金屬壓力加工車間設(shè)計(jì)06工藝計(jì)算與金屬平衡

1、第六章工藝計(jì)算與金屬平衡授課教師：彭良貴壓力加工車間設(shè)計(jì)課程15 七月 2022第6章 工藝計(jì)算與金屬平衡 6.1 軋制、擠壓、拉拔工藝計(jì)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：15 七月 2022原料成品6.1 工藝計(jì)算 工藝計(jì)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。15 七月 20226.1.1 軋制工藝計(jì)算 軋制規(guī)程的核心是變形規(guī)程（壓下規(guī)程或

2、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(yīng)符合實(shí)際，可根據(jù)同類工廠的實(shí)際情況加以確定，并作必要的計(jì)算。在此，著重介紹與設(shè)備校核相關(guān)的軋制工藝計(jì)算內(nèi)容，以確定設(shè)備選擇是否合適。15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 A、最大咬入角校核 接觸角 （）式中：hmax為道次最大壓下量； Dmin為工作輥?zhàn)钚≥亸剑?y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?zhàn)钚“霃剑?f摩擦系數(shù)變形區(qū)基本參數(shù)15 七月 2022B、熱軋時的溫降計(jì)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(xué)性能都有深刻的影響，道

3、次間溫降的確定，可采用實(shí)測、經(jīng)驗(yàn)公式與理論公式計(jì)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(jì)算 15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 C、軋制力計(jì)算典型的軋制力計(jì)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

4、克隆德公式等。軋制力參數(shù)在軋機(jī)牌坊設(shè)計(jì)、軋制規(guī)程制訂、軋機(jī)和軋輥校核、電機(jī)選型等方面都有廣泛的應(yīng)用。計(jì)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(jì)算或經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算）B：軋件寬度，mm；R：軋輥半徑，mm；h：道次絕對壓下量，mm；Py：軋機(jī)的最大允許壓力，kN。 （由軋輥的強(qiáng)度確定）15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 D、軋輥強(qiáng)度校核（四輥軋機(jī)工作輥傳動為例） 支撐輥?zhàn)畲笤试S壓力Pzy支撐輥輥身的最大彎曲應(yīng)力max：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y:支撐輥

5、的最大允許彎曲應(yīng)力，MPa15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 支撐輥輥頸最大允許壓力Pzj支撐輥輥頸的最大彎曲應(yīng)力max：其中：dz為支撐輥輥頸直徑，mm15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 工作輥的最大扭曲應(yīng)力max：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y:工作輥的最大允許扭曲應(yīng)力，Mpa：摩擦系數(shù)hmax：工作輥的最大壓下量 工作輥?zhàn)畲笤试S壓力Pgy15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 其中：Wgt：工作輥輥頭的抗彎模量，mm3 dgt：工作輥輥頭直徑，mm 工作輥輥頭最大允許壓

6、力Pgt15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 E、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算電機(jī)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(jī)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(jī)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；15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)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

7、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(jī)支撐輥傳動時）15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 摩擦力矩Mm式中，：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(jī)而言（上/下輥，傳動側(cè)/操作側(cè)共計(jì)4個軸承）：Mm1：軋輥軸承中的摩擦力矩 Mm2：傳動機(jī)構(gòu)諸如減速機(jī)、齒輪機(jī)座中的摩擦力矩 軋輥軸承中的摩擦力矩Mm1： 15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 對四輥軋機(jī)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，

8、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(jī)：式中，zz：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(jī)：15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 傳動機(jī)構(gòu)中的摩擦力矩Mm2： 式中，為傳動機(jī)構(gòu)效率，即從主電機(jī)到軋機(jī)的傳動效率。最終換算到主電機(jī)軸上的總的摩擦力矩為：15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 空轉(zhuǎn)力矩Mk指空載轉(zhuǎn)動軋機(jī)所需的力矩，通常可根據(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(jì)算：式中：n：轉(zhuǎn)動部件在支撐軸承中的摩擦系數(shù)；dn：轉(zhuǎn)動

