CN1051482C - 在两辊斜轧机上轧制薄壁荒管用顶头的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种在两辊斜轧管机上轧制簿壁荒管用顶头的设计方法，该顶头由工作锥和反锥组成，工作锥前段和反锥为圆弧曲线，工作锥后段为多段锥台连起的凹形平滑曲线，该顶头按轧后均匀磨损原则确定其各道次的减壁量而设计出顶头，使顶头各部分减壁量合理分配，该顶头具有较高的减壁、轧薄延伸变形能力并获得较高的作用寿命，其ΔSmax＝8-9mm、Smin≥4.0mm，μmax＝2.19-2，71。

Description

在两辊斜轧机上轧制薄壁荒管用顶头的设计方法

本发明涉及一种在两辊斜轧管机上轧制薄壁荒管用顶头设计方法。

现在使用的两辊热轧管机主要是短顶头型自动轧管机和长芯棒型连轧管机两种纵轧机。长期以来人们一直想用一台设备简单而又能轧出高精度荒管的斜轧机来取代自动轧管机与均整机，为此人们研制出阿塞尔(Assel)、特朗斯瓦尔(Transval)两种斜轧机，但由于存在产品规格范围窄，轧制薄壁管困难，小时生产能力低、金属消耗大等缺点，故无法取代自动轧管机。为了轧制薄壁管人们又研制出长芯棒带主动导盘的狄塞尔(Diescher)和限动芯棒带主动导盘的阿克-罗尔(Accu-Roll)两辊斜轧机。可是由于长芯棒不减壁只靠大直径轧辊外减壁很困难，难以发挥出其多道次连轧的减壁能力，故其实际减壁能力较小，并有着小时生产能力低、工具磨损严重等缺点，仍无法取代自动轧管机。短顶头型两辊斜轧机几十年来一直被广泛用作将实心圆管坯穿轧成空心毛管的穿轧机，有时也被用作将水压穿孔的杯状空心坯或大口径穿孔毛管进行延伸或二次穿孔，但却从未被当作轧管机使用过，这是因为其顶头由顶尖、凸形穿孔锥和反锥等组成，但由于两辊斜轧机要在轴向位置固定条件下对每根毛管都要进行长达10多秒约3-5百次的高压减壁轧制，工作条件恶劣，顶头表面摩擦升温很快，很容易造成顶头局部损坏严重而报废。

专利SU1115-821-A“斜轧管机的轧辊和顶头(Rolls andmanderl for helical reeling of tubes)”所公开的技术中也涉及到了一种多段圆锥组成的顶头，但它的顶头设计各段的锥角是根据经验给定的。与该专利相比本发明的顶头设计方法以连轧理论为基础，从经验设计上升为科学设计，设计出的顶头形状更符合变形规律。而且设计过程可以实现计算机化，设计效率大大提高。

本发明的目的是得到一种在两辊斜轧管机上轧制薄壁荒管用的短顶头，该顶头具有较高的减壁、轧薄延伸变形能力，并具有较高的使用寿命。

本发明是这样实现的：

将斜轧过程视为每旋转半转轧制一次的多道次连续轧制过程，即毛管每旋转半转、前进半个螺距便被减壁一次。各道次减壁量按指数函数ΔSim＝ΔS₁mk^1-i的规律分配。

按体积不变常量求出各道次的半螺距m_i： $m_i=\frac{4V_c}{[(D_i-S_i)+(\mathrm{Dj}-\mathrm{Sj})][S_i+\mathrm{Sj}]}$

