鞍鋼159機(jī)組MPM連軋孔型設(shè)計(jì)探討及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(論文)

MPM連軋孔型設(shè)計(jì)探討及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2007年10月30日西安12007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)

李道剛:鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠

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e-mail:lidaogang0412@自我介紹22007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)摘要：孔型設(shè)計(jì)是MPM連軋管機(jī)的技術(shù)核心，合適的孔型是生產(chǎn)過程順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的保證。介紹了連軋孔型設(shè)計(jì)方法、金屬橫截面積計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)。關(guān)鍵詞：孔型設(shè)計(jì)金屬橫截面積計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)32007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)0前言

限動(dòng)芯棒連軋管生產(chǎn)工藝具有產(chǎn)品尺寸精度高、綜合機(jī)械性能好、產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了普遍推廣，成為應(yīng)用最多的軋管方式，鞍鋼股份公司無縫鋼管廠Φ159MPM機(jī)組軋管機(jī)就是從德國SMS公司引進(jìn)的典型MPM限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組。42007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)

對(duì)于連軋孔型設(shè)計(jì)，國內(nèi)院校、廠礦也都有研究，但是相關(guān)的論文、資料很少見到?？仔驮O(shè)計(jì)是MPM連軋管機(jī)的技術(shù)核心，合適的孔型是生產(chǎn)過程順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的保證。鑒于連軋孔型的重要性，我們對(duì)孔型設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，通過研究INNSE的工藝資料及MPMMOD，推導(dǎo)出關(guān)鍵的計(jì)算公式，并根據(jù)研究結(jié)果設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，利用該軟件，可以快速校核孔型參數(shù)，本文將加以介紹。52007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)1孔型設(shè)計(jì)方法連軋管機(jī)組一般采用帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，也有采用橢圓孔型和圓孔型結(jié)合的孔型，現(xiàn)代Mini-MPM軋機(jī)一般采用五機(jī)架軋機(jī)，第一架使用橢圓孔型，第二至第五架采用圓孔型。62007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)連軋管機(jī)的孔型設(shè)計(jì)一般是按該孔型所軋制的最薄壁管計(jì)算的。變形量分配都是前面機(jī)架取大的壁厚相對(duì)壓下量和延伸系數(shù)，后兩架成品機(jī)架主要作用是使管子園化并能夠順利脫棒，變形量很小，第一架減壁量略低于第二架的減壁量。72007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)孔型設(shè)計(jì)的方法很多，各工廠所用的孔型設(shè)計(jì)不完全相同，但設(shè)計(jì)方法大同小異，計(jì)算步驟如下(以我廠172系列孔型設(shè)計(jì)為例)：（1）計(jì)算總延伸系數(shù)μz。μz=A0/A5，其中A0為毛管橫截面積，A5為荒管橫截面積。μz=3.63982007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)（2）分配各機(jī)架的延伸系數(shù)。第一架的延伸系數(shù)較大，可以補(bǔ)償由于穿孔機(jī)設(shè)定不當(dāng)引起的毛管尺寸偏差，第二架可包容第一架的延伸，延伸系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。92007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)102007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)延伸系數(shù)St1St2St3St4St5平均1.5581.5161.3001.1371.020槽底1.8462.3511.6691.3761.050112007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)（3）根據(jù)各機(jī)架的平均延伸系數(shù)確定該架軋后的橫截面積。（4）根據(jù)各機(jī)架槽底延伸系數(shù)，確定孔型參數(shù)，以下為相關(guān)系數(shù)，都是經(jīng)驗(yàn)值：122007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)132007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)(5)將所得孔型中金屬橫截面積Ai與前述所確定的金屬橫截面積進(jìn)行比較，若誤差在允許范圍內(nèi)，則通過上述各步計(jì)算的參數(shù)即為最終孔型參數(shù)。否則應(yīng)以適當(dāng)步長(zhǎng)改變孔型半徑Ri，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到誤差在允許范圍內(nèi)。此時(shí)的Ri就是第i架孔型半徑，根據(jù)該半徑求出的孔型參數(shù)即為最終孔型參數(shù)。這里面金屬橫截面積計(jì)算是孔型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最為復(fù)雜，在隨后將詳加敘述。142007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)（6）確定各機(jī)架輥縫。各機(jī)架的最小輥縫值約等于前一機(jī)架最小壁厚的兩倍，一般第一、二架的最小輥縫值相等。152007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2金屬橫截面積計(jì)算方法設(shè)計(jì)好的孔型參數(shù)需要通過計(jì)算延伸系數(shù)來驗(yàn)算，金屬橫截面積的計(jì)算過程比較復(fù)雜，為了增加條理性，分四步加以介紹。162007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.1計(jì)算孔型各點(diǎn)坐標(biāo)孔型各段圓弧半徑及角度確定后，在直角坐標(biāo)系中，可以計(jì)算出各段圓弧的圓心坐標(biāo)、連接點(diǎn)坐標(biāo)，從而畫出各架孔型圖。這個(gè)過程比較簡(jiǎn)單，這里就省略了。172007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)182007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.2計(jì)算金屬輪廓面積2.2.1計(jì)算st1金屬輪廓面積192007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)FP=4*（F1－F2＋F3－F4＋F5－F6）其中：F1=F△01cd=π*R12*(θ/360)F2＝0.5*yo12*tg(θ)F3=Fdo2e＋F△o2o5d’F4＝F△o1’02’o2+FO5ed’F△o1’02’o2=－0.5*（xo2’－xo1’）*yo2FO2o5d’=πR52*γ3/360F5＝π*B2*α3/360/4F6=F△oo2’d’=0.5*xo2’*yd’202007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.2.2計(jì)算st2~5金屬輪廓面積212007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)Fp=4*(F1＋F3－F4＋F5)其中：F1=F△01cd=π*R12*(θ/360)F3＝πR22（γ2/360）F4=0.5*xo3*y02F5=π*R32*α3/360222007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.3計(jì)算芯棒與金屬之間間隙面積2.3.1計(jì)算St1機(jī)架芯棒與金屬之間間隙面積232007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)空減后鋼管壁厚為δ，芯棒直徑為Dt，F(xiàn)1=π*（(0.5*B－δm)2－（0.5*Dt）2)*α3/360F2=0.5*(0.5B－δm－0.5Dt）*【0.5*Dt*sin(α2)－（0.5B－δm）*sin(α3)】△Ft-m=4*(F1+F2)242007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.3.2計(jì)算St2～5機(jī)架芯棒與金屬之間間隙面積252007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì) 過O畫一條直線，與金屬外表面交于點(diǎn)P，與X軸夾角為j，直線OX方程為y=tg(j)*x

