Assel 軋管機名義輥徑的確定

于路強

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

Assel 軋管機是一種斜軋變形設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特征是互成120 度的三個軋輥和一根芯棒組成相對封閉的環(huán)狀孔型;軋輥軸線相對于軋制中心線在垂直方向和水平方向均傾斜一定角度，分別稱作送進角和輾軋角;軋輥形狀呈錐形，中間有一個凸起的圓滑過渡段稱作臺肩，軋制時三個軋輥與長芯棒共同完成集中變形，變形示意見圖1。Assel機組主要用來生產(chǎn)管壁較厚、規(guī)格繁多、尺寸精度要求高的軸承鋼管和各種機械用管［1］。

圖1 Assel 軋管機變形示意圖

Assel 軋管機軋輥輥型見圖2，分為入口錐、臺肩、輾軋段和出口錐。通常將臺肩外緣直徑稱為名義輥徑。名義輥徑的確定是軋輥設(shè)計的基礎(chǔ)，也是軋機設(shè)計的重要參數(shù)?，F(xiàn)有文獻中Assel 軋管機名義輥徑通常按可軋制最小管徑的經(jīng)驗倍數(shù)來確定［1，2］，實際上影響名義輥徑的因素有很多。本文主要從軋輥設(shè)計的角度，討論名義輥徑的主要影響因素。

圖2 Assel 軋管機輥型圖

1 工藝設(shè)計對名義輥徑的要求

Assel 軋管機在開始軋制時，毛管被三個同向旋轉(zhuǎn)的軋輥咬入并反向旋轉(zhuǎn)，然后螺旋向出口方向前進，當(dāng)毛管到達臺肩時開始集中減壁延伸，變形劇烈，然后進入輾軋段進行均壁軋制。輾軋段的長度一般等于或大于管子回轉(zhuǎn)一周的前進量的三分之一。最后到出口區(qū)。

輾軋段的主要作用是均壁精軋，雖然此區(qū)域的變形量很小，但對鋼管壁厚均勻性非常重要。由于送進角的存在，輾軋段的軋輥母線不可能完全平行于軋制線，因此會產(chǎn)生螺旋性的壁厚不均。斜軋過程中，沿軋制線方向任意截面處的孔型開度值定義為該截面軋件與軋輥分離點至軋制線的距離，由此可得單位螺距范圍內(nèi)孔型開度值的最大差值即壁厚的最大差值。由孔型開度值的計算方法可得［3］，在送進角和輾軋角及其他條件不變的情況下，名義輥徑越大，一定長度范圍內(nèi)孔型開度值的最大差值越小。從減小壁厚不均的角度考慮，名義輥徑應(yīng)該盡量大。但名義輥徑的增大會使接觸面積及橫向變形增大，三角形壓扁的角部更尖銳，引發(fā)產(chǎn)品裂紋［1］。綜合考慮，在滿足壁厚不均要求的前提下，名義輥徑應(yīng)盡量選擇小值。

2 機械性能對名義輥徑的要求

軋輥在軋制過程中受到各種應(yīng)力的綜合作用，要求軋輥必須有足夠的強度和剛度［4］。

2.1 強度要求

軋輥在軋制過程中受到彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力等綜合影響，為滿足強度要求軋輥軸必須足夠粗，并且輥身具有足夠的“肉厚”。在材質(zhì)一定的情況下，名義輥徑越大，軋輥的強度越高。

2.2 剛度要求

軋輥在軋制力和軋制力矩的作用下，將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、輥間彈性壓扁等變形，這些變形均不得超過允許值，因此需要軋輥具有足夠的剛度。在材質(zhì)一定的情況下，名義輥徑越大，軋輥的剛度越高。

