二辊冷轧管机工具孔型的实用性设计

缪飞军

（浙江纺织服装职业技术学院机电与轨道交通学院，浙江宁波 315211）

0 引言

工具孔型设计是冷轧管材生产工艺中的核心问题，它直接影响着产品质量、轧机生产率和工具寿命等。而某些传统的孔型理论设计方法，由于数学模型复杂、理论计算繁琐，实际应用性不强，仅适用于理论研究。实际上，孔型设计应在设计理论的指导下，充分结合轧制工艺，在生产实践中不断加以改进和完善，使设计更加简便和实用。下面通过对二辊冷轧管机工具孔型设计要点的分析来介绍孔型实用性设计的方法和步骤。

1 二辊冷轧管机工具孔型的设计要点

二辊冷轧管机的轧制工具是轧辊和芯棒，对其工具孔型设计时，关键在于轧辊与芯棒的组合配套设计。而其中轧辊中的壁厚压下段曲线是孔型设计的重点和难点。

1.1 工具孔型工作区域的划分及其轧制压力的分布

工具孔型总体上均可分为4段，即回转送进段、减径段、壁厚压下段和均整定径段。冷轧时，主要变形集中在压下段（减径段+壁厚压下段），轧制压力与该段的孔型设计有密切关系，不同的孔型设计有不同的轧制压力，故压下段孔型的形状决定了变形过程中沿孔型长度的变形量变化及轧制压力的分布。

由于减径段长度较短，轧制时管坯内径尚未与芯棒接触，故轧制压力较小，所以壁厚压下段是轧制力最大、变形最集中的区域。由理论分析和实践结果可知，当轧制规格和送进量一定时，轧制力与金属的加工硬化、强度极限σb和壁厚压下段长度l0等有关。加工硬化程度越严重，σb越大，l0越小，则轧制压力越大，反之则越小。在整个轧制过程中，瞬时轧制力是变化的，在正行程轧制时，随着加工硬化的逐渐严重，导致强度极限σb逐渐增大，而塑性下降，则轧制压力也逐渐增大。为了使轧制压力分布较均匀，减少孔型磨损，在l0等分点上，使瞬时壁厚压下量Sx的分布呈逐渐减小趋势，以抵消由于加工硬化引起的瞬时轧制力的增大，这样能使整个壁厚压下段上的轧制压力基本均布，以使工具孔型磨损均匀，从而兼顾了轧机的生产率、产品质量和工具寿命。

1.2 壁厚压下段孔型的设计方法

目前广泛采用的前苏联“舍瓦金”的设计方法就是用于壁厚压下段的孔型设计。该方法是以相对变形量沿壁厚压下段长度按一定规律下降作为设计的计算基础，遵循了变形区中轧制压力的分布尽可能均匀的原则，是根据“轧制过程中金属由于加工硬化引起的塑性下降而相应地减小相对变形量（壁厚压下量）”的原则来设计该段孔型的。具体是采用“等分七段八点”原则，每点的壁厚分配用查图表法来确定，或者利用ut-utx图表转化的CAD图上，直接画直线、找数据，既快捷又准确，然后再配合公式Sx=Sp/utx进行计算。

1.3 轧辊与芯棒组合设计的类型

在轧辊与芯棒组合设计过程中，壁厚压下段的孔型有3种类型可供选择：1）芯棒采用直锥形，轧辊孔型按“舍瓦金”方法设计，满足壁厚相对变形按对数关系逐渐减小的规律，即近似于抛物线曲线的变化规律，这是最常见和实用的方法；2）为了方便轧辊孔型设计和加工，该段孔型脊部的展开图可设计成直锥形，但配套芯棒形状必须是抛物线或其它特殊曲线，这样就增加了芯棒的设计和加工难度；3）当轧辊和芯棒均为直锥形孔型时，理论上壁厚压下段的减壁量均相同，但由于加工硬化的逐渐增大，正行程时，实际轧制压力也逐渐增大，从而影响了工具的磨损程度和轧制质量。所以一般用于轧制精度较低或管材开坯时，也可用于轧制塑性较好的管材，如低碳钢管、黄铜管和紫铜管等有色金属及某些不锈钢管。

