63a工字钢孔型设计及其工艺流程解析.docx
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63a工字钢孔型设计及其工艺流程解析
机械工程学院
课程设计任务书
专业班级：
设计人：
同组人：
设计题目：
工字钢孔型设计及生产工艺
设计参数：
坯料F=15465.8mm2钢种：
Q235钢；
产品规格：
63a工字钢。
设计要求：
通过本课程设计使学生了解型钢生产现状及今后发展趋势；熟悉型钢生产工艺过程；掌握型钢轧机孔型计算方法，为毕业设计及今后从事相关的专业打下必要的基础。
设计内容包括：
1）制定工艺方案；2）设计孔型系统；3）计算轧制力能参数；4）计算机绘制相关图纸；5）撰写说明书。
设计时间：
2014年11月24日至2014年12月12日
设计人（签字）
指导教师（签字）
教研室主任（签字）
附注：
本课程设计任务书由学生附入设计说明书内。
摘要
63a工字钢在现代工业和建筑业用途相当广泛。
同时可以表现出一个国家的工业发展程度。
本文对工字钢的生产及其设计有了一些解，掌握工字钢生产的基本知识。
通过钢坯的选择、粗轧机的轧制、轧边机、万能轧机、万能精轧机、最后扎出符合客户需要的产品。
本文对工字钢的优点，本文综合上述所有工字钢的优点，阐述了工字钢的扎制时所需的孔型的设计。
以及坯料的选择等内容。
关键字：
万能轧机、63a工字钢、轧边机、孔型
第一章绪论
1.1工字钢的优点
63a工字钢由于性能稳定、结构合理、强度和刚度好，目前在国内外市场上所占比例在逐步上升。
翼缘宽，侧向刚度大,抗弯能力强。
翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安装简便。
与一般型钢相比，成本低、精度高、残余应力小、无需昂贵的焊接材料和焊缝检测、节约钢结构制作成本30%左右。
相同截面负荷下．热轧H钢结构比传统结构重量减轻15%-20%。
与砼结构相比，工字钢结构可增大6%的使用面积，而结构自重减轻20%-30%，减少结构设计内力。
工字钢可加工成T型钢，蜂窝梁可经组合形成各种截面形式，极大满足工程设计与制作需求[1]。
1.2工字钢的用途
广泛用于各种建筑结构、桥梁、车辆、支架、机械等。
1.3工字的种类
1.3.1普通工字钢
据GB/T706—1988规定，普通工字钢的规格为10—63号（即H=100—630）
普通工字钢推的宽度b较窄、腿内侧壁斜度较大、在使用上很不经济。
1.3.2 轻型工字钢
在保证强度的条件下，为了节约金属而出现轻型工字钢，他的规格为10—70号，内侧斜度为20%。
轻型工字钢与普通工字钢相比，工字钢腿宽平均增加12%左右，要和腿的厚度以及内侧壁斜度都减小，采用轻型工字钢可节约金属15%[2]。
1.4本文主要内容
本文综合上述所有工字钢的优点，阐述了工字钢的扎制时所需的孔型的设计。
以及坯料的选择等内容。
第二章工字钢的介绍
2.1工字钢的介绍
工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材，工字钢的型号用腰高的厘米数表示。
工字钢的种类有普通工字钢，其腰宽由100~600毫米，表示为No10~No60，其边部内侧壁斜度为1:
6；轻型工字钢，No18以上者变高约增加12%，腰厚及边厚内侧壁斜度均减小，采用轻型工字钢可节约金属15%，它的规格为No14~No70；宽平行边工字钢或宽缘工字钢或H型钢，其特点是边部内侧壁几乎没有斜度，边部较宽，故称为宽平行边工字钢，其规格有No20~No100；此外还有柱形钢以及H型钢柱，其特点为边宽与腰宽相等，及其他尺寸不同的特殊用途的工字钢[3]。
2.2工字钢截面图
图2.2.1工字钢结构图
2.3设计63a工字钢规格及各个参数
2.3.163a工字钢各参数
表2.3.163a工字钢各个参数
型号
截面尺寸/mm
截面积/㎝2
h
b
d
i
r
r1
45a
450
150
11.5
18.0
13.5
6.8
102.446
45b
152
