多輥冷軋管機(jī)工具孔型的實(shí)用性設(shè)計(jì)

繆飛軍

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與軌道交通學(xué)院，浙江寧波315211）

0 引言

冷軋管機(jī)有二輥和多輥（3～5輥）之分，與二輥冷軋管機(jī)相比，多輥冷軋管機(jī)具有以下特點(diǎn)：輥徑小，能生產(chǎn)表面粗糙度小、表面質(zhì)量高的管材，尤其適用于薄壁管；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)和送進(jìn)量較小，生產(chǎn)率較低，一般延伸系數(shù)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?。⊿T=0.5~0.8）的管材。

另外為了使軋輥能產(chǎn)生純滾動(dòng)，且軸向力最小，多輥軋機(jī)必須設(shè)置能便于調(diào)整的搖桿系統(tǒng)，這樣在同一個(gè)行程中，機(jī)頭和軋輥具有不同的行程長(zhǎng)度，機(jī)頭的行程長(zhǎng)，軋輥的行程短，后者約為前者的0.6～0.7倍，所以在相同機(jī)架行程的條件下，多輥軋機(jī)的芯棒比二輥軋機(jī)芯棒短很多，而滑道長(zhǎng)度更短，顯然生產(chǎn)率要比二輥軋機(jī)低許多。

多輥式冷軋管機(jī)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(nèi)孔尺寸一致，均為圓柱形，幾何形狀簡(jiǎn)單，所以多輥軋機(jī)的孔型設(shè)計(jì)關(guān)鍵是滑道的設(shè)計(jì)，而滑道中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

冷軋管機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)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(zhǎng)工具使用壽命，故目前仍廣泛運(yùn)用前蘇聯(lián)“舍瓦金”的孔型設(shè)計(jì)方法。本文將對(duì)多輥冷軋管機(jī)工具孔型（軋輥、芯棒和滑道）的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過實(shí)例來介紹滑道工作面孔型實(shí)用性設(shè)計(jì)的方法與步驟。

1 多輥冷軋管機(jī)軋輥和芯棒的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）多輥軋機(jī)軋輥的幾何尺寸在軋機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)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(shí)輥環(huán)凸緣壓入管子表面，軋槽側(cè)壁必須開口，側(cè)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(duì)輥環(huán)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(jī)的芯棒是圓柱形，芯棒不包括聯(lián)接螺紋的總長(zhǎng)度應(yīng)與軋輥相對(duì)于芯棒的行程S0相適應(yīng)，而S0=S/（1+n），其中比例因子n=Du/Dk,S為機(jī)頭行程，Du為軋輥輥頸直徑，Dk為軋制直徑）。實(shí)際上芯棒長(zhǎng)度對(duì)于一定型號(hào)的軋機(jī)是一個(gè)確定的值。軋制時(shí)為了避免管子內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)狀凹陷和減小送進(jìn)時(shí)的脫棒力，芯棒尾端可加工成錐度不大的倒錐，設(shè)倒錐段長(zhǎng)度為m0，倒錐部分的直徑差為Δd0，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)不同規(guī)格的多輥軋機(jī)，m0和Δd0值可參考表1選取。

表1 不同規(guī)格多輥軋機(jī)參數(shù)m0和Δd0的參考值

2 多輥軋機(jī)滑道種類及其工作面孔型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 多輥軋機(jī)滑道的種類

多輥軋機(jī)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(jī)，均采用剛性好的整體式滑道；而LD－120以上的大型軋機(jī)，包括LD－120、LD－150和LD－180等軋機(jī)，為了節(jié)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(shè)計(jì)和加工較困難，故應(yīng)用較少。目前普遍應(yīng)用的是折線型滑道，其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和加工方便，制造成本較低，并可通過增加折線段數(shù)量來逼近曲線滑道，從而改善了軋制工藝性能和軋制質(zhì)量，所以折線型滑道目前還是最實(shí)用和普遍的。

2.2 多輥軋機(jī)滑道工作面孔型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1）滑道工作面孔型的設(shè)計(jì)方法。由于多輥式冷軋管機(jī)是靠滑道來改變沿著它滾動(dòng)的軋輥所組成的孔型直徑的，因此滑道工作面應(yīng)按二輥式冷軋管機(jī)軋輥孔型脊部輪廓曲線的同樣設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。并根據(jù)搖桿機(jī)構(gòu)的比例關(guān)系及其比例因子n=Du/Dk，在確定了工作錐的各尺寸參數(shù)后，再把各參數(shù)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(jī)軋輥孔型脊部輪廓曲線相仿，也可劃分為4段，即回轉(zhuǎn)送進(jìn)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(jī)用于軋制高精度高質(zhì)量的管材，所以必須采用“舍瓦金”設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)

3）必須搞清3個(gè)行程的概念及其計(jì)算公式?；赖慕^對(duì)行程式中:R為軋機(jī)曲柄半徑，L為搖桿長(zhǎng)度，e為偏心距。

軋輥的絕對(duì)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(jì)算：Dk=DB－k·DT，其中DB為孔型中心距，由機(jī)頭結(jié)構(gòu)決定；DT為成品管外徑；k為系數(shù)，對(duì)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(shè)計(jì)的方法與步驟

3.1 必須知道的原始數(shù)據(jù)

1）軋機(jī)機(jī)頭的行程S，包括曲柄半徑R，連桿長(zhǎng)度L及偏心距e等；2）軋機(jī)類型（軋輥數(shù)）及軋機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)的布局位置，是前置式（曲柄位于軋制區(qū)之前端）還是后置式（曲柄位于軋制區(qū)之后端）；3）軋機(jī)后極限回轉(zhuǎn)送進(jìn)角2θ的大??；4）軋制材質(zhì)和軋制規(guī)格D0×S0→DT×ST，軋制速度v和送進(jìn)量m等；5）孔型中心距DB和軋輥輥頸直徑Du等。

