金屬壓力加工車間設(shè)計06 工藝計算與金屬平衡

01二月2023第六章工藝計算與金屬平衡授課教師：彭良貴壓力加工車間設(shè)計課程01二月2023第6章工藝計算與金屬平衡

6.1軋制、擠壓、拉拔工藝計算

6.2

編制生產(chǎn)工藝流程定額卡

6.3

編制金屬平衡表

本章主要內(nèi)容：原料成品01二月20236.1工藝計算工藝計算的目的：產(chǎn)品方案生產(chǎn)方案生產(chǎn)工藝流程主要設(shè)備輔助設(shè)備輔助設(shè)備

設(shè)備校核、優(yōu)化選型

確定產(chǎn)品的具體工藝規(guī)程和工藝參數(shù)

制訂各種消耗定額

工藝規(guī)程指加工件材質(zhì)、尺寸、形狀及各加工道次被加工件的形狀、尺寸變化等；

工藝參數(shù)是指力、溫度、速度及表面介質(zhì)等條件。01二月20236.1.1軋制工藝計算軋制規(guī)程的核心是變形規(guī)程（壓下規(guī)程或壓下制度），其制訂過程必然離不開溫度制度、速度制度、張力制度和輥型制度的確定，這些參數(shù)的選擇，應符合實際，可根據(jù)同類工廠的實際情況加以確定，并作必要的計算。在此，著重介紹與設(shè)備校核相關(guān)的軋制工藝計算內(nèi)容，以確定設(shè)備選擇是否合適。01二月20236.1

.1軋制工藝計算A、最大咬入角校核

接觸角（α）式中：Δhmax為道次最大壓下量；

Dmin為工作輥最小輥徑；

αy為允許咬入角，熱軋按軋制速度查有關(guān)資料確定。冷軋按潤滑條件確定：

式中:R——工作輥最小半徑，

f——摩擦系數(shù)變形區(qū)基本參數(shù)01二月2023B、熱軋時的溫降計算終軋溫度對軋制過程的穩(wěn)定性及材料微觀組織及力學性能都有深刻的影響，道次間溫降的確定，可采用實測、經(jīng)驗公式與理論公式計算。式中：

K：熱量損失系數(shù)，kJ/(m2.s)（查手冊）Fp：該道次軋件平均散熱面積，m2；t：該道次的散熱時間（軋制時間+間隙時間）Tq，Th：道次前后軋件溫度，℃Cp：軋件比熱，J/(kg.℃)G：軋件重量，kg軋件在該道次的熱量損失（J）：于是，道次溫降(℃)：而：6.1

.1軋制工藝計算01二月20236.1

.1軋制工藝計算C、軋制力計算典型的軋制力計算公式：熱軋中厚板：齋藤公式，西姆斯公式或志田茂公式等

熱軋薄板帶：西姆斯公式或志田茂公式等

冷軋板帶：斯通公式，Bland-Fort公式或Hill公式等

型鋼，鋼管：艾克隆德公式等。軋制力參數(shù)在軋機牌坊設(shè)計、軋制規(guī)程制訂、軋機和軋輥校核、電機選型等方面都有廣泛的應用。計算軋制力：軋制力校核：Pp：接觸面積上的平均單位壓力，MPa；

（可采用理論計算或經(jīng)驗法計算）B：軋件寬度，mm；R：軋輥半徑，mm；Δh：道次絕對壓下量，mm；Py：軋機的最大允許壓力，kN。（由軋輥的強度確定）01二月20236.1

.1軋制工藝計算D、軋輥強度校核（四輥軋機工作輥傳動為例）

支撐輥最大允許壓力Pzy支撐輥輥身的最大彎曲應力σmax：其中：Dz、L、l：分別為支撐輥輥身直徑、輥身長度和輥頸的長度，mmW：支撐輥抗彎模量，mm3Mmax：支撐輥輥身最大彎曲力矩[σy]:支撐輥的最大允許彎曲應力，MPa01二月20236.1

.1軋制工藝計算

支撐輥輥頸最大允許壓力Pzj支撐輥輥頸的最大彎曲應力σmax：其中：dz為支撐輥輥頸直徑，mm01二月20236.1

.1軋制工藝計算工作輥的最大扭曲應力τmax：其中：R、Dg：分別為工作輥輥身半徑和直徑，mmWgj：工作輥輥頸的抗彎模量，mm3Mkmax：工作輥的最大扭曲力矩[τy]:工作輥的最大允許扭曲應力，Mpaμ：摩擦系數(shù)Δhmax：工作輥的最大壓下量

