斜連軋工藝中軋輥組之間轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)關(guān)系的探討*

?！⌒瘢p遠(yuǎn)華，王清華，王付杰

（1.太原科技大學(xué)，山西太原030024；2.重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原030024；3.運(yùn)城學(xué)院，山西運(yùn)城044000）

斜連軋工藝中軋輥組之間轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)關(guān)系的探討*

牛旭1，2，雙遠(yuǎn)華1，2，王清華1，2，王付杰3

（1.太原科技大學(xué)，山西太原030024；2.重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原030024；3.運(yùn)城學(xué)院，山西運(yùn)城044000）

采用斜連軋工藝軋管時(shí)，金屬在穿孔段變形區(qū)內(nèi)與軋制段變形區(qū)內(nèi)的速度分別受到各自軋輥轉(zhuǎn)速的影響。為使穿孔、軋制的速度配比合理，通過計(jì)算各階段經(jīng)歷變形所需的時(shí)間，并在此基礎(chǔ)之上推導(dǎo)出各階段的平均速度，進(jìn)而計(jì)算出合理的速度配比；最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果具有較高的計(jì)算精度和可靠性。

鋼管；斜連軋工藝；軋輥組；穿孔；軋制；速度配比；扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象

2013年金屬斜連軋工藝獲得國家發(fā)明專利［1-2］，這是一種在1臺(tái)機(jī)組上完成穿孔與軋制的連續(xù)加工軋制工藝，具有工藝流程短、節(jié)能環(huán)保、投資少等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)工藝相比具有明顯優(yōu)勢［3］。在斜連軋機(jī)組的試驗(yàn)中，需要為穿孔機(jī)和軋管機(jī)分別設(shè)定送進(jìn)角和軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其設(shè)置的合理與否將直接影響試驗(yàn)的最終結(jié)果［4-5］。而斜連軋工藝是將穿孔和軋制動(dòng)態(tài)結(jié)合的工藝，此時(shí)兩組機(jī)架上軋輥的轉(zhuǎn)速就必須相關(guān)聯(lián)，如此才能保證穿孔與軋制的順利進(jìn)行，也可避免管材在斜連軋過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

文獻(xiàn)［6］曾依據(jù)金屬秒流量相等原則，將三輥斜連軋變形問題看做一個(gè)無源場，運(yùn)用流函數(shù)算法對(duì)斜連軋中的穿孔、軋制速度配比問題進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并得出了最初運(yùn)用于試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

本文首先對(duì)坯料通過穿孔段、軋制段的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，繼而根據(jù)送進(jìn)長度計(jì)算出各段的平均速度；用平均速度替代流函數(shù)中某點(diǎn)的速度，使計(jì)算結(jié)果更有代表性；然后使兩平均速度相配比，得出穿孔、軋制配比速度的表達(dá)式；最后將計(jì)算結(jié)果帶入試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，并與最初的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以進(jìn)一步探討不同速度配比對(duì)無縫鋼管斜軋?jiān)斐傻挠绊憽?/p>

1　斜連軋工作原理

傳統(tǒng)的無縫鋼管生產(chǎn)工藝是將坯料先進(jìn)行穿孔，然后將穿孔后的毛管進(jìn)行軋制得到管材［7］。斜連軋工藝是將穿孔、軋制集中在一臺(tái)機(jī)組上進(jìn)行，減少了設(shè)備的投入，減少了穿軋間運(yùn)輸導(dǎo)致的溫降，更利于軋制，節(jié)能減排、大大提高了生產(chǎn)的效率；但由于斜連軋工藝將穿孔、軋制兩種工藝動(dòng)態(tài)結(jié)合，使得本來孤立的兩臺(tái)機(jī)器需要相互配合。斜連軋工作原理如圖1所示。

