大型筒節(jié)軋制成形機理研究

趙強

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

1 咬入條件

（1）咬入力學(xué)模型和條件。為了使大型筒節(jié)能夠連續(xù)穩(wěn)定地軋制，大型筒節(jié)軋制成形必須滿足一定的咬入條件，與單輥驅(qū)動不同，雙輥驅(qū)動時芯輥與驅(qū)動輥對軋件的摩擦力均起到了驅(qū)動作用，本文對雙輥驅(qū)動下的咬入條件進行了重新推導(dǎo)。如圖所示為大型筒節(jié)軋制變形區(qū)模型，P2和P1分別為芯輥與驅(qū)動輥在變形區(qū)內(nèi)對大型筒節(jié)的正壓力，T2和T1分別為芯輥和驅(qū)動輥在變形區(qū)內(nèi)對大型筒節(jié)的摩擦總力，2α和 1α分別為芯輥和驅(qū)動輥與大型筒節(jié)接觸角。

大型筒節(jié)受力條件為式中，1ξ和2ξ為系數(shù)，簡單起見，認(rèn)為1ξ=2ξ=0.5。

根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)大型筒節(jié)和軋輥之間的摩擦為庫倫摩擦，驅(qū)動輥和芯輥與大型筒節(jié)的摩擦系數(shù)均為μ，則：T1=μP1、T2=μP2，代入上式，并整理可得：

考慮咬入角較小，并將摩擦系數(shù)用摩擦角來描述，μ= tanβ，上式可近似為

（2）咬入條件與進給量的關(guān)系。如圖1所示，r和R為大型筒節(jié)內(nèi)外半徑，1hΔ 、2hΔ 分別為芯輥對大型筒節(jié)外表面的進給量，和驅(qū)動輥對大型筒節(jié)外表面的進給量。Δh=Δh1+Δh2，忽略進給中軋機和軋輥的彈性變形，以大型筒節(jié)中心為坐標(biāo)原點，建立圖中的xoy坐標(biāo)系，則大型筒節(jié)與兩輥接觸區(qū)輪廓方程為：

圖1 大型筒節(jié)軋制成形幾何模型

當(dāng)xL=? 時，AE與BE交于E點，CF與DF交于F點，此時有

得

考慮到：α1≈L/R1；α2≈L/R2，代入咬入條件得：

（3）單輥驅(qū)動與雙輥驅(qū)動的咬入條件對比。由文獻可知，單輥驅(qū)動時的咬入條件如式（7）和式（8）所示。

對比式（3）與式（7），雙輥驅(qū)動時，滿足咬入所需的摩擦角為單輥驅(qū)動時的一半，即由于雙輥驅(qū)動時，芯輥與驅(qū)動輥對大型筒節(jié)均起到主動驅(qū)動，更容易咬入。同理，同樣的摩擦條件下，雙輥驅(qū)動時，能夠?qū)崿F(xiàn)更大壓下量的咬入，如式（8）與式（10）。

2 鍛透條件

鍛透條件即塑性區(qū)穿透整個大型筒節(jié)壁厚，使整個塑性變形區(qū)均發(fā)生塑性變形，所以大型筒節(jié)鍛透條件是大型筒節(jié)軋制變形的充分條件。即大型筒節(jié)軋制變形過程中，每圈壓下量必須滿足大型筒節(jié)的鍛透條件。

根據(jù)滑移線理論，大型筒節(jié)的鍛透條件為：

式中，ha為變形區(qū)平均厚度，mm；

所以大型筒節(jié)的鍛透公式為：

上式表明，大型筒節(jié)尺寸和軋輥尺寸是鍛透條件的重要影響因素，軋制過程中，軋輥半徑R1、R2保持不變，但R-r值減小，因此，隨著軋制的進行，minhΔ 數(shù)值逐漸減小，即相同的壓下量，大型筒節(jié)變大更利于鍛透條件。

大型筒節(jié)軋制過程中，軋制的每圈壓下量需既滿足大型筒節(jié)軋制的咬入條件，又滿足大型筒節(jié)軋制的鍛透條件，才能保證大型筒節(jié)軋制的穩(wěn)定進行。

3 筒節(jié)擴徑模型

（1）大型筒節(jié)軋制過程中的直徑擴大規(guī)律。

根據(jù)體積不變條件，可得軋制加工中大型筒節(jié)外徑：

式中，D為軋制某一時刻大型筒節(jié)的外徑，mm；d為軋制某一時刻大型筒節(jié)的內(nèi)徑，mm；H為軋制某一時刻大型筒節(jié)的壁厚，mm；D0為大型筒節(jié)毛坯外徑，mm；d0為大型筒節(jié)毛坯內(nèi)徑，mm；H0為大型筒節(jié)毛坯壁厚，mm。

上式也可用于大型筒節(jié)鍛造毛坯的基本尺寸設(shè)計。

（2）驅(qū)動輥進給速度。

當(dāng)單圈進給量Dh為常數(shù)時，驅(qū)動輥進給速度可由下式給出：

式中，hΔ為驅(qū)動輥單圈進給量，mm；D1為驅(qū)動輥直徑，mm；n1為驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/s。

式（13）給出了驅(qū)動輥在大型筒節(jié)出口厚度為H時的進給速度，與毛坯規(guī)格、驅(qū)動轉(zhuǎn)速、驅(qū)動輥直徑和單圈壓下量有關(guān)。其中驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速由軋制速度V(單位：m/s)決定。

4 筒節(jié)軋制咬入條件驗證

筒節(jié)軋制滿足咬入條件是實現(xiàn)筒節(jié)穩(wěn)定軋制的前提，如滿足不了咬入條件，軋輥和筒節(jié)之間將出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。在此，通過有限元仿真，針對不同壓下量，對筒節(jié)軋制咬入條件進行驗證，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同單圈壓下量的塑性區(qū)分布

從提取的結(jié)果來看，在單圈壓下量為30mm/20mm/10mm條件下，筒節(jié)都是正常地咬入，滿足了咬入條件，能夠保證筒節(jié)軋制正常的進行。

5 結(jié)語

本文重新推導(dǎo)了雙輥驅(qū)動大型筒節(jié)軋制過程中的咬入條件、鍛透狀態(tài)、直徑擴大等軋制變形規(guī)律和成形機理，與單輥驅(qū)動的成形規(guī)律做對比，并采用有限元軟件建立了筒節(jié)軋制熱力耦合模型，對研究的軋制變形規(guī)律和成形機理進行了驗證。