工作輥最大允許壓力Pgy01二月20236.1

.1軋制工藝計算其中：Wgt：工作輥輥頭的抗彎模量，mm3dgt：工作輥輥頭直徑，mm

工作輥輥頭最大允許壓力Pgt01二月20236.1

.1軋制工藝計算E、轉(zhuǎn)矩的計算電機軸上的轉(zhuǎn)矩M：其中：Mj：靜力矩，kN.mMd：動力矩，kN.mMz：軋制力矩，kN.mi：軋輥與電機間的傳動比Mm：摩擦力矩，kN.mMk：空轉(zhuǎn)力矩，kN.m軋制力矩：用于使軋件塑性變形所需之力矩；

摩擦力矩：克服軋制時發(fā)生在軋輥軸承，傳動機構(gòu)等的附加摩擦力矩；

空轉(zhuǎn)力矩：克服空轉(zhuǎn)時的摩擦力矩；

動力矩：克服軋輥非勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的慣性力；01二月20236.1

.1軋制工藝計算

軋制力矩Mz在轉(zhuǎn)動軋輥所需的力矩中，軋制力矩是最主要的。其值為軋件對軋輥的垂直壓力P與力臂a之乘積。單位壓力曲線；單位壓力圖形重心線力臂系數(shù)：其中：Pp：軋制變形區(qū)平均單位壓力，Mpa；Bp：軋制變形區(qū)軋件平均寬度，m；L1：變形區(qū)接觸弧長，m（4Hi軋機支撐輥傳動時）01二月20236.1

.1軋制工藝計算

摩擦力矩Mm式中，μ：軋輥軸承摩擦系數(shù)djm：軋輥輥頸的摩擦直徑，m對二輥軋機而言（上/下輥，傳動側(cè)/操作側(cè)共計4個軸承）：Mm1：軋輥軸承中的摩擦力矩Mm2：傳動機構(gòu)諸如減速機、齒輪機座中的摩擦力矩軋輥軸承中的摩擦力矩Mm1：01二月20236.1

.1軋制工藝計算對四輥軋機而言：軋制時的總壓力主要為支撐輥所承受，故此時摩擦力主要發(fā)生在支撐輥的軸承中。此摩擦力對支撐輥的旋轉(zhuǎn)所形成的阻力矩為：于是，作用在支撐輥與工作輥間的摩擦力：受此摩擦力作用而形成對工作輥旋轉(zhuǎn)的阻力矩為：因此：對工作輥傳動的4Hi軋機：式中，μzz：支撐輥輥頸軸承的摩擦系數(shù)dzjm：支撐輥輥頸的摩擦直徑，m對支撐輥傳動的4Hi軋機：01二月20236.1

.1軋制工藝計算傳動機構(gòu)中的摩擦力矩Mm2：式中，η為傳動機構(gòu)效率，即從主電機到軋機的傳動效率。最終換算到主電機軸上的總的摩擦力矩為：01二月20236.1

.1軋制工藝計算

空轉(zhuǎn)力矩Mk指空載轉(zhuǎn)動軋機所需的力矩，通?？筛鶕?jù)轉(zhuǎn)動部分（如軋輥、聯(lián)接軸、人字齒輪、飛輪等）的重量和在軸承中的摩擦圓半徑來計算：式中：μn：轉(zhuǎn)動部件在支撐軸承中的摩擦系數(shù)；dn：轉(zhuǎn)動部件被支撐于軸承中的軸頸直徑，m；Gn：轉(zhuǎn)動部件的重量；in：電機與該部件間的傳動比；通常按經(jīng)驗公式來確定：其中，MH為電機額定轉(zhuǎn)矩，kN.m，新式軋機取下限，舊式軋機取上限。01二月20236.1

.1軋制工藝計算

動力矩Md當軋機軋制速度變化時，便產(chǎn)生了克服慣性力的動力矩。式中，ΣGD2為折合到電機軸上的各部分轉(zhuǎn)動慣量之和，kN.m2；

G為轉(zhuǎn)動部分的重量，N；D為轉(zhuǎn)動部分之慣性直徑，m；dn/dt=ρ為電機軸上的轉(zhuǎn)動角加速度，r/（min.s）。電機的轉(zhuǎn)動慣量可由產(chǎn)品樣本或電機銘牌查得。電機的轉(zhuǎn)動慣量

