二輥立式斜軋穿孔機(jī)軋制力試驗(yàn)研究

王愛國，王 敏，周新亮

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

管坯穿孔是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中最重要的變形工序之一，它的任務(wù)是將實(shí)心管坯軋制成空心毛管。對(duì)穿孔機(jī)來說，其軋制力參數(shù)是進(jìn)行穿孔機(jī)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一，軋制力參數(shù)的準(zhǔn)確與否是穿孔機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

1 二輥立式斜軋穿孔機(jī)軋制特點(diǎn)

二輥立式斜軋穿孔機(jī)是實(shí)心管坯在兩個(gè)相對(duì)于軋制線傾斜且相互交叉放置的軋輥、兩個(gè)固定不動(dòng)的導(dǎo)板（或主動(dòng)導(dǎo)盤）及一個(gè)位于中間的隨動(dòng)頂頭組成的一個(gè)“環(huán)形封閉孔型”內(nèi)進(jìn)行軋制，形成空心毛管，二輥立式斜軋穿孔原理如圖1所示。其穿孔機(jī)軋輥上下垂直布置，可更換的導(dǎo)板（或?qū)ПP）左右水平布置，主機(jī)座是使管坯產(chǎn)生塑性變形并承受軋輥軋制力的主要部件。

二輥立式斜軋穿孔機(jī)軋輥采用大送進(jìn)角和輾軋角設(shè)計(jì)，隨著軋輥直徑的增大，軋輥出口分速度增大適應(yīng)軋件的金屬流動(dòng)趨勢，減少扭轉(zhuǎn)和不利摩擦，提高鋼管表面質(zhì)量，抑制橫鍛效應(yīng)，適合軋制高合金和不銹鋼等難變形金屬。

因二輥立式斜軋穿孔管坯變形的不規(guī)則性，輔助變形工具的多樣性，以及溫度、材質(zhì)、工藝參數(shù)等多因素影響特性，軋制力的理論計(jì)算一直是一個(gè)復(fù)雜的研究課題。以下將根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)公式、結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證推導(dǎo)出適合工程計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖1 二輥立式斜軋穿孔原理示意

2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)及工藝參數(shù)設(shè)定

根據(jù)二輥立式斜軋穿孔機(jī)的特點(diǎn)，選取太原重工股份有限公司為國內(nèi)某鋼廠設(shè)計(jì)制造并正在使用的穿孔機(jī)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝參數(shù)的測量記錄來進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)設(shè)備的主要性能參數(shù)如下。

軋輥直徑 1 150mm

輥身長度 950mm

軋制速度 最大15m/s

送進(jìn)角 8°～15°可調(diào)

輾軋角 15°固定

軋輥距 90～300mm

導(dǎo)板距 90～320mm

現(xiàn)場采用4種不同管坯，其工藝參數(shù)見表1。

3 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)方法

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過對(duì)穿孔機(jī)軋輥和管坯接觸面任意微小截面計(jì)算再求和的方法，忽略頂頭和規(guī)圓區(qū)影響，沿軋制線方向進(jìn)行簡單積分，計(jì)算變形接觸面積，推導(dǎo)出適用于工程計(jì)算的簡化計(jì)算式。根據(jù)文獻(xiàn)［1］提供的金屬變形抗力計(jì)算方法，通過軋制力計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證推導(dǎo)的面積計(jì)算公式作為工程計(jì)算依據(jù)的可行性。

表1 4種不同管坯的工藝參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

在穿孔機(jī)壓下螺母的上方設(shè)計(jì)裝有4個(gè)自制壓力傳感器。軋制力通過壓下螺絲的螺紋傳遞到螺母上方的壓力傳感器上，通過壓力傳感器輸出的電信號(hào)換算為壓力值［2］。穿孔機(jī)上下軋輥的軋制力相對(duì)軋件為相互作用力，忽略軋件重力等原因，選取上軋輥的軋制力作為穿孔機(jī)的軋制力。4個(gè)壓力傳感器在軋制過程中測定值分別為F1、F2、F3、F4，穿孔機(jī)入口側(cè)為F1、F2，穿孔機(jī)出口側(cè)為F3、F4，則穿孔機(jī)軋制力F=F1+F2+F3+F4。

