二輥冷軋管機(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

工具孔型設(shè)計(jì)是冷軋管材生產(chǎn)工藝中的核心問(wèn)題，它直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量、軋機(jī)生產(chǎn)率和工具壽命等。而某些傳統(tǒng)的孔型理論設(shè)計(jì)方法，由于數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、理論計(jì)算繁瑣，實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)，僅適用于理論研究。實(shí)際上，孔型設(shè)計(jì)應(yīng)在設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，充分結(jié)合軋制工藝，在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷加以改進(jìn)和完善，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便和實(shí)用。下面通過(guò)對(duì)二輥冷軋管機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析來(lái)介紹孔型實(shí)用性設(shè)計(jì)的方法和步驟。

1 二輥冷軋管機(jī)工具孔型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

二輥冷軋管機(jī)的軋制工具是軋輥和芯棒，對(duì)其工具孔型設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵在于軋輥與芯棒的組合配套設(shè)計(jì)。而其中軋輥中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.1 工具孔型工作區(qū)域的劃分及其軋制壓力的分布

工具孔型總體上均可分為4段，即回轉(zhuǎn)送進(jìn)段、減徑段、壁厚壓下段和均整定徑段。冷軋時(shí)，主要變形集中在壓下段（減徑段+壁厚壓下段），軋制壓力與該段的孔型設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，不同的孔型設(shè)計(jì)有不同的軋制壓力，故壓下段孔型的形狀決定了變形過(guò)程中沿孔型長(zhǎng)度的變形量變化及軋制壓力的分布。

由于減徑段長(zhǎng)度較短，軋制時(shí)管坯內(nèi)徑尚未與芯棒接觸，故軋制壓力較小，所以壁厚壓下段是軋制力最大、變形最集中的區(qū)域。由理論分析和實(shí)踐結(jié)果可知，當(dāng)軋制規(guī)格和送進(jìn)量一定時(shí)，軋制力與金屬的加工硬化、強(qiáng)度極限σb和壁厚壓下段長(zhǎng)度l0等有關(guān)。加工硬化程度越嚴(yán)重，σb越大，l0越小，則軋制壓力越大，反之則越小。在整個(gè)軋制過(guò)程中，瞬時(shí)軋制力是變化的，在正行程軋制時(shí)，隨著加工硬化的逐漸嚴(yán)重，導(dǎo)致強(qiáng)度極限σb逐漸增大，而塑性下降，則軋制壓力也逐漸增大。為了使軋制壓力分布較均勻，減少孔型磨損，在l0等分點(diǎn)上，使瞬時(shí)壁厚壓下量Sx的分布呈逐漸減小趨勢(shì)，以抵消由于加工硬化引起的瞬時(shí)軋制力的增大，這樣能使整個(gè)壁厚壓下段上的軋制壓力基本均布，以使工具孔型磨損均勻，從而兼顧了軋機(jī)的生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和工具壽命。

1.2 壁厚壓下段孔型的設(shè)計(jì)方法

目前廣泛采用的前蘇聯(lián)“舍瓦金”的設(shè)計(jì)方法就是用于壁厚壓下段的孔型設(shè)計(jì)。該方法是以相對(duì)變形量沿壁厚壓下段長(zhǎng)度按一定規(guī)律下降作為設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)，遵循了變形區(qū)中軋制壓力的分布盡可能均勻的原則，是根據(jù)“軋制過(guò)程中金屬由于加工硬化引起的塑性下降而相應(yīng)地減小相對(duì)變形量（壁厚壓下量）”的原則來(lái)設(shè)計(jì)該段孔型的。具體是采用“等分七段八點(diǎn)”原則，每點(diǎn)的壁厚分配用查圖表法來(lái)確定，或者利用ut-utx圖表轉(zhuǎn)化的CAD圖上，直接畫(huà)直線、找數(shù)據(jù)，既快捷又準(zhǔn)確，然后再配合公式Sx=Sp/utx進(jìn)行計(jì)算。

