二輥冷軋管機工具孔型的實用性設(shè)計

繆飛軍

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院機電與軌道交通學院，浙江寧波 315211）

0 引言

工具孔型設(shè)計是冷軋管材生產(chǎn)工藝中的核心問題，它直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量、軋機生產(chǎn)率和工具壽命等。而某些傳統(tǒng)的孔型理論設(shè)計方法，由于數(shù)學模型復(fù)雜、理論計算繁瑣，實際應(yīng)用性不強，僅適用于理論研究。實際上，孔型設(shè)計應(yīng)在設(shè)計理論的指導(dǎo)下，充分結(jié)合軋制工藝，在生產(chǎn)實踐中不斷加以改進和完善，使設(shè)計更加簡便和實用。下面通過對二輥冷軋管機工具孔型設(shè)計要點的分析來介紹孔型實用性設(shè)計的方法和步驟。

1 二輥冷軋管機工具孔型的設(shè)計要點

二輥冷軋管機的軋制工具是軋輥和芯棒，對其工具孔型設(shè)計時，關(guān)鍵在于軋輥與芯棒的組合配套設(shè)計。而其中軋輥中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計的重點和難點。

1.1 工具孔型工作區(qū)域的劃分及其軋制壓力的分布

工具孔型總體上均可分為4段，即回轉(zhuǎn)送進段、減徑段、壁厚壓下段和均整定徑段。冷軋時，主要變形集中在壓下段（減徑段+壁厚壓下段），軋制壓力與該段的孔型設(shè)計有密切關(guān)系，不同的孔型設(shè)計有不同的軋制壓力，故壓下段孔型的形狀決定了變形過程中沿孔型長度的變形量變化及軋制壓力的分布。

由于減徑段長度較短，軋制時管坯內(nèi)徑尚未與芯棒接觸，故軋制壓力較小，所以壁厚壓下段是軋制力最大、變形最集中的區(qū)域。由理論分析和實踐結(jié)果可知，當軋制規(guī)格和送進量一定時，軋制力與金屬的加工硬化、強度極限σb和壁厚壓下段長度l0等有關(guān)。加工硬化程度越嚴重，σb越大，l0越小，則軋制壓力越大，反之則越小。在整個軋制過程中，瞬時軋制力是變化的，在正行程軋制時，隨著加工硬化的逐漸嚴重，導(dǎo)致強度極限σb逐漸增大，而塑性下降，則軋制壓力也逐漸增大。為了使軋制壓力分布較均勻，減少孔型磨損，在l0等分點上，使瞬時壁厚壓下量Sx的分布呈逐漸減小趨勢，以抵消由于加工硬化引起的瞬時軋制力的增大，這樣能使整個壁厚壓下段上的軋制壓力基本均布，以使工具孔型磨損均勻，從而兼顧了軋機的生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和工具壽命。

1.2 壁厚壓下段孔型的設(shè)計方法

目前廣泛采用的前蘇聯(lián)“舍瓦金”的設(shè)計方法就是用于壁厚壓下段的孔型設(shè)計。該方法是以相對變形量沿壁厚壓下段長度按一定規(guī)律下降作為設(shè)計的計算基礎(chǔ)，遵循了變形區(qū)中軋制壓力的分布盡可能均勻的原則，是根據(jù)“軋制過程中金屬由于加工硬化引起的塑性下降而相應(yīng)地減小相對變形量（壁厚壓下量）”的原則來設(shè)計該段孔型的。具體是采用“等分七段八點”原則，每點的壁厚分配用查圖表法來確定，或者利用ut-utx圖表轉(zhuǎn)化的CAD圖上，直接畫直線、找數(shù)據(jù)，既快捷又準確，然后再配合公式Sx=Sp/utx進行計算。

1.3 軋輥與芯棒組合設(shè)計的類型

在軋輥與芯棒組合設(shè)計過程中，壁厚壓下段的孔型有3種類型可供選擇：1）芯棒采用直錐形，軋輥孔型按“舍瓦金”方法設(shè)計，滿足壁厚相對變形按對數(shù)關(guān)系逐漸減小的規(guī)律，即近似于拋物線曲線的變化規(guī)律，這是最常見和實用的方法；2）為了方便軋輥孔型設(shè)計和加工，該段孔型脊部的展開圖可設(shè)計成直錐形，但配套芯棒形狀必須是拋物線或其它特殊曲線，這樣就增加了芯棒的設(shè)計和加工難度；3）當軋輥和芯棒均為直錐形孔型時，理論上壁厚壓下段的減壁量均相同，但由于加工硬化的逐漸增大，正行程時，實際軋制壓力也逐漸增大，從而影響了工具的磨損程度和軋制質(zhì)量。所以一般用于軋制精度較低或管材開坯時，也可用于軋制塑性較好的管材，如低碳鋼管、黃銅管和紫銅管等有色金屬及某些不銹鋼管。