9、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(jī)與該部件間的傳動比；通常按經(jīng)驗(yàn)公式來確定：其中，MH為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kN.m，新式軋機(jī)取下限，舊式軋機(jī)取上限。15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 動力矩Md當(dāng)軋機(jī)軋制速度變化時，便產(chǎn)生了克服慣性力的動力矩。式中，GD2為折合到電機(jī)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=為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動角加速度，r/（min.s）。電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量可由產(chǎn)品樣本或電機(jī)銘牌查得。 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 折合到電機(jī)軸上的支撐輥的轉(zhuǎn)動慣

10、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(jī)的傳動比：軋輥的密度L：支撐輥的輥身長度15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 折合到電機(jī)軸上的工作輥的轉(zhuǎn)動慣量 折合到電機(jī)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/s15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 F、電機(jī)運(yùn)行圖 靜負(fù)荷圖靜力矩隨時間變化的關(guān)系圖。單獨(dú)傳動的連軋機(jī)靜負(fù)荷圖單機(jī)架可逆式軋機(jī)靜負(fù)荷圖可逆式軋機(jī)軋制速度與靜/動/合成負(fù)荷圖 動負(fù)荷圖動力矩隨時間變化的關(guān)系圖。15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 道次軋制階段-

11、空載加速階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)轉(zhuǎn)速：0-nknk：空載穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速dn/dt=為電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)轉(zhuǎn)速：nk空載穩(wěn)定運(yùn)行時間=間隙時間15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 道次軋制階段-帶載加速階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)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(yīng)某軋制速度時的電機(jī)轉(zhuǎn)速15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 道次軋制階段-帶載減速階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)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(yīng)某軋制速度時的電機(jī)轉(zhuǎn)速15

12、 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)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(yīng)某軋制速度時的電機(jī)轉(zhuǎn)速tdj2：帶載減速運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)轉(zhuǎn)速：ndw帶載穩(wěn)定軋制時間：15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 道次軋制階段-空載減速階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)轉(zhuǎn)速：nk-0空載減速時間：15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n超過基本轉(zhuǎn)速nh時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩用當(dāng)量轉(zhuǎn)矩來表示。 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩或M：該道次上的電機(jī)轉(zhuǎn)矩n，nh：該道次上的電機(jī)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

13、當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：nk-nh 或 nh-nk其升速/降速時間為：當(dāng)電機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)矩由Mj-或Mj-所運(yùn)轉(zhuǎn)的時間為：15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 G、電機(jī)校核均方根轉(zhuǎn)矩：等效轉(zhuǎn)矩：M2t：軋制周期內(nèi)，各道次各階段轉(zhuǎn)矩與 時間乘積之和t：各道次各階段時間之和即為軋制周期當(dāng)主電機(jī)的傳動負(fù)荷圖確定后，即可對電動機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算和校核，要求：一是由負(fù)荷圖計(jì)算出的均方根力矩或等效力矩不能超過電動機(jī)的額定力矩；二是負(fù)荷圖中的最大力矩不能超過電機(jī)的允許過載負(fù)荷和持續(xù)時間。如果是對電機(jī)進(jìn)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(jī)。15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)算 電機(jī)發(fā)熱校核 電機(jī)短

14、時過載校核 （時間不超過15秒）MH：電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；Mmax：軋制周期內(nèi)最大的轉(zhuǎn)矩；KG：電機(jī)允許的過載系數(shù)；My：電機(jī)的允許轉(zhuǎn)矩；其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為電動機(jī)到軋機(jī)的傳動效率。(kW)注：功率-轉(zhuǎn)矩-力-速度的關(guān)系H、電機(jī)功率計(jì)算15 七月 20226.1 .1 軋制工藝計(jì)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(jìn)行工藝計(jì)算，對軋輥和電機(jī)進(jìn)行校核。要求：1）每組2人，自由組合為14個小組，各負(fù)責(zé)一個道次的工藝計(jì)算和校核；2）將工藝計(jì)算過程和校核過程詳細(xì)列出；3）繪制道次電機(jī)的轉(zhuǎn)速圖和負(fù)荷圖；4）每組上交一份作業(yè)，并寫上組員名字和學(xué)號。15 七月