13.5
111.446
45c
154
15.5
120.446
50a
500
158
12.0
20.0
10.4
7.0
119.304
50b
160
14.0
129.304
50c
162
16.0
139.304
55a
550
166
12.5
21.0
14.5
7.3
134.185
55b
168
14.5
145.185
55c
170
16.5
156.185
56a
560
166
12.5
135.435
56b
168
14.5
146.635
56c
170
16.5
157.835
63a
630
176
13.0
22.0
15.0
7.5
154.658
63b
178
15.0
167.258
63c
180
17.0
179.658
2.3.2外形容许偏差
表2.3.2外形容许偏差
高度
（h）
高度
允许偏差
<100
±1.5
100~<200
±2.0
200~<400
±3.0
≧400
±4.0
腿宽度
（b）
<100
±1.5
100~<150
±2.0
150~<200
±2.5
200~<300
±3.0
300~<400
±3.5
≧400
±4.0
腰厚
（d）
<100
±0.4
100~<200
±0.5
200~<300
±0.7
300~<400
±0.8
≧400
±0.9
第三章工艺流程
本设计是热轧工字钢型钢
工字钢型钢的轧制一般现在传统的二辊轧机的平轧孔型中经过多道次轧制出工字型异形坯，然后在万能轧机架和轧边机中进行多道次轧制，轧出工字型轧件，最后在万能精轧机上轧出工字钢型钢。
即轧件在由万能轧机、轧边机、万能轧机三机架组成的万能粗轧连轧机组上进行往复轧制，后由一架万能精轧机轧出工字钢型钢。
具体工艺流程如下：
第四章万能成品孔孔型设计
4.1坯料的选择
4.1.1材料的选择：
Q235B
碳素结构钢Q235B与优质碳素钢的区别在于对含碳量及性能范围要求，以及对硫，磷等残余元素的限制较宽，一般在热轧状态下使用。
Q235B钢含碳量适中，综合性能较好，强度，塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最为广泛。
4.1.2柸料的尺寸
初步选择异形坯,断面面积F=15465.8㎜2
4.2轧制道次的确定
按产品标准查得63a工字钢的断面面积为15465.8m㎡,取
μc=1.30（查经验公式：
n=lgηε/lgη）n=lgηε=lg（
）=0.81。
n=lg0.81/lg1.10≈11
n取整n=11,所以轧制道次为11次。
4.363a成型孔型的设计
图4.3成品孔型
4.3.1孔型宽度
Bk1=[b-（0.5～1）△-]（1.012～1.014）
B-----------------------成品宽度冷尺寸mm
△----------------------成品腰宽负偏差mm
1.012～1.214----------热膨胀系数
Bk1=[630-0.6×（-4）]×1.013=[630+2.4]×1.013=640.6212
4.3.2腰厚的计算
dk1=d-γ=13.0+0.9=13.9
d--------成品腰厚冷尺寸mm
γ------成品腰负偏差mm
4.3.3腿高的计算
确定成品腿长要保证以下两个原则：
a,当腰厚调整到最大正偏差时H不得超出大腿高正偏差。
b,当腰厚调整到最小负偏差时，H不得小于最小腿高正偏差。
这是因为随扎槽磨损腿高会自行减小，另外腿高随辊缝调整而变化，腰厚尺寸调整到标准值时，腿高不应超过正偏差，随扎制进行，孔型不断调整，腿高将不断变短，因此为保证腿高，采用正偏差设计。
h1=hk1+hb1+d1=（h+δ-γ）（1.012~1.014）
=（176+4+4）×1.013=186.392
h------成品总高冷尺寸mm
δ-----成品高正偏差mm
开口腿与闭口腿长度相等即
hk1=hb1=（h1-d1）/2=（186.392-13.9）/2=86.25
设计小号工字钢时因腿高拉缩量较小，按标准尺寸确定：
