多輥冷軋管機工具孔型的實用性設計

繆飛軍

（浙江紡織服裝職業技術學院機電與軌道交通學院，浙江寧波315211）

0 引言

冷軋管機有二輥和多輥（3～5輥）之分，與二輥冷軋管機相比，多輥冷軋管機具有以下特點：輥徑小，能生產表面粗糙度小、表面質量高的管材，尤其適用于薄壁管；結構簡單，軋制工具的制造和更換方便；軋制范圍較窄，總減徑量不能大，延伸系數和送進量較小，生產率較低，一般延伸系數μ不能大于2.5～3；減徑很小，以減壁為主，特別適用于將壁厚較薄的管坯軋制成壁厚很薄（ST=0.5~0.8）的管材。

另外為了使軋輥能產生純滾動，且軸向力最小，多輥軋機必須設置能便于調整的搖桿系統，這樣在同一個行程中，機頭和軋輥具有不同的行程長度，機頭的行程長，軋輥的行程短，后者約為前者的0.6～0.7倍，所以在相同機架行程的條件下，多輥軋機的芯棒比二輥軋機芯棒短很多，而滑道長度更短，顯然生產率要比二輥軋機低許多。

多輥式冷軋管機的軋制變形工具有軋輥、芯棒和滑道。由于軋輥和芯棒的孔型尺寸與成品管的外徑和內孔尺寸一致，均為圓柱形，幾何形狀簡單，所以多輥軋機的孔型設計關鍵是滑道的設計，而滑道中的壁厚壓下段曲線是孔型設計的重點和難點。

冷軋管機工具孔型設計的根本任務是在保證工具軋制質量的前提下，盡可能使變形區中的軋制壓力分布均勻，以使孔型磨損較均勻，延長工具使用壽命，故目前仍廣泛運用前蘇聯“舍瓦金”的孔型設計方法。本文將對多輥冷軋管機工具孔型（軋輥、芯棒和滑道）的設計要點進行分析，并通過實例來介紹滑道工作面孔型實用性設計的方法與步驟。

1 多輥冷軋管機軋輥和芯棒的設計要點

1）多輥軋機軋輥的幾何尺寸在軋機機頭結構設計時已經確定，軋輥孔型是圓孔型，其半徑R等于成品管的半徑RT，即R=RT。為了防止軋制時輥環凸緣壓入管子表面，軋槽側壁必須開口，側壁開口的形狀有直線形和圓弧形兩種，一般開口角φp=10°～18°。對輥環凸緣必須倒圓，其圓角半徑可取r=0.3（D0-DT），其中D0和DT分別為管坯和成品管的外徑。

2）多輥軋機的芯棒是圓柱形，芯棒不包括聯接螺紋的總長度應與軋輥相對于芯棒的行程S0相適應，而S0=S/（1+n），其中比例因子n=Du/Dk,S為機頭行程，Du為軋輥輥頸直徑，Dk為軋制直徑）。實際上芯棒長度對于一定型號的軋機是一個確定的值。軋制時為了避免管子內表面出現環狀凹陷和減小送進時的脫棒力，芯棒尾端可加工成錐度不大的倒錐，設倒錐段長度為m0，倒錐部分的直徑差為Δd0，設計時對不同規格的多輥軋機，m0和Δd0值可參考表1選取。

表1 不同規格多輥軋機參數m0和Δd0的參考值

2 多輥軋機滑道種類及其工作面孔型設計的要點

2.1 多輥軋機滑道的種類

多輥軋機的滑道有整體式滑道和組合式滑道之分，一般LD－90以下的中小型多輥軋機，均采用剛性好的整體式滑道；而LD－120以上的大型軋機，包括LD－120、LD－150和LD－180等軋機，為了節省GCr15鋼多采用組合式滑道，以降低成本。

滑道按工作面形狀特征又可分為折線型滑道和曲線型滑道，曲線型滑道由于設計和加工較困難，故應用較少。目前普遍應用的是折線型滑道，其主要優點是設計和加工方便，制造成本較低，并可通過增加折線段數量來逼近曲線滑道，從而改善了軋制工藝性能和軋制質量，所以折線型滑道目前還是最實用和普遍的。

2.2 多輥軋機滑道工作面孔型設計的要點

1）滑道工作面孔型的設計方法。由于多輥式冷軋管機是靠滑道來改變沿著它滾動的軋輥所組成的孔型直徑的，因此滑道工作面應按二輥式冷軋管機軋輥孔型脊部輪廓曲線的同樣設計方法進行設計。并根據搖桿機構的比例關系及其比例因子n=Du/Dk，在確定了工作錐的各尺寸參數后，再把各參數換算到滑道工作面上。

2）滑道工作面的形狀特征。由以上分析可知，滑道工作面與二輥軋機軋輥孔型脊部輪廓曲線相仿，也可劃分為4段，即回轉送進段（折線ln）、減徑段（折線ld）、壁厚壓下段（曲線l0）和均整定徑段（直線lk），見圖1所示。因多輥軋機用于軋制高精度高質量的管材，所以必須采用“舍瓦金”設計方法，將壁厚壓下段l0等分7部分，并用7段折成光滑過渡連接成接近曲線的滑道面。

圖1 滑道工作面及其主要設計參數

3）必須搞清3個行程的概念及其計算公式。滑道的絕對行程式中:R為軋機曲柄半徑，L為搖桿長度，e為偏心距。

軋輥的絕對行程代入整理后得式中:Du為軋輥輥頸直徑；Dk為軋制直徑，按以下公式計算：Dk=DB－k·DT，其中DB為孔型中心距，由機頭結構決定；DT為成品管外徑；k為系數，對三輥取k=0.8，四輥取k=0.9，五輥取k=0.93。