01二月20236.1

.1軋制工藝計算折合到電機軸上的支撐輥的轉(zhuǎn)動慣量

式中：izg：支撐輥對工作輥的傳動比（i=Dz/Dg）igd：工作輥對電機的傳動比γ：軋輥的密度L：支撐輥的輥身長度01二月20236.1

.1軋制工藝計算折合到電機軸上的工作輥的轉(zhuǎn)動慣量

折合到電機軸上的軋件的轉(zhuǎn)動慣量

式中，Gj：軋件重量，t；ng：工作輥的轉(zhuǎn)動速度，r/min；v：軋制速度，m/s01二月20236.1

.1軋制工藝計算F、電機運行圖靜負荷圖靜力矩隨時間變化的關(guān)系圖。單獨傳動的連軋機靜負荷圖單機架可逆式軋機靜負荷圖可逆式軋機軋制速度與靜/動/合成負荷圖動負荷圖動力矩隨時間變化的關(guān)系圖。01二月20236.1

.1軋制工藝計算

道次軋制階段-空載加速階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：0->nknk：空載穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速dn/dt=ρ為電機軸上的轉(zhuǎn)動角加速度，r/（min.s）空載加速段時間：

道次軋制階段-空載穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：nk空載穩(wěn)定運行時間=間隙時間01二月20236.1

.1軋制工藝計算

道次軋制階段-帶載加速階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：nu->ndw帶載加速段時間：nu：軋件咬入時的轉(zhuǎn)速ndw：軋制過程中對應某軋制速度時的電機轉(zhuǎn)速01二月20236.1

.1軋制工藝計算

道次軋制階段-帶載減速階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：ndw->nb帶載減速段時間：nb：拋出軋件時的轉(zhuǎn)速ndw：軋制過程中對應某軋制速度時的電機轉(zhuǎn)速01二月20236.1

.1軋制工藝計算nu：軋件咬入時的轉(zhuǎn)速nb：拋出軋件時的轉(zhuǎn)速ndw：軋制過程中對應某軋制速度時的電機轉(zhuǎn)速tdj2：帶載減速運轉(zhuǎn)時間，sL：該道次軋制終了軋件長度，m

道次軋制階段-帶載穩(wěn)定軋制階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：ndw帶載穩(wěn)定軋制時間：01二月20236.1

.1軋制工藝計算

道次軋制階段-空載減速階段電機轉(zhuǎn)矩：電機轉(zhuǎn)速：nk->0空載減速時間：01二月20236.1

.1軋制工藝計算當電機轉(zhuǎn)速n超過基本轉(zhuǎn)速nh時，電機轉(zhuǎn)矩用當量轉(zhuǎn)矩來表示。

當量轉(zhuǎn)矩或M：該道次上的電機轉(zhuǎn)矩n，nh：該道次上的電機轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速v，vh：該道次上的軋制速度與基本速度當電機轉(zhuǎn)速：nk->nh或nh->nk其升速/降速時間為：當電機當量轉(zhuǎn)矩由Mj->或Mj->所運轉(zhuǎn)的時間為：01二月20236.1

.1軋制工藝計算G、電機校核均方根轉(zhuǎn)矩：等效轉(zhuǎn)矩：ΣM2t：軋制周期內(nèi)，各道次各階段轉(zhuǎn)矩與

時間乘積之和Σt：各道次各階段時間之和即為軋制周期當主電機的傳動負荷圖確定后，即可對電動機的功率進行計算和校核，要求：一是由負荷圖計算出的均方根力矩或等效力矩不能超過電動機的額定力矩；二是負荷圖中的最大力矩不能超過電機的允許過載負荷和持續(xù)時間。如果是對電機進行選型，則需根據(jù)等效力矩和所要求的轉(zhuǎn)速來選擇電機。01二月20236.1

.1軋制工藝計算電機發(fā)熱校核電機短時過載校核

（時間不超過15秒）MH：電機額定轉(zhuǎn)矩；Mmax：軋制周期內(nèi)最大的轉(zhuǎn)矩；KG：電機允許的過載系數(shù)；[My]：電機的允許轉(zhuǎn)矩；其中，n為電機轉(zhuǎn)速，r/min；η為電動機到軋機的傳動效率。(kW)注：功率-轉(zhuǎn)矩-力-速度的關(guān)系H、電機功率計算01二月20236.1