1.3 軋輥與芯棒組合設(shè)計(jì)的類型

在軋輥與芯棒組合設(shè)計(jì)過(guò)程中，壁厚壓下段的孔型有3種類型可供選擇：1）芯棒采用直錐形，軋輥孔型按“舍瓦金”方法設(shè)計(jì)，滿足壁厚相對(duì)變形按對(duì)數(shù)關(guān)系逐漸減小的規(guī)律，即近似于拋物線曲線的變化規(guī)律，這是最常見(jiàn)和實(shí)用的方法；2）為了方便軋輥孔型設(shè)計(jì)和加工，該段孔型脊部的展開(kāi)圖可設(shè)計(jì)成直錐形，但配套芯棒形狀必須是拋物線或其它特殊曲線，這樣就增加了芯棒的設(shè)計(jì)和加工難度；3）當(dāng)軋輥和芯棒均為直錐形孔型時(shí)，理論上壁厚壓下段的減壁量均相同，但由于加工硬化的逐漸增大，正行程時(shí)，實(shí)際軋制壓力也逐漸增大，從而影響了工具的磨損程度和軋制質(zhì)量。所以一般用于軋制精度較低或管材開(kāi)坯時(shí)，也可用于軋制塑性較好的管材，如低碳鋼管、黃銅管和紫銅管等有色金屬及某些不銹鋼管。

1.4 關(guān)于軋輥的開(kāi)口問(wèn)題

二輥軋機(jī)的軋輥圓周上大致由3條環(huán)孔型組成，即回轉(zhuǎn)送進(jìn)段→軋制段（包括減徑段和壁厚壓下段）→均整定徑段（包含非工作段）。為了便于加工，使均整定徑段長(zhǎng)度延伸至回轉(zhuǎn)送進(jìn)段，使其孔型槽連貫相通，軋輥的開(kāi)口是從均整定徑段的末端開(kāi)始到軋制段的開(kāi)始處為止。所以進(jìn)行孔型設(shè)計(jì)時(shí)，還必須對(duì)軋制變形區(qū)和均整定徑區(qū)進(jìn)行合理的開(kāi)口，如圖1所示。

圖1 一對(duì)軋輥組成的孔型徑向局部剖面圖

根據(jù)有關(guān)資料，在均整定徑段靠近末端的1/2長(zhǎng)度上開(kāi)口度取bx=0.2～0.8 mm（對(duì)大規(guī)格取大值），在軋制段的孔型入口處取bx=1.2～1.6 mm，其余截面用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，中間過(guò)渡部分的開(kāi)口度用“內(nèi)插法”確定,并呈線性規(guī)律變化。其余非軋制段孔型可以不開(kāi)口，僅作孔口倒圓或倒鈍處理。

注意開(kāi)口度bx的大小并不是一成不變的，還應(yīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中根據(jù)軋制材質(zhì)、軋制規(guī)格和工藝條件等進(jìn)行靈活合理的修正和完善，例如，軋不銹鋼管的開(kāi)口度可大一些，其它材質(zhì)則應(yīng)相對(duì)較小。

2 工具孔型設(shè)計(jì)所需的原始數(shù)據(jù)

主要包括以下5方面的內(nèi)容和數(shù)據(jù)：

3 工具孔型設(shè)計(jì)的方法與步驟

最好采用軋輥與芯棒組合設(shè)計(jì)的方法和步驟，并利用其孔型展開(kāi)圖，則更加簡(jiǎn)易明了。為了使芯棒的錐度準(zhǔn)確地與軋輥孔型的形狀相適應(yīng)，一般應(yīng)在管坯減徑結(jié)束與芯棒剛接觸的臨界線作為芯棒直錐大端圓的開(kāi)始線，如圖2所示。

