材料成型專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、鋁合金薄材冷軋工藝優(yōu)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：機(jī)械0811班 （材料成型2班）姓 名：楊海亮學(xué) 號(hào)：0806081219指導(dǎo)老師：吳運(yùn)新老師目 錄一、鋁合金薄材冷軋工藝優(yōu)化題目?jī)?nèi)容.2二、軋機(jī)參數(shù).2三、冷軋工藝制度.31、M.D.斯通公式.32、軋件合金參數(shù).43、道次分配.54、潤(rùn)滑.7四、電機(jī)功率校核.81、傳動(dòng)力矩.82、靜負(fù)荷圖.93、主電機(jī)校核10五、冷軋車間工藝布置簡(jiǎn)圖.10參考書目.11鋁合金薄材冷軋工藝優(yōu)化一、 鋁合金薄材冷軋工藝優(yōu)化題目?jī)?nèi)容鋁合金薄材冷軋工藝優(yōu)化（軋制道次、壓下量最優(yōu)化分配）1）、合金牌號(hào)：1xxx系列合金、2xxx系列合金、3xx

2、x系列合金、5xxx系列金2）、板寬度：1500mm3）、板厚度：4.56.5mm；成品厚度：0.150.45mm4）、軋機(jī)：?jiǎn)螜C(jī)架不可逆軋制；速度：小于1500m/min二、 軋機(jī)參數(shù)根據(jù)軋板寬度為1500mm，選擇軋機(jī)軋機(jī)型式四輥不可逆式鋁帶冷軋機(jī)軋機(jī)規(guī)格380 mm/960 mm/1600 mm軋制材料1xxx、2xxx、3xxx、5xxx、8xxx系列合金來(lái)料厚度范圍 8 mm來(lái)料寬度范圍1000 mm1500 mm來(lái)料卷外徑范圍700 mm1700 mm來(lái)料最大卷重7000 kg成品厚度范圍0.05 mm3.5 mm成品寬度范圍940mm1500 mm成品最大外徑1700 mm成品最

3、小外徑750 mm軋制速度基速：300 m/min-1；最大速度：660 m/min-1軋制力12000 KN主傳動(dòng)電機(jī)功率2x730 KW保證值厚度公差0.050.002 mm0.10.005 mm工作輥380 mm x 1650 mm 支撐輥960 mm x 1600 mm軋制方向（站在操作側(cè)看帶材前進(jìn)方向）從右至左開卷機(jī)張力范圍5.0120 KN開卷機(jī)電機(jī)功率/轉(zhuǎn)速2 x 197KW/1450r/min卷取機(jī)張力3.0120 KN卷取機(jī)電機(jī)功率/轉(zhuǎn)速3 x 197KW/1450r/min工藝潤(rùn)滑油量4000 Lmin-1工藝潤(rùn)滑油郵箱體積80 m3機(jī)列外形32m x 21m x 4.65

4、m三、 冷軋工藝制度1、M.D.斯通公式軋制力是指軋件對(duì)軋輥合理的垂直分量，即軋機(jī)壓下量螺絲所承受的總壓力。后滑區(qū)內(nèi)作用于微分體上的力示意圖：考慮到冷軋是軋輥彈性壓扁，而D/h一般足夠大，在計(jì)算軋制力時(shí)可選用M.D.斯通公式。M.D.斯通公式求軋制力具體步驟：（參考金屬壓力加工原理 魏立群 第5、6章節(jié)）（1）、 根據(jù)公式X2=(eX-1)Y+Z2求X其中X= f l h,Y=2CR f h(K-q),Z= f l h式中各參數(shù)意義：f為摩擦系數(shù)f=tan，為摩擦角l為考慮軋輥彈性壓扁軋件與軋輥的接觸長(zhǎng)度h H + h 2 為軋件平均長(zhǎng)度，H為軋件進(jìn)口厚度，h為軋件出口厚度C= 8（1-2）E