1.4 關(guān)于軋輥的開口問題

二輥軋機的軋輥圓周上大致由3條環(huán)孔型組成，即回轉(zhuǎn)送進段→軋制段（包括減徑段和壁厚壓下段）→均整定徑段（包含非工作段）。為了便于加工，使均整定徑段長度延伸至回轉(zhuǎn)送進段，使其孔型槽連貫相通，軋輥的開口是從均整定徑段的末端開始到軋制段的開始處為止。所以進行孔型設(shè)計時，還必須對軋制變形區(qū)和均整定徑區(qū)進行合理的開口，如圖1所示。

圖1 一對軋輥組成的孔型徑向局部剖面圖

根據(jù)有關(guān)資料，在均整定徑段靠近末端的1/2長度上開口度取bx=0.2～0.8 mm（對大規(guī)格取大值），在軋制段的孔型入口處取bx=1.2～1.6 mm，其余截面用經(jīng)驗公式計算，中間過渡部分的開口度用“內(nèi)插法”確定,并呈線性規(guī)律變化。其余非軋制段孔型可以不開口，僅作孔口倒圓或倒鈍處理。

注意開口度bx的大小并不是一成不變的，還應(yīng)在生產(chǎn)實踐中根據(jù)軋制材質(zhì)、軋制規(guī)格和工藝條件等進行靈活合理的修正和完善，例如，軋不銹鋼管的開口度可大一些，其它材質(zhì)則應(yīng)相對較小。

2 工具孔型設(shè)計所需的原始數(shù)據(jù)

主要包括以下5方面的內(nèi)容和數(shù)據(jù)：

3 工具孔型設(shè)計的方法與步驟

最好采用軋輥與芯棒組合設(shè)計的方法和步驟，并利用其孔型展開圖，則更加簡易明了。為了使芯棒的錐度準確地與軋輥孔型的形狀相適應(yīng)，一般應(yīng)在管坯減徑結(jié)束與芯棒剛接觸的臨界線作為芯棒直錐大端圓的開始線，如圖2所示。

圖2 二輥軋機的孔型設(shè)計展開圖

1）由圖2可知，軋輥總行程l=S=l回送+lp+lk。式中：lk為均整定徑段長度；lp為壓下段長度，lp=ld+l0，ld為減徑段長度，l0為壁厚壓下段長度。芯棒的錐度為2tan α=（Dn-dn）/l0=0.01～0.04（即1∶100～1∶25）。

2）各參數(shù)的確定。

芯棒大端直徑Dn=D0-2S0-ΔP。式中，ΔP為芯棒大端圓柱與管坯內(nèi)孔之間為便于上料所必需的間隙，取ΔP=1.5～3.5（小規(guī)格取小值，大規(guī)格取大值）。芯棒小端直徑dn=DT-2ST；減徑過程中的增壁量ΔSp=（0.05～0.06）ΔP，取0.055ΔP。

芯棒錐度的計算公式為2tan α=（Dn-dn）/l0。芯棒錐度取值范圍為2tan α=0.01～0.04為宜。2tan α與軋制時的總減徑量ΔD=D0-DT有關(guān)，ΔD較小時2tan α取小值，ΔD較大時2tan α取大值。參考相關(guān)資料，得中小型二輥軋機芯棒錐度的推薦值如表1所示。

3)本文基于人口與糧食的關(guān)系，以糧食為判據(jù)，在土地資源承載力(LCC)模型和土地資源承載指數(shù)(LCCI)的基礎(chǔ)上，定量分析永川區(qū)的土地資源承載力狀況，并利用土地資源承載力等級狀況進行復(fù)墾分區(qū)，具有一定的實用性。但本研究的糧食僅包括稻谷、小麥、紅苕、玉米和油菜籽，并非廣義上的糧食，因此在一定程度上掩蓋了其他食物(如肉、蛋、奶等)對土地資源承載力的貢獻。再次，本文未對永川區(qū)耕地、糧食生產(chǎn)能力、人均GDP、農(nóng)民人均純收入及人口的耦合關(guān)系進行分析，這在一定程度上限制了研究的深度。

表1 中小型二輥軋機芯棒錐度tan α的推薦值

當芯棒錐度2tan α初定后，即可得壁厚壓下段長度l0=（Dn-dn）/（2tan α），則減徑段長度ld=lp-l0；一般減徑段孔型錐度取2tan γp=［D0-Dn-2（S0+ΔSp）］/ld≤0.2；則得ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）。當此式不能滿足時，必須適當調(diào)整芯棒錐度2tan α的取值，直至同時滿足ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）為止。