圖1　斜連軋工作原理示意

圖1簡單描述了斜連軋的工作過程，按照穿軋狀態(tài)可分為僅穿孔段、穿軋同時(shí)進(jìn)行段、僅軋制段。本文中對(duì)于未經(jīng)過穿孔的棒材稱為管坯，穿孔后、軋制結(jié)束前稱為毛管，軋制結(jié)束得到的稱之為荒管［8］。坯料送入斜連軋機(jī)組后，首先被穿孔機(jī)軋輥咬住并被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)、漸漸向內(nèi)送入，直至碰到頂頭時(shí)開始圖1（a）中的僅穿孔階段；經(jīng)過一段時(shí)間后，坯料的前端接觸到軋制機(jī)的軋輥，而此時(shí)坯料并沒有脫離穿孔機(jī)，仍有一部分未經(jīng)歷穿孔加工，此時(shí)便是圖1（b）中的穿軋同時(shí)進(jìn)行段；繼續(xù)穿軋直到坯料的尾部脫離穿孔機(jī)為止正式進(jìn)入第三時(shí)段，即僅軋管段。根據(jù)上面的分析可以直觀的看出在穿軋同時(shí)進(jìn)行時(shí)便是需要穿孔機(jī)、軋制機(jī)密切配合的主要階段。在高速旋轉(zhuǎn)的坯料上，頭部和尾部分別進(jìn)行著軋制和穿孔，兩個(gè)工藝集中到一起必然會(huì)相互影響［5］，但如果速度參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，不僅不會(huì)影響管材的質(zhì)量，反而可以使穿軋流程更加順暢，提高生產(chǎn)效率。

2　速度配比模型

首先對(duì)軋制過程中的各個(gè)階段進(jìn)行的時(shí)間進(jìn)行定義，在軋管機(jī)上，自毛管的前端開始接觸軋輥起到毛管軋制后的管材尾端離開軋輥的時(shí)間稱為工件通過軋制變形區(qū)的時(shí)間。通過時(shí)間T可以劃分為兩部分：T=T1+T2。其中，T1為毛管的前端開始接觸軋制段軋輥到此前端剛好到達(dá)軋輥出口處所需時(shí)間，T2為軋制后的荒管的前端離開軋輥出口處到荒管的尾端離開軋輥所需要的時(shí)間。