1.4 关于轧辊的开口问题

二辊轧机的轧辊圆周上大致由3条环孔型组成，即回转送进段→轧制段（包括减径段和壁厚压下段）→均整定径段（包含非工作段）。为了便于加工，使均整定径段长度延伸至回转送进段，使其孔型槽连贯相通，轧辊的开口是从均整定径段的末端开始到轧制段的开始处为止。所以进行孔型设计时，还必须对轧制变形区和均整定径区进行合理的开口，如图1所示。

图1 一对轧辊组成的孔型径向局部剖面图

根据有关资料，在均整定径段靠近末端的1/2长度上开口度取bx=0.2～0.8 mm（对大规格取大值），在轧制段的孔型入口处取bx=1.2～1.6 mm，其余截面用经验公式计算，中间过渡部分的开口度用“内插法”确定,并呈线性规律变化。其余非轧制段孔型可以不开口，仅作孔口倒圆或倒钝处理。

注意开口度bx的大小并不是一成不变的，还应在生产实践中根据轧制材质、轧制规格和工艺条件等进行灵活合理的修正和完善，例如，轧不锈钢管的开口度可大一些，其它材质则应相对较小。

2 工具孔型设计所需的原始数据

主要包括以下5方面的内容和数据：

3 工具孔型设计的方法与步骤

最好采用轧辊与芯棒组合设计的方法和步骤，并利用其孔型展开图，则更加简易明了。为了使芯棒的锥度准确地与轧辊孔型的形状相适应，一般应在管坯减径结束与芯棒刚接触的临界线作为芯棒直锥大端圆的开始线，如图2所示。

图2 二辊轧机的孔型设计展开图

1）由图2可知，轧辊总行程l=S=l回送+lp+lk。式中：lk为均整定径段长度；lp为压下段长度，lp=ld+l0，ld为减径段长度，l0为壁厚压下段长度。芯棒的锥度为2tan α=（Dn-dn）/l0=0.01～0.04（即1∶100～1∶25）。

2）各参数的确定。

芯棒大端直径Dn=D0-2S0-ΔP。式中，ΔP为芯棒大端圆柱与管坯内孔之间为便于上料所必需的间隙，取ΔP=1.5～3.5（小规格取小值，大规格取大值）。芯棒小端直径dn=DT-2ST；减径过程中的增壁量ΔSp=（0.05～0.06）ΔP，取0.055ΔP。

芯棒锥度的计算公式为2tan α=（Dn-dn）/l0。芯棒锥度取值范围为2tan α=0.01～0.04为宜。2tan α与轧制时的总减径量ΔD=D0-DT有关，ΔD较小时2tan α取小值，ΔD较大时2tan α取大值。参考相关资料，得中小型二辊轧机芯棒锥度的推荐值如表1所示。

3)本文基于人口与粮食的关系，以粮食为判据，在土地资源承载力(LCC)模型和土地资源承载指数(LCCI)的基础上，定量分析永川区的土地资源承载力状况，并利用土地资源承载力等级状况进行复垦分区，具有一定的实用性。但本研究的粮食仅包括稻谷、小麦、红苕、玉米和油菜籽，并非广义上的粮食，因此在一定程度上掩盖了其他食物(如肉、蛋、奶等)对土地资源承载力的贡献。再次，本文未对永川区耕地、粮食生产能力、人均GDP、农民人均纯收入及人口的耦合关系进行分析，这在一定程度上限制了研究的深度。

表1 中小型二辊轧机芯棒锥度tan α的推荐值

当芯棒锥度2tan α初定后，即可得壁厚压下段长度l0=（Dn-dn）/（2tan α），则减径段长度ld=lp-l0；一般减径段孔型锥度取2tan γp=［D0-Dn-2（S0+ΔSp）］/ld≤0.2；则得ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）。当此式不能满足时，必须适当调整芯棒锥度2tan α的取值，直至同时满足ld≥5（D0-Dn）-10（S0+ΔSp）为止。

管壁延伸系数计算公式为ut=Sp/ST。其中Sp=S0+ΔSp。

将壁厚压下段l0等分为7段、8点，借助于图3所示的ututx图表，由既定的ut值来查出8个点上相对应的壁厚延伸系数utx值（也可利用CAD作图法获得精确数据），再按公式Sx=Sp/utx计算出8个点上的壁厚分布值。