h1=（1.012～10.04）hk1=1.013×176=178.288
4.3.4腿厚的计算
腿厚容许偏差±△t一般采用负偏差，△t=
腿端尺寸为：
ak1=ab1=tk1-105hk1y=22-0.5×86.264×1/6=14.811
y-----------腿的侧斜度
腿根尺寸为：
bk1=bb1=tk1+0.5hk1×1/6=22+0.5×86.264×1/6=29.19
4.3.5其他尺寸，各处圆弧尺寸
rk1=7.5mmr=15mm
第五章其他直轧法孔型设计
5.1孔型腰宽的计算
Bk2=Bk1-△d=640.6212-1.5=639.1212mm
△d-------孔腰部压下量
5.2孔型腰厚的计算
dk2=dk1+△d=13.9+1.5=15.4mm
5.3腰部面积的计算
Fy2=639.1212×15.4=9842.46648m㎡
Fy1=B1d1=640.6212×13.9=8904.63468m㎡
5.4腰部延伸系数的计算
μy1=Fy2/Fy1=9842.46648/8904.63468=1.105
第六章其他万能工字孔型的设计
对于万能成品孔前的各道次万能工字型，孔型形状与成品孔相似，主要区别是工字形扎件的腿部外侧壁与腰部并非垂直，而是形成大于90°的夹角，因而立辊形状类似腰鼓（有利于提高立扎辊的重车率）。
在设计平立辊孔型尺寸时，要注意平辊侧缘斜度和立辊辊面斜度放入关系，通常平辊侧缘斜度取13°，立辊辊面斜度取4°~5°，两者形成8°~9°夹角，与成品腿部内侧斜度1:
6基本吻合。
此外，平辊的圆角按成品腿根圆角的112倍选取，使成品孔的腿根得到良好的加工。
万能工字孔型设计的关系是各道次腰部和腿部厚度的压下分配，计算步骤如下。
①逆扎制顺序确定各道次的腰部压下系数成品道次取较小值（1115~1120），然后逆扎制顺序逐渐取较大值（1.20~1040）.
②根据各道次万能孔的腰部压下系数从成品道次反算扎件腰部厚度尺寸。
③逆轧制顺序确定各道次的腿部压下系数根据工字钢变形特点，腿根部压下系数要比腰部厚度压下系数大3%~8%。
根据各道次万能孔的腿部压下系数，即可从成品道次反酸扎件腿部厚度尺寸。
④估算腿部长度由于万能孔型中，工字型扎件的腿端完全是开口的，因此其腿长只需粗略估算。
在估算时要考虑在万能孔型质检轧边道次的腿部压下量的0.3~0.5倍。
显然，腿部长度与万能孔型尺寸关系不大，但却是关系到轧边孔和中间孔设计的一个重要参数。
成品成孔前各道万能工字孔型如图5-17所示。
其设计主要是分别确定平辊和立辊的压下程序，因为各道孔型尺寸完全相同，仅是辊缝值不同。
因此，成品孔前各万能平辊对于某个规格可共用，前立辊对于所有规格的工字钢均能共用。
图6.1其他孔型
6.1各孔高度的计算
图6.1其他孔型
取△b2=2mm△b3=3△b6=3△b7=3△b9=3△b10=2
K2:
B2=638.6212mm
K3:
B3=638.6212mm
K4=K5=K6：
B4=638.6212-3=635.6212mm
K7：
B6=635.6212-3=6212mm
K8=K9:
B7=632.6212-3=629.6212mm
K10:
B10=629.6212-3=626.6212mm
K11:
B11=626.6-2=624.6212mm
6.2各孔腰厚的计算
图6.2其他孔型
△d2=4mm△d3=2mm△d4=4mm△d6=3mm△d7=3mm△d8=4mm△d9=4mm△d10=3mm△d11=3mm
K2:
d2=13.9-4=9.9
K3:
d3=9.9+2=11.9mm
K4=K5=11.9-4=7.9
K6:
d6=7.9+3=10.9mm
K7:
d7=10.9+3=13.9mm
K8:
d8=13.9-4=9.9mm
K9:
d9=9.9+4=13.9mm
K10:
d10=13.9+3=16.9mm
K11:
d11=16.9+3=19.9mm
6.3各腿腿长的计算
图6.3其他孔型
