孔型設(shè)計(jì)對(duì)棒材連軋穩(wěn)定性的影響

潘 露，帥美榮，黃慶學(xué)

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024;2.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽蕪湖241002)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鈦合金棒線材的生產(chǎn)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(xué)性能以及二輥軋機(jī)的變形特點(diǎn)，傳統(tǒng)二輥軋機(jī)軋制的鈦合金棒線材極易出現(xiàn)有害寬展，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量差，無(wú)法滿足鈦合金高端產(chǎn)品的需求[1-2]。針對(duì)上述生產(chǎn)弊端，本文提議用三輥Y型軋機(jī)代替二輥連軋系統(tǒng)中的立輥軋機(jī)，形成三輥-二輥混合連軋系統(tǒng)。

三輥軋機(jī)又稱為Y型軋機(jī)，由3個(gè)互成120°的盤狀軋輥組成，軋輥布置如“Y”型，軋機(jī)設(shè)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(jī)在實(shí)際應(yīng)用中軋制穩(wěn)定性差，軋件的對(duì)稱軸相對(duì)于孔型的對(duì)稱軸經(jīng)常發(fā)生偏轉(zhuǎn)，軋件失穩(wěn)導(dǎo)致“軋卡”，中斷軋制過(guò)程。軋件失穩(wěn)受多方面的影響，如來(lái)料尺寸，軋件溫度、軋制張力、充滿度、孔型設(shè)計(jì)及導(dǎo)位裝置設(shè)計(jì)等[3-4]。

為提高三輥Y型軋機(jī)軋制穩(wěn)定性，鄭寶強(qiáng)[3]等提出通過(guò)調(diào)整導(dǎo)位裝置，保證前一道次軋出的弧三角形軋件進(jìn)入下一道弧邊三角形孔型中不傾倒的條件，即扭轉(zhuǎn)角小于其極限值。李志強(qiáng)[5]等提出軋件先經(jīng)過(guò)二輥六方孔型再進(jìn)入三輥冷軋機(jī)平三角-平三角孔型軋制，提高穩(wěn)定性。田鵬松[6]、唐勁松[7]等提出通過(guò)精確控制張力波動(dòng)提高棒線材軋制穩(wěn)定性。李安全[8]介紹了利用三個(gè)軋輥單獨(dú)可調(diào)技術(shù)來(lái)解決由于軋輥磨損導(dǎo)致的軋制不穩(wěn)定。邢瑞凌[9]等提出利用三坐標(biāo)專用數(shù)控孔型機(jī)床調(diào)節(jié)孔型位置，防止孔型中心偏差。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提議三輥+二輥混合連軋系統(tǒng)生產(chǎn)鈦合金棒材。由于軋件在二輥孔型中軋制穩(wěn)定，所形成的混合孔型系統(tǒng)有效的保證了連軋的穩(wěn)定性，即綜合了二輥孔型和三輥孔型的特點(diǎn)。

本文著重研究孔型設(shè)計(jì)對(duì)棒材連軋穩(wěn)定性的影響，分析了軋件在三輥Y型軋機(jī)中的受力情況，以及導(dǎo)衛(wèi)裝置對(duì)連軋穩(wěn)定性的影響，探討了軋件失穩(wěn)的主要影響因素;用有限元方法模擬了三種孔型系統(tǒng)的連軋過(guò)程，對(duì)比分析了連軋過(guò)程中孔型對(duì)軋件穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化了軋機(jī)孔型系統(tǒng)。

1 軋件穩(wěn)定性分析

以平三角軋件進(jìn)入圓三角孔型為例，分析了兩種失穩(wěn)狀態(tài)下的軋件受力情況，即:1)軋件本身扭轉(zhuǎn)，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(duì)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(wěn)的兩種形式Fig.1 Two forms of rolling instability

1.1 軋件扭轉(zhuǎn)

平三角軋件扭轉(zhuǎn)β角度進(jìn)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(gè)軋輥對(duì)軋件的作用力均為F，作用點(diǎn)A，B，C，由于三個(gè)軋制力方向均沿孔型圓心方向，因此由軋制力產(chǎn)生的扭矩不會(huì)使軋件扭轉(zhuǎn)。

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

軋件繼續(xù)扭轉(zhuǎn)時(shí)，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(shù)。

摩擦扭矩:

其中:R為圓孔型半徑。

平三角軋件抗扭截面系數(shù)為Wt，軋件塑性扭轉(zhuǎn)所需扭矩為：

前后機(jī)架施加給本道次軋件扭矩為T給.

