孔型設計對棒材連軋穩定性的影響

潘 露，帥美榮，黃慶學

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原030024;2.安徽機電職業技術學院機械工程系，安徽蕪湖241002)

長期以來，我國鈦合金棒線材的生產以二輥平立交替連軋為主，由于鈦合金材料本身的物理化學性能以及二輥軋機的變形特點，傳統二輥軋機軋制的鈦合金棒線材極易出現有害寬展，生產效率低，產品質量差，無法滿足鈦合金高端產品的需求[1-2]。針對上述生產弊端，本文提議用三輥Y型軋機代替二輥連軋系統中的立輥軋機，形成三輥-二輥混合連軋系統。

三輥軋機又稱為Y型軋機，由3個互成120°的盤狀軋輥組成，軋輥布置如“Y”型，軋機設備緊湊，軋件溫降小，有效地保證了軋制溫度，孔型變形均勻，寬展小，尺寸精度高，尤其適合軋制塑性差、難變形的金屬材料。但是，三輥Y型軋機在實際應用中軋制穩定性差，軋件的對稱軸相對于孔型的對稱軸經常發生偏轉，軋件失穩導致“軋卡”，中斷軋制過程。軋件失穩受多方面的影響，如來料尺寸，軋件溫度、軋制張力、充滿度、孔型設計及導位裝置設計等[3-4]。

為提高三輥Y型軋機軋制穩定性，鄭寶強[3]等提出通過調整導位裝置，保證前一道次軋出的弧三角形軋件進入下一道弧邊三角形孔型中不傾倒的條件，即扭轉角小于其極限值。李志強[5]等提出軋件先經過二輥六方孔型再進入三輥冷軋機平三角-平三角孔型軋制，提高穩定性。田鵬松[6]、唐勁松[7]等提出通過精確控制張力波動提高棒線材軋制穩定性。李安全[8]介紹了利用三個軋輥單獨可調技術來解決由于軋輥磨損導致的軋制不穩定。邢瑞凌[9]等提出利用三坐標專用數控孔型機床調節孔型位置，防止孔型中心偏差。本文在上述研究的基礎上，提議三輥+二輥混合連軋系統生產鈦合金棒材。由于軋件在二輥孔型中軋制穩定，所形成的混合孔型系統有效的保證了連軋的穩定性，即綜合了二輥孔型和三輥孔型的特點。

本文著重研究孔型設計對棒材連軋穩定性的影響，分析了軋件在三輥Y型軋機中的受力情況，以及導衛裝置對連軋穩定性的影響，探討了軋件失穩的主要影響因素;用有限元方法模擬了三種孔型系統的連軋過程，對比分析了連軋過程中孔型對軋件穩定性的影響，優化了軋機孔型系統。

1 軋件穩定性分析

以平三角軋件進入圓三角孔型為例，分析了兩種失穩狀態下的軋件受力情況，即:1)軋件本身扭轉，如圖1(a)所示，β為軋件中心線與孔型中心線夾角;2)軋件中心線相對孔型中心線水平偏移，如圖1(b)所示，e為軋件中心線與孔型中心線水平偏移距離。

圖1 軋件失穩的兩種形式Fig.1 Two forms of rolling instability

1.1 軋件扭轉

平三角軋件扭轉β角度進入倒三角圓孔型，如圖2所示。軋件在孔型中主要承受軋制力和摩擦力。三個軋輥對軋件的作用力均為F，作用點A，B，C，由于三個軋制力方向均沿孔型圓心方向，因此由軋制力產生的扭矩不會使軋件扭轉。

圖2 平三角軋件扭轉受力分析圖Fig.2 Torsional force analysis on triangle flat pass

軋件繼續扭轉時，軋件與軋輥的橫向摩擦力為:

其中:f為軋件與軋輥接觸面摩擦系數。

摩擦扭矩:

其中:R為圓孔型半徑。

平三角軋件抗扭截面系數為Wt，軋件塑性扭轉所需扭矩為：

前后機架施加給本道次軋件扭矩為T給.

因此，軋件不繼續發生屬性扭轉的條件為

因此，為避免軋件發生扭轉情況，可以通過增大接觸面摩擦系數f，比如加熱軋輥表面以增大摩察系數，優化孔型以獲得較小Wt，增大軋制力F以及適當增大孔型內徑R等方式來防止軋件進一步失穩。

1.2 軋件偏移

當平三角軋件偏移e進入倒三角圓孔型時，如圖3(a)所示，軋件與孔型交點為 R，M，O，P，Q，O'為軋件原始中心，O為孔型中心，軋制力作用點為A'，B'，C'，角度為θ1，θ2，θ3，設θ1=θ2=θ3=θ，軋制力F1'，F2'，F3'，其中F3'最小，軋制合力為F'合，如圖3(b)所示。隨著軋制的繼續進行，軋件將向孔型中心O移動，偏移距離e將逐漸減小，如圖3(c)所示。