5、，為軋輥的泊松比，E為軋輥的楊氏模量R即軋輥半徑（D代表軋輥直徑）K為平面變形抗力，一般冷軋時(shí)K=1.15，為軋件屈服強(qiáng)度（0.2或s）q為平均單位張應(yīng)力，冷軋時(shí)q=（0.20.6）帶入Y、Z及其它參數(shù)整理得：X=eX-1*2*C*R*f H+h2 1.15-q+f2*R*（H-h）（H+h2）2 （2）、 根據(jù)公式 p=K-qn 求軋制單位壓力p其中 n= eX-1 X ， n為考慮外摩擦影響的應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)帶入?yún)?shù)有：p=1.15-q eX-1 X （3）、 根據(jù)公式P= pBl 求軋制力P其中B為軋件寬度，冷軋時(shí)軋件寬度基本不變，l= Xhf 可根據(jù)X的值求，帶入?yún)?shù)有：P=B1.15-q

6、 eX-1 X* X H-h 2 f 2、軋件合金參數(shù)（1）、 一般剛軋輥=0.3 ，E=2.2x104 kgf/mm2，軋輥滾面粗糙，摩擦系數(shù)f=0.09（摩擦角5）。根據(jù)公式C= 8（1-2）E ，可求得 C=1 9500 mm2/kgf軋輥的摩擦系數(shù)會(huì)影響軋制咬入、軋件成品質(zhì)量，根據(jù)軋件與軋輥接觸瞬間的咬入條件，穩(wěn)定軋制的充分條件M，以及壓下量與咬入角的關(guān)系式cos=1-h2R（式中R=190mm，h為壓下量），可列出下表：最大咬入角（）摩擦系數(shù)f接觸咬入時(shí)的h（mm）穩(wěn)定軋制時(shí)的h（mm）冷軋（高度光潔并良好潤(rùn)滑）30.050.522.0840.070.933.70冷軋（粗糙滾面）50

7、.091.455.7760.112.088.3070.122.8311.2980.143.7014.72由表可知，冷軋?jiān)跐L面高度光潔并良好潤(rùn)滑時(shí)最大咬入角為34，最大壓下量h0.93mm，此時(shí)前2道次加工率會(huì)很低，從而降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本 。因而取軋輥摩擦角=5，f=tan=0.09，接觸時(shí)允許最大壓下量（h）max=1.45mm（2）、 根據(jù)課題要求，定鋁合金坯料厚度為4.5mm，成品厚度為0.3mm，寬度B=1500mm， 將以上參數(shù)帶入X公式，以及軋制力公式有：X= eX-129500*190*0.09 H+h2 1.15-q+0.092*190*（H-h）（H+h2）2 P=

8、15001.15-q eX-1 X* X H-h 2 0.09由上公式知X、軋制力P的值只與H、h、q 相關(guān)，假定冷軋第一道次壓下率只有20%，即H=4.5 mm，h=3.6 mm， q=0.4可繪出P1000-X-曲線圖紅色實(shí)線表示軋件材料的屈服強(qiáng)度單位Mpa藍(lán)色虛線表示軋制力的千分之一，即圖中P的數(shù)值單位為KN由上圖可知，P與呈正相關(guān)性，由于P120KN，則X0.515，348.47Mpa即，選擇所軋材料的屈服應(yīng)盡量低于348.47Mpa。鋁合金中7xxx系列屬于超高強(qiáng)度，常溫常態(tài)下硬度一般都大于348.47Mpa；而4xxx系列合金主要合金元素是Si，很脆；6xxx系列主要合金元素為Si

9、、Mg，適合做擠壓合金；故只可選1、2、3、5系列合金。其中2xxx系列合金為硬鋁合金，某些牌號(hào)在一定狀態(tài)和溫度下屈服強(qiáng)度會(huì)高于348.47Mpa，所以選2xxx系列時(shí)應(yīng)再次驗(yàn)算軋制力，其他1、 3、5系列屬于軟鋁合金，不成在屈服強(qiáng)度過(guò)高的問(wèn)題。根據(jù)以上驗(yàn)算，選5A02鋁合金，查表知其=210Mpa。3、道次分配（1）、 等壓下率分配5A02合金為軟鋁合金，其工業(yè)冷軋中間總加工率范圍一般為60%85%，道次加工率范圍一般為20%45%。為了減少加工道次、充分發(fā)揮合金塑性、提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡量取大點(diǎn)，初定=40%。根據(jù)公式=1-(hH)1n帶入值H=4.5mm，h=0.45mm，=40%算得n=4