4 穿孔機(jī)軋制力試驗(yàn)測試結(jié)果

4.1 直徑190mm、長2 030mm的45鋼管坯

直徑190 mm、長2 030 mm的45鋼管坯在現(xiàn)場實(shí)測的軋制力數(shù)據(jù)見表2?？梢钥闯觯４┲?0支管坯時(shí)，穿孔機(jī)入口側(cè)軋制力Fr＝377.1（kN），出口側(cè)軋制力 Fc＝331.9（kN），F(xiàn)r∧Fc，總軋制力 F為712.6 kN。

4.2 直徑190mm、長2 100 mm的27SiMn鋼管坯

直徑190 mm、長2 100 mm的27SiMn鋼管坯在現(xiàn)場實(shí)測的軋制力數(shù)據(jù)見表3。可以看出，正常穿制 10 支管坯時(shí)，F(xiàn)r＝428.9（kN），F(xiàn)c＝418.1（kN），F(xiàn)r∧Fc，總軋制力 F＝845.9 kN。

4.3 直徑190mm、長1 900 mm的20鋼管坯

直徑190mm、長1 900 mm的20鋼管坯在現(xiàn)場實(shí)測的軋制力數(shù)據(jù)見表4?？梢钥闯?，正常穿制10 支管坯時(shí)，F(xiàn)r＝309.6（kN），F(xiàn)c＝265.7（kN），F(xiàn)r∧Fc，總軋制力F為575.3 kN。

表2 直徑190mm、長2 030mm的45鋼管坯實(shí)測軋制力 kN

表3 直徑190mm、長2 100mm的27SiMn鋼管坯實(shí)測軋制力 kN

4.4 直徑230mm、長3 500mm的20鋼管坯

直徑230mm、長3 500mm的20鋼管坯在現(xiàn)場實(shí)測的軋制力數(shù)據(jù)見表5。可以看出，正常穿制10 支管坯時(shí)，F(xiàn)r＝599.0（kN），F(xiàn)c＝540.1（kN），F(xiàn)r∧Fc，總軋制力F為1 139.7 kN。

表4 直徑190mm、長1 900mm的20鋼管坯實(shí)測軋制力 kN

表5 直徑230mm、長3 500mm的20鋼管坯實(shí)測軋制力 kN

5 穿孔機(jī)軋制力工程計(jì)算公式

由軋制力理論［3-11］得出穿孔機(jī)軋制力的基本計(jì)算公式如下：

式中P入、P出——變形區(qū)內(nèi)軋輥入口錐、出口錐的平均單位壓力，N/mm2；

S1、S2——軋輥入口錐面、出口錐面分別與管坯的接觸面積，mm2；

S——軋輥和管坯的接觸總面積，mm2。

由于穿孔變形區(qū)投影面形狀不規(guī)則，因此在任意變形區(qū)截面上，將Δl長度上的區(qū)段視作梯形進(jìn)行計(jì)算（圖2），將接觸長度l方向上的若干梯形面積累加可得接觸總面積［12］（忽略送進(jìn)角和頂頭的影響），即：

圖2 斜軋穿孔軋制力計(jì)算

式中bx——軋輥和管坯接觸區(qū)寬度，mm。

如果把軋制線方向設(shè)為x軸，則接觸面積隨著x值進(jìn)行變化，入口前x值范圍為0～l1，出口時(shí)x值范圍 0～l2，對(duì)每一小段接觸面積（bxΔl）沿 x軸線進(jìn)行積分，可得積分式如下：

管坯接觸區(qū)寬度和壓縮量如圖3所示，根據(jù)幾何關(guān)系可推導(dǎo)出接觸區(qū)寬度bx沿輥面錐角隨壓縮量變化的關(guān)系如下：

式中Rx——軋輥的截面直徑，mm；

rx——管坯的截面直徑，mm；

青海省要用“四個(gè)轉(zhuǎn)變”的新思想指導(dǎo)全省的交通規(guī)劃建設(shè)。加快形成公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，提高全省公路運(yùn)行的通暢度；加速融入全國高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，提升鐵路運(yùn)輸效率；加快機(jī)場建設(shè)，助力通航發(fā)展……通過各種運(yùn)輸方式相互協(xié)調(diào)配合，將青海省打造成 “承東啟西，南北暢通”的交通戰(zhàn)略紐帶。