圖3 軋件偏移受力圖Fig.3 Force analysis on workpiece with deviation

因此，當平三角軋件發生偏移進入圓孔型時，隨著軋制的進行，并不會進一步失穩，O'反而向孔型中心O靠近，路徑為O'→O″→O，如圖3(c)，原始偏移距離e將逐漸減小，直至與孔型中心重合，達到穩定軋制。

在實際生產過程中，軋件頭部會發生隨機偏轉，這種隨機性的偏轉可以分解為以上軋件扭轉與軋件平移這兩種形式，因此，隨機偏轉狀態下的受力行為和失穩因素結合了軋件扭轉和軋件平移這兩種狀態。

1.3 導衛裝置

導衛裝置是棒材連軋孔型設計中重要的輔助裝置之一，導衛裝置可以彌補孔型系統的不足，能夠準確將軋件送入孔型，防止軋件在孔型中發生偏轉。導衛裝置對連軋穩定性的影響因素歸結為3點:

1)導衛裝置的設計

對于三輥Y型軋機，導衛裝置根據孔型系統的不同分為圓孔型導衛、弧孔型導衛、平孔型導衛三種。

2)導衛裝置的安裝精度

導衛裝置中心軸線相對于孔型中心軸線不能發生過大偏轉，軸線偏轉角大于8°，軋件在導衛中會發生失穩，導衛裝置將失效[5]。

3)導衛裝置與軋件的配合尺寸

導衛裝置與軋件之間的間隙過小，軋件與導衛裝置容易發生摩擦，軋件表面磨損，而且軋件容易卡在導衛內部;間隙過大，導衛作用不明顯，因此，一般設定導衛裝置與軋件的配合尺寸為1 mm左右。

2 有限元模擬

為驗證提議孔型系統的可行性，用彈塑性有限元法模擬棒材連軋過程，計算精度高，能夠得到滿意的結果[10-13]，因此，采用彈塑性有限元分別對三種孔型系統連軋鈦合金棒材進行了模擬，比較了軋件在不同孔型系統中的連軋穩定性。

1)方案1，正三角平孔型+倒三角圓孔型+正三角平孔型+倒三角圓孔型，如圖4(a);

2)方案2，二輥圓孔型+倒三角圓孔型+正三角平孔型+二輥圓孔型，如圖4(b);

3)方案3，正三角平孔型+二輥圓孔型+正三角平孔型+二輥圓孔型，如圖4(c);

圖4 連軋孔型系統Fig.4 Roll pass system

為了研究各孔型系統對軋制穩定性的影響，建立四道次連軋模型，如圖5所示。以方案3為例，各道次的出口軋件橫截面如圖6所示。

圖7是軋件中心軸偏移圖，偏移量用來表征連軋過程軋件的穩定性，圖中縱坐標是三種軋制工藝條件下軋件中心線偏移值，方案1中，軋件中心線最大偏移值是1.988 6 mm，方案2中，軋件中心線最大偏移值是0.111 19 m，方案，3中，軋件中心線最大偏移值是0.003 431 5 mm，遠小于前兩種軋制工藝，與方案1相比，降低了1.985 16 mm，可見正三角平孔型+二輥圓孔型+正三角平孔型+二輥圓孔型系統適合軋制鈦合金棒材。

圖5 連軋有限元模型Fig.5 The finite element model of tandem rolling

圖6 各道次出口軋件橫截面示意圖Fig.6 The schematic diagram of cross-section profile of stands

圖7 軋件中心軸偏移圖Fig.6 Deviation of center shaft of workpiece

3 結論

文中提出了一種新的鈦合金棒材連軋孔型系統，即正三角平孔型+二輥圓孔型+正三輥平孔型+二輥圓孔型，著重分析了失穩軋件在孔型中的受力情況，以及導衛裝置對連軋穩定性的影響，獲得了棒材連軋過程改善失穩的主要因素，優化了軋機孔型系統，并與其他孔型系統做了比較。結果表明:

(1)軋件偏移對連軋穩定性影響較小，而軋件扭轉對連軋穩定性影響較大。軋件的扭轉可以通過增大摩擦系數，優化孔型以獲得較小的抗扭截面系數，增大軋制力以及適當增大孔型內徑等方式來改善。

(2)正三角平孔型+二輥圓孔型+正三輥平孔型+二輥圓孔型系統，綜合了二輥孔型與三輥孔型的特點，軋件中心軸在徑向偏移減小，連軋穩定性最好。

(3)在提議的孔型系統中，其中二輥孔型可以嘗試使用橢圓孔型、六方孔型等，有助于軋件的咬入，保證連軋過程的順利進行。

(4)在實際生產過程中，除了孔型系統之外，導衛裝置是孔型設計的重要輔助設備，根據孔型系統選擇不同的導衛裝置，設定導衛裝置與軋件的配合尺寸在1 mm左右，來提高鈦合金棒材連軋過程的穩定性。

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