图3 确定壁厚压下段各截面（1～7）壁厚压下率的ut－utx图表

芯棒壁厚压下段上8个等分点处截面的直径的计算公式为dx=dn+2lx·tan α。其中，lx是从定径段开始处到所求截面的距离。

轧辊壁厚压下段上8个等分截面处的孔型直径的计算公式为Dx=dx+2Sx，轧辊压下段开始处截面孔型的直径Dx=D0；均整定径段孔型的直径Dx=DT；回转送进段孔型直径Dx=D0+（1～3）。

对轧辊孔型进行合理开口，均径段靠近末端的1/2长度上开口度可取bx=0.2～0.8，另外1/2长度上的开口度按线性均匀地增加至bk，在轧制段的孔型入口处取bx=1.2～1.6。其中：b7=bk=2m·u·tan α+0.2；b0=b1=bH=2m·tan γ1+1.0。2tan γ1=2tan γ0=（D0-D1）/ln。式中：ln=l0/7（D0、D1分别为截面0、1上的孔型直径）。其余的b2、b3、b4、b5、b6各截面的开口度大小为bH到bk之间，用“内插法”按线性规律确定。

最终按公式Bx=Dx+bx计算各截面的孔型宽度。

4 二辊轧机工具孔型设计实例

4.1 原始数据

使用轧机为LG-60Ⅱ-H，曲柄机构为前置式，R=450 mm，L=2800 mm，e=200 mm。机架行程S=902.4 mm，采用光电回转送进，后极限单回单送的回转送进角2θ=90°。轧制材质为35钢，轧制规格为φ79×5.5→φ57×2.5，轧制速度v=75 次/min，送进量m=8，同步齿轮分度圆直径D齿=28×12=336 mm，轧辊总回转角α辊=360°×S/（π·D齿）=307.8°。

4.2 设计方法与计算步骤

9）计算管壁延伸系数Sp=S0+ΔSp=5.5+0.14=5.64，得ut=Sp/ST=5.64÷2.5=2.26。

10）将壁厚压下段l0等分为7段8点。每段长度为ln=l0/7=540÷7=77.1≈77 mm。用查图表法（如图3）或利用CAD作图法获得8个点相对应的utx值，再按公式Sx=Sp/utx计算出8个点上壁厚的分布值，数据均列于表2中。

11）计算8个点截面上芯棒的直径dx=dn+2lx·tan α和轧辊孔型直径Dx=dx+2Sx值，均列于表2中。回转送进段孔型直径取Dx=D0+2=81 mm。

12）对轧辊孔型进行合理开口计算。b7=bk=m·u·2tan α+0.2=8×2.97×0.025+0.2=0.79 mm，b0=b1=bH=m·2tan γ1+1.0=8×0.0526+1.0=1.42 mm。其中，2tan γ1=（D0-D1）/ln=（76.78-72.73）÷77=0.0526。均径段靠近末端的1/2长度上开口度取bx=0.5 mm，另外1/2长度上的bx按线性均匀地增加至0.79 mm，轧制段孔型入口处取bx=1.5 mm，其余b2～b6各截面的开口度在1.42～0.79之间，按“内插法”确定，具体如表2所示。

13）计算孔型宽度Bx=Dx+bx，数据均列于表2中。

5 结语

冷轧管机工具孔型设计的根本任务是在保证工具轧制质量的前提下，尽可能使变形区中的轧制压力分布均匀，以使孔型磨损较均匀，延长工具使用寿命。孔型设计的核心理论是“舍瓦金”的设计理论及其系统的计算公式。因此应在“舍瓦金”理论体系的指导下，同时结合轧制工艺实践经验进行科学合理的设计。二辊冷轧管机孔型设计的关键是轧辊与芯棒的组合配套设计，而其中轧辊中的壁厚压下段曲线是孔型设计的重难点。从以上孔型设计实例可以看出，采用“舍瓦金”的孔型设计理论，设计方法简便、条理清楚、实用可靠，值得相关企业在从事轧制工具孔型设计时参考和应用。

表2 孔型各径向尺寸参数表mm