（机械设计及理论专业论文）钢球纵轧成形法连轧关系的研究及有限元数值模拟.pdf

摘要 摘要 钢球坯纵轧成形是球坯成形的一种新工艺，属特种轧制范畴。纵轧成 形的特点在于：可实现连续成形，与镦压法比较，其生产率较高，适应产 品范围广；工件成形过程不绕其中心轴旋转，不存在斜轧成形的“曼氏效 应”，钢球坯内部质量好。对于这种新的成形方法，深入探讨其成形过程的 变形机理具有重要的理论和实际意义。 本文在前人研究的基础上，利用有限元数值模拟及实验，深入研究与 探讨了钢球坯不同纵轧成形方法的变形规律和特点，揭示了钢球坯纵轧成 形中的一些新机理，并在理论上提出了周期断面连轧的基本准则。本文重 点研究了周期切分成形法中成形道次后滑问题，论证了后滑的存在及其影 响因素；基于连轧准则，研究了连轧过程中周节同步和相位同步的调节原 理；深入探讨了椭圆一球成形法中金属内部的变形规律，提出以一道的推 力平衡二道的后滑来建立连轧关系的工艺对策；针对纵轧成形中的刮切现 象，从成形工艺上论证了解决途径。 在专用实验轧机上对不同球坯纵轧成形法进行了多参数实验，实验说 明了球坯纵轧成形工艺的可行性及数值模拟结果的正确性：验证了成形道 次存在后滑和刮切的客观性以及在两道轧辊间加上负张力对球坯成形所起 的作用。 关键词球坯；有限元；连轧关系：孔型；周期断面；刮切 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef o r m i n go fs t e e lb a l l b yl o n g i t u d i n a lr o l l i n g i san e wt e c h n o l o g yt o p r o c e s s e d s t e e lb a l l - b i l l e tt h e t e c h n o l o g y h a ss o m en e wc h a r a c t e r i s t i c sf o r e x e m p l e ，i tc a nr e a l i z ep r o g r e s s i v ef o r m i n g i t s p r o d u c t i o nc o e f f i c i e n t i s h i g h e r t h a nt h eh e a d i n ga n di tc a l la d a p tt om o r ek i n d so f p r o d u c t s t h ew o r k p i e c e d o e sn o tr o t a t er o u n di t sa x i st h e r ei sn o tm a n n i n g se f f e c t t h eq u a l i t yi sb e t t e r a tt h ec o r eo ft h es t e e lb a l ls oi ti ss i g n i f i c a n tb o t hi nt h e o r ya n di np r a c t i c et o f u r t h e rs t u d yt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs t e e lb a l lb yl o n g i t u d i n a lr o l l i n gi n t h ed e f o r m a t i o n p r o c e s s t h i ss t u d yi sb a s eo nt h er e s e a r c ho ff o r m e rp e o p l e ，m a k i n gu s eo f t h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h ew r i t e rf u r t h e rs t u d i e st h el a wo ft h e f o r m i n go fs t e e l b a l l b yd i f f e r e n tl o n g i t u d i n a lr o l l i n ga n dd i s c l o s e st h en e w d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs t e e lb a l l b yl o n g i t u d i n a lr o l l i n ga n d ，o nt h et h e o r y , b r i n g sf o r w a r dt h eg r o u n dr u l eo f t h ed i er o l l e ds e c t i o nc o n t i n u a lr o l l i n gt h e a r t i c l ep r i o r i t yr e s e a r c h e st h eb a c k w a r d s l i pe x i s t i n ga tt h es h a p i n gg r o o v e i nt h e f o r m i n g o ft h