3.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

1）滑道工作面的總長(zhǎng)度而滑道的總長(zhǎng)度E應(yīng)是在l的基礎(chǔ)上，兩端再放足夠的余量而成，它是在機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定的值。

2）回轉(zhuǎn)送進(jìn)空行程絕對(duì)長(zhǎng)度：

a.當(dāng)曲柄機(jī)構(gòu)為前置式時(shí)其中β=θ－γ，θ為回轉(zhuǎn)送進(jìn)半角，

b.當(dāng)曲柄機(jī)構(gòu)為后置式時(shí)其中β=θ+γ，θ為回轉(zhuǎn)送進(jìn)半角，γ=

4）確定滑道上減徑段的長(zhǎng)度ld：

一般取ld=10~20，小軋機(jī)取ld=10左右；中軋機(jī)取ld=15左右；大軋機(jī)取ld=20左右。

5）確定滑道上定徑段的長(zhǎng)度lk：

式中：K為定徑系數(shù)，一般取K=4~5，有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出，當(dāng)冷軋?zhí)貏e薄壁管材時(shí)，取K=8~10左右，以加長(zhǎng)定徑段長(zhǎng)度，增加精軋次數(shù)；m為送進(jìn)量；μ為延伸系數(shù),μ=

3）確定回轉(zhuǎn)送進(jìn)段反映在滑道上的長(zhǎng)度ln：

6）確定滑道上壁厚壓下段的長(zhǎng)度l0=l－ln－ld－lk。

7）計(jì)算管壁總延伸系數(shù)μt。由于在多輥軋機(jī)上軋管時(shí)，管坯內(nèi)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(jì)，所以

8）將壁厚壓下段l0等分7段8點(diǎn)，用“舍瓦金”設(shè)計(jì)方法，確定8個(gè)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的8個(gè)點(diǎn)的壁厚延伸系數(shù)μtx值，或利用CAD作圖法，則獲得的數(shù)據(jù)更精確；再按公式計(jì)算出8個(gè)點(diǎn)上的壁厚分配值。

9）確定滑道上壁厚壓下段8個(gè)點(diǎn)所處截面的高度。每個(gè)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(shè)計(jì)。應(yīng)設(shè)計(jì)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(gè)用于調(diào)整的斜面，其斜度已定，一般為1:50。

4 多輥軋機(jī)滑道孔型的設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 已知原始數(shù)據(jù)

使用軋機(jī)的型號(hào)為L(zhǎng)D－30（三輥），曲柄機(jī)構(gòu)為后置式，R＝280，L＝1805，e＝235，機(jī)頭行程S＝564.9，采用馬爾泰盤回轉(zhuǎn)送進(jìn)機(jī)構(gòu)，后極限單回單送的回轉(zhuǎn)送進(jìn)角2θ=120°。軋制材質(zhì)為35鋼，軋制規(guī)格為φ36×2.3→φ32×1，軋制速度v=80 次/min，送進(jìn)量m＝5，軋輥輥頸直徑Du=φ45，孔型中心距DB=90。

4.2 設(shè)計(jì)方法與計(jì)算步驟（參考圖1）

1）計(jì)算滑道工作面的總長(zhǎng)度其中

2）計(jì)算回轉(zhuǎn)送進(jìn)空行程絕對(duì)長(zhǎng)度：

后置式Rcosβ，其中

3）計(jì)算滑道上回轉(zhuǎn)送進(jìn)段長(zhǎng)度ln：

延伸系數(shù)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(jì)算滑道上壁厚壓下段的長(zhǎng)度l0：

4）確定滑道上減徑段長(zhǎng)度ld，中小軋機(jī)此處取ld=13。

5）計(jì)算滑道上定徑段的長(zhǎng)度lk：

7）計(jì)算管壁總延伸系數(shù)μt：

8）將壁厚壓下段l0等分7段8點(diǎn)。

每段長(zhǎng)度用查圖表法或利用CAD作圖法獲得8個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的μtx值，按公式求得8個(gè)點(diǎn)上壁厚的分配值。再按公式y(tǒng)x=Sx－ST計(jì)算各值，yx的各點(diǎn)參數(shù)即為該點(diǎn)相對(duì)于滑道工作面最高點(diǎn)（7點(diǎn)）的相對(duì)高度差值，其中1.3，以上各數(shù)據(jù)均列于表2中。

表2 壁厚壓下段等分七段八點(diǎn)后求得的各參數(shù)值

5 結(jié)語

冷軋管機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)的核心理論是“舍瓦金”的設(shè)計(jì)理論及其系統(tǒng)的計(jì)算公式。多輥冷軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是滑道的設(shè)計(jì)，為了盡可能使滑道變形區(qū)中的軋制壓力分布均勻，以使滑道孔型磨損較均勻，延長(zhǎng)滑道的使用壽命，目前仍廣泛運(yùn)用“舍瓦金”的設(shè)計(jì)方法。

所以應(yīng)在“舍瓦金”理論體系的指導(dǎo)下，同時(shí)結(jié)合軋制工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。而其中滑道工作面的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從以上孔型設(shè)計(jì)實(shí)例可以看出，采用“舍瓦金”的孔型設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便、條理清楚、實(shí)用可靠，值得相關(guān)企業(yè)在從事軋制工具孔型設(shè)計(jì)時(shí)參考和應(yīng)用。

[1]韓觀昌,李連詩.小型無縫鋼管生產(chǎn):下冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

[2]王廷溥,齊克敏.金屬塑性加工學(xué)—軋制理論與工藝[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[3]吳宗澤,盧頌峰,冼健生.簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[4]鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.（責(zé)任編輯 馬忠臣）