材料成型专业课程设计.docx
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材料成型专业课程设计
《铝合金薄材冷轧工艺优化》专业课程设计
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机械0811班（材料成型2班）
姓名：
海亮
学号：
0806081219
指导老师：
吴运新老师
一、《铝合金薄材冷轧工艺优化》题目容………………………………….……..……2
二、轧机参数…………………………………………………………………………………………….…..…...2
三、冷轧工艺制度…………………………………………………………………….……………….……..3
1、M.D.斯通公式……………………………………………………………………………………….…...3
2、轧件合金参数……………………………………………………………………………………..……..4
3、道次分配…………………………………………………………………………………………………….5
4、润滑……………………………………………………………………………………………….…………..7
四、电机功率校核………………………………………………………………….………………….……..8
1、传动力矩…………………………………………………………………………...………………………8
2、静负荷图……………………………………………………………………………….…………………..9
3、主电机校核………………………………………………………………………………………………10
五、冷轧车间工艺布置简图…………………………………………………………………..…….10
参考书目………………………………………………………………………………………………….………..11
铝合金薄材冷轧工艺优化
一、《铝合金薄材冷轧工艺优化》题目容
铝合金薄材冷轧工艺优化（轧制道次、压下量最优化分配）
1）、合金牌号：
1xxx系列合金、2xxx系列合金、3xxx系列合金、5xxx系列金
2）、板宽度：
1500mm
3）、板厚度：
4.5~6.5mm；成品厚度：
0.15~0.45mm
4）、轧机：
单机架不可逆轧制；速度：
小于1500m/min
二、轧机参数
根据轧板宽度为1500mm，选择轧机
轧机型式
四辊不可逆式铝带冷轧机
轧机规格
φ380mm/φ960mm/1600mm
轧制材料
1xxx、2xxx、3xxx、5xxx、8xxx系列合金
来料厚度围
<8mm
来料宽度围
1000mm~1500mm
来料卷外径围
φ700mm~1700mm
来料最大卷重
7000kg
成品厚度围
0.05mm~3.5mm
成品宽度围
940mm~1500mm
成品最大外径
φ1700mm
成品最小外径
φ750mm
轧制速度
基速：
300m/min-1；最大速度：
660m/min-1
轧制力
12000KN
主传动电机功率
2x730KW
保证值厚度公差
0.05±0.002mm
0.1±0.005mm
工作辊
φ380mmx1650mm
支撑辊
φ960mmx1600mm
轧制方向（站在操作侧看带材前进方向）
从右至左
开卷机力围
5.0~120KN
开卷机电机功率/转速
2x197KW/1450r/min
卷取机力
3.0~120KN
卷取机电机功率/转速
3x197KW/1450r/min
工艺润滑油量
4000L•min-1
工艺润滑油体积
80m3
机列外形
32mx21mx4.65m
三、冷轧工艺制度
1、M.D.斯通公式
轧制力是指轧件对轧辊合理的垂直分量，即轧机压下量螺丝所承受的总压力。
后滑区作用于微分体上的力示意图：
考虑到冷轧是轧辊弹性压扁，而D/h一般足够大，在计算轧制力时可选用M.D.斯通公式。
M.D.斯通公式求轧制力具体步骤：
（参考《金属压力加工原理》立群第5、6章节）
（1）、根据公式X2=（eX-1）Y+Z2求X
其中X=
Y=2CR
（K-
）,Z=