es t e e lb a l lb yc i r c l es e c t i o nr o l l i n ga n dd e m o n s t r a t et h ee x i s t e n c e o ft h eb a c k w a r ds l i pa n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r b a s eo nt h ec o n t i n u a lr o l l i n g r u l e ，t h ea d j u s t i n g r u l eo ft h ec i r c u l a r p i t c hs y n c h r o n i s m a n dt h e p h a s e s y n c h r o n i s mi nt h ec o n t i n u a lr o i l i n gi sr e s e a r c h e d t h e p a p e rf u r h e rs t u d i e so n t h ef o r m i n gr u l eo f t h ec o r eo f t h em e t a li nt h e e l l i p s e - b a l lf o r m i n gp r o c e s sa n d b r i n go u tat e c h n i q u ew i c h u s et h ep u s h i n gf o r c et or e s t r a i nt h eb a c k w a r ds l i p ； a g a i n s tt h es c r a p ei nt h ef o r m i n go f s t e e lb a l lb y l o n g i t u d i n a lr o l l i n g ，t h ep a p e r d e m o n s t r a t et h er e s o l v e dm e t h o d t h e l a b o r a t o r y o ft h et w ok i n d so fl o n g i t u d i n a l r o l l i n gf o r m i n g i s i n t r o d u c e d 啦t h ee n do ft h ep a p e r a n dt h ee x p e r i m e n tw a sc 娜o u to nt h e s p e c i a lm a c h i n e w eu s es o m ek i n d so fd a t ai nt h ee x p e r i m e n ti ti sp r o v et h a t t h ef o r m i n go fs t e e lb a l lb yl o n g i t u d i n a lr o l l i n gi sf e a s i b l ea n dt h ec o r r e c t n e s s o ft h es i m u l a t i o nr e s u l t a n dc e r t i f i c a t et h a tt h ee x i s t e n c eo ft h eb a c k w a r ds l i p a n dt h es c r a p ea tt h e s h a p i n gg r o o v ei so b j e c t i v e ，a n d t h ef u n c t i o no ft h e n e g a t i v et e n s i l ef o r c e b e t w e e nt h et w or o l l 摘要 k e y w o r db a l l b i l l e t ；f e m ；c o n t i n u o u sr o l l i n gr e l a t i o n s h i p ；p a s s ；d i er o i l e ds e c t i o n ；s c r a p e i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢球成形工艺简述 1 1 i 钢球坯成形工艺的发展过程 随着现代t 、i k 的飞速发展，尤其是有色金属、电力、建筑、矿山、水 泥等j = 业的发展，对钢球的需求量不断增加，钢球的品种、规格迅速扩大， 而且对其精度、硬度、耐磨性的要求也不断提高。为了适应现代工业的发 展和满足市场需求，必须扩大钢球的品种和规格，增加产量。普通钢球的 生产j j 口l 主要包括的丁艺流程1 1 】：毛坯成形锉削热处理前研磨一 热处理热处理后研磨热处理后精磨钢球表i l i f 光洁度的加工 检查质量。 目前钢球坯的生产方法有镦压( 冷镦、热镦) 、斜轧( 冷轧、热轧) 、铸造、 车削或热锻。而当今应用广泛、具有较高效益的加工工艺是镦压和斜轧。 钢球毛坯的制造，作为钢球加工的第一道加工工序，其生产的毛坯成形的 精度和质量直接关系到后续工序加工的效率和钢球的质量。因此，这道工 序在整个钢球的生产流程中是至关重要的，对钢球的生产起着制约作用。 