15、20226.1 .2 擠壓工藝計(jì)算 擠壓工藝規(guī)程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容： 擠壓比的設(shè)計(jì) 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） 金屬流出模孔時的速度 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(yīng)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(jī)的能力及最大擠壓速度15 七月 2022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(yīng)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)

16、及潤滑條件）6.1 .2 擠壓工藝計(jì)算 擠壓工藝設(shè)計(jì)主要是擠壓力的計(jì)算，其是制訂擠壓工藝規(guī)程、選擇和校核擠壓機(jī)的能力及檢驗(yàn)零部件強(qiáng)度與工模具強(qiáng)度的重要依據(jù)。擠壓力理論計(jì)算公式 1）皮爾林公式 （使用方便，適應(yīng)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(qiáng)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(jì)算公式 （棒材、型材、管材擠壓力或反向擠壓力計(jì)算；穿孔力計(jì)算）擠壓力經(jīng)驗(yàn)算式擠壓力15 七月 20226.1 .2 擠壓工藝計(jì)算 擠壓機(jī)校核 ： PmaxPyx工具強(qiáng)度校核 穿孔機(jī)：穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度 擠壓軸：穩(wěn)定性，抗壓強(qiáng)度 擠壓模：抗彎，抗剪強(qiáng)

17、度 擠壓墊：抗壓強(qiáng)度 擠壓筒：等效應(yīng)力（安全系數(shù)）15 七月 20226.1 .3 拉拔工藝計(jì)算 拉拔工藝計(jì)算主要是拉拔力和電機(jī)功率的計(jì)算。其中拉拔力是制訂拉拔工藝規(guī)程、選擇與校核拉拔機(jī)能力以及檢驗(yàn)各部件強(qiáng)度的重要依據(jù)。拉拔力工程法計(jì)算公式 1）平均主應(yīng)力法（使用方便，適應(yīng)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(jī)電機(jī)功率計(jì)算： （單機(jī)拉拔、多模拉拔）拉拔條件的校核15 七月 20226.2 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(fù)荷計(jì)算、平衡設(shè)備、編制金屬平衡表及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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)

18、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15 七月 2022編制金屬平衡表的目的：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，參照國內(nèi)外同類企業(yè)或車間所能達(dá)到的先進(jìn)指標(biāo)，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(jì)劃產(chǎn)量所需要的投料量。6.3 編制金屬平衡表 編制金屬平衡表的任務(wù)： 確定各計(jì)算產(chǎn)品的成品率； 編制金屬平衡表。15 七月 20226.3 編制金屬平衡表 確定計(jì)算產(chǎn)品的成品率 式中，Q：原料量 t； W：金屬消耗量（損失量） t 成品率是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，直接反映了生產(chǎn)組織管理及生產(chǎn)技術(shù)水平的高低。 成品率設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)同類企業(yè)的實(shí)際成品率情況，同時結(jié)合所設(shè)計(jì)車間的技術(shù)特點(diǎn)以及各項(xiàng)產(chǎn)品工藝卡片的計(jì)算結(jié)果加以綜合確定。15 七月 2022可回收廢料6.3 編制金屬平衡表 加工過程金屬損失的情形 金屬燒損金屬損失金屬熔損技術(shù)損失幾何損失工藝切損金屬殘屑 金屬材質(zhì) 爐型 加熱溫度和時間 材料形狀等 鑄錠切損 頭/尾/邊切損 錠坯的銑面、銑側(cè)邊 鋸切 車皮 鏜孔等 廢品 加工過程產(chǎn)生的廢料 酸洗/堿洗/化學(xué)處理 鋁合金鹽浴退火15 七月 20