圖2 二輥軋機(jī)的孔型設(shè)計(jì)展開(kāi)圖

1）由圖2可知，軋輥總行程l=S=l回送+lp+lk。式中：lk為均整定徑段長(zhǎng)度；lp為壓下段長(zhǎng)度，lp=ld+l0，ld為減徑段長(zhǎng)度，l0為壁厚壓下段長(zhǎng)度。芯棒的錐度為2tan α=（Dn-dn）/l0=0.01～0.04（即1∶100～1∶25）。

2）各參數(shù)的確定。

芯棒大端直徑Dn=D0-2S0-ΔP。式中，ΔP為芯棒大端圓柱與管坯內(nèi)孔之間為便于上料所必需的間隙，取ΔP=1.5～3.5（小規(guī)格取小值，大規(guī)格取大值）。芯棒小端直徑dn=DT-2ST；減徑過(guò)程中的增壁量ΔSp=（0.05～0.06）ΔP，取0.055ΔP。

芯棒錐度的計(jì)算公式為2tan α=（Dn-dn）/l0。芯棒錐度取值范圍為2tan α=0.01～0.04為宜。2tan α與軋制時(shí)的總減徑量ΔD=D0-DT有關(guān)，ΔD較小時(shí)2tan α取小值，ΔD較大時(shí)2tan α取大值。參考相關(guān)資料，得中小型二輥軋機(jī)芯棒錐度的推薦值如表1所示。

3)本文基于人口與糧食的關(guān)系，以糧食為判據(jù)，在土地資源承載力(LCC)模型和土地資源承載指數(shù)(LCCI)的基礎(chǔ)上，定量分析永川區(qū)的土地資源承載力狀況，并利用土地資源承載力等級(jí)狀況進(jìn)行復(fù)墾分區(qū)，具有一定的實(shí)用性。但本研究的糧食僅包括稻谷、小麥、紅苕、玉米和油菜籽，并非廣義上的糧食，因此在一定程度上掩蓋了其他食物(如肉、蛋、奶等)對(duì)土地資源承載力的貢獻(xiàn)。再次，本文未對(duì)永川區(qū)耕地、糧食生產(chǎn)能力、人均GDP、農(nóng)民人均純收入及人口的耦合關(guān)系進(jìn)行分析，這在一定程度上限制了研究的深度。

表1 中小型二輥軋機(jī)芯棒錐度tan α的推薦值

當(dāng)芯棒錐度2tan α初定后，即可得壁厚壓下段長(zhǎng)度l0=（Dn-dn）/（2tan α），則減徑段長(zhǎng)度ld=lp-l0；一般減徑段孔型錐度取2tan γp=［D0-Dn-2（S0+ΔSp）］/ld≤0.2；則得ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）。當(dāng)此式不能滿足時(shí)，必須適當(dāng)調(diào)整芯棒錐度2tan α的取值，直至同時(shí)滿足ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）為止。

管壁延伸系數(shù)計(jì)算公式為ut=Sp/ST。其中Sp=S0+ΔSp。

將壁厚壓下段l0等分為7段、8點(diǎn)，借助于圖3所示的ututx圖表，由既定的ut值來(lái)查出8個(gè)點(diǎn)上相對(duì)應(yīng)的壁厚延伸系數(shù)utx值（也可利用CAD作圖法獲得精確數(shù)據(jù)），再按公式Sx=Sp/utx計(jì)算出8個(gè)點(diǎn)上的壁厚分布值。

圖3 確定壁厚壓下段各截面（1～7）壁厚壓下率的ut－utx圖表

芯棒壁厚壓下段上8個(gè)等分點(diǎn)處截面的直徑的計(jì)算公式為dx=dn+2lx·tan α。其中，lx是從定徑段開(kāi)始處到所求截面的距離。