国内外钢球坯的制造方法一般根据球径的大小可分为：直径小于2 5 4 m m 时， 采用冷热镦压成形法；钢球真径人t2 54 m m 时，采用热锻成形法或 热轧成形法：特大型钢球则采用车削或锻造成形法。按用途分：对于球磨 类钢球常采用螺旋孔型斜轧成形法，对于轴承类等内部质量要求较高的钢 球则采用冷镦的方法。 早在十九世纪四十年代，镦压成彤法作为一种古老的钢球成形力法已 被人们所采用，其过程是预先将棒料剪切成一段段的原始坯料，然后把 它放进带有球腔的模具中进行镦压成形，图l 一1 。对于二直径较大的球坏通常 采朋热镦压成形。此种成形方法存在菪一定的缺陷，如生产率低f ，模具 磨损严重，生产成本高，但是它有很大的优点就是成形质撮j f ：常好。随萌 科学技术水平的4 i 断进步，j 国速冷镦机已经被，“泛应肘p i 产领域，为球 l 燕l n 火学工学硕上学位论文 坯的冷镦成形法开拓了广阔的前景。目前，国内外已经开发出了高速冷镦 机。 劁1 - 1 镦压示惹豳 f i g1 - 1 t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h eh e a d i n g 斜轧成形早在十九世纪后期就出现辊式斜轧机生产无缝钢管工艺1 2 1 。 因此人们就设想过能否利用斜轧运动原理，把轧辊做成螺旋孔型，用来轧 制各种回转体零件。这个想法到二十世纪四十年代末五十年代初才在前苏 联、日本、美国等国家得到实现和发展，用它高效率地生产钢球、丝杠等 产品( 包括冷轧与热轧、实心与空心) ，并收到显著的技术经济效果。但是， 由j ：孔型斜轧成形在技术上的复杂性，二十多年来在国外发展并彳i 很快， 其产品形状大都是比较简单的。 1 9 5 0 年第一台工业用轧机安装在莫斯科国家第一轴承厂，并生产出 2 5 4 5 热轧钢球坯。大型球磨机技术是在1 9 4 9 年开始，并于1 9 5 4 年陆续投 产，生产出1 5 0 毫米以下的各种规格的热轧钢球坯。 1 12 钢球坯加工在我国的发展 我国斜轧成形的研究工作是从轴承钢球与滚子开始的，1 9 5 9 年，在 机部机械科学院的帮助下，瓦房店轴承厂首先采用斜轧工艺生产轴承钢球。 1 9 6 0 年，该一又在北京钢铁学院的帮助“卜- 轧制成功球| 面滚子与锥两滚予。 但4 ：以后卜多年中，该工艺没有在轴承行业中得到广泛运用，原因是斜轧 第1 章绪论 采用箱式电炉加热短料，不能形成连续高效的生产；另外，球化退火的冷 拔料经箱式电炉加热后，组织遭到破坏，轧后还要作球化退火处理，所以 斜轧不但多了一次轧制前的加热工序，而且多一次麻烦的球化退火工序。 1 9 7 2 年，北京钢铁学院与北京轴承厂共同研究成功单孔型热斜轧工艺， 使斜轧轴承滚子有了新的进展。北京轴承厂运用单孔型斜轧已经生产了5 0 多个品种。之后，北京轴承厂在生产中采用了中频快速加热、多头* l n 等 技术，使生产效率超过了冷镦机。目前我国斜轧轴承钢球水平已经达到1 广 多头、快速、精密，不仅产品质量得到提高、节省工序，而且生产率大大 提高，远远超过冷镦法。 此外，我国在斜轧生产球磨钢球方面也得到了长足进步。 1 9 6 0 年，北京钢铁学院设计了一台倾角不能连续调整的西5 0 m m 的球 磨钢球轧机，用它$ l n 出合格的球磨钢球。 1 9 6 8 年，邯郸钢铁厂两台由苏联进口大型的4 0 8 0 m m 、8 0 1 2 0 m m 球磨钢球轧机投入生产。之后，该厂对这两台轧机作了两项重大改 进：第一突破原设计能力，把痧4 0 8 0 r a m 轧机的最大能轧直径8 3 m m 的钢 球提高到能轧制直径1 0 4 m m 的钢球；第二在两台轧机上都实现了双头轧制， 轧机效率得到成倍提高。 1 9 7 3 年，北京钢铁学院与包头钢铁公司联合设计了一种新形式的 西7 5 m m 球磨钢球轧机。这台轧机与苏联设计的同类型的轧机相比，重量减 轻3 0 以上，并且具有调整方便，容易更换轧辊等优点。 以上这些都说明我国斜轧成形技术已经达到一定的水平。斜轧成形在 钢球成形方面得到了应用。但是我国钢球生产技术与世界发达国家还有一 定的距离，这也限制了我国轴承工业的发展，我国轴承工业从1 9 5 0 年建立 以来，已经形成了比较完整的生产和技术体系，成为排名于日本、美国和 德国之后的世界第四大国；在生产能力上，我国目前轴承生产企业2 0 0 0 多 家，是全世界其它国家轴承企业总和的5 “倍，但全国年产量仅与排名第 六的t i m k e n 公司相当，与排名第一的瑞典s k f 公司相比，仅相当于其年 产量的一半。在寿命与可靠性方面，以深沟球轴承为例，国外名牌产品的 寿命一般为计算寿命的8 倍以上，最高可达3 0 倍，可靠性为9 8 以上，而 燕山大学工学硕士学位论文 我国轴承的寿命一般仅为计算寿命的3 5 倍，可靠性为9 6 左右。我国轴 承彳亍业的生产效率和生产水平与国外相比，其差距是相当大的。 可见，我国钢球生产技术已经得到了很大发展，但是与世界发达国家 相比，还有一定的距离，发展钢球生产技术，也是我国经济赶超世界的迫 切需要1 2 1 。 1 2 本文选题的意义及主要研究内容 1 2 1 问题的提出 如前文所述，传统钢球坯加工方法是斜轧与镦压，并且已经得到了广 泛应用，技术比较成熟。