式中各参数意义：
f为摩擦系数f=tanβ，β为摩擦角
l`为考虑轧辊弹性压扁轧件与轧辊的接触长度
为轧件平均长度，H为轧件进口厚度，h为轧件出口厚度
C=
，υ为轧辊的泊松比，E为轧辊的氏模量
R即轧辊半径（D代表轧辊直径）
K为平面变形抗力，一般冷轧时K=1.15σ，σ为轧件屈服强度（σ0.2或σs）
为平均单位应力，冷轧时
带入Y、Z及其它参数整理得：
······①
（2）、根据公式
求轧制单位压力
其中
，
为考虑外摩擦影响的应力状态系数
带入参数有：
······②
（3）、根据公式P=
l`求轧制力P
其中B为轧件宽度，冷轧时轧件宽度基本不变，l`=
可根据X的值求，
带入参数有：
······③
2、轧件合金参数
（1）、一般刚轧辊υ=0.3，E=2.2x104kgf/mm2，轧辊滚面粗糙，摩擦系数f=0.09（摩擦角β≈5°）。
根据公式C=
可求得
mm2/kgf
轧辊的摩擦系数会影响轧制咬入、轧件成品质量，根据轧件与轧辊接触瞬间的咬入条件α<β，稳定轧制的充分条件αM<β，以及压下量与咬入角的关系式
（式中R=190mm，Δh为压下量），可列出下表：
最大咬入角
α（°）
摩擦系数
f
接触咬入时的
Δh（mm）
稳定轧制时的
Δh（mm）
冷轧（高度光洁并良好润滑）
3
0.05
0.52
2.08
4
0.07
0.93
3.70
冷轧（粗糙滚面）
5
0.09
1.45
5.77
6
0.11
2.08
8.30
7
0.12
2.83
11.29
8
0.14
3.70
14.72
由表可知，冷轧在滚面高度光洁并良好润滑时最大咬入角为3°~4°，最大压下量Δh<0.93mm，此时前2道次加工率会很低，从而降低了生产效率，增加了生产成本。
因而取轧辊摩擦角β=5°，f=tanβ=0.09，接触时允许最大压下量（Δh）max=1.45mm
（2）、根据课题要求，定铝合金坯料厚度为4.5mm，成品厚度为0.3mm，宽度B=1500mm，
将以上参数带入X公式①，以及轧制力公式③
有：
由上公式知X、轧制力P的值只与H、h、σ、
相关，
假定冷轧第一道次压下率只有20%，即H=4.5mm，h=3.6mm，
可绘出
-X-σ曲线图
红色实线表示轧件材料的屈服强度σ单位Mpa
蓝色虚线表示轧制力的千分之一，即图中P的数值单位为KN
由上图可知，P与σ呈正相关性，由于P≦120KN，则X≦0.515，σ≦348.47Mpa
即，选择所轧材料的屈服应尽量低于348.47Mpa。
铝合金中7xxx系列属于超高强度，常温常态下硬度一般都大于348.47Mpa；而4xxx系列合金主要合金元素是Si，很脆；6xxx系列主要合金元素为Si、Mg，适合做挤压合金；故只可选1、2、3、5系列合金。
其中2xxx系列合金为硬铝合金，某些牌号在一定状态和温度下屈服强度会高于348.47Mpa，所以选2xxx系列时应再次验算轧制力，其他1、3、5系列属于软铝合金，不成在屈服强度过高的问题。
根据以上验算，选5A02铝合金，查表知其σ=210Mpa。
3、道次分配
（1）、等压下率分配
5A02合金为软铝合金，其工业冷轧中间总加工率围一般为60%~85%，道次加工率围一般为20%~45%。
为了减少加工道次、充分发挥合金塑性、提高生产率，ε应尽量取大点，初定
。
根据公式
带入值H=4.5mm，h=0.45mm，
算得n=4.5，取n=5，再根据公式可求得
。
由等压下率分配可得道次分配如下：
道次
入口厚度（mm）
出口厚度（mm）
道次压下量Δh
道次压下率ε
总压下率ε`
平均力F（KN）
轧制力
P（KN）
1
4.5
2.84
1.66
462.42
7073.23
2
2.84
1.79
1.05
291.69
6952.69
3
1.79
1.13
0.66
183.96
8183.00
4
1.13
0.71
0.42
115.92
总压下率ε`=84.2%，需要进行中间退火
5
0.71
0.45
0.26
其中：
平均力
，轧制力P根据公式①、③求得
各道次轧制速度v
······④（η为电机效率，取0.8）