綜上所述，應(yīng)根據(jù)理論計算的軋制力和軋制力矩校核軋輥的強度和剛度，確定滿足機械性能要求所需的最小名義輥徑。

3 軋輥重車對名義輥徑的要求

在軋制過程中，軋輥表面因工作磨損，需不止一次的重車或重磨。軋輥工作表面的每次重車量為0.5 ～5mm，重磨量為0.01 ～0.5mm。軋輥直徑減小到一定程度后，即不能再使用。因此在確定名義輥徑時應(yīng)考慮一定的重車量，提高軋輥的利用率［4］。

4 生產(chǎn)經(jīng)濟性對名義輥徑的要求

名義輥徑大具有強度高、剛性好的優(yōu)點，但由此會帶來接觸面積的增大、軋制力和軋制力矩增大，同時需要更大的軋機牌坊。從經(jīng)濟性角度考慮，在滿足強度、剛度及重車量的要求下，名義輥徑應(yīng)盡量小。

4.1 接觸面積的計算

Assel 軋管機軋件與軋輥接觸面積如圖3 所示，整個接觸區(qū)可近似看做三角形與梯形的組合［5］。各段接觸長度計算如下。

式中 D0—毛管直徑;

S0—毛管壁厚;

D—荒管直徑;

S—荒管壁厚;

d—芯棒直徑;

α1—入口輥面錐角;

α3—出口輥面錐角。

L2和L3的長度由軋輥尺寸確定。

圖3 Assel 軋管機軋件與軋輥接觸面積示意圖

各段接觸寬度計算如下:

式中 Ri—計算處軋輥半徑;

ri—計算處鋼管半徑;

Δri—計算處單位螺距內(nèi)的壓下量;

εi—計算處橢圓度;

Δε—輾軋段橢圓度減小量。

總接觸面積

4.2 軋制力的計算

金屬對軋輥的軋制力可由下式確定:

式中 pc—平均單位壓力;

F—接觸面積。

Assel 軋管機軋制接觸區(qū)分為減徑區(qū)和減壁區(qū)，應(yīng)分別計算各區(qū)單位壓力。單位壓力由金屬變形抗力結(jié)合各項影響系數(shù)確定。金屬變形抗力由材質(zhì)、變形量、變形速度和變形溫度決定，可通過試驗數(shù)據(jù)回歸公式或查表獲得。

4.3 軋制力矩的計算

軋制力矩可由下式確定:

式中 R—軋輥半徑;

b—平均接觸寬度;

α—送進角;

β—輾軋角;

r—鋼管直徑。由以上的計算可得，名義輥徑的增大會使接觸面積增大，同時軋制力和軋制壓力也相應(yīng)增加［6］。文獻［5］中提到，其他條件不變的情況下，分別用名義輥徑480mm 和380mm 的兩種軋輥生產(chǎn)，大輥徑比小輥徑的軋制力和軋制力矩分別提高21%和20 ～42%。

5 結(jié)論

Assel 軋管機名義輥徑的確定需綜合考慮各方面的影響。工藝設(shè)計和設(shè)備機械性能的角度需要足夠大的名義輥徑保證壁厚的均勻性和軋輥的強度、剛度，滿足以上要求并考慮一定重車量的情況下，名義輥徑應(yīng)盡量小，以降低能耗并保證軋制過程穩(wěn)定。

［1］楊志強.三輥軋管輥型設(shè)計探討［J］. 鋼管，1995，Vol.24 (4):30－33.

［2］王海文，李紹山. 三輥軋管機的發(fā)展及軋輥輥型設(shè)計［J］.鋼管，1992，Vol.21(2):13－16.

［3］李勝祗，孫中建. 斜軋穿孔機孔型優(yōu)化系統(tǒng)的研制［J］.鋼鐵研究學(xué)報，1998，Vol.10(5):15－18.

［4］鄒家祥.軋鋼機械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995:84－100.

［5］李連詩.鋼管塑性變形原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1985:205－206.

［6］雙遠華，李國楨. 鋼管斜軋理論及生產(chǎn)過程的數(shù)值模擬［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001:93－104.