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        多輥冷軋管機(jī)工具孔型的實(shí)用性設(shè)計(jì)

        2018-06-20 07:53:20繆飛軍
        機(jī)械工程師 2018年6期
        關(guān)鍵詞:管機(jī)芯棒孔型

        繆飛軍

        (浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與軌道交通學(xué)院,浙江寧波315211)

        0 引言

        冷軋管機(jī)有二輥和多輥(3~5輥)之分,與二輥冷軋管機(jī)相比,多輥冷軋管機(jī)具有以下特點(diǎn):輥徑小,能生產(chǎn)表面粗糙度小、表面質(zhì)量高的管材,尤其適用于薄壁管;結(jié)構(gòu)簡單,軋制工具的制造和更換方便;軋制范圍較窄,總減徑量不能大,延伸系數(shù)和送進(jìn)量較小,生產(chǎn)率較低,一般延伸系數(shù)μ不能大于2.5~3;減徑很小,以減壁為主,特別適用于將壁厚較薄的管坯軋制成壁厚很?。⊿T=0.5~0.8)的管材。

        另外為了使軋輥能產(chǎn)生純滾動,且軸向力最小,多輥軋機(jī)必須設(shè)置能便于調(diào)整的搖桿系統(tǒng),這樣在同一個行程中,機(jī)頭和軋輥具有不同的行程長度,機(jī)頭的行程長,軋輥的行程短,后者約為前者的0.6~0.7倍,所以在相同機(jī)架行程的條件下,多輥軋機(jī)的芯棒比二輥軋機(jī)芯棒短很多,而滑道長度更短,顯然生產(chǎn)率要比二輥軋機(jī)低許多。

        多輥式冷軋管機(jī)的軋制變形工具有軋輥、芯棒和滑道。由于軋輥和芯棒的孔型尺寸與成品管的外徑和內(nèi)孔尺寸一致,均為圓柱形,幾何形狀簡單,所以多輥軋機(jī)的孔型設(shè)計(jì)關(guān)鍵是滑道的設(shè)計(jì),而滑道中的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

        冷軋管機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是在保證工具軋制質(zhì)量的前提下,盡可能使變形區(qū)中的軋制壓力分布均勻,以使孔型磨損較均勻,延長工具使用壽命,故目前仍廣泛運(yùn)用前蘇聯(lián)“舍瓦金”的孔型設(shè)計(jì)方法。本文將對多輥冷軋管機(jī)工具孔型(軋輥、芯棒和滑道)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析,并通過實(shí)例來介紹滑道工作面孔型實(shí)用性設(shè)計(jì)的方法與步驟。

        1 多輥冷軋管機(jī)軋輥和芯棒的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        1)多輥軋機(jī)軋輥的幾何尺寸在軋機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時已經(jīng)確定,軋輥孔型是圓孔型,其半徑R等于成品管的半徑RT,即R=RT。為了防止軋制時輥環(huán)凸緣壓入管子表面,軋槽側(cè)壁必須開口,側(cè)壁開口的形狀有直線形和圓弧形兩種,一般開口角φp=10°~18°。對輥環(huán)凸緣必須倒圓,其圓角半徑可取r=0.3(D0-DT),其中D0和DT分別為管坯和成品管的外徑。

        2)多輥軋機(jī)的芯棒是圓柱形,芯棒不包括聯(lián)接螺紋的總長度應(yīng)與軋輥相對于芯棒的行程S0相適應(yīng),而S0=S/(1+n),其中比例因子n=Du/Dk,S為機(jī)頭行程,Du為軋輥輥頸直徑,Dk為軋制直徑)。實(shí)際上芯棒長度對于一定型號的軋機(jī)是一個確定的值。軋制時為了避免管子內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)狀凹陷和減小送進(jìn)時的脫棒力,芯棒尾端可加工成錐度不大的倒錐,設(shè)倒錐段長度為m0,倒錐部分的直徑差為Δd0,設(shè)計(jì)時對不同規(guī)格的多輥軋機(jī),m0和Δd0值可參考表1選取。

        表1 不同規(guī)格多輥軋機(jī)參數(shù)m0和Δd0的參考值

        2 多輥軋機(jī)滑道種類及其工作面孔型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

        2.1 多輥軋機(jī)滑道的種類

        多輥軋機(jī)的滑道有整體式滑道和組合式滑道之分,一般LD-90以下的中小型多輥軋機(jī),均采用剛性好的整體式滑道;而LD-120以上的大型軋機(jī),包括LD-120、LD-150和LD-180等軋機(jī),為了節(jié)省GCr15鋼多采用組合式滑道,以降低成本。