管壁延伸系數(shù)計算公式為ut=Sp/ST。其中Sp=S0+ΔSp。

將壁厚壓下段l0等分為7段、8點，借助于圖3所示的ututx圖表，由既定的ut值來查出8個點上相對應(yīng)的壁厚延伸系數(shù)utx值（也可利用CAD作圖法獲得精確數(shù)據(jù)），再按公式Sx=Sp/utx計算出8個點上的壁厚分布值。

圖3 確定壁厚壓下段各截面（1～7）壁厚壓下率的ut－utx圖表

芯棒壁厚壓下段上8個等分點處截面的直徑的計算公式為dx=dn+2lx·tan α。其中，lx是從定徑段開始處到所求截面的距離。

軋輥壁厚壓下段上8個等分截面處的孔型直徑的計算公式為Dx=dx+2Sx，軋輥壓下段開始處截面孔型的直徑Dx=D0；均整定徑段孔型的直徑Dx=DT；回轉(zhuǎn)送進段孔型直徑Dx=D0+（1～3）。

對軋輥孔型進行合理開口，均徑段靠近末端的1/2長度上開口度可取bx=0.2～0.8，另外1/2長度上的開口度按線性均勻地增加至bk，在軋制段的孔型入口處取bx=1.2～1.6。其中：b7=bk=2m·u·tan α+0.2；b0=b1=bH=2m·tan γ1+1.0。2tan γ1=2tan γ0=（D0-D1）/ln。式中：ln=l0/7（D0、D1分別為截面0、1上的孔型直徑）。其余的b2、b3、b4、b5、b6各截面的開口度大小為bH到bk之間，用“內(nèi)插法”按線性規(guī)律確定。

最終按公式Bx=Dx+bx計算各截面的孔型寬度。

4 二輥軋機工具孔型設(shè)計實例

4.1 原始數(shù)據(jù)

使用軋機為LG-60Ⅱ-H，曲柄機構(gòu)為前置式，R=450 mm，L=2800 mm，e=200 mm。機架行程S=902.4 mm，采用光電回轉(zhuǎn)送進，后極限單回單送的回轉(zhuǎn)送進角2θ=90°。軋制材質(zhì)為35鋼，軋制規(guī)格為φ79×5.5→φ57×2.5，軋制速度v=75 次/min，送進量m=8，同步齒輪分度圓直徑D齒=28×12=336 mm，軋輥總回轉(zhuǎn)角α輥=360°×S/（π·D齒）=307.8°。

4.2 設(shè)計方法與計算步驟

9）計算管壁延伸系數(shù)Sp=S0+ΔSp=5.5+0.14=5.64，得ut=Sp/ST=5.64÷2.5=2.26。

10）將壁厚壓下段l0等分為7段8點。每段長度為ln=l0/7=540÷7=77.1≈77 mm。用查圖表法（如圖3）或利用CAD作圖法獲得8個點相對應(yīng)的utx值，再按公式Sx=Sp/utx計算出8個點上壁厚的分布值，數(shù)據(jù)均列于表2中。

11）計算8個點截面上芯棒的直徑dx=dn+2lx·tan α和軋輥孔型直徑Dx=dx+2Sx值，均列于表2中?；剞D(zhuǎn)送進段孔型直徑取Dx=D0+2=81 mm。

12）對軋輥孔型進行合理開口計算。b7=bk=m·u·2tan α+0.2=8×2.97×0.025+0.2=0.79 mm，b0=b1=bH=m·2tan γ1+1.0=8×0.0526+1.0=1.42 mm。其中，2tan γ1=（D0-D1）/ln=（76.78-72.73）÷77=0.0526。均徑段靠近末端的1/2長度上開口度取bx=0.5 mm，另外1/2長度上的bx按線性均勻地增加至0.79 mm，軋制段孔型入口處取bx=1.5 mm，其余b2～b6各截面的開口度在1.42～0.79之間，按“內(nèi)插法”確定，具體如表2所示。

13）計算孔型寬度Bx=Dx+bx，數(shù)據(jù)均列于表2中。

5 結(jié)語

冷軋管機工具孔型設(shè)計的根本任務(wù)是在保證工具軋制質(zhì)量的前提下，盡可能使變形區(qū)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。孔型設(shè)計的核心理論是“舍瓦金”的設(shè)計理論及其系統(tǒng)的計算公式。因此應(yīng)在“舍瓦金”理論體系的指導(dǎo)下，同時結(jié)合軋制工藝實踐經(jīng)驗進行科學合理的設(shè)計。二輥冷軋管機孔型設(shè)計的關(guān)鍵是軋輥與芯棒的組合配套設(shè)計，而其中軋輥中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計的重難點。從以上孔型設(shè)計實例可以看出，采用“舍瓦金”的孔型設(shè)計理論，設(shè)計方法簡便、條理清楚、實用可靠，值得相關(guān)企業(yè)在從事軋制工具孔型設(shè)計時參考和應(yīng)用。

表2 孔型各徑向尺寸參數(shù)表mm