CRTM－350冷軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)基本原理

武 絡(luò)，雙遠(yuǎn)華，于志強(qiáng)，賈其蘇

（1.太原科技大學(xué) 材料學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原無(wú)縫鋼管廠，山西 太原 030024）

0 引言

CRTM－350是俄羅斯生產(chǎn)的冷軋管機(jī)，能夠生產(chǎn)直徑Φ6mm～Φ450 mm 各種材質(zhì)（包括不銹鋼以及核電用的鈦、鋯、鎳鉻合金等）的精密冷軋管。主要用于生產(chǎn)外徑為Φ140mm～Φ325mm 的冷軋無(wú)縫鋼管和合金鋼管。三輥冷軋管機(jī)的3個(gè)軋輥在機(jī)架中繞軋制中心線呈120°等距離布置，與芯棒構(gòu)成一個(gè)半封閉的孔喉，孔型的每個(gè)斷面形狀和尺寸都隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化?？仔偷某叽缂八鼈冎g的比例對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和機(jī)組的生產(chǎn)率均有明顯的影響，因此尋求合理的孔型形狀是多年來(lái)人們一直研究的內(nèi)容，其中孔型設(shè)計(jì)的基本原理又顯得尤為重要。本文針對(duì)CRTM－350冷軋機(jī)，對(duì)其孔型設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行論述。

1 CRTM－350冷軋機(jī)的工作原理

對(duì)于CRTM－350冷軋機(jī)而言，其工作原理與二輥冷軋機(jī)的工作原理相似，如圖1所示。所不同的是，350冷軋機(jī)是雙送進(jìn)雙回轉(zhuǎn)的冷軋機(jī)。鋼管的軋制是在一根擰在芯棒桿上的固定不動(dòng)的曲線形芯棒和3個(gè)變半徑的軋槽塊之間進(jìn)行的，孔型的開(kāi)始處半徑等于管料的半徑，其末端的半徑等于軋成管的半徑，工作機(jī)架在前、后兩個(gè)極限位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)使鋼管產(chǎn)生變形。由于孔型的變半徑特點(diǎn)，使得鋼管在變形過(guò)程中每一部分的尺寸也是變化的。因此，每一段成品管的形成都需要經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的軋制。

2 冷軋管機(jī)工作機(jī)架和軋輥的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

CRTM－350冷軋管機(jī)的軋輥箱和動(dòng)力箱的運(yùn)動(dòng)通過(guò)復(fù)式搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其中，SC與SB分別為銷(xiāo)子在拉桿位于兩極限位置時(shí)的距離。

復(fù)合連桿通過(guò)Lk連接長(zhǎng)度的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整，以保證能夠減小變形區(qū)的滑動(dòng)和達(dá)到最小的復(fù)合連桿連接力。

圖1 二輥冷軋管機(jī)軋制示意圖

圖2 CRTM－350冷軋機(jī)的復(fù)式搖桿機(jī)構(gòu)

適宜的復(fù)合連桿調(diào)整需滿足以下條件：

其中：L0為連接軸的銷(xiāo)子與軋輥箱拉桿固定點(diǎn)的距離；Lk為連接軸的銷(xiāo)子與動(dòng)力箱拉桿固定點(diǎn)的距離；Dk為工作輥軋制直徑；Du為工作輥輥徑直徑。

由式（1）可得出：

為了降低軸向力和優(yōu)化軋槽軋制半徑，CRTM－350軋機(jī)采用兩個(gè)復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)力箱相連的構(gòu)造方式。為了得到最優(yōu)的軋制直徑，根據(jù)成品管的外徑，在軋機(jī)上設(shè)置兩個(gè)連接銷(xiāo)的位置：即對(duì)于外徑超過(guò)Φ245mm 的成品管，連接軸距軋制線為785mm；對(duì)于外徑小于Φ245mm 的成品管，連接軸距軋制線在710 mm 處。圖3為CRTM－350冷軋機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)圖。

圖3 CRTM－350冷軋機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)圖

根據(jù)圖3可以建立擺桿與機(jī)架以及動(dòng)力箱之間的幾何關(guān)系。動(dòng)力箱行程的改變通過(guò)OB 桿的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，從而得到最優(yōu)的軋制直徑。

CRTM－350冷軋管機(jī)軋制直徑的近似計(jì)算公式為：

其中：DB為軋輥直徑；D3為坯料直徑；DT為軋制后的鋼管直徑。

在圖3中，我們?cè)O(shè)定當(dāng)擺桿OB 擺動(dòng)到垂直位置時(shí)所形成的直角坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，此時(shí)O 點(diǎn)為原點(diǎn)，O 點(diǎn)以右為X 軸的正方向，以左為負(fù)方向。

以LOA為OA 桿的長(zhǎng)度，對(duì)于CRTM－350 軋機(jī)為固定值1 690mm；機(jī)架行程Lx＝1 100.2mm；K 為該冷軋機(jī)設(shè)定的比值，為2.063，則OB 桿的長(zhǎng)度LOB為：

軋輥箱工作行程Lce等于機(jī)架行程與前后端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程之差。設(shè)后端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程為90，前端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程為60，則：