        滑道按工作面形狀特征又可分為折線型滑道和曲線型滑道,曲線型滑道由于設(shè)計(jì)和加工較困難,故應(yīng)用較少。目前普遍應(yīng)用的是折線型滑道,其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和加工方便,制造成本較低,并可通過增加折線段數(shù)量來逼近曲線滑道,從而改善了軋制工藝性能和軋制質(zhì)量,所以折線型滑道目前還是最實(shí)用和普遍的。

        2.2 多輥軋機(jī)滑道工作面孔型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

        1)滑道工作面孔型的設(shè)計(jì)方法。由于多輥式冷軋管機(jī)是靠滑道來改變沿著它滾動的軋輥所組成的孔型直徑的,因此滑道工作面應(yīng)按二輥式冷軋管機(jī)軋輥孔型脊部輪廓曲線的同樣設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。并根據(jù)搖桿機(jī)構(gòu)的比例關(guān)系及其比例因子n=Du/Dk,在確定了工作錐的各尺寸參數(shù)后,再把各參數(shù)換算到滑道工作面上。

        2)滑道工作面的形狀特征。由以上分析可知,滑道工作面與二輥軋機(jī)軋輥孔型脊部輪廓曲線相仿,也可劃分為4段,即回轉(zhuǎn)送進(jìn)段(折線ln)、減徑段(折線ld)、壁厚壓下段(曲線l0)和均整定徑段(直線lk),見圖1所示。因多輥軋機(jī)用于軋制高精度高質(zhì)量的管材,所以必須采用“舍瓦金”設(shè)計(jì)方法,將壁厚壓下段l0等分7部分,并用7段折成光滑過渡連接成接近曲線的滑道面。

        圖1 滑道工作面及其主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        3)必須搞清3個行程的概念及其計(jì)算公式?;赖慕^對行程式中:R為軋機(jī)曲柄半徑,L為搖桿長度,e為偏心距。

        軋輥的絕對行程代入整理后得式中:Du為軋輥輥頸直徑;Dk為軋制直徑,按以下公式計(jì)算:Dk=DB-k·DT,其中DB為孔型中心距,由機(jī)頭結(jié)構(gòu)決定;DT為成品管外徑;k為系數(shù),對三輥取k=0.8,四輥取k=0.9,五輥取k=0.93。

        3 滑道工作面孔型設(shè)計(jì)的方法與步驟

        3.1 必須知道的原始數(shù)據(jù)

        1)軋機(jī)機(jī)頭的行程S,包括曲柄半徑R,連桿長度L及偏心距e等;2)軋機(jī)類型(軋輥數(shù))及軋機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)的布局位置,是前置式(曲柄位于軋制區(qū)之前端)還是后置式(曲柄位于軋制區(qū)之后端);3)軋機(jī)后極限回轉(zhuǎn)送進(jìn)角2θ的大小;4)軋制材質(zhì)和軋制規(guī)格D0×S0→DT×ST,軋制速度v和送進(jìn)量m等;5)孔型中心距DB和軋輥輥頸直徑Du等。

        3.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

        1)滑道工作面的總長度而滑道的總長度E應(yīng)是在l的基礎(chǔ)上,兩端再放足夠的余量而成,它是在機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時已經(jīng)確定的值。

        2)回轉(zhuǎn)送進(jìn)空行程絕對長度:

        a.當(dāng)曲柄機(jī)構(gòu)為前置式時其中β=θ-γ,θ為回轉(zhuǎn)送進(jìn)半角,

        b.當(dāng)曲柄機(jī)構(gòu)為后置式時其中β=θ+γ,θ為回轉(zhuǎn)送進(jìn)半角,γ=

        4)確定滑道上減徑段的長度ld:

        一般取ld=10~20,小軋機(jī)取ld=10左右;中軋機(jī)取ld=15左右;大軋機(jī)取ld=20左右。

        5)確定滑道上定徑段的長度lk:

        式中:K為定徑系數(shù),一般取K=4~5,有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出,當(dāng)冷軋?zhí)貏e薄壁管材時,取K=8~10左右,以加長定徑段長度,增加精軋次數(shù);m為送進(jìn)量;μ為延伸系數(shù),μ=

        3)確定回轉(zhuǎn)送進(jìn)段反映在滑道上的長度ln:

        6)確定滑道上壁厚壓下段的長度l0=l-ln-ld-lk。

        7)計(jì)算管壁總延伸系數(shù)μt。由于在多輥軋機(jī)上軋管時,管坯內(nèi)徑與芯棒直徑之差較小,通常Δp=0.5~1.5,故在減徑過程中,管壁增厚較小,可忽略不計(jì),所以