.1軋制工藝計算課后作業(yè)按照書中例題的求解方法，對LY2A12硬鋁合金熱軋工藝各個道次進行工藝計算，對軋輥和電機進行校核。要求：1）每組2人，自由組合為14個小組，各負責一個道次的工藝計算和校核；2）將工藝計算過程和校核過程詳細列出；3）繪制道次電機的轉(zhuǎn)速圖和負荷圖；4）每組上交一份作業(yè)，并寫上組員名字和學號。01二月20236.1

.2擠壓工藝計算擠壓工藝規(guī)程設(shè)計主要內(nèi)容：擠壓比的設(shè)計

擠壓溫度的確定擠壓速度（主柱塞，擠壓桿，擠壓墊的移動速度）

金屬流出?？讜r的速度

變形速度（單位時間變形量變化大?。┐_定擠壓溫度主要依據(jù)相圖、塑性圖和再結(jié)晶圖，但由于擠壓時變形熱可使制品溫度上升幾十度甚至更高，故應考慮擠壓溫度的控制值。金屬流出速度主要取決于金屬與合金的可擠性，制品的質(zhì)量要求，擠壓機的能力及最大擠壓速度影響擠壓力的因素：

被擠壓坯料的變形抗力（材質(zhì)、變形溫度、應變速率和變形程度）

坯料和工具的幾何因素（坯料/制品形狀和尺寸，擠壓筒直徑/長度）

外摩擦條件（擠壓筒和擠壓模的表面狀態(tài)及潤滑條件）01二月20236.1

.2擠壓工藝計算擠壓工藝設(shè)計主要是擠壓力的計算，其是制訂擠壓工藝規(guī)程、選擇和校核擠壓機的能力及檢驗零部件強度與工模具強度的重要依據(jù)。擠壓力理論計算公式

1）皮爾林公式（使用方便，適應各種擠壓條件，誤差大）

2）普洛卓洛夫公式（適用于低塑性高強度難變形金屬）

3）塞洛爾內(nèi)公式（采用玻璃潤滑劑擠壓鋼及稀有難熔金屬）擠壓力工程法計算公式

（棒材、型材、管材擠壓力或反向擠壓力計算；穿孔力計算）擠壓力經(jīng)驗算式擠壓力01二月20236.1

.2擠壓工藝計算擠壓機校核：Pmax≤Pyx工具強度校核穿孔機：穩(wěn)定性，抗拉強度擠壓軸：穩(wěn)定性，抗壓強度擠壓模：抗彎，抗剪強度擠壓墊：抗壓強度擠壓筒：等效應力（安全系數(shù)）01二月20236.1

.3拉拔工藝計算拉拔工藝計算主要是拉拔力和電機功率的計算。其中拉拔力是制訂拉拔工藝規(guī)程、選擇與校核拉拔機能力以及檢驗各部件強度的重要依據(jù)。拉拔力工程法計算公式

1）平均主應力法（使用方便，適應一般金屬的管、棒、型材以

及線材，誤差大）

2）皮爾林公式

3）簡化公式拉拔機電機功率計算：（單機拉拔、多模拉拔）拉拔條件的校核01二月20236.2編制生產(chǎn)工藝流程定額卡生產(chǎn)工藝流程定額卡編制的目的：為設(shè)備負荷計算、平衡設(shè)備、編制金屬平衡表及技術(shù)經(jīng)濟指標提供依據(jù)。生產(chǎn)工藝流程定額卡編制的主要內(nèi)容：結(jié)合產(chǎn)品，將生產(chǎn)工藝流程具體化并制訂出各種消耗定額。生產(chǎn)線（主要設(shè)備、輔助設(shè)備）生產(chǎn)工藝流程（生產(chǎn)工序）產(chǎn)品生產(chǎn)工藝（工藝參數(shù)）產(chǎn)品成品率、各種金屬消耗比例、原料/成品的重量和規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程定額卡編制金屬平衡表的目的：根據(jù)設(shè)計任務書的要求，參照國內(nèi)外同類企業(yè)或車間所能達到的先進指標，考慮本企業(yè)或車間的具體情況（工藝裝備水平、技術(shù)水平、管理水平等）確定出為完成年計劃產(chǎn)量所需要的投料量。01二月20236.3編制金屬平衡表編制金屬平衡表的任務