軋制如圖2所示，在軋制中心線上距離入口端為x距離的截面處取一單元長度dx，工件的前端通過dx單元距離所需要的時(shí)間為dt，于是有：

圖2　軋制示意

式中K──軋管段軋輥個(gè)數(shù)；

nB──軋管段坯料轉(zhuǎn)速，r/min；

sx──螺距，mm。

由公式（1）可得：

代入公式（2）可得：

式中β──軋管段軋輥的輾軋角，（°）；

nR──軋管段軋輥的轉(zhuǎn)速，r/min；

DR──軋管段出口錐軋輥的直徑，mm；

ηT──軋管段切向滑移系數(shù)，具體算法參照П·К·Тетерин的經(jīng)驗(yàn)公式［11］；

ηO──軋管段軸向滑移系數(shù)，具體算法參照О·А·Плядковсвий的經(jīng)驗(yàn)公式［11］；

A──荒管的截面積，mm2。

對(duì)公式（3）積分可得工件前端通過變形區(qū)的時(shí)間T1：

式中α──軋管段軋輥的送進(jìn)角，（°）；

C1──軋管段面積常數(shù)，，具體數(shù)值由軋管機(jī)軋輥、芯棒的幾何形狀決定。

軋制后的荒管長度lT為：

式中Ao──荒管軋制出口處的截面積，mm2；

Aoh──毛管穿孔出口處的截面積，mm2；

lBh──穿孔后的毛管長度，mm；

DB──管材的外徑，mm；

DBh──毛管的外徑，mm；

d──荒管的內(nèi)徑，mm；

dh──毛管的內(nèi)徑，mm。

由公式（4）和（6）可求得工件通過軋制變形區(qū)的總時(shí)間T=T1+T2。

采用公式（4）的推導(dǎo)方法，可求得穿孔端坯料自前端接觸軋輥到剛好達(dá)到穿孔機(jī)軋輥出口處所需的時(shí)間T1h：

式中αh──穿孔段軋輥的送進(jìn)角，（°）；

ηOh──穿孔段軸向滑移系數(shù)，具體算法參照О·А·Плядковсвий的經(jīng)驗(yàn)公式［11］；

DRh──穿孔段出口錐軋輥的直徑，mm；

nRh──穿孔段軋輥的轉(zhuǎn)速，r/min；

Ah——毛管的截面積，mm2。

C2──穿孔段面積常數(shù)，具體數(shù)值由穿孔機(jī)軋輥、芯棒的幾何形狀決定。

穿孔后毛管的長度lTh為：

式中D0──坯料的初始直徑，mm；

lB──坯料的長度，mm。

工件在穿孔時(shí)通過變形區(qū)的總時(shí)間Th=T1h+T2h。

設(shè)原始錠坯長度為lB，該坯料經(jīng)斜連軋需要的總時(shí)間為Tw。細(xì)數(shù)斜連軋制過程中的各個(gè)階段有：坯料的最前端接觸穿孔段軋輥，經(jīng)歷穿孔后最前端的尾部離開穿孔端的軋輥；經(jīng)歷穿孔機(jī)架與軋制機(jī)架間的空檔（即穿孔機(jī)架與軋制機(jī)架軋制中心的距離H）；棒材的最前端接觸軋制段的軋輥，經(jīng)歷軋制后最前端的尾部離開軋輥；繼續(xù)連軋直到整根棒材的尾部最終離開軋制端軋輥為止，斜連軋全過程結(jié)束。

將上述過程用公式（10）表示，即：

公式（1）~（10）推算出了斜連軋各個(gè)階段坯料通過的長度以及經(jīng)歷這些階段需要的時(shí)間。

設(shè)V2為穿孔段出口端毛管的軸向平均速度，V1′為軋管段入口端毛管的軸向平均速度，使V2= V1′，即：

設(shè)穿孔段管坯軸向速度uh1=lTh/T2h，將公式（4）代入公式（11），化簡可得：

現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，在穿孔的最末端，由于軋制中金屬流動(dòng)導(dǎo)致其尾部變形，尾部直徑有所減小，減徑后的坯料無法被穿孔輥有效咬住，會(huì)出現(xiàn)無法繼續(xù)穿孔導(dǎo)致軋卡的現(xiàn)象［11-12］，這時(shí)候就需要后面的軋管機(jī)給予一定的力，幫助它完成剩下的穿孔作業(yè)，所以在公式（12）中加入一個(gè)新參數(shù)kn，即：

式中kn──經(jīng)驗(yàn)常量，略大于1。

由公式（13）可得：

在斜連軋的整個(gè)過程中，坯料都在不停的自轉(zhuǎn)，為了避免坯料在穿軋的時(shí)候出現(xiàn)自相扭轉(zhuǎn)的情況，則需要nB=nBh［13］；只有當(dāng)軋管段和穿孔段傳遞給坯料的旋轉(zhuǎn)速度相等的時(shí)候，坯料才可出現(xiàn)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速［14］。因此，可由軋制組和穿孔組坯料轉(zhuǎn)速計(jì)算公式得出軋管段軋輥的送進(jìn)角α：

式中ηTh──穿孔段切向滑移系數(shù)，具體算法參照П·К·Тетерин的經(jīng)驗(yàn)公式［11］。

在穿孔段參數(shù)、軋輥形狀、壓下量明確的情況下，利用公式（14）~（15）即可推算出軋管段的轉(zhuǎn)速以及送進(jìn)角。

3　試驗(yàn)探究

試驗(yàn)時(shí)，斜連軋實(shí)驗(yàn)樣機(jī)穿孔機(jī)的軋輥參數(shù)為：孔喉直徑35 mm，軋輥?zhàn)畲笾睆?80 mm，輥長140 mm，軋輥選取的轉(zhuǎn)速為165 r/min，送進(jìn)角6°［15-17］；軋管機(jī)選取的軋輥的參數(shù)為：孔喉直徑39 mm，軋輥?zhàn)畲笾睆?80 mm，輥長120 mm，輾軋角4°。選取軋件為40 mm×500 mm的45鋼。將上述參數(shù)帶入到推算的公式中可計(jì)算出軋管機(jī)的轉(zhuǎn)速為179 r/min，送進(jìn)角為6.4°。如此進(jìn)行多次計(jì)算，考慮到理論計(jì)算與實(shí)際測量會(huì)存在誤差，繪制出穿孔機(jī)軋輥與軋管機(jī)軋輥的轉(zhuǎn)速配合曲線，如圖3所示。