△h2=4mm△h3=1mm△h4=4mm△h6=1mm△h7=1mm△h8=1mm△h9=1mm△h10=1mm△h11=1mm
K2:
h2=178.288-4=174.288mm
K3:
h3=174.288-=173.288mm
K4=K5:
h4=173.288-4=169.288mm
K6:
d6=169.288-1=168.288mm
K7:
d7=168.288-1=167.288mm
K8:
d8=167.288-1=166.288
K9:
d9=166.288-1=165.288mm
K10:
d10=165.288-1=164.288mm
K11:
d11=164.288-1=163.288mm
第七章轧制力的计算
7.1计算K7的轧制力
=（1+m）（K+η
）
试中
m--------外摩擦对单位压力影响的系数;
η--------黏性系数;
--------平均变形速度；
其中（1+m）是考虑外摩擦的影响，为了决定m，公式如下：
m=
平均变形速度
用下式计算：
=
计算黏性系数：
η=0.1（14-0.01t）
=0.1（14-0.01×1000）=0.4
式中
------------决定于轧制速度系数。
轧制速度/m
s-1系数
<61
6~100.8
10~150.65
15~200.60
f=a（1.05-0.0005t）=1×（1.05-0.0005×1000）=0.55
m=
=6.286
=
=0.0029
K=9.8（14-0.01t）[1.4+w（C）+w（Mn）]
t---------------------轧制温度
w（C）------------碳含量
w（Mn）--------------锰含量
K=9.8（14-0.01t）[1.4+w（C）+w（Mn）]
=9.8（14-0.01×1000）[1.4+0.2+1.4]=117.6
=（1+m）（K+η
）=（1+6.286）（117.6+0.4×0.0029）=740.233
7.2接触面积的计算
F=
=
=31071mm2
7.3轧制力的计算
▪F=740.233×31071.94=1.3×107N
7.4压下规程的计算
表7-2万能轧机压下规程
道次
机架类型
腰部厚度d/mm
腰部压下量△d/mm
腿部压下量△t/mm
腿部高度B/mm
轧边机压下量△E/mm
轧制速度m/s
接触面积mm2
1
UF
13.9
4
4
178.288
4
2
E
9.9
2
1
174.288
3
UR2
11.9
2
2
173.288
4
E
7.9
4
4
169.288
4
5
E
7.9
0
0
169.288
0
8
31071.94
6
UR2
10.9
3
1
168.288
7
UR2
13.9
3
1
167.288
8
E
13.9
1
1
166.288
4
9
UR1
14.9
1
1
165.288
3
10
UR1
15.9
1
1
164.288
11
UR1
16.9
1
1
163.288
结论
本文选用Q235钢来轧制63a工字钢，设备选用万能轧机，轧边机等设备轧制出符合标准的钢材，本文整理了轧制过程中各部分所需要的参数，每个轧制过程中的压下量、压下规程、接触面积和轧制孔型都有了详细的计算和解释。
本文并对各个孔型做出了详细的计算。
本文得出结果有
▪F=1.3×107N,F=31071mm2,
等等。
参考文献
[1]胡彬.型钢孔型设计.冶金工业出版社2010.8.
[2]齐克敏.王廷博.金属塑型加工学（轧制理论与工艺）.冶金工业出版社2013.7.
[3]徐春.王全胜.张驰型钢孔型设计.化学工业出版社2011.4.
致谢
在本次将近三个星期的课程设计中，由于时间紧迫，任务繁重，加上本人缺乏实际设计经验，故在资料准备，文献参考，工艺设计和孔型计算等方面有老师的指导。
感谢老师的精心指导，在此向王老师致以最崇高的敬意和最真诚的的谢意！
课程设计中存在的不足之处望老师加以纠正和批评。
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