距的数值（一般为）相对于工作辊与支承辊直径来说很小，在计算传动力矩时，为了简化，可认为，即工作辊不偏移，此时计算结果误差不超过，故可将其忽略不计。 式中 工作辊与支承辊连心线与垂直线夹角，； 轧辊连心线与反力的夹角，其中： 为当量摩擦系数，当两接触面沿整个圆周均匀接触时， 取 为圆柱滚子轴承内径， ； 反力对工作辊的力臂 （3-24） 工作辊直径，； 支承辊直径，； 工作辊轴线相对支承辊轴线的偏移距。 （3）求工作辊轴承的摩擦力矩 （3-25） 式中 工作辊轴承处的反力，当时： 工作辊摩擦圆，； （3-26） （4）传动两个工作辊总传动力矩 （3-27）3.4 工作辊传动的四辊轧机轧辊的稳定性 在轧制过程中，由于四辊轧机工作辊与轴承间以及工作辊轴承座与支承辊轴承座的形框架间存在着间隙，如无固定的侧向力约束，工作辊将处于不稳定状态（不能保持固定的工作位置）。工作辊的这种自由状态会造成轧件厚度不均，轧辊轴承遭受冲击，工作辊和支承辊之间正常摩擦关系将被破坏以及轧辊磨损加剧等不良后果。因此，保持工作辊对于支承辊的稳定位置，对提高轧制精度和改善轧辊不见的工作条件十分重要。 保持工作辊稳定的方法是使工作辊中心相对支承辊中心线有一个偏移。偏移距的大小应使工作辊轴承反力在轧制过程中恒大于零且力的作用方向不变。根据工作辊力的平衡条件，正向轧制时，工作辊临界偏移距 （3-28） 单向带张力轧制时，工作辊应向出口方向偏移，可取 （3-29）3.5 轧制主电动机功率的确定与选择 3.5.1 电动机与轧辊间的传动比 轧制速度m/s 工作辊转速 (r/s)=301.8(r/min) （3-30） 初选电动机转速为1500r/min 工作辊与电动机传动比 取 （3-31）3.5.2 轧制主电动机力矩 主电动机轴上的输出力矩 （3-32） 主电动机到轧辊之间的传动效率。 从电机到人字齿轮座间，包括电机，联轴器，主轴联结，减速器的传动效率。=0.930.96 取=0.95 人字齿轮座间效率。=0.930.96 取=0.95 万向接轴的效率。 =0.960.98 取=0.97 （3-33） （3-34） 故主电机所需功率为： （3-35） 轧制过程中要求轧机经常调节速度，此时采用直流电动机来驱动。查机械设计手册，选取主电机型号Z4-250-31,额度功率,额度转速1500r/min。东北大学毕业设计（论文） 第4章 轧辊系统的设计 第4章 轧辊系统的设计4.1 轧辊的基本尺寸及校核4.1.1 轧辊的类型及结构 轧辊按照轧机类型可分为板轧机轧辊和型钢轧机轧辊两大类。板轧机轧辊的辊身呈圆柱形，冷轧板轧辊的辊身微凸，当它受力弯曲时，可保证良好板型。 轧辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成。辊颈安装在轴承中，并通过轴承座和压下装置把轧制力传给机架。轴头和联接轴相连，传递轧制扭矩。轴头有三种主要形式：万向轴头、梅花轴头、带键槽的或圆柱形轴头。考虑到本设计轧机受力相对较小，且为加工方便，采用万向轴头。4.1.2 轧辊的尺寸参数 轧辊的基本尺寸参数是：轧辊名义直径，辊颈直径，辊身长度和辊颈长度。冷轧板带轧机中L/ D1 =2.33.5， L/ D2 = 0.81.8， D1 / D2 =1.93.3 （1）轧辊名义直径和辊身长度。 轧辊名义直径：工作辊D1=175mm；支承辊D2=450mm 工作辊辊身长度和支承辊辊身长度相同取。 （2）轧辊的重车率 轧辊从开始使用直到报废，其全部重车辆与轧辊名义直径的百分比称为重车率。在轧制过程中，轧辊辊面因工作磨损，需不止一次地重车或重磨。轧辊工作表面的每次重车量为，重本尺磨量为，轧辊直径减小到一定程度后即不能再使用。一般冷轧机工作辊重车率为36%，支承辊可达10%。本轧机工作辊重磨量为，重车量为，支承辊重磨量为，重车量为。 （3）轧辊辊颈尺寸和辊颈长度。 轧辊辊颈尺寸和辊颈长度与轧辊轴承型式及工作载荷有关。由于受轧辊轴承径向尺寸的限制，辊颈直径比辊身直径小的很多。因此辊颈与辊身过渡处往往是轧辊强度最差的地方。只要条件允许，辊颈直径与辊身的过渡圆角均应选大些。 此设计轧辊轴承使用滚动轴承，由于轴承外径较大，辊颈尺寸不能过大，一般取。 （4-1） 对于工作辊：=87.596.25mm （4-2） 实际设计时，考虑轴承的装置问题，取d1=90mm,l1=176mm 对于支承辊：=225247.5mm （4-3） 考虑到实际设计，d2可取大些，取d2=280mm,l2=377mm。4.1.3 轧辊的材料及辊面硬度 工作辊和支承辊的材料均选用，冷轧带钢轧机支承辊面硬度，工作辊面硬度，辊颈。4.1.4 轧辊的强度校核 轧辊承受轧制力并直接接触轧件，轧辊的破坏决定于各种应力（其中包括弯曲应力、扭转应力、接触应力，由于温度分布不均或交替变化引起的温度应力以及轧辊制造过程中形成的残余应力等）的综合影响。具体来说，轧辊的破坏可能由下列三方面原因造成：1）轧辊的形状设计不合理或设计强度不够。2）轧辊的材质、热处理或加工工艺不合要求等。3）轧辊在生产过程中使用不合理。冷轧时的事故粘附也会导致热裂甚至表层剥落；在冬季新换上的冷辊突然进行高负荷热轧或者冷轧机停车，轧热的轧辊骤然冷却，往往会因温度应力过大，导致轧辊表层剥落甚至断辊；压下量过大或因工艺过程安排不合理造成过负荷轧制也会造成轧辊破坏等。 在设计轧机时，通常是按工艺给定的轧制负荷和轧辊参数对轧辊进行强度校核。由于对影响轧辊强度的各种因素（如温度应力、残余应力、冲击载荷值等）很难准确计算，为此，设计时对轧机的弯曲和扭转一般不进行疲劳校核，而是将这些因素的影响纳入轧辊的安全系数中（为了保护轧机其他重要部件，轧辊的安全系数是轧机各部件中最小的）。为防止四辊轧机板带轧机轧辊辊面剥落，对工作辊和支承辊之间的接触应力应该做疲劳校验。 （1）支承辊强度校核 轧制时的弯曲力矩绝大部分由支承辊承担，对支承辊只需计算辊身中部和辊劲断面的弯曲应力。支承辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见图4.2。图4.2 四辊轧机支承辊计算简图 在辊颈的断面和断面上弯曲应力应满足强度条件，即 （4-4） 式中 总轧制； 、和断面的直径，d1-1=280mm，d2-2=450mm、和断面至支反力处的距离，C1=140mm，C2=225mm 许用弯曲应力，对于合金锻钢轧辊，当强度极限时，。 对于断面：