武 絡(luò)，雙遠(yuǎn)華，于志強(qiáng)，賈其蘇

（1.太原科技大學(xué) 材料學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原無縫鋼管廠，山西 太原 030024）

0 引言

CRTM－350是俄羅斯生產(chǎn)的冷軋管機(jī)，能夠生產(chǎn)直徑Φ6mm～Φ450 mm 各種材質(zhì)（包括不銹鋼以及核電用的鈦、鋯、鎳鉻合金等）的精密冷軋管。主要用于生產(chǎn)外徑為Φ140mm～Φ325mm 的冷軋無縫鋼管和合金鋼管。三輥冷軋管機(jī)的3個(gè)軋輥在機(jī)架中繞軋制中心線呈120°等距離布置，與芯棒構(gòu)成一個(gè)半封閉的孔喉，孔型的每個(gè)斷面形狀和尺寸都隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化?？仔偷某叽缂八鼈冎g的比例對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和機(jī)組的生產(chǎn)率均有明顯的影響，因此尋求合理的孔型形狀是多年來人們一直研究的內(nèi)容，其中孔型設(shè)計(jì)的基本原理又顯得尤為重要。本文針對(duì)CRTM－350冷軋機(jī)，對(duì)其孔型設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行論述。

1 CRTM－350冷軋機(jī)的工作原理

對(duì)于CRTM－350冷軋機(jī)而言，其工作原理與二輥冷軋機(jī)的工作原理相似，如圖1所示。所不同的是，350冷軋機(jī)是雙送進(jìn)雙回轉(zhuǎn)的冷軋機(jī)。鋼管的軋制是在一根擰在芯棒桿上的固定不動(dòng)的曲線形芯棒和3個(gè)變半徑的軋槽塊之間進(jìn)行的，孔型的開始處半徑等于管料的半徑，其末端的半徑等于軋成管的半徑，工作機(jī)架在前、后兩個(gè)極限位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)使鋼管產(chǎn)生變形。由于孔型的變半徑特點(diǎn)，使得鋼管在變形過程中每一部分的尺寸也是變化的。因此，每一段成品管的形成都需要經(jīng)過多個(gè)周期的軋制。

2 冷軋管機(jī)工作機(jī)架和軋輥的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

CRTM－350冷軋管機(jī)的軋輥箱和動(dòng)力箱的運(yùn)動(dòng)通過復(fù)式搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其中，SC與SB分別為銷子在拉桿位于兩極限位置時(shí)的距離。

復(fù)合連桿通過Lk連接長度的變化來進(jìn)行調(diào)整，以保證能夠減小變形區(qū)的滑動(dòng)和達(dá)到最小的復(fù)合連桿連接力。

圖1 二輥冷軋管機(jī)軋制示意圖

圖2 CRTM－350冷軋機(jī)的復(fù)式搖桿機(jī)構(gòu)

適宜的復(fù)合連桿調(diào)整需滿足以下條件：

其中：L0為連接軸的銷子與軋輥箱拉桿固定點(diǎn)的距離；Lk為連接軸的銷子與動(dòng)力箱拉桿固定點(diǎn)的距離；Dk為工作輥軋制直徑；Du為工作輥輥徑直徑。

由式（1）可得出：

為了降低軸向力和優(yōu)化軋槽軋制半徑，CRTM－350軋機(jī)采用兩個(gè)復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)力箱相連的構(gòu)造方式。為了得到最優(yōu)的軋制直徑，根據(jù)成品管的外徑，在軋機(jī)上設(shè)置兩個(gè)連接銷的位置：即對(duì)于外徑超過Φ245mm 的成品管，連接軸距軋制線為785mm；對(duì)于外徑小于Φ245mm 的成品管，連接軸距軋制線在710 mm 處。圖3為CRTM－350冷軋機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)圖。

圖3 CRTM－350冷軋機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)圖

根據(jù)圖3可以建立擺桿與機(jī)架以及動(dòng)力箱之間的幾何關(guān)系。動(dòng)力箱行程的改變通過OB 桿的長度進(jìn)行調(diào)整，從而得到最優(yōu)的軋制直徑。

CRTM－350冷軋管機(jī)軋制直徑的近似計(jì)算公式為：

其中：DB為軋輥直徑；D3為坯料直徑；DT為軋制后的鋼管直徑。

在圖3中，我們?cè)O(shè)定當(dāng)擺桿OB 擺動(dòng)到垂直位置時(shí)所形成的直角坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，此時(shí)O 點(diǎn)為原點(diǎn)，O 點(diǎn)以右為X 軸的正方向，以左為負(fù)方向。

以LOA為OA 桿的長度，對(duì)于CRTM－350 軋機(jī)為固定值1 690mm；機(jī)架行程Lx＝1 100.2mm；K 為該冷軋機(jī)設(shè)定的比值，為2.063，則OB 桿的長度LOB為：

軋輥箱工作行程Lce等于機(jī)架行程與前后端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程之差。設(shè)后端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程為90，前端位置送進(jìn)回轉(zhuǎn)時(shí)的軋輥箱行程為60，則：