除此之外还有采用铸造和车削的，这些传统方法 都有他的优点，同时也存在很多缺陷。 1 21 1 镦压成形方法的利弊分析在镦压成行时，成形前的圆柱形毛坯里具 有直线形的金属纤维。在成形过程中，全部纤维都受到机械压力加工作用 的影响而发生改变，最后成为一个球形。在球胎的气孔处纤维被集聚于 点称“极”，在上下两胎相接处形成环形凸边称作“环带或毛边”。金属在 囤1 - 2 球坯纹理及成品球酸蚀情况 f i g 1 - 2 t h eb a l ! - h i l l c tt 自o l l r oa n dt h ea c i dp i c k l i n gs t a t bo rf m i s h c db a l l 压延时，由于发生变形，其晶粒成为一定的排列方向( 纤维形状) 称为“纹理” f ”。钢球的纹理在很大的程度上决定了钢球质量。优良的纹理是其纤维成为 4 第1 章绪论 个球形排列，如图1 2 ( a ) ，图中d 是经打磨后最终钢球的直径。在压型时 应尽量使其纤维不被切断或破坏。但是，用镦压成形制成的毛坯存在“极” 和“毛边”，经过去边和搓削等机加工，纹理难免程度不同地受到破坏，如 图1 2 帕) 所示，纤维破坏处d 的硬度比未破坏处b 的硬度低。a 处硬度低会 使钢球过早的在该处磨损，b 处纤维被破坏易造成脱落。另外，此种成形方 法存在着另一大缺陷：生产率低下，模具磨损严重，生产成本高。 l2 12 斜轧成形方法的利弊分析斜轧成形过程主要采用螺旋孔型使材料 在孔型中实现连续变形，这能保证金属纤维的连续性，基本克服了镦压法 的生产缺陷。成形示意图如图1 - 3 。此外，斜轧与铸造、锻造及切削相比， 还具有单机生产率大、材料利用率高、产品质量高，改善劳动条件等优点。 但是，斜轧过程中，轧件要随轧辊一起转动，所受力是一种交变应力， 斜轧成形过程主要是通过位错移动来实现。而且应力是位错移动和集聚的 主要动力。当同号位错不断塞积，集合面出现微裂纹后，横向拉应力作用 迫使微裂纹扩大，发展成心部疏松与孔穴，即出现“曼氏效应”。而且轧件 受轧辊的作用越长，这种趋势越大。这是斜轧成形中难以克服的缺陷。 图1 - 3 斜轧球坯示意图 f i g 1 3 t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h es t e e lb a l l - b i l l e t ss k e wm i n g 另外，为提高铁精矿的品昧、减少尾矿的含铁量，今后的选矿应发展 细磨再选，反复选等新工艺。为此需要数以亿计的小钢球。这么大量的钢 球，使用目前每分钟生产1 0 0 多个球的斜轧机生产如此大量的钢球是难以 胜任的。另外，前已提及，斜轧只限于生产2 5 m m 以上的钢球，因为斜轧 燕山大学工学硕士学位论文 采用箱式电炉加热短料，不能形成连续高效率的生产；球化退火的冷拔料 经箱式电炉加热后，组织遭到破坏，轧后还要作球化退火处理。所以，斜 轧不但多了一次轧前的加热工序，而且多次麻烦的球化退火工序，故斜 轧不如冷镦好，只是对于大型滚动体，由于冷镦机设备太大难于制造才用 热斜轧生产。 l2 1 3 球坯纵轧成形方法的提出由于以上各种成形方法存在的弊端，长期 以来，人们一直在探索一种新的方法来提高钢球球坯的生产率和成形质量， 于是把斜轧与镦压法两者优点融合在一起的纵轧成形方法开始为人们所研 究【3 - - 4 1 。早在19 4 2 年，f r e dh e r m yg e r h a r d 申请了一项钢球球坯纵轧成 形发明专利，此方法采用的是在连轧成形机上先将圆钢纵轧成为椭圆断面， 然后在其椭圆断面的长轴方向上进行周期断面的纵轧成形，最后将球坯进 行分离。1 9 5 7 年，h e r b e r tw , g r o h e m e y e r 也申请了这方面专利，此方法是 在第一道次就将棒料进行切分轧制，第二道次在与上道次相垂直的方向上 进行轧制，并使之成形，最后采用一带有环形刀片的机械装置对球坯进行 分离。1 9 6 3 年法国也有在这方面的专利出现，但是这些方法都因工艺上成 形的困难而没有在工业上得到应用。 图1 - 4 钢球纵轧成形纹理 f i g 1 4t h et e x t u r eo f s t e e l b a l lb yl o n g i t u d i n a lr o l l i n g 纵轧成形方法结合了镦压法模具加工简单与斜轧工作载荷小，易于实 现自动化等特点。在变形机理上，用纵轧加工的毛坯没有像冲压法加工毛 坯上的凸边，因此减少了因去掉凸边所引起的纤维破坏。但两级处仍难免 有纤维断头。总的来说，从纤维分布情况来看，纵轧基本避免了镦压加工 中造成的金属纤维组织破坏，纵轧纹理如图1 - 4 。同时充分发挥了斜轧法生 6 第l 章绪论 产效率高、成才率高的优势。 分析了国内外钢球生产技术的应用情况，1 9 9 7 年，我国的史荣、王海 儒教授也提出了一项关于钢球球坯生产方面的发明专利i ”，结合目前国内实 际，指出了钢球坯纵轧成形的新思路。 12l4 钢球坯纵轧成形的几种方法如前所示，钢球坯纵轧成形是集成了镦 压、斜轧两者的优点，避免了他们自身缺点的一种新的成形方法。目前， 钢球坯纵轧成形方法主要形式： ( 1 ) 钢球坯周期切分成形法钢球坯周期切分成形原理是把钢球坯加工 分成两道次来完成。