10、.5，取n=5，再根據(jù)公式可求得=36.9%。由等壓下率分配可得道次分配如下：道次入口厚度（mm）出口厚度（mm）道次壓下量h道次壓下率總壓下率平均張力F（KN）軋制力P（KN）14.52.841.6636.9%36.9%462.427073.2322.841.791.0537.0%60.2%291.696952.6931.791.130.6636.9%74.9%183.968183.0041.130.710.4237.2%84.2%115.92總壓下率=84.2%，需要進(jìn)行中間退火50.710.450.2636.6%90%其中：平均張力F=qBh=0.4*1500*H+h2 ，軋制力P根據(jù)公

11、式、求得各道次軋制速度v=9750*P額*F*（R+h）*2R60（為電機(jī)效率，取0.8）從上表可以看出，按等壓下率分配時(shí)，前3個(gè)道次的軋制力約為最大軋制力12000KN的1/3，前2道的平均張力大于軋機(jī)允許最大張力120KN，第一道次的道次壓下量1.66大于接觸咬入條件所允許的最大值（h）=1.45mm，故壓下分配需要繼續(xù)優(yōu)化。（2）、 分配優(yōu)化根據(jù)公式、可知，在保證一定壓下率的條件下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)軋制平均張應(yīng)力q的值來(lái)控制平均張力和軋制力的大??；為了穩(wěn)定工藝、方便調(diào)整板型，中間各道次（第2、3、4道次）的軋制力盡量接近；、第一道次根據(jù)接觸咬入條件所允許的最大值（h）=1.45mm，取定第一

12、道次壓下量h=1.4mm；即=31.11%。根據(jù)最大張力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*4.5+3.12*10-3=21.05Mpa ,取q=20Mpa ，則可算得F=114KN，X=0.55，P=10305.39KN，v=4.16m/s、第二道次在保證平均壓下率和接觸咬入的條件下，改善潤(rùn)滑條件，使f=0.07，取h=1.4mm，即=45.2%。此時(shí)根據(jù)最大張力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*3.1+1.72*10-3=33.33 Mpa ,取q=33Mpa ，則可算得F=118.8KN，X=0.681.，P=10461.52KN,v=4.03m

13、/s、 第三道次在保證平均壓下率和接觸咬入的條件下，取h=0.64mm，即=37.6%。此時(shí)根據(jù)最大張力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*1.7+1.062*10-3=57.97 Mpa ,為使軋制力與第二道次接近取q=40Mpa ，則可算得F=82.8KN，X=1.017，P=10518.96KN，v=5.79m/s、第四道次在保證平均壓下率和接觸咬入的條件下，取h=0.4mm，即=37.7%。此時(shí)根據(jù)最大張力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*1.06+0.66 2*10-3=93.02 Mpa ,為使軋制力與第二道次接近取q=85Mpa ，則可算

14、得F=109.7KN，X=1.539，P=10552.73KN，v=4.38m/s、中間退火第四道次軋制完成后，軋件的中間冷軋總加工率總= 0.66 4.5 *100%=85.33%，由于壓下率過(guò)大，需要中間退火，以消除加工硬化，提高軋件塑性，避免軋件出現(xiàn)裂邊或斷片。查表知3A21鋁合金冷軋板的開始再結(jié)晶溫度為320C325C，再結(jié)晶終了溫度為515C 520C，采用空氣爐加熱退火，溫度設(shè)為515C 520C，加熱時(shí)間為30min。、 第五道次成品厚度h=0.45mm，即h=0.21mm，=31.8%。此時(shí)根據(jù)最大張力（F）max120KN，可求得 qFBh1201500*0.4+0.682*

15、10-3=144.14Mpa ，q=137 Mpa ，則可算得F=114KN，X=2.052，P=8430.8KN，v=4.22m/s優(yōu)化分配參數(shù)總表如下：道次入口厚度（mm）出口厚度（mm）道次壓下量h道次壓下率總壓下率平均張力F（KN）軋制力P（KN）速度V（m/s）14.53.11.431.11%31.11%11410305.394.1623.11.71.445.2%62.2%118.810461.524.0331.71.060.6437.6%76.4%82.810518.965.7941.060.660.437.7%85.33%109.710552.734.38總壓下率=85.33%，

