斜轧

School of Materials Science & Engineering,斜横轧原理The Theory of Cross Rolling Autumn -winter coursefor undergraduate students majoring in Materials Forming and Control Engineering,课后习题,第一章 斜轧变形区及工艺参数,主要讲解如下几个问题,穿孔调整参数计算的现代方法,二辊斜轧穿孔调整参数计算步骤,斜轧穿孔工艺参数,斜轧变形区,1.1 斜轧变形区(以二辊斜轧穿孔为例),1.1.1 孔型构成 (普通曼式穿孔机)由二个相对轧制线倾斜布置的主动轧辊（左右放置）、二块固定导板（上下放置）和一个位于中间的随动顶头（轴向固定）构成一个“环形封闭”孔型，如图1-1所示。 变形工具轧辊（main roll）：属外变形工具，由入口锥、轧制带（辗轧带）和出口锥三段构成。见图顶头（piercing plug）：属内变形工具，一般随轧件旋转。,1.1 斜轧变形区(以二辊斜轧穿孔为例),多半情况下分为四段，即：顶尖、穿孔段、辗轧段（或称平整段）和反锥。如图1-2所示。顶头工作条件恶劣（高温、高压、高热负荷），故属关键性工具。 导板（guide shoe）： 固定不动，起导向并限制轧件横变形的作用。它亦可分为三段，即 入口曲面 过渡曲面 出口曲面。（见图）三辊斜轧机无导向工具,1.1 斜轧变形区(以二辊斜轧穿孔为例),在狄舍尔（Diescher）穿孔机上，导向工具不再是导板，而是导盘，即用主动导盘代替了固定导板，使阻力曳力，这是一大进步，何以见得？,1.1 斜轧变形区(以二辊斜轧穿孔为例),1.1.2 穿孔变形区 穿孔变形区由四段构成，如图1-3所示：穿孔准备区 (feed region)穿孔区 (working region)平整区 (reeling region)归圆区 (rounding region),符号说明：变形区长度 l1、l2；导板前置量 Nb；m 值；过程讲解,1.2 穿孔工艺参数（含调整参数）,1.2.1 基本概念(1) 轧制线：管坯/毛管中心的运行轨迹，亦为顶杆中心线；(2) 机器中心线：穿孔机（本身）的几何对称中心线。所谓“下轧制线”轧制，即在安装设备时使轧制线比机器中心线低一个值（如图 1-4 所示），以稳定穿孔过程。 小型机组：3 5 mm 中型机组：515 mm(3) 送进角（Feed Angle）： 对二辊卧式穿孔机而言，指轧辊轴线与轧制线在（包含轧制线的）垂直平面上的投影的夹角。注意：二轧辊的轴线在水平面上的投影是平行的。 其它斜轧机也有类似定义,1.2 穿孔工艺参数（含调整参数）,1.2.1 基本概念特别提示：送进角 是斜轧中最积极的工艺参数，它不仅影响穿孔毛管的产量和质量，而且影响消耗。 (4) 辊距 BHP：二轧辊之间的最近距离，即高点（HP）间距，见图 1-5。 (5) 导板距 A：二导板过渡带间的最远距离（示意图）。 (6) 孔型椭圆系数 ABHP。 (7) 管坯总直径压下量 DHP与直径压下率 HP：,(8) 管坯顶前压下量 Db与顶前压下率 VR：,1.2 穿孔工艺参数（含调整参数）,顶前压下量,其中 Bb 为顶头前辊距。由几何关系（见图1-6）有：,得到,( 9 ) 毛管外扩径量 DeDHDB，（De0 扩径穿孔)(10) 毛管内扩径量 dedHDp ，（一定有de 0）(11) 顶头位置 b（即顶头前伸量）：指顶头前端到轧辊过渡带中心面间的距离（现行工艺中 b0）。,1.2 穿孔工艺参数（含调整参数）,(12) 顶杆位置 Y：轧制线方向，轧辊后端面与顶头后端面间的距离。Y 与b 的作用是相同的，但Y 更常用(13) 穿孔延伸系数 p,通常p =1.35.3，如宝钢钢管厂140机组锥形辊穿孔 178 18410.75， p = 4.25 若引入体积压缩系数 KB，则,1.2 穿孔工艺参数（含调整参数）,(14) 穿孔温度 Tp（）： 若无特别指明，表示穿孔变形区出口毛管温度。而开穿温度 T0 是指一次咬入开始温度。,穿孔温度与开穿温度的关系:, Tu、 Td 分别为穿孔过程的温升与温降。,穿孔机调整参数计算问题的提出：用直径为DB 的管坯，穿制毛管DH SH，何以实现？,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),(1) 确定顶头直径 Dp 已知 DB 和 DH SH ，则 Dp = dH de这里 de 主要与 DB （ DH ）和 SH 有关， 一般地 DB de， SH de 。此外，de 与材料塑性有关，即与钢种及温度有关。 一次性穿孔（桶形辊）时： de （0.0750.00135 SH）DB ， 或,通常de 多大？ deCTP多大？,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),(2) 确定顶前压下率 VR (步骤) 取得该钢种的临界压下率 c ；其定义参见轧钢工艺学p.373 示意图 确定二次咬入所必须的最小顶前压下率min （待后续分析） 按 min VR c 的原则确定 生产现场通常按经验数据确定VR 。 (3) 确定轧辊距离 BHP,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),(3) 确定轧辊距离 BHP,由变形区图示，已知,由几何关系有,(b),1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),联立式(a)、(b)、(c)即可解出：,(d),此时，应按得到的BHP复核 HP = (DB BHP )/DB 100% 是否合适。如对80170管坯（低、中C钢）HP = 1216%，小直径坯的取值靠上限。(4) 确定顶头位置（生产中很重要） 顶头前伸量 b：按前述(c)式计算 顶杆位置 Y： Y = ( L2 + 0.5L3 + b ) lp,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),(5) 导板距：A = BHP孔型椭圆度系数 取值的一般规律：当穿合金钢及厚壁管时， 应小些；DB ， 。 主要按经验选取 ，可参见轧钢工艺学p.407,有时按所要求的毛管外径 DH 来复核，即：,经验公式：,依据：毛管与顶头脱离后其周长不再发生变化。,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),(6) 确定顶杆直径 Dbar 及进出料导槽（管）直径：原则： Dbar 0.95Dp 考虑顶杆系统刚度要求 适度的共用性进出料槽（管）内径：一般比轧件外径大 20%左右。(7) 确定送进角 （对送进角可调的穿孔机而言）和轧辊转速 nR分析：增大 的利弊 穿孔速度快，因 Vox sin，生产率高 入口Vix 大，则管坯在顶头前的压缩次数减少，不易预先形成孔腔，从而改善毛管内表面质量,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论), 轧制力尤其顶头轴向力增大，使顶头寿命降低；由此带来的顶杆弯曲也影响毛管壁厚精度； 咬入不良：因变形区缩短，积累摩擦减少，顶头阻力也大。（可通过减小轧辊入口锥的锥角来改善）存在一个最佳 角（当其它参数确定时）。应针对具体的轧制情况选用不同的 ，一般地： 同一穿孔机：大DB 采用小 及 nR （穿孔功率限制）同一管坯直径DB ：穿厚壁管取 、 nR 的下限（以减小顶头阻力），而薄壁管则取上限,1.3 穿孔调整参数计算步骤 (讨论),合金钢采用低 nR ，同时在设备允许的条件下尽可能采用大 。（变形抗力大、塑性差）关于辊速的讨论： 转速nR 摩擦系数 f ，影响咬入；力参数会增大 nR 对穿孔速度 Vox 的影响不显著，换言之，靠提高 nR 来提高 Vox ，效果并不明显（因 nR 会引起 ox ） 增大 nR 常会给设备运转带来一系列不良影响。,1.4 穿孔调整参数计算的现代方法,背景 现代斜轧穿孔机一般都是大倾角，包括送进角 和辗轧角 ，如菌式穿孔机 （锥形辊），传统的算法已完全不适应高精度轧制和高效轧制的要求。对这类大倾角斜轧机（穿孔机）的调整参数计算以及工具设计都应该以轧辊开度分析为基础。关于斜轧时轧辊开度分析计算方法，详见专门章节或相关文献。目前仍有很多斜轧穿孔机送进角都不大，且不可调，辗轧角也为零度，故用简化的方法计算即可。,1.4 穿孔调整参数计算的现代方法,1.4.1 斜轧机轧辊开度分析方法,(1) 轧辊与轧件的接触迹线接触迹线的概念：在斜轧变形区长度范围内的任意截面 x 处，轧辊与轧件都有一个旋转出口点（见图 1-7 ），则所有旋转出口点的集合构成 接触迹线（为接触区的出口侧边界，是一条非线性空间曲线）。 (2) 轧辊开度（roll opening） 定义：沿斜轧变形区长度方向 x = t 截面处，轧件与轧辊的旋转出口点 P 到轧制线的距离 R(t)（见图 1-7），称为截面 x = t 处的 轧辊半开度（沿变形区长度方向变化）。,1.4 穿孔调整参数计算的现代方法, 轧辊开度计算二辊斜轧机半开度的计算公式：,其中 k1、k2、 、k10 由下式确定：,式中A、B、C 按下式确定：,(1),(2),1.4 穿孔调整参数计算的现代方法,(3),1.4 穿孔调整参数计算的现代方法,式中 送进角，()； 辗轧角，()； 轧辊入（出）口锥的辊面锥角，()； DHP 轧辊轧制带处直径，mm； BHP 轧辊轧制带之间距，mm； 轧辊轴线与其在主垂直平面上投影的夹角， () 由下式确定：,问题：如何确定轧件与轧辊最先接触点和脱离点？,(4),1.4.2 基于开度分析的二辊穿孔机调整参数计算,参见文献：李胜祗，孙中建，宋箭平，等. 大倾角穿孔机的调整参数J. 特殊钢，1998, 19(3):45-47.,课后习题：穿孔工艺参数计算（工具设计在后）,已知条件：二辊斜轧穿孔机 管坯直径：DB =75 mm；毛管DHSH = 80 7.5 mm (20#钢)轧辊尺寸：L1 = L2 = 170 mm，L3 =10 mm，1 = 2 = 3.5顶头（水冷式）各段长度： lp1 = 105 mm，lp2 = 35 mm，lp3 =10 mm；VR = 8.14% 导板出口曲面斜角 2 =3.5，超前量Nb = 36 mm。 参数计算（设计）： Dp ，BHP（要求校核 HP ），A（要求：再按毛管外径要求校核导距A），b，Y（顶头直径精确到 1 mm，调整参数精确到 0.1 mm）,课后习题：穿孔工艺参数计算（工具设计在后）,参考答案： Dp = 59 mm， BHP = 63 mm（HP =15.36%16%）， A = 71 mm（按DH 校核时， A亦为71 mm）