轧件( 圆柱棒材) 首先经过第一道次轧制，被轧成在轴线 方向带有切痕的周期断面的连续体，其形式如图1 5 所示。经过第一道次轧 制后，原料通过一导卫装置，被送进第二道次带有球腔孔型的一对轧辊。 第二道轧辊在轧件相应的连结带位置与第一道轧制方向垂直的方向继续轧 制，使轧件最终成为一串由连接带相连的带有飞边的球坯。此种成形方法 圈l - 5 第一遭次轧制不意图 f i g 1 - 5 t h ed i a g r a m m a f i cs k o t c ho f t h e 血s tp a s s 使金属在相互垂直的两个方向上连续发生变形，金属在轧辊孔型中的流动 过程极为复杂。且因为前后两道次轧辊上的孔型都是成周期性分布的。所 以在设计轧机过程中，前后两道次轧辊的中心距一定要可调，否则，很难 保证第二道c l n 与第一道次轧制的相位的同步，造成相位差而无法轧成钢 球，如图1 - 6 所示。 此外还有一个可能造成错位的重要因素就是前、后滑现象，在设计轧 7 燕山大学工学硕士学位论文 辊时如果对前后滑设定不准，就会在第二道次周期孔型咬入工件后引起相 位偏差。而且随着s l 韦r j 的进行，相位偏差会逐渐叠加，使连轧关系难于建 立，这些都增加了此种成形法的难度。然而，此成形方法的优点是：经过 第一道金属变形，有助于更多金属被包络到第二道轧辊孔型之中，这也就 提高了材料的利用率，降低了生产成本。 图1 - 6 存在相位差s l n f i gl - 6 t h er o l l i n gw i t hd i 】蚤np h a s ea n g l e ( 2 ) 球坯的椭圆一球纵轧成形法此方法第一道轧辊孔型为一等断面椭 圆孔型，此孔型首先将圆断面棒料轧制成椭圆断面，然后再通过立轧道次 的球腔孔型轧辊沿其长轴方向s l i f j 成球坯。椭圆一球轧制成形法避免了前 种切分轧制方法所存在的错位问题，工艺过程相对简单，但是其材料利 用率比球坯的切分s l 韦r j 要稍差。此种成形方法中，在第二道轧辊沿椭圆长 轴方向把椭圆断面的棒料轧成球坯时，金属会首先到达孔型顶部，之后在 轧辊的压力下向孔型两侧变形，来充满球腔，此过程相当于冷( 热1 镦成形过 程。故用椭圆球成形法轧成的球坯具有镦压成形的特点，球坯质量较好。 1 2 2 本课题研究的内容 本文在前人研究成果的基础上，通过实验和理论分析的方法，对钢球 坯纵轧成形技术做了系统研究。主要研究球坯周期切分成形方法与椭圆一 球成形方法。第一步用小型中式轧机探索钢球坯纵轧成形的连轧关系及轧 辊孔型的最佳形状和尺寸。并通过大型商用有限元软件来模拟钢球球坯在 第l 章绪论 孔腔中的变形情况( 此文采用d f f o r m 有限元软件进行模拟) ，并分析其规 律，从而建立纵轧连轧关系及指导轧辊孔型的设计。第二步利用钢球坯成 形的有限元模拟结果来帮助完善小型中试样机，依靠重点实验室和校机械 厂来完成设备的加工。在中式样机上实验建立准确的钢球坯纵轧连轧成形 的连轧关系及进行球坯成形的工艺参数的确定，并进一步检验和完善轧辊 孔型的设计。重点解决2 n 3 个常规产品的成形，使之稳定可靠地向其它规 格延伸。 所研究内容主要包括： ( 1 ) 钢球球坯纵轧连轧成形连轧准则： ( 2 ) n 用有限元软件模拟及实验研究金属在模腔内的变形情况； ( 3 ) 摩擦条件对轧制过程及金属变形的影响； ( 4 1 钢球坯纵轧时成形道次后滑研究及其对连轧关系影响； ( 5 ) n 期断面连轧过程中的相位调节原理； ( 6 ) 有限元数值模拟和理论计算分析在工业性实验过程中的指导作用。 1 2 ，3 选题意义 近几年来，随着有色金属、电力、建筑等部门的发展，矿山、水泥等 行业钢球需求量的飞速增长，在加上轴承行业钢球的需求，市场钢球需求 量达到了2 0 0 0 万亿粒以上，钢球市场的潜力非常巨大，钢球行业的前景非 常可观。因此寻求一种新的钢球生产工艺，提高钢球生产率是有现实意义 的。本文所研究钢球坯纵轧连轧成形方法是在广泛研究了国内外钢球的生 产状况、销售状况的前提下提出的新的钢球生产工艺。此方法研究成功， 必将大大提高钢球的生产率，弥补现有钢球的生产缺陷，满足经济需求。 燕山大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 沿长度方向上断面形状和尺寸呈周期变化的型钢叫周期断面钢材f 6 1 。本 文所研究的钢球坯纵轧成形就是一典型的周期断面轧制。周期断面轧制与 普通轧制不同之处在于轧辊沿圆周方向具有断面变化的孔型，因而在轧制 过程中，沿轧件长度的压f 量、咬入角、前滑、宽展、金属对轧辊的压力 等参数都是周期变化的。故在钢球球坯纵轧连轧理论中，如何建立稳定的 连轧关系是研究的重点与难点。 2 2 连轧关系基本准则 根据轧制理论，对于等断面f l n ，轧件通过每一架轧机时应遵循秒流 量相等的原则7 1 。即 巧u = f 2 v 2 一一v 。= c ( 2 - 1 ) 式中鼻、e 只各道次轧制后的轧件断面面积 v 、v ，v 。各道次轧件的出口速度 c 连轧常数 由于各机架的轧辊工作直径现、轧辊的转速n 及轧件在各道次中的前 滑值s 均不同，因此将各道次的d 。、胛及s 代入式( 2 1 ) 得： 曩d 。，n ，( 1 + s 。) = 最d 。