从上表可以看出，按等压下率分配时，前3个道次的轧制力约为最大轧制力12000KN的1/3，前2道的平均力大于轧机允许最大力120KN，第一道次的道次压下量1.66大于接触咬入条件所允许的最大值（Δh）=1.45mm，故压下分配需要继续优化。
（2）、分配优化
根据公式①、③可知，在保证一定压下率的条件下，可以通过调节轧制平均应力
的值来控制平均力和轧制力的大小；为了稳定工艺、方便调整板型，中间各道次（第2、3、4道次）的轧制力尽量接近；
Ⅰ、第一道次
根据接触咬入条件所允许的最大值（Δh）=1.45mm，取定第一道次压下量Δh=1.4mm；即ε=31.11%。
根据最大力（F）max≤120KN，可求得
取
，则可算得
F=114KN，X=0.55，P=10305.39KN，v=4.16m/s
Ⅱ、第二道次
在保证平均压下率和接触咬入的条件下，改善润滑条件，使f=0.07，取Δh=1.4mm，即ε=45.2%。
此时根据最大力（F）max≤120KN，可求得
取
，则可算得
F=118.8KN，X=0.681.，P=10461.52KN,v=4.03m/s
Ⅲ、第三道次
在保证平均压下率和接触咬入的条件下，取Δh=0.64mm，即ε=37.6%。
此时根据最大力（F）max≤120KN，可求得
为使轧制力与第二道次接近取
，则可算得
F=82.8KN，X=1.017，P=10518.96KN，v=5.79m/s
Ⅳ、第四道次
在保证平均压下率和接触咬入的条件下，取Δh=0.4mm，即ε=37.7%。
此时根据最大力（F）max≤120KN，可求得
为使轧制力与第二道次接近取
，则可算得
F=109.7KN，X=1.539，P=10552.73KN，v=4.38m/s
Ⅴ、中间退火
第四道次轧制完成后，轧件的中间冷轧总加工率
，由于压下率过大，需要中间退火，以消除加工硬化，提高轧件塑性，避免轧件出现裂边或断片。
查表知3A21铝合金冷轧板的开始再结晶温度为320°C~325°C，再结晶终了温度为515°C~520°C，采用空气炉加热退火，温度设为515°C~520°C，加热时间为30min。
Ⅵ、第五道次
成品厚度h=0.45mm，即Δh=0.21mm，ε=31.8%。
此时根据最大力（F）max≤120KN，可求得
，
，则可算得
F=114KN，X=2.052，P=8430.8KN，v=4.22m/s
优化分配参数总表如下：
道次
入口厚度（mm）
出口厚度（mm）
道次压下量Δh
道次压下率ε
总压下率ε`
平均力F（KN）
轧制力
P（KN）
速度
V（m/s）
1
4.5
3.1
1.4
114
10305.39
4.16
2
3.1
1.7
1.4
45.2%
118.8
10461.52
4.03
3
1.7
1.06
0.64
37.6%
82.8
10518.96
5.79
4
1.06
0.66
0.4
37.7%
109.7
10552.73
4.38
总压下率ε`=85.33%，需要进行中间退火
5
0.66
0.45
0.21
31.8%
114
8430.80
4.22
4、润滑
润滑采用乳化液润滑，由80%~85~的机油、10%~15%的油酸、5%的三水乙醇胺配成的乳剂与90%~97%的水搅拌成。
其中水主要起冷却作用，机油为润滑油，油酸即为油性剂，增加矿物油的润滑性能，又能与三水乙醇胺反应形成胺皂，起着乳化剂作用，以获得稳定的乳化液。
四、电机校核
1、传动力矩
要确定主电机功率、必须首先确定传动轧辊的力矩。
在轧制过程中，在主电机轴上，传动轧辊所需力矩由以下几个部分构成：
MΣ=M/i+Mf+M0+Md
式中：
M—轧制力矩使轧件产生塑性变形
i—轧辊与主电机间的传动比
Mf—附加摩擦力矩，作用于轴承、传动机构等位置
M0—空转力矩。
克服空转时的摩擦力距
Md—动力距，克服加速、起动等时刻的惯性力矩
组成传动辊的力矩的前三项为静力矩，即Mc=M/i+Mf+M0
（1）、轧制力矩M的计算
按轧件对轧辊的作用力、轧制力矩
M=2P·a
式中：
a—力臂a=ψl
ψ—力臂系数，冷轧板带时取0.33
l—接触弧长度，