軋輥壁厚壓下段上8個(gè)等分截面處的孔型直徑的計(jì)算公式為Dx=dx+2Sx，軋輥壓下段開(kāi)始處截面孔型的直徑Dx=D0；均整定徑段孔型的直徑Dx=DT；回轉(zhuǎn)送進(jìn)段孔型直徑Dx=D0+（1～3）。

對(duì)軋輥孔型進(jìn)行合理開(kāi)口，均徑段靠近末端的1/2長(zhǎng)度上開(kāi)口度可取bx=0.2～0.8，另外1/2長(zhǎng)度上的開(kāi)口度按線性均勻地增加至bk，在軋制段的孔型入口處取bx=1.2～1.6。其中：b7=bk=2m·u·tan α+0.2；b0=b1=bH=2m·tan γ1+1.0。2tan γ1=2tan γ0=（D0-D1）/ln。式中：ln=l0/7（D0、D1分別為截面0、1上的孔型直徑）。其余的b2、b3、b4、b5、b6各截面的開(kāi)口度大小為bH到bk之間，用“內(nèi)插法”按線性規(guī)律確定。

最終按公式Bx=Dx+bx計(jì)算各截面的孔型寬度。

4 二輥軋機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 原始數(shù)據(jù)

使用軋機(jī)為L(zhǎng)G-60Ⅱ-H，曲柄機(jī)構(gòu)為前置式，R=450 mm，L=2800 mm，e=200 mm。機(jī)架行程S=902.4 mm，采用光電回轉(zhuǎn)送進(jìn)，后極限單回單送的回轉(zhuǎn)送進(jìn)角2θ=90°。軋制材質(zhì)為35鋼，軋制規(guī)格為φ79×5.5→φ57×2.5，軋制速度v=75 次/min，送進(jìn)量m=8，同步齒輪分度圓直徑D齒=28×12=336 mm，軋輥總回轉(zhuǎn)角α輥=360°×S/（π·D齒）=307.8°。

4.2 設(shè)計(jì)方法與計(jì)算步驟

9）計(jì)算管壁延伸系數(shù)Sp=S0+ΔSp=5.5+0.14=5.64，得ut=Sp/ST=5.64÷2.5=2.26。

10）將壁厚壓下段l0等分為7段8點(diǎn)。每段長(zhǎng)度為ln=l0/7=540÷7=77.1≈77 mm。用查圖表法（如圖3）或利用CAD作圖法獲得8個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的utx值，再按公式Sx=Sp/utx計(jì)算出8個(gè)點(diǎn)上壁厚的分布值，數(shù)據(jù)均列于表2中。

11）計(jì)算8個(gè)點(diǎn)截面上芯棒的直徑dx=dn+2lx·tan α和軋輥孔型直徑Dx=dx+2Sx值，均列于表2中?；剞D(zhuǎn)送進(jìn)段孔型直徑取Dx=D0+2=81 mm。

12）對(duì)軋輥孔型進(jìn)行合理開(kāi)口計(jì)算。b7=bk=m·u·2tan α+0.2=8×2.97×0.025+0.2=0.79 mm，b0=b1=bH=m·2tan γ1+1.0=8×0.0526+1.0=1.42 mm。其中，2tan γ1=（D0-D1）/ln=（76.78-72.73）÷77=0.0526。均徑段靠近末端的1/2長(zhǎng)度上開(kāi)口度取bx=0.5 mm，另外1/2長(zhǎng)度上的bx按線性均勻地增加至0.79 mm，軋制段孔型入口處取bx=1.5 mm，其余b2～b6各截面的開(kāi)口度在1.42～0.79之間，按“內(nèi)插法”確定，具體如表2所示。

13）計(jì)算孔型寬度Bx=Dx+bx，數(shù)據(jù)均列于表2中。

5 結(jié)語(yǔ)

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?？仔驮O(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。因此應(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)。二輥冷軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軋輥與芯棒的組合配套設(shè)計(jì)，而其中軋輥中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重難點(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。

表2 孔型各徑向尺寸參數(shù)表mm