：，l ：( 1 + s ：) = = f d 。”。( 1 + s 。) = c ( 2 2 ) 在实际生产中，轧制温度、孔型磨损、轧机调整等轧制条件的改变， 都会直接影响各架次轧件的断面面积、轧辊工作直径和前滑值的变化，所 以要保持各道次的金属秒流量绝对相等是不可能的，而前滑值s 随轧件的厚 度减少而增大。当忽略前滑时，式( 2 2 ) 可写成： 只q l n l = f 2 d k 2 n 2 一一只d h 撑。= c ( 2 3 ) 1 0 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 2 3 周期断面轧制连轧关系 由于球坯纵轧中两种成形方法是连续成形的，所以为了保证轧制的顺 利进行，研究前后道次的连轧关系是必需的。由于轧件断面是周期性的， 周期断面轧制必须遵循独特的连轧准则1 8 j 。 2 3 1 周节体积不变且相等准则 周期断面轧件的变形是依据特定的变形规程，在特定的周期孔型中完 成的。轧件的周期长度称为周节，周节是基本变形单元。在变形过程中， 变形金属只能在变形单元周节孔型内流动，而不允许向相邻用节流动，即 变形单元体只产生形状的改变而不产生体积转移，否则就破坏了周期的完 整性。这种变形特点决定了周节体积是不变的，再根据体积不可压缩的假 设，各变形道次周节体积也自然相等。用数学关系式可表示为： k = = 一一圪= c o n s l ( 2 - 4 ) 只互= 疋一一只瓦 ( 2 - 5 ) 式( 2 - 4 ) 中k ( i = 1 , 2 “3 一，门) 为相应道次轧制过程中轧件周节体积；式( 2 5 ) 中 f 、| “= 1 , 2 ，疗) 分别为轧件周期断面的平均面积和周节长度。 2 3 2 秒周节相等准则 在周期断面连轧中，单位时间通过轧辊的周节数称为秒周节，或秒流 周节。秒周节相等指每道次轧辊在单位时间内轧制的周节个数是相等的， 它是周期断面连轧过程不产生堆拉钢所必须满足的条件之一。当周节体积 不变时，秒周节相等与常规等断面轧制时秒体积相等是等价的，它仅仅是 秒体积相等准则在周期断面轧制过程的一种特定表达形式。 基于上述两个基本准则，当不考虑变形区金属的前、后滑时，有 v l f = v ， = v ，f = 一v 。只= c 1 ( 2 - 6 ) 式中v 第f 道次轧件出口速度，f = l ，2 ，力 f 第i 道次轧件平均断面面积，= i ，2 ，口 燕山大学工学硕士学位论文 平均断面面积与周节之间应满足下式 巧：姿( 2 - 7 ) 1 式中r 周节体积i = 1 ，2 ，月 7 ：周节长度i = 1 ，2 ，刀 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 得： v ，i k l = v 2 。鲁 ( 2 - s ) 基于周节体积相等，式( 2 - 8 ) 可以表示为 寻2 一专- c ， 7 i疋l 。 对于椭圆一球成形法，由于最终球坯成形的来料是等断面的，所以不 存在周节、相位致性的问题，虽有连轧关系存在，但可以纳入等断面连 轧范畴，其连轧关系容易满足，不需要考虑是否满足上述的两个周期断面 连轧准则。 2 3 3 轧辊理论直径的确定 一般轧制周期断面钢材时，首先必须根据产品的周期长度、轧件的热 膨胀及轧制过程中的前滑来计算轧辊的理论直径睁”，以此确定建立连轧关 系的轧辊尺寸。所谓轧辊的理论直径是指轧辊中心线至车l s f j 线距离的2 倍。 设周期断面的长度上，每一周期由f 种断面组成，每种断面的长度分别是， 1 2 ，6 。轧制时轧辊每转一周必须轧出一个周期长度的整数m ) 倍。 在一个周期内取某一断面的长度为6 ，考虑到轧件冷却后在长度方向 上的收缩及车l s r j 时的前滑，则该部分对应的轧辊工作辊径弧长为 式中屈热膨胀系数 ( r o 一4 如，：丝( 2 - 1 0 ) i + j j 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 s i 第f 部分的前滑 r 。轧辊理论半径 a ，第i 部分轧槽平均高度 第i 部分对应的轧辊圆心角 由此得到： q = 万犏( r a d ) ( 2 - 1 1 ) 另外由于轧辊转一周必须轧出周期长度的”( 整数) 倍，故： 行0 q + ( - 0 2 + + 啦) = 2 石( 2 1 2 ) 即： 酊袭丽+ ，1 2 + ”+ f 煮两= 丽2 ；r e 0 + , d - ；o - a 3 ( z 书) 矸可翮+十”酊可嗣2 丽u q 卸 一般乳槽的平均高度根据孔型及轧件尺寸确定。 2 3 4 周期的相位调节装置 在轧制双周期断面产品时，必须具备一个能使上下轧辊的孔型对j 下和 调整的机构。上下轧辊对正装置的形式很多【6 j 。如卡盘调节器，它是在轧辊 的轴头一端安装一对齿轮，其中个固定在轧辊轴上，另一个装有卡盘调 节器，通过调整卡盘上的四个螺丝来使一个轧辊对另一个轧辊产生相对转 动。此结构调整方便，结构简单，能保证孔型准确对正。但是它不能承受 很大的扭转力矩，对变化剧烈的周期断面产品，可靠性差，调整时需停车， 消耗工时；调整辊缝时将引起轧辊相对运动，产生偏差，一种产品需一对 齿轮，共用性差。