3 滑道工作面孔型設計的方法與步驟

3.1 必須知道的原始數據

1）軋機機頭的行程S，包括曲柄半徑R，連桿長度L及偏心距e等；2）軋機類型（軋輥數）及軋機曲柄機構的布局位置，是前置式（曲柄位于軋制區之前端）還是后置式（曲柄位于軋制區之后端）；3）軋機后極限回轉送進角2θ的大小；4）軋制材質和軋制規格D0×S0→DT×ST，軋制速度v和送進量m等；5）孔型中心距DB和軋輥輥頸直徑Du等。

3.2 相關結構參數的確定

1）滑道工作面的總長度而滑道的總長度E應是在l的基礎上，兩端再放足夠的余量而成，它是在機頭結構設計時已經確定的值。

2）回轉送進空行程絕對長度：

a.當曲柄機構為前置式時其中β=θ－γ，θ為回轉送進半角，

b.當曲柄機構為后置式時其中β=θ+γ，θ為回轉送進半角，γ=

4）確定滑道上減徑段的長度ld：

一般取ld=10~20，小軋機取ld=10左右；中軋機取ld=15左右；大軋機取ld=20左右。

5）確定滑道上定徑段的長度lk：

式中：K為定徑系數，一般取K=4~5，有實踐經驗指出，當冷軋特別薄壁管材時，取K=8~10左右，以加長定徑段長度，增加精軋次數；m為送進量；μ為延伸系數,μ=

3）確定回轉送進段反映在滑道上的長度ln：

6）確定滑道上壁厚壓下段的長度l0=l－ln－ld－lk。

7）計算管壁總延伸系數μt。由于在多輥軋機上軋管時，管坯內徑與芯棒直徑之差較小，通常Δp=0.5~1.5，故在減徑過程中，管壁增厚較小，可忽略不計，所以

8）將壁厚壓下段l0等分7段8點，用“舍瓦金”設計方法，確定8個點上的壁厚分布值：

圖2 確定壁厚壓下段各截面（1～7）壁厚壓下率的ut－utx圖表

首先借助于圖2所示的μt－μtx圖表，由既定的μt值來查出相對應的8個點的壁厚延伸系數μtx值，或利用CAD作圖法，則獲得的數據更精確；再按公式計算出8個點上的壁厚分配值。

9）確定滑道上壁厚壓下段8個點所處截面的高度。每個截面各低于定徑段高度的值為yx=Sx－ST，其中壁厚壓下段的開始截面為yp=S0－ST，而減徑段的開始截面為（D0－DT）。

10）定徑段lk及其后面非工作部分的設計。應設計成傾斜方向與壓下段相反的斜面，即倒錐型，其斜度可取0.005～0.008；滑道的底平面是一個用于調整的斜面，其斜度已定，一般為1:50。

4 多輥軋機滑道孔型的設計實例

4.1 已知原始數據

使用軋機的型號為LD－30（三輥），曲柄機構為后置式，R＝280，L＝1805，e＝235，機頭行程S＝564.9，采用馬爾泰盤回轉送進機構，后極限單回單送的回轉送進角2θ=120°。軋制材質為35鋼，軋制規格為φ36×2.3→φ32×1，軋制速度v=80 次/min，送進量m＝5，軋輥輥頸直徑Du=φ45，孔型中心距DB=90。

4.2 設計方法與計算步驟（參考圖1）

1）計算滑道工作面的總長度其中

2）計算回轉送進空行程絕對長度：

后置式Rcosβ，其中

3）計算滑道上回轉送進段長度ln：

延伸系數K=4.5，則lk=K·m·μ·n=4.5×5×2.5×0.699=39.3，此處取lk=40。

6）計算滑道上壁厚壓下段的長度l0：

4）確定滑道上減徑段長度ld，中小軋機此處取ld=13。

5）計算滑道上定徑段的長度lk：

7）計算管壁總延伸系數μt：

8）將壁厚壓下段l0等分7段8點。

每段長度用查圖表法或利用CAD作圖法獲得8個點相對應的μtx值，按公式求得8個點上壁厚的分配值。再按公式yx=Sx－ST計算各值，yx的各點參數即為該點相對于滑道工作面最高點（7點）的相對高度差值，其中1.3，以上各數據均列于表2中。

表2 壁厚壓下段等分七段八點后求得的各參數值

5 結語

冷軋管機工具孔型設計的核心理論是“舍瓦金”的設計理論及其系統的計算公式。多輥冷軋管機孔型設計的關鍵是滑道的設計，為了盡可能使滑道變形區中的軋制壓力分布均勻，以使滑道孔型磨損較均勻，延長滑道的使用壽命，目前仍廣泛運用“舍瓦金”的設計方法。

所以應在“舍瓦金”理論體系的指導下，同時結合軋制工藝實踐經驗進行科學合理的設計。而其中滑道工作面的壁厚壓下段曲線是孔型設計的重點和難點。從以上孔型設計實例可以看出，采用“舍瓦金”的孔型設計理論，設計方法簡便、條理清楚、實用可靠，值得相關企業在從事軋制工具孔型設計時參考和應用。

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[4]鄒家祥.軋鋼機械[M].北京:冶金工業出版社,2000.（責任編輯 馬忠臣）