鞍钢159机组MPM连轧孔型设计探讨及计算机辅助设计(论文)

MPM连轧孔型设计探讨及计算机辅助设计

2007年10月30日西安12007年钢管学会年会

李道刚:鞍钢股份有限公司无缝钢管厂

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e-mail:lidaogang0412@自我介绍22007年钢管学会年会摘要：孔型设计是MPM连轧管机的技术核心，合适的孔型是生产过程顺利进行和产品质量优良的保证。介绍了连轧孔型设计方法、金属横截面积计算方法、计算机辅助设计软件的开发。关键词：孔型设计金属横截面积计算机辅助设计32007年钢管学会年会0前言

限动芯棒连轧管生产工艺具有产品尺寸精度高、综合机械性能好、产量高、生产成本低、自动化程度高的优点，在世界范围内得到了普遍推广，成为应用最多的轧管方式，鞍钢股份公司无缝钢管厂Φ159MPM机组轧管机就是从德国SMS公司引进的典型MPM限动芯棒连轧管机组。42007年钢管学会年会

对于连轧孔型设计，国内院校、厂矿也都有研究，但是相关的论文、资料很少见到。孔型设计是MPM连轧管机的技术核心，合适的孔型是生产过程顺利进行和产品质量优良的保证。鉴于连轧孔型的重要性，我们对孔型设计进行了探讨，通过研究INNSE的工艺资料及MPMMOD，推导出关键的计算公式，并根据研究结果设计了一套计算机辅助设计软件，利用该软件，可以快速校核孔型参数，本文将加以介绍。52007年钢管学会年会1孔型设计方法连轧管机组一般采用带圆弧侧壁的圆孔型，也有采用椭圆孔型和圆孔型结合的孔型，现代Mini-MPM轧机一般采用五机架轧机，第一架使用椭圆孔型，第二至第五架采用圆孔型。62007年钢管学会年会连轧管机的孔型设计一般是按该孔型所轧制的最薄壁管计算的。变形量分配都是前面机架取大的壁厚相对压下量和延伸系数，后两架成品机架主要作用是使管子园化并能够顺利脱棒，变形量很小，第一架减壁量略低于第二架的减壁量。72007年钢管学会年会孔型设计的方法很多，各工厂所用的孔型设计不完全相同，但设计方法大同小异，计算步骤如下(以我厂172系列孔型设计为例)：（1）计算总延伸系数μz。μz=A0/A5，其中A0为毛管横截面积，A5为荒管横截面积。μz=3.63982007年钢管学会年会（2）分配各机架的延伸系数。第一架的延伸系数较大，可以补偿由于穿孔机设定不当引起的毛管尺寸偏差，第二架可包容第一架的延伸，延伸系数根据经验确定。92007年钢管学会年会102007年钢管学会年会延伸系数St1St2St3St4St5平均1.5581.5161.3001.1371.020槽底1.8462.3511.6691.3761.050112007年钢管学会年会（3）根据各机架的平均延伸系数确定该架轧后的横截面积。（4）根据各机架槽底延伸系数，确定孔型参数，以下为相关系数，都是经验值：122007年钢管学会年会132007年钢管学会年会(5)将所得孔型中金属横截面积Ai与前述所确定的金属横截面积进行比较，若误差在允许范围内，则通过上述各步计算的参数即为最终孔型参数。否则应以适当步长改变孔型半径Ri，重复进行计算，直到误差在允许范围内。此时的Ri就是第i架孔型半径，根据该半径求出的孔型参数即为最终孔型参数。这里面金属横截面积计算是孔型设计的关键环节，最为复杂，在随后将详加叙述。142007年钢管学会年会（6）确定各机架辊缝。各机架的最小辊缝值约等于前一机架最小壁厚的两倍，一般第一、二架的最小辊缝值相等。152007年钢管学会年会2金属横截面积计算方法设计好的孔型参数需要通过计算延伸系数来验算，金属横截面积的计算过程比较复杂，为了增加条理性，分四步加以介绍。162007年钢管学会年会2.1计算孔型各点坐标孔型各段圆弧半径及角度确定后，在直角坐标系中，可以计算出各段圆弧的圆心坐标、连接点坐标，从而画出各架孔型图。这个过程比较简单，这里就省略了。172007年钢管学会年会182007年钢管学会年会2.2计算金属轮廓面积2.2.1计算st1金属轮廓面积192007年钢管学会年会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年钢管学会年会2.2.2计算st2~5金属轮廓面积212007年钢管学会年会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年钢管学会年会2.3计算芯棒与金属之间间隙面积2.3.1计算St1机架芯棒与金属之间间隙面积232007年钢管学会年会空减后钢管壁厚为δ，芯棒直径为Dt，F1=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年钢管学会年会2.3.2计算St2～5机架芯棒与金属之间间隙面积252007年钢管学会年会 过O画一条直线，与金属外表面交于点P，与X轴夹角为j，直线OX方程为y=tg(j)*x

金属外圆弧方程为：0°≤j＜α3时，（x-xo3）2+y2=R32 α3≤j＜α1时，（x-xo2）2+(y-yo2)2=R22 α1≤j＜90°时，x2+y2=R12

可以求出[0°，90°]范围内的P点坐标，直线与金属内表面交于点Pi,Pi点坐标为：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)为第i-1孔，90°-j处的壁厚，考虑到未受到加工，如不考虑增厚或拉薄，可用上一架壁厚代替该架j处的壁厚。262007年钢管学会年会以1/8°为步长，从0°开始，以不同的j值代入上面式子，并计算Lopi=SQRT(xpi2+ypi2)

当Lopi≤0.5*Dt时，计算停止，此时，j=α2，即为金属与芯棒的脱离角。计算该处间隙面积必须使用微单元法，即把该块每隔1/8°分割为一个小梯形，把每个梯形的面积计算出来后再求和。

△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年钢管学会年会2.4计算金属横截面积金属横截面积F=Fp-△Ft-m-0.25*πDt^2

计算出金属横截面积之后，与按照延伸系数确定的横截面积比较，如果误差超过0.5％就修正孔型参数，并重新计算，直到误差小于0.5％。之后，可以计算出各机架延伸系数，并确定各架孔型参数。282007年钢管学会年会3计算机辅助设计软件的开发由于St2～5机架芯棒与金属之间间隙的计算需要进行积分，计算起来非常复杂，手工计算几乎不可能。我们把推导过程整理出来，利用VB6.0编程语言，编写了一套计算机辅助设计软件，基本功能包括：参数输入，孔型各点坐标计算，延伸系数的计算，并且可以画出孔型图。292007年钢管学会年会利用该软件我们计算INNSE设计的172孔型参数，并与使用INNSE提供的MPMMOD运算结果进行比较：机架号St1St2St3St4St5软件计算横截面积4844.323184.732466.152154.142133.94延伸系数1.5401.521

1.2901.1461.010MPMMOD计算横截面积4835.33189.92454.42158.82116.8延伸系数1.5581.5161.3001.1371.020横截面积偏差（％）0.19-0.16

0.48

-0.22

0.81

302007年钢管学会年会计算结果与原始资料比较接近，误差小于最大不超过0.5％，证明我们的计算方法是正确的。312007年钢管学会年会4结语通过对连轧孔型设计的研究及计算机辅助设计程序的开发，加深了我们对连轧工艺的理解，对日后的孔型优化、设计很有帮助。同时，利用该软件可以做很多工作：①计算孔型各点坐标，指导孔型加工。②辅助设计新孔型，快速计算金属横截面积、校核孔型参数。③可以画出各架内金属与芯棒