        8)將壁厚壓下段l0等分7段8點(diǎn),用“舍瓦金”設(shè)計(jì)方法,確定8個點(diǎn)上的壁厚分布值:

        圖2 確定壁厚壓下段各截面(1~7)壁厚壓下率的ut-utx圖表

        首先借助于圖2所示的μt-μtx圖表,由既定的μt值來查出相對應(yīng)的8個點(diǎn)的壁厚延伸系數(shù)μtx值,或利用CAD作圖法,則獲得的數(shù)據(jù)更精確;再按公式計(jì)算出8個點(diǎn)上的壁厚分配值。

        9)確定滑道上壁厚壓下段8個點(diǎn)所處截面的高度。每個截面各低于定徑段高度的值為yx=Sx-ST,其中壁厚壓下段的開始截面為yp=S0-ST,而減徑段的開始截面為(D0-DT)。

        10)定徑段lk及其后面非工作部分的設(shè)計(jì)。應(yīng)設(shè)計(jì)成傾斜方向與壓下段相反的斜面,即倒錐型,其斜度可取0.005~0.008;滑道的底平面是一個用于調(diào)整的斜面,其斜度已定,一般為1:50。

        4 多輥軋機(jī)滑道孔型的設(shè)計(jì)實(shí)例

        4.1 已知原始數(shù)據(jù)

        使用軋機(jī)的型號為LD-30(三輥),曲柄機(jī)構(gòu)為后置式,R=280,L=1805,e=235,機(jī)頭行程S=564.9,采用馬爾泰盤回轉(zhuǎn)送進(jìn)機(jī)構(gòu),后極限單回單送的回轉(zhuǎn)送進(jìn)角2θ=120°。軋制材質(zhì)為35鋼,軋制規(guī)格為φ36×2.3→φ32×1,軋制速度v=80 次/min,送進(jìn)量m=5,軋輥輥頸直徑Du=φ45,孔型中心距DB=90。

        4.2 設(shè)計(jì)方法與計(jì)算步驟(參考圖1)

        1)計(jì)算滑道工作面的總長度其中

        2)計(jì)算回轉(zhuǎn)送進(jìn)空行程絕對長度:

        后置式Rcosβ,其中

        3)計(jì)算滑道上回轉(zhuǎn)送進(jìn)段長度ln:

        延伸系數(shù)K=4.5,則lk=K·m·μ·n=4.5×5×2.5×0.699=39.3,此處取lk=40。

        6)計(jì)算滑道上壁厚壓下段的長度l0:

        4)確定滑道上減徑段長度ld,中小軋機(jī)此處取ld=13。

        5)計(jì)算滑道上定徑段的長度lk:

        7)計(jì)算管壁總延伸系數(shù)μt:

        8)將壁厚壓下段l0等分7段8點(diǎn)。

        每段長度用查圖表法或利用CAD作圖法獲得8個點(diǎn)相對應(yīng)的μtx值,按公式求得8個點(diǎn)上壁厚的分配值。再按公式y(tǒng)x=Sx-ST計(jì)算各值,yx的各點(diǎn)參數(shù)即為該點(diǎn)相對于滑道工作面最高點(diǎn)(7點(diǎn))的相對高度差值,其中1.3,以上各數(shù)據(jù)均列于表2中。

        表2 壁厚壓下段等分七段八點(diǎn)后求得的各參數(shù)值

        5 結(jié)語

        冷軋管機(jī)工具孔型設(shè)計(jì)的核心理論是“舍瓦金”的設(shè)計(jì)理論及其系統(tǒng)的計(jì)算公式。多輥冷軋管機(jī)孔型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是滑道的設(shè)計(jì),為了盡可能使滑道變形區(qū)中的軋制壓力分布均勻,以使滑道孔型磨損較均勻,延長滑道的使用壽命,目前仍廣泛運(yùn)用“舍瓦金”的設(shè)計(jì)方法。

        所以應(yīng)在“舍瓦金”理論體系的指導(dǎo)下,同時結(jié)合軋制工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。而其中滑道工作面的壁厚壓下段曲線是孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從以上孔型設(shè)計(jì)實(shí)例可以看出,采用“舍瓦金”的孔型設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)方法簡便、條理清楚、實(shí)用可靠,值得相關(guān)企業(yè)在從事軋制工具孔型設(shè)計(jì)時參考和應(yīng)用。

        [1]韓觀昌,李連詩.小型無縫鋼管生產(chǎn):下冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

        [2]王廷溥,齊克敏.金屬塑性加工學(xué)—軋制理論與工藝[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

        [3]吳宗澤,盧頌峰,冼健生.簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國電力出版社,2010.

        [4]鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.(責(zé)任編輯 馬忠臣)

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