即M=2P*0.33*
······⑤
（2）、附加摩擦力矩Mf
Mf=Mf1/i+Mf2
Mf1=P/2×f1×d1×4=P×d1×f1,为轴承中的附加摩擦矩
P—轧制力,f1—轴承摩擦系数滚动轴承f1=0.003~0.01
为换算到主电机轴上的摩擦力矩
η1为传动机构（减速机、齿轮机座）的效率，齿轮传动时
η1=0.96~0.98
即有：
······⑥
（3）、空转力矩M0
空转力矩：
是空载转动轧机主机列所需力矩。
空转时轧辊、接轴、齿轮、飞轮等到主电机的传动比不同，因轴颈半径各不相同，因此，应分别计算后再加合。
即M0=
∑MKn=∑（Gn×Fn×dn）/2in
通常按经验定：
M0=（0.03~0.06）Mn，Mn—电动机的额定转矩
取M0=0.45Mn······⑦
根据公式⑤、⑥、⑦可算出轧制力矩M、附加摩擦力矩Mf、以及空转力矩M0，再求和可得静力矩Mc。
各道次各力矩的值如下表：
道次
轧制力矩M（N/mm）
附加摩擦力矩Mf（N/mm）
以及空转力矩M0（N/mm）
静力矩Mc（N/mm）
1
9.109x107
3.916x107
1.359x106
9.588x106
2
8.126x107
3.975x107
1.359x106
9.713x106
3
7.656x107
3.997x107
1.359x106
7.748x106
4
3.139x107
4.010x107
1.359x106
6.887x106
5
3.515x107
3.204x107
1.359x106
5.043x106
2、静负荷图
由轧机参数知，卷料最大外径D=1700mm，卷取辊直径为d=380mm，卷料圈数
，其中H为来料厚度。
则来料总长
，出料总长
，每道次轧制时间
根据工艺定制数据即可计算出各道次轧制所需时间，具体如下表：
1
2
3
4
5
总和
tn（min）
1.908
3.587
4.000
8.490
9.417
27.402
t`n（min）
5
5
5
5
25
其中t`n为没道次的间歇时间，具体数值需根据车间实际生产经验来确定，越短越有利于生产效率。
根据上表以及每道次的静力矩表可画出主电机静负荷图：
3、主电机校核
当主电机的传动负荷图确定后，才能对电动机的功率进行计算。
此工作由两部分组成：
一是由负荷图算出“等效力矩”，它不能超过电机的额定力矩，二是负荷图中的最大力矩不能超过电动机的允许过载负荷和持续时间。
若为新选电机，则应依据等效力矩和所要求的转速选择电机。
（1）、等效力矩计算
轧机工作时电机负荷是间断式的不均匀负荷，而电动机的额定力矩是指电动机在一定负荷下长期工作时其温升在允许的围的力矩。
因此，校核电机时首先应计算出等效力矩：
Me=
······⑦
式中：
∑ti—轧制时间各段纯轧时间/min
∑t`i—轧制时间各段间隙时间/min
Mi—纯轧时间所对应的力矩/N.mm
M`i—间隙时间对应的空转力矩/N.mm
根据公式⑦可算得：
Me=2.784x106N/mm
（2）、电机校核
校核电动机温升条件学：
Me=2.784x106N/mm﹤Mn=3.021x107N/mm
校核电动机过载条件学：
Mmax=9.713x106N/mm≤KG×Mn=（2.5~3.0）x3.021x107（交流电机电机允许过载系数KG=2.5~3.0）
校核数据表明，主电机满足温升条件和过载条件。
五、冷轧车间工艺布置简图
根据轧机规格、成品参数以及轧制工艺画得冷轧车间工艺布置简图，如下：
参考文献：
1、立群，宋美娟.金属压力加工原理.：
冶金工业，2008
2、肖亚庆，水生，静安.铝加工技术使用手册.：
冶金工业，2005
3、彦博，红亮，翁康荣.有色金属轧制技术.：
化学工业，2007
4、王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册.：
中南工业大学，1989
5、黄清华.轧钢机械.：
冶金工业，1980年12月
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