從圖3可看出：對(duì)應(yīng)一個(gè)穿孔機(jī)軋輥的轉(zhuǎn)速，軋輥機(jī)軋輥的轉(zhuǎn)速可以在一個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng)，圖3中在（150，180）區(qū)間內(nèi)，兩線之間的部分均是計(jì)算得出可以順暢軋制的。下面將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相對(duì)比。

根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)穿孔機(jī)軋輥速度為165 r/min時(shí)，軋管機(jī)軋輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)為175~182 r/min。在圖3所示區(qū)間中隨機(jī)挑選一點(diǎn)，將此點(diǎn)的穿孔機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速和軋管機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速應(yīng)用到試驗(yàn)中，坯料均順利穿軋而出，基本沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖4所示為順利穿軋的管材。

圖3　穿孔機(jī)軋輥與軋管機(jī)軋輥的轉(zhuǎn)速配合曲線示意

圖4　順利穿軋的管材

穿孔速度為165 r/min，軋管速度設(shè)為165 r/min時(shí)，穿軋出的管材形貌如圖5所示。從圖5中可明顯看出，當(dāng)輸入的速度小于理論區(qū)域時(shí)，管材沒有完全穿透，且發(fā)生了幅度較大的扭轉(zhuǎn)凸起現(xiàn)象。

圖5　產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)堆鋼的管材

穿孔速度仍為165 r/min，軋管速度設(shè)為190 r/min時(shí)，穿軋出的管材形貌如圖6所示。從圖6可看出：在坯料末端還未完全穿透時(shí)，管材中間部位已經(jīng)拉斷。

4　結(jié)論

本文總結(jié)了傳統(tǒng)的公式，并在此基礎(chǔ)上推算出穿、軋各階段所需的時(shí)間，進(jìn)而推導(dǎo)出各階段速度的平均值，從而精確推算出穿、軋過程中速度的配比。運(yùn)用此方法得出的計(jì)算結(jié)果具有較好的合理性、代表性。筆者對(duì)樣機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算出的結(jié)果放到試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果具有較高的計(jì)算精度和可靠性。

圖6　產(chǎn)生拉伸斷裂的管材

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Discussion on Velocity Coordination between Roll Units of Tandem Skew Rolling Process

NIU Xu1，2，SHUANG Yuanhua1，2，WANG Qinghua1，2，WANG Fujie3
（1.Taiyuan University of Science&Technology，Taiyuan 030024，China；2.Engineering Research Center，Heavy Machinery Educational Department，Taiyuan University of Science&Technology，Taiyuan 030024，China；3.Yuncheng University，Yuncheng 044000，China）

During rolling pipes with the tandem skew rolling process，the metal flow velocities in the deformation zone of the piercing section，and in the deformation zone of the rolling section are separately affected by the roll rotation rate of the piercer and that of the mandrel mill.Therefore，the piercing speed and the rolling speed have to be matched to each other.And for this purpose，the times as for deformation of the workpiece at different rolling stages are computed，based on which，the average velocity as needed at each stage is deduced，and then the proper velocity match is obtained.The data from the calculation are verified via testing.The result demonstrates that the calculated velocity match data have high accuracy and reliability.

steel tube；tandem skew rolling process；roll unit；piercing；rolling；velocity match；twisting phenomenon

TG335.71搖搖

B搖

1001-2311（2016）02-0054-05

*國家自然（主任）基金項(xiàng)目（50954003）、山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2012-074）、山西省青年科學(xué)基金（2012021019-4）

牛旭（1989-），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闊o縫鋼管的斜連軋工藝。

2015-07-09；修定日期：2015-12-21）