Lce＝Lx－90－60＝950.2mm。

軋輥模具的角度為：

在圖3 中，可知擺桿OB 擺 角β 在－19.02°～18.97°之間，我們以步長(zhǎng)為0.012 5將該擺角等分，劃分為0，1，…，i－1，i，…，3 040步，則AC 桿在水平方向第i步與第i－1步之間的變化量為：

其中：H 為機(jī)架到O 點(diǎn)水平面的高度；LAC為AC 桿的長(zhǎng)度；YOAi、YOA（i－1）分別為OA 桿在Y 方向上第i 步 和第i－1步時(shí)A 點(diǎn)的坐標(biāo)值；βi、βi－1分別表示擺桿在第i和第i－1步的角度值。

OA 桿在每一步長(zhǎng)處A 點(diǎn)距機(jī)架水平面的高度：

OA 桿在X 方向上第i步時(shí)A 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

AC 桿在X 方向上第i步時(shí)C 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

OB 桿在X 方向上第i步時(shí)B 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

OB 桿在Y 方向上第i步時(shí)B 點(diǎn)的坐標(biāo)值為：

BD 桿在每一步長(zhǎng)處D 點(diǎn)距動(dòng)力箱的垂直距離為：

其中：HOC、HOD分別為機(jī)架和動(dòng)力箱距離O 點(diǎn)的垂直高度；YBDi為BD 桿在第i 步時(shí)D 點(diǎn)距動(dòng)力箱的垂直距離。

BD 桿在X 方向上第i步時(shí)D 點(diǎn)的坐標(biāo)值為：

前面我們算出了軋輥的總弧度為152.8°，將該弧度以步長(zhǎng)為0.05劃分為若干段。由于軋機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中曲柄搖桿的擺角范圍在－19.02°～18.97°之間，以步長(zhǎng)為0.012 5將該擺角劃分成若干段，同時(shí)將機(jī)架行程以步長(zhǎng)為0.35mm 劃分為若干段。經(jīng)計(jì)算可知軋輥弧、擺桿及機(jī)架行程劃分的段數(shù)接近。以該軋機(jī)初始數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)控制系統(tǒng)使擺桿每行進(jìn)一個(gè)擺角步長(zhǎng)，記錄一次機(jī)架X 坐標(biāo)值，同時(shí)記錄軋輥在機(jī)架上運(yùn)動(dòng)的位置，這樣得到軋輥、機(jī)架行程及擺桿相對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)。

為了使軋輥在機(jī)加工時(shí)的數(shù)據(jù)更切合實(shí)際也更合理，我們只取軋輥劃分過(guò)程中的整數(shù)度數(shù)據(jù)作為加工軋輥所利用的數(shù)據(jù)。軋輥部分弧度段的記錄數(shù)據(jù)與機(jī)架運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

由于軋輥類(lèi)似于半圓弧軋輥，將軋輥的形狀設(shè)計(jì)成扇形，如圖4所示。因?yàn)榭仔陀晒ぷ鞫渭翱哲埗谓M成，工作段又由減徑段、減壁段、預(yù)精整段及精整段組成，而且軋制過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的、周期性的過(guò)程，根據(jù)各段的作用及空間配合的相互關(guān)系，必須合理分配各段比例，才能使軋制過(guò)程穩(wěn)定，減少軋制缺陷的產(chǎn)生， 提高軋制速度。

表1 軋輥部分弧度段的記錄數(shù)據(jù)與機(jī)架運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

軋槽的總回轉(zhuǎn)角γx是由送進(jìn)回轉(zhuǎn)角C1、減徑段角C2、減壁段角C3、預(yù)精整段角C4、精整段角C5和空轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)段角C6組成，如圖4所示。

圖4 軋輥沿孔型頂部剖開(kāi)圖

如果已知機(jī)架行程，那么可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的軋槽回轉(zhuǎn)角：

其中：Dj為主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑。

也可以先確定各段回轉(zhuǎn)角，由式（12）計(jì)算對(duì)應(yīng)的行程長(zhǎng)度。無(wú)論何種設(shè)計(jì)方法，應(yīng)滿足以下條件：

對(duì)于350冷軋機(jī)，根據(jù)本文所選初始數(shù)據(jù)，軋機(jī)軋制規(guī)格為Φ273×24→Φ219×10時(shí)，最終得到的軋輥各段所對(duì)應(yīng)的弧度及對(duì)應(yīng)機(jī)架行程如表2所示。

表2 350軋輥各段所對(duì)應(yīng)的弧度及對(duì)應(yīng)機(jī)架行程表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CRTM－350動(dòng)力系統(tǒng)的分析，建立參數(shù)化方程，并記錄軋制過(guò)程中的多個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以將軋輥孔型設(shè)計(jì)中的每一段與工作機(jī)架在軋制行程中的特定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，了解了350冷軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)的最初原理，從而為今后更合理地安排孔型、更好進(jìn)行孔型設(shè)計(jì)服務(wù)。

［1］ 韓觀昌，李連詩(shī).小型無(wú)縫鋼管生產(chǎn)（下冊(cè)）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］ 王延溥.軋鋼工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1989.