16、需要進(jìn)行中間退火50.660.450.2131.8%41.18%1148430.804.224、 潤(rùn)滑潤(rùn)滑采用乳化液潤(rùn)滑，由80%85的機(jī)油、10%15%的油酸、5%的三水乙醇胺配成的乳劑與90%97%的水?dāng)嚢璩伞Ｆ渲兴饕鹄鋮s作用，機(jī)油為潤(rùn)滑油，油酸即為油性劑，增加礦物油的潤(rùn)滑性能，又能與三水乙醇胺反應(yīng)形成胺皂，起著乳化劑作用，以獲得穩(wěn)定的乳化液。四、電機(jī)校核1、傳動(dòng)力矩要確定主電機(jī)功率、必須首先確定傳動(dòng)軋輥的力矩。在軋制過(guò)程中，在主電機(jī)軸上，傳動(dòng)軋輥所需力矩由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：M=M/i+Mf+M0+Md式中：M軋制力矩使軋件產(chǎn)生塑性變形 i軋輥與主電機(jī)間的傳動(dòng)比 Mf附加摩擦力矩，作用

17、于軸承、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等位置 M0空轉(zhuǎn)力矩。克服空轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力距 Md動(dòng)力距，克服加速、起動(dòng)等時(shí)刻的慣性力矩組成傳動(dòng)輥的力矩的前三項(xiàng)為靜力矩，即Mc= M/i+Mf+M0（1）、軋制力矩M的計(jì)算按軋件對(duì)軋輥的作用力、軋制力矩M=2 Pa式中：a力臂 a=l 力臂系數(shù)，冷軋板帶時(shí)取0.33 l接觸弧長(zhǎng)度，l=R*h即M=2P*0.33*R*h（2）、附加摩擦力矩MfMf=Mf1/i+Mf2Mf1=P/2f1d14=Pd1 f1,為軸承中的附加摩擦矩 P軋制力,f1軸承摩擦系數(shù) 滾動(dòng)軸承 f1=0.0030.01 Mf2=(11-1)M + Mf1i,為換算到主電機(jī)軸上的摩擦力矩 1為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速機(jī)、

18、齒輪機(jī)座）的效率，齒輪傳動(dòng)時(shí)1=0.960.98 即有：Mf=1-1M+Mf11*i（3）、空轉(zhuǎn)力矩M0空轉(zhuǎn)力矩：是空載轉(zhuǎn)動(dòng)軋機(jī)主機(jī)列所需力矩。空轉(zhuǎn)時(shí)軋輥、接軸、齒輪、飛輪等到主電機(jī)的傳動(dòng)比不同，因軸頸半徑各不相同，因此，應(yīng)分別計(jì)算后再加合。即 M0=MKn=(GnF ndn )/2in通常按經(jīng)驗(yàn)定： M0=（0.030.06）Mn ，Mn電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩取M0=0.45Mn根據(jù)公式、可算出軋制力矩M、附加摩擦力矩Mf、以及空轉(zhuǎn)力矩M0，再求和可得靜力矩Mc。各道次各力矩的值如下表：道次軋制力矩M（N/mm）附加摩擦力矩Mf（N/mm）以及空轉(zhuǎn)力矩M0（N/mm）靜力矩Mc（N/mm）19.1

19、09x1073.916 x1071.359x1069.588x10628.126 x1073.975 x1071.359x1069.713x10637.656 x1073.997 x1071.359x1067.748x10643.139 x1074.010 x1071.359x1066.887 x10653.515 x1073.204 x1071.359x1065.043 x1062、靜負(fù)荷圖由軋機(jī)參數(shù)知，卷料最大外徑D=1700mm，卷取輥直徑為d=380mm，卷料圈數(shù) n= D-d 2H，其中H為來(lái)料厚度。則來(lái)料總長(zhǎng)L=rn+n（n+1）H2，出料總長(zhǎng)L=HhL，每道次軋制時(shí)間tn=Lv根據(jù)工藝定制數(shù)據(jù)即可計(jì)算出各道次軋制所需時(shí)間，具體如下表：12345總和tn（min）1.9083.5874.0008.4909.41727.402tn（min）555525其中tn為沒(méi)道次的間歇時(shí)間，具體數(shù)值需根據(jù)車間實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，越短越有利于生產(chǎn)效率。根據(jù)上表以及每道次的靜力矩表可畫出主電機(jī)靜負(fù)荷圖：3、主電機(jī)校核當(dāng)主電機(jī)的傳動(dòng)負(fù)荷圖確定后，才能對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算。此工作由兩部分組成：一是由負(fù)荷圖算出“等效力矩”，它不能超過(guò)電機(jī)