圖3 管坯接觸區(qū)寬度和壓縮量

Δrx——管坯壓縮量，mm。

式（4）中Δrx是隨著軋輥輥面錐角α的壓縮而變化的，如果忽略橢圓度影響，其計(jì)算可簡化為：

綜合式（1）～（5）即可推導(dǎo)出應(yīng)用于計(jì)算穿孔機(jī)軋制力的積分式為：

推導(dǎo)的積分式（6）因考慮毛管經(jīng)過頂頭平輾段后進(jìn)行規(guī)圓，在高溫狀態(tài)下空心毛管對(duì)軋輥的作用力很小，對(duì)毛管規(guī)圓段可簡化計(jì)算。積分式（6）的準(zhǔn)確性需要與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)作對(duì)比驗(yàn)證。

根據(jù)已知軋制工藝參數(shù)可以計(jì)算出軋輥入口錐和出口錐變形區(qū)接觸長度分別為l1和l2，設(shè)計(jì)入口錐角為3.0°，出口錐角為3.5°，可代入公式計(jì)算。

鋼鐵材料在高溫狀態(tài)下的力學(xué)特性，與其溫度、元素成分、應(yīng)力、應(yīng)變速率等諸多因素有關(guān)，為了提高對(duì)金屬變形抗力數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度要求，文獻(xiàn)［1］給出了碳鋼和合金在高溫、高速下測定得到的變形溫度、變形速度和變形程度對(duì)變形抗力影響的非線性回歸模型。它以各鋼種為單位，得到各回歸系數(shù)值，結(jié)構(gòu)如下式［1，13-14］。式中 σ0——變形抗力，MPa；

α1～α6—— 回歸系數(shù)，其值取決于鋼種。各

回歸系數(shù)值按鋼種的分類見表6。

T——?。╰+273）/1 000，其中t為變形溫度，

℃；

μ——變形速度，s-1；

γ——綜合應(yīng)變。

假定穿孔時(shí)只產(chǎn)生均勻變形，沒有多于剪切應(yīng)變，則綜合應(yīng)變?chǔ)茫?5］和變形速度μ如下：

表6 試驗(yàn)鋼種的變形抗力數(shù)學(xué)模型回歸系數(shù)

式中 εx，εy，εz—— 主應(yīng)變（對(duì)數(shù)應(yīng)變）；

tc——變形區(qū)的平均變形時(shí)間，s。

由于入口錐、出口錐變形區(qū)內(nèi)變形情況差別很大，因此代入計(jì)算各種材料的平均變形抗力，＝（N/mm2）。將平均變形抗力代入軋制力計(jì)算基本公式F＝，即可求得軋制力。各試驗(yàn)管坯參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 各試驗(yàn)管坯參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果

6 試驗(yàn)測定值與簡化積分式計(jì)算結(jié)果比較

各試驗(yàn)管坯的軋制力試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的比較見表8?？梢钥闯?，軋制力積分式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測定值還是有一些誤差，但能夠滿足工程設(shè)計(jì)計(jì)算要求。

表8 各試驗(yàn)管坯的軋制力試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較

7 結(jié) 論

（1）通過對(duì)二輥立式斜軋穿孔機(jī)軋輥與軋件接觸面積條件的簡化，推導(dǎo)出了軋件變形接觸面積計(jì)算采用沿軋線長度方向上的積分式，提供了一種簡化工程計(jì)算公式，方便工程設(shè)計(jì)使用。

（2）穿孔機(jī)穿孔時(shí)不僅有主應(yīng)變還有多余附加應(yīng)變，不僅有單項(xiàng)擠壓、剪切變形，還有頂頭參與的多向復(fù)雜變形；該工程計(jì)算公式雖然不能反映穿孔時(shí)真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，但通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比，驗(yàn)證了其可以作為穿孔機(jī)設(shè)計(jì)的力能參數(shù)依據(jù)。

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