再如斜齿轮接轴对准机构，其是将一根长接轴中间截断， 装上两只相同的斜齿轮，组成人字齿轮，外面再套上相同的内人字齿套筒， 套筒固定在既可以转动又可以移动的机座上。工作时，接轴通过斜齿轮传 动内人字齿套简，由内人字齿套简再传动带有斜齿轮的接轴。当周期发生 偏差时，调整拖板螺丝，使内人字齿套筒左右移动。因接轴与牙箱连接， 燕山大学工学硕士学位论文 故使接轴径向前后转动角度，达到周期对正。斜齿轮接轴对正机构的优点 是调整方便，可以不停车调整。但是内人字加工困难，接轴比较长，占地 较多。 周期切分钢球坯纵轧连轧成形中，前后两架轧辊孔型都是周期孔型， 对于第一对水平轧辊的调节是通过在轧辊与减速箱之间的万向连接轴处， 采用了可调结构，使紧固螺栓能在相位调节槽中一定的范围内自由滑动， 当这对轧辊的周期孔型对正后紧固螺栓。此种调节方法简单且不用其他辅 助机构，节省空间，但相位槽中的螺栓要频繁松开拧紧，螺栓容易磨损， 造成加工钢球过程中此处螺栓松动影响动力传递且有可能造成孔型错位。 图2 - 1 相位调节 f i g 2 - 1 t h ep h a s ea n g l ea d j u s t i n g 第二对立辊轧机的相位调节则是通过一对斜齿轮来调整的，如图2 - 1 ， 因为此方法比较简单，能承受较大的扭矩，且能准确对正孔型，工作可靠。 它是把一对相同的斜齿轮分别安装在轧辊的轴端，其中一个齿轮为从动轮， 另一个齿轮为主动轮，从动轮固定在轧辊轴上，主动轮可以沿辊轴来回移 动，根据斜齿轮的啮合关系，主动轮移动时带动从动轮转动，从而带动轧 辊相对转动，以达到孔型对正的目的。 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 2 4 钢球坯周期切分成形方法 本节所研究球坯周期切分纵轧成形法是一种新的球坯加工工艺，具有 生产率高，易于实现自动化，钢球心部质量好等优点。本节将根据球坯周 期切分成形中轧辊特殊性，金属流动特点，对工艺中轧辊直径设计，周期 轧辊形式、导卫装置、成形工艺逐一进行介绍。 2 4 1 轧辊直径 根据周期孔型轧辊理论直径设计原则，本文所研究钢球坯的周期切分 成形法中，周期断面长度为三，且只有一种断面( 球腔或半圆槽) 。根据公 式( 2 1 0 ) ，计算两种周期孔型的辊径为： r 。= 羔刊( 2 - 1 4 ) 式中轧辊理论半径 三同期断面( 球腔或半圆槽) 长度 口球坯纵轧钢棒热膨胀系数 一孑l 型平均高度 s 单个孔型的前滑值 在一般周期孔型计算中，必须首先假设前滑，r o 计算出来以后再重新 核算前滑，如果假设的前滑与核算出的前滑相差较大，则应以核算的前滑 代入公式重新求r d 和重新核算前滑，如此反复进行，逐渐趋于精确。此外， 当周期断面的某一部分长度具有均匀变化的断面，如锲形，则以其平均值 代入。而在球坯纵轧连轧成形法中，由于孔型形状及轧制工艺的特殊性， 大部分时间前滑值是忽略不计的，即s = 0 ，故可以赢接计算霄o ，不用设计s 。 2 4 2 周期切分法轧辊设计方法 平立连续纵轧钢球坯成形的工艺过程由三道轧辊组成，其中第三道主 要用来使一个个由金属带连接的钢球坯分离，可以应用的方法很多，本课 题不对它进行深入讨论。 燕山人学工学硕士学位论文 第一道次轧辊为一组合辊，由周期环和侧壁环构成，周期环通过螺栓 与侧壁环连接，图2 2 所示。侧壁环与周期环配合的一面加工有倾斜角，起 孔型斜度的作用，如图2 - 3 。其作用是有利于棒材的脱槽，避免缠辊。中间 的周期环为了能和侧壁环配合，不留问隙，同样也需要加工出与侧壁环大 小相等的倾斜角，这就决定了过桥形状的特殊性，其形状如图2 - 4 ，从图中 可以看 乜，过桥两侧是有斜度的，其斜度与侧壁环倾斜角大小相同，此结 构避免轧制球坯时金属流进间隙。 图2 - 2 第一道次轧辊 f i g 2 - 2 t h ef i r s tr o l l 图2 - 3 侧壁环 f i g 2 3 t h ee d g er o l lc o l l a r 图2 - 4 周期环图2 - 5 第二道轧辊 f i g 2 - 4 t h ec y c l i cr o l lc o l l a r f i g 2 - 5 t h es e c o n dr o l l 孔型侧壁的斜度是指孔型侧壁对轧辊轴线垂直线的倾斜程度。孔型 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 侧壁任何时候都不垂直于轧辊轴线，而是有一定的倾斜度。本文中所用的 第一道轧辊孔型，虽然是一周期孔型，但是在每个单独周期内，其孔型和 箱型孔非常相近，故孔型的侧壁斜度用式( 2 1 5 ) 表示： t a n 妒：皇尝1 0 0 ( 2 - 1 5 ) 诅“妒2 乏产。 ) 式中8 。孔型最大宽度 b t 孔型最小宽度 孔型深度 伊倾斜角 第二道次轧辊是在辊周上j ；nn - 出一 球腔孔型的个数可以由下面方法确定， 系列半球形的球腔孔型，如图2 5 ， 首先由式( 2 - 1 6 ) 确定圆心角： o ：= a r c c o s 嘎筹 陋峋 式中0 球腔所对圆心角 尺轧辊半径 s 辊缝 r 球腔半径 得到了0 ，就可以初步确定在圆周允许加工的最多空型数n o ( 取整数， 最好取偶数) 。 = 百2 a t ( 2 - 1 7 ) 式中竹。