金屬外圓弧方程為：0°≤j＜α3時(shí)，（x-xo3）2+y2=R32 α3≤j＜α1時(shí)，（x-xo2）2+(y-yo2)2=R22 α1≤j＜90°時(shí)，x2+y2=R12

可以求出[0°，90°]范圍內(nèi)的P點(diǎn)坐標(biāo)，直線與金屬內(nèi)表面交于點(diǎn)Pi,Pi點(diǎn)坐標(biāo)為：xpi=xp-δ（i-1,90°-j）*cos(j)ypi=yp-δ（i-1,90°-j）*sin(j)δ（i-1,90°-j）*cos(j)為第i-1孔，90°-j處的壁厚，考慮到未受到加工，如不考慮增厚或拉薄，可用上一架壁厚代替該架j處的壁厚。262007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)以1/8°為步長(zhǎng)，從0°開始，以不同的j值代入上面式子，并計(jì)算Lopi=SQRT(xpi2+ypi2)

當(dāng)Lopi≤0.5*Dt時(shí)，計(jì)算停止，此時(shí)，j=α2，即為金屬與芯棒的脫離角。計(jì)算該處間隙面積必須使用微單元法，即把該塊每隔1/8°分割為一個(gè)小梯形，把每個(gè)梯形的面積計(jì)算出來后再求和。

△Fi＝0.5*[ypi(j)+ypi(j+1/8)]*[xpi(j)-xpi(j+1/8)]△Ft-m=4*｛pi(α2)xpi(α2)-π0.5（Dt）2( α2/360)｝272007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)2.4計(jì)算金屬橫截面積金屬橫截面積F=Fp-△Ft-m-0.25*πDt^2

計(jì)算出金屬橫截面積之后，與按照延伸系數(shù)確定的橫截面積比較，如果誤差超過0.5％就修正孔型參數(shù)，并重新計(jì)算，直到誤差小于0.5％。之后，可以計(jì)算出各機(jī)架延伸系數(shù)，并確定各架孔型參數(shù)。282007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)由于St2～5機(jī)架芯棒與金屬之間間隙的計(jì)算需要進(jìn)行積分，計(jì)算起來非常復(fù)雜，手工計(jì)算幾乎不可能。我們把推導(dǎo)過程整理出來，利用VB6.0編程語言，編寫了一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，基本功能包括：參數(shù)輸入，孔型各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，延伸系數(shù)的計(jì)算，并且可以畫出孔型圖。292007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)利用該軟件我們計(jì)算INNSE設(shè)計(jì)的172孔型參數(shù)，并與使用INNSE提供的MPMMOD運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較：機(jī)架號(hào)St1St2St3St4St5軟件計(jì)算橫截面積4844.323184.732466.152154.142133.94延伸系數(shù)1.5401.521

1.2901.1461.010MPMMOD計(jì)算橫截面積4835.33189.92454.42158.82116.8延伸系數(shù)1.5581.5161.3001.1371.020橫截面積偏差（％）0.19-0.16

0.48

-0.22

0.81

302007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)計(jì)算結(jié)果與原始資料比較接近，誤差小于最大不超過0.5％，證明我們的計(jì)算方法是正確的。312007年鋼管學(xué)會(huì)年會(huì)4結(jié)語通過對(duì)連軋孔型設(shè)計(jì)的研究及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序的開發(fā)，加深了我們對(duì)連軋工藝的理解，對(duì)日后的孔型優(yōu)化、設(shè)計(jì)很有幫助。同時(shí)，利用該軟件可以做很多工作：①計(jì)算孔型各點(diǎn)坐標(biāo)，指導(dǎo)孔型加工。②輔助設(shè)計(jì)新孔型，快速計(jì)算金屬橫截面積、校核孔型參數(shù)。③可以畫出各架內(nèi)金屬與芯棒