Lce＝Lx－90－60＝950.2mm。

軋輥模具的角度為：

在圖3 中，可知擺桿OB 擺 角β 在－19.02°～18.97°之間，我們以步長為0.012 5將該擺角等分，劃分為0，1，…，i－1，i，…，3 040步，則AC 桿在水平方向第i步與第i－1步之間的變化量為：

其中：H 為機(jī)架到O 點(diǎn)水平面的高度；LAC為AC 桿的長度；YOAi、YOA（i－1）分別為OA 桿在Y 方向上第i 步 和第i－1步時(shí)A 點(diǎn)的坐標(biāo)值；βi、βi－1分別表示擺桿在第i和第i－1步的角度值。

OA 桿在每一步長處A 點(diǎn)距機(jī)架水平面的高度：

OA 桿在X 方向上第i步時(shí)A 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

AC 桿在X 方向上第i步時(shí)C 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

OB 桿在X 方向上第i步時(shí)B 點(diǎn)的坐標(biāo)值：

OB 桿在Y 方向上第i步時(shí)B 點(diǎn)的坐標(biāo)值為：

BD 桿在每一步長處D 點(diǎn)距動(dòng)力箱的垂直距離為：

其中：HOC、HOD分別為機(jī)架和動(dòng)力箱距離O 點(diǎn)的垂直高度；YBDi為BD 桿在第i 步時(shí)D 點(diǎn)距動(dòng)力箱的垂直距離。

BD 桿在X 方向上第i步時(shí)D 點(diǎn)的坐標(biāo)值為：

前面我們算出了軋輥的總弧度為152.8°，將該弧度以步長為0.05劃分為若干段。由于軋機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中曲柄搖桿的擺角范圍在－19.02°～18.97°之間，以步長為0.012 5將該擺角劃分成若干段，同時(shí)將機(jī)架行程以步長為0.35mm 劃分為若干段。經(jīng)計(jì)算可知軋輥弧、擺桿及機(jī)架行程劃分的段數(shù)接近。以該軋機(jī)初始數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過控制系統(tǒng)使擺桿每行進(jìn)一個(gè)擺角步長，記錄一次機(jī)架X 坐標(biāo)值，同時(shí)記錄軋輥在機(jī)架上運(yùn)動(dòng)的位置，這樣得到軋輥、機(jī)架行程及擺桿相對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)。

為了使軋輥在機(jī)加工時(shí)的數(shù)據(jù)更切合實(shí)際也更合理，我們只取軋輥劃分過程中的整數(shù)度數(shù)據(jù)作為加工軋輥所利用的數(shù)據(jù)。軋輥部分弧度段的記錄數(shù)據(jù)與機(jī)架運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

由于軋輥類似于半圓弧軋輥，將軋輥的形狀設(shè)計(jì)成扇形，如圖4所示。因?yàn)榭仔陀晒ぷ鞫渭翱哲埗谓M成，工作段又由減徑段、減壁段、預(yù)精整段及精整段組成，而且軋制過程是一個(gè)連續(xù)的、周期性的過程，根據(jù)各段的作用及空間配合的相互關(guān)系，必須合理分配各段比例，才能使軋制過程穩(wěn)定，減少軋制缺陷的產(chǎn)生， 提高軋制速度。

表1 軋輥部分弧度段的記錄數(shù)據(jù)與機(jī)架運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

軋槽的總回轉(zhuǎn)角γx是由送進(jìn)回轉(zhuǎn)角C1、減徑段角C2、減壁段角C3、預(yù)精整段角C4、精整段角C5和空轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)段角C6組成，如圖4所示。

圖4 軋輥沿孔型頂部剖開圖

如果已知機(jī)架行程，那么可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的軋槽回轉(zhuǎn)角：

其中：Dj為主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑。

也可以先確定各段回轉(zhuǎn)角，由式（12）計(jì)算對(duì)應(yīng)的行程長度。無論何種設(shè)計(jì)方法，應(yīng)滿足以下條件：

對(duì)于350冷軋機(jī)，根據(jù)本文所選初始數(shù)據(jù)，軋機(jī)軋制規(guī)格為Φ273×24→Φ219×10時(shí)，最終得到的軋輥各段所對(duì)應(yīng)的弧度及對(duì)應(yīng)機(jī)架行程如表2所示。

表2 350軋輥各段所對(duì)應(yīng)的弧度及對(duì)應(yīng)機(jī)架行程表

3 結(jié)論

通過對(duì)CRTM－350動(dòng)力系統(tǒng)的分析，建立參數(shù)化方程，并記錄軋制過程中的多個(gè)數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以將軋輥孔型設(shè)計(jì)中的每一段與工作機(jī)架在軋制行程中的特定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，了解了350冷軋機(jī)孔型設(shè)計(jì)的最初原理，從而為今后更合理地安排孔型、更好進(jìn)行孔型設(shè)計(jì)服務(wù)。

［1］ 韓觀昌，李連詩.小型無縫鋼管生產(chǎn)（下冊(cè)）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］ 王延溥.軋鋼工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1989.