球腔个数 2 4 3 导卫装置 导卫装置是钢球纵轧不可缺少的，首先，轧件在刚进入第一道次时，辊 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 齿强迫咬入轧件，使轧件发生局部塑性变形，由于受力极不均匀，在没有 限位的情况下，轧件很容易发生刚性转动而偏离轧辊的轧制平面，轧件不 能顺利进入轧辊孔型。其次，从第一道轧辊出来的轧件，在轧辊周期孔型 的作用下被轧制成由连接带连接的周节，没有了导卫装置诱导，轧件很难 沿直线进入第二道轧辊孔型。 另外，第二道次轧制方向与第一道次方向垂直，且是轧件不稳定轧制 方向，轧件刚进入第二道次时，辊齿首先与过桥( 薄连接带) 接触，其接触面 积非常小，摩擦力很小，而轧件相对高度却很大。因此，轧件在第二道轧 辊孔型中极易形成扭转。故导卫装置的另一个作用是限制轧件的扭转。 2 ，4 4 成形工艺 两组轧辊平立交错，如图2 - 6 所示，前一道次为组合平辊，后一道次为 柱体立辊，棒料通过导卫进入第一道轧辊孔形，被轧制成等周期断面周节， 而后再经过第二导卫进入成形轧辊最终轧成球坯。轧辊工作时，通过轴与 图2 - 6 轧辊布局 f 适2 61 kr o | e rl a y o u t 传动装置连接，由于球坯纵轧成形属双面周期断面，上下轧辊都刻有相同 周期断面的球腔或辊槽，因此上下轧辊的孔槽必须对正。钢球轧制时要安 装相位调节装置，同时轴与轧辊之间采用紧配合，避免留有间隙，以方便 轧制前孔型对正调解及防止轧制过程中轴与轧辊连接处松动引起孔型错 第2 章钢球球坯纵轧连轧理论 位。 2 5 椭圆一球纵轧成形方法 钢球坯周期切分轧制成形法有其优点，如可以提高金属利用率。但同 时它也具有难于克服的缺点，如前后两道轧辊相位同步性问题，球坯在轧 制过程中容易产生折叠，对导卫装置的要求很高等。 相对来说，椭圆一球成形轧制比较简单。它第一道轧辊孔型是等断面 的，避免了由于前后两架轧机相位不同步造成的球坯无法成形。在椭圆一 球纵轧成形方法中，轧件在椭圆孔型中的压下量与宽展量对球坯成形质量 有重要的影响。因此，要得到符合要求的球坯，必须准确设计椭圆孔型的 各工艺参数。 2 5 1 椭圆孑l 型设计 本文所研究椭圆一球纵轧成形法椭圆孔型图，如图2 7 ，设计程序与设 计方法包括以下内容： 图2 7 椭菡孔型 l 辊示意图 f i g2 - 7t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c hq f r o l l e rw i t ht h ee l l i p t i c a lp a s s 251 1b k 斯米尔诺夫宽展公式轧件在第一道椭圆孔型中的宽展对第二 道球坯成形质量起着重要作用，在设计椭圆孔型各项参数时，应首先考虑 1 9 燕i l j 大学工学硕士学位论文 轧件在该孔型中的宽展量，椭圆孔型的宽展量用b k 斯米尔诺夫式来计算。 bk 斯米尔诺夫利用总功率最小的变分原理得到了计算轧件在简单断 面孔型中轧制时的宽展公式f 14 ： 厂1、0 1 卢= l + c o l 二一1 l4 。2 d o c 3 u t c 4 喾i ，f ，。6 t a n 伊岛 ( 2 1 8 ) n 式中 宽展系数，= 6 b 彳轧辊转换直径，爿= d 。h 辛l 件轧前的轴比，c i o = 片。b o 孔型轴比，吼= 坟日， 民轧件在前一孔型中的充满程度，它等于前孔型中轧件的宽 度b l 与b k 之比 摩擦指数 t a i l 伊箱形孔型的侧壁斜度 c ，与孔型系统有关的常数， 于其他孔型，其值为0 251 2 轧件宽度设孔型高度为奶则： 1 日o r 日1 对于箱形孔型c ，= 0 3 6 2 ，对 f 2 - 1 9 ) 4 = 学 ( 2 - 2 。) 吼= 等 ( 2 z t ) b k 斯米尔诺夫宽展公式的其他未知数可以通过经验数据得到。至此， 斯米尔诺夫公式的未知量就只剩下宽展系数p ，可以求解。求得值后， 通过宽展公式计算轧件宽度： 墨= 芦b o( 2 - 2 2 ) 2 0 第2 章钢球球坯纵轧近轧理论 式中b ，轧件宽度 玩原料宽度 2 5 1 3 椭圆子l 型参数在得到了我们所要求的轧件宽展之后，根据它来确定 椭圆孔型各项具体参数。一个完整的椭圆孔型应包括以下几项数据，如图 2 8 ： 孔型宽度 圈2 - 8 椭圆孔型 f i g 2 8 t h ee l l i p t i c a lp a s s 鲰= ( 1 0 8 8 - 1 1 1 ) 6 式中b 椭圆轧件的宽度 即希望在椭圆孔型中给轧件留一些宽展余量。 辊缝： s = f 0 2 o 3 ) h 椭圆轧件的断面面积近似为： f ：昙弘。如+ s b f 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) f 2 2 5 1 燕山大学= 学硕士学位论文 外圆角半径 ，2 f o0 8 01 2 ) b k ( 2 - 2 6 ) 孔型圆弧半径确定： 根据文献【1 0 】，椭圆孔型圆弧半径由下式确定： 凡= 斟 ( 2 2 7 ) 式中r 孔跫圆弧半径 占孔型宽度 肛一孔型商度 卜辊缝 251 4 孔型轴比椭圆球纵轧成性方法，椭圆孔型轴比对第二道球坯成形 质量有决定性影响，因为它决定着轧件出口断面形状。轴比的选择可