因此，軋件不繼續(xù)發(fā)生屬性扭轉(zhuǎn)的條件為

因此，為避免軋件發(fā)生扭轉(zhuǎn)情況，可以通過(guò)增大接觸面摩擦系數(shù)f，比如加熱軋輥表面以增大摩察系數(shù)，優(yōu)化孔型以獲得較小Wt，增大軋制力F以及適當(dāng)增大孔型內(nèi)徑R等方式來(lái)防止軋件進(jìn)一步失穩(wěn)。

1.2 軋件偏移

當(dāng)平三角軋件偏移e進(jìn)入倒三角圓孔型時(shí)，如圖3(a)所示，軋件與孔型交點(diǎn)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(diǎn)為A'，B'，C'，角度為θ1，θ2，θ3，設(shè)θ1=θ2=θ3=θ，軋制力F1'，F(xiàn)2'，F(xiàn)3'，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(xù)進(jìn)行，軋件將向孔型中心O移動(dòng)，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(dāng)平三角軋件發(fā)生偏移進(jìn)入圓孔型時(shí)，隨著軋制的進(jìn)行，并不會(huì)進(jìn)一步失穩(wěn)，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(dá)到穩(wěn)定軋制。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，軋件頭部會(huì)發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，這種隨機(jī)性的偏轉(zhuǎn)可以分解為以上軋件扭轉(zhuǎn)與軋件平移這兩種形式，因此，隨機(jī)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下的受力行為和失穩(wěn)因素結(jié)合了軋件扭轉(zhuǎn)和軋件平移這兩種狀態(tài)。

1.3 導(dǎo)衛(wèi)裝置

導(dǎo)衛(wèi)裝置是棒材連軋孔型設(shè)計(jì)中重要的輔助裝置之一，導(dǎo)衛(wèi)裝置可以彌補(bǔ)孔型系統(tǒng)的不足，能夠準(zhǔn)確將軋件送入孔型，防止軋件在孔型中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)衛(wèi)裝置對(duì)連軋穩(wěn)定性的影響因素歸結(jié)為3點(diǎn):

1)導(dǎo)衛(wèi)裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)于三輥Y型軋機(jī)，導(dǎo)衛(wèi)裝置根據(jù)孔型系統(tǒng)的不同分為圓孔型導(dǎo)衛(wèi)、弧孔型導(dǎo)衛(wèi)、平孔型導(dǎo)衛(wèi)三種。

2)導(dǎo)衛(wèi)裝置的安裝精度

導(dǎo)衛(wèi)裝置中心軸線相對(duì)于孔型中心軸線不能發(fā)生過(guò)大偏轉(zhuǎn)，軸線偏轉(zhuǎn)角大于8°，軋件在導(dǎo)衛(wèi)中會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)衛(wèi)裝置將失效[5]。

3)導(dǎo)衛(wèi)裝置與軋件的配合尺寸

導(dǎo)衛(wèi)裝置與軋件之間的間隙過(guò)小，軋件與導(dǎo)衛(wèi)裝置容易發(fā)生摩擦，軋件表面磨損，而且軋件容易卡在導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)部;間隙過(guò)大，導(dǎo)衛(wèi)作用不明顯，因此，一般設(shè)定導(dǎo)衛(wèi)裝置與軋件的配合尺寸為1 mm左右。

2 有限元模擬

為驗(yàn)證提議孔型系統(tǒng)的可行性，用彈塑性有限元法模擬棒材連軋過(guò)程，計(jì)算精度高，能夠得到滿意的結(jié)果[10-13]，因此，采用彈塑性有限元分別對(duì)三種孔型系統(tǒng)連軋鈦合金棒材進(jìn)行了模擬，比較了軋件在不同孔型系統(tǒng)中的連軋穩(wěn)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(tǒng)Fig.4 Roll pass system

為了研究各孔型系統(tǒng)對(duì)軋制穩(wěn)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(lái)表征連軋過(guò)程軋件的穩(wěn)定性，圖中縱坐標(biāo)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(yuǎn)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(tǒng)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(jié)論

文中提出了一種新的鈦合金棒材連軋孔型系統(tǒng)，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(wěn)軋件在孔型中的受力情況，以及導(dǎo)衛(wèi)裝置對(duì)連軋穩(wěn)定性的影響，獲得了棒材連軋過(guò)程改善失穩(wěn)的主要因素，優(yōu)化了軋機(jī)孔型系統(tǒng)，并與其他孔型系統(tǒng)做了比較。結(jié)果表明:

(1)軋件偏移對(duì)連軋穩(wěn)定性影響較小，而軋件扭轉(zhuǎn)對(duì)連軋穩(wěn)定性影響較大。軋件的扭轉(zhuǎn)可以通過(guò)增大摩擦系數(shù)，優(yōu)化孔型以獲得較小的抗扭截面系數(shù)，增大軋制力以及適當(dāng)增大孔型內(nèi)徑等方式來(lái)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(tǒng)，綜合了二輥孔型與三輥孔型的特點(diǎn)，軋件中心軸在徑向偏移減小，連軋穩(wěn)定性最好。

(3)在提議的孔型系統(tǒng)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(guò)程的順利進(jìn)行。

(4)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除了孔型系統(tǒng)之外，導(dǎo)衛(wèi)裝置是孔型設(shè)計(jì)的重要輔助設(shè)備，根據(jù)孔型系統(tǒng)選擇不同的導(dǎo)衛(wèi)裝置，設(shè)定導(dǎo)衛(wèi)裝置與軋件的配合尺寸在1 mm左右，來(lái)提高鈦合金棒材連軋過(guò)程的穩(wěn)定性。

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