式中：V_c为半螺距长的体积不变常数

      Di，Si为第i轧制道次的外径和壁厚

      j＝i-1

Vc＝(D_n-S_n)S_n×m_n+1

式中：D_n，S_n分别为轧出荒管的外径和壁厚

  M_n+1为轧出荒管的半螺距 $M_{n+1}=\frac{\mathrm{\π}{D}_n}{2}\mathrm{tg\β}$

  式中：β为轧辊的前进角

求出短顶头型两辊斜轧机的多道次连轧减壁孔型间隙S_i：

S_i＝ΔS_外i+ΔS_内i

式中：ΔS_外i为第i道次轧辊承担的减壁量

      ΔS_内i为第i道次顶头承担的减壁量

      ΔS_外i＝m_i*tgα₁

            式中：α₁为轧辊的前锥角

      ΔS_内i＝ΔS_内1K^1-i

           式中：ΔS_内1为顶头的第1道次减壁量，一般取总减壁

                 的30～50％

                 ΔS_内i为顶头的第i道次减壁量

                 K为常数，一般取1.6～2.0

根据上述公式，首次计算时需假设轧辊前锥段的半螺距个数和相应的半螺距值以及顶头第一道次的减壁量和各道次的毛管外径等参数，在此基础上通过多次循环逼近计算，即可求出各道次的孔型间隙S_i。然后在轧辊和顶头组成的孔型图上对应半螺距点画出孔型间隙，将各孔型间隙点分别用圆弧和直线连接起来就形成了顶头工作锥曲线。顶头的最大直径取决所轧毛管的内径和壁厚，一旦最大直径确定，则根据工作锥曲线，顶头各截面的半径r_i就可以这样确定：r_i＝ρ_i-S_i(ρ_i为i截面上轧辊与轧件接触点到管轴的最小距离)。

下面结合附图介绍本发明的实施例。

图1为毛管半螺距与顶头轮廓及轧件关系图。

该实施例穿孔毛管外径(Do)和壁厚(S₀)：

D₀×S₀＝φ108mm×13mm

轧成荒管外径(Dn)和壁厚(Sn)：

D_n×S_n＝φ115mm×5mm

具体计算步骤与计算内容如下：

参见图1，a为顶头，b为拉杆，c为菌式上辊，d为下辊，Ai，Bi(i＝0，1，2…7)表示钢管上两点在第i次轧制时与轧辊接触的位置，图中示出φ108mm×13mm的毛管经6道次减壁及1道(第7道)定壁，从壁厚S₀＝13mm轧成S₇＝5mm，其中毛管在顶头与下辊的孔型间隙中被轧制4道(1，3，5，7)，在顶头与上轧辊的孔型间隙中被轧制3道(2，4，6)，即毛管经7道轧制，壁厚从13mm减到5mm。1.计算轧后荒管或轧前毛管的半螺距与半螺距长的体积常量荒管出口的半螺距

tg8°＝25.4(mm)

                        式中：β为轧辊前进角，本实例中取β＝8°半螺距长荒管的体积常量V_c＝(D_n-S_n)S_n×m_n+1

                        ＝(115-5)×5×25.4＝13970(mm)²轧前毛管的半螺距：m₀＝V_c/((D₀-S₀)×S₀)

                      ＝13970/[(108-13)×13]＝11.31(mm)2.假设轧辊承担的外减壁量及其分配(如与计算后数差值异较大时再修改计算一次)因为只有轧辊的前锥才能减壁，取轧辊的前锥角α₁＝2°，并假设前三道的半螺距分别为13.0mm，16.5mm，20.5mm，而且轧辊前锥的减壁区长正好等于前三道的三个半螺距之和，故前三道的轧辊外减壁量分别为：ΔS_外1＝13mm×tg2°＝0.45mm

          ΔS_外2＝16.5mm×tg2°＝0.58mm

          ΔS_外3＝20.5mm×tg2°＝0.72mm即轧辊共承担了

的外减壁量，占总减壁量8mm的21.9％。3.给定顶头各道次所承担的内减壁量取顶头的第一道内减壁量为总减壁量的40％。即ΔS_内1＝0.4×8mm＝3.2mm，其余各道次的顶头内减壁量按ΔS_内i＝ΔS_内1K^1-i的指数函数递减分布(K取2.0)则

则 则

顶头的6道减壁量之和

比需要承担的内减壁量大了0.05mm，为此将第1道的顶头内减壁量修改为ΔS_内1＝3.17mm，则ΔS_内2＝1.59mm，S_内3＝0.79mm，使

4.计算出各道次的减壁量与孔型间隙各道次的减壁量为ΔS₁＝ΔS_外1+ΔS_内1＝0.45mm+3.17mm＝3.62mm

ΔS₂＝ΔS_外2+ΔS_内2＝0.58mm+1.59mm＝2.17mm

ΔS₃＝ΔS_外3+ΔS_内3＝0.72mm+0.79mm＝1.51mm

ΔS₄＝ΔS_内4＝0.4mm

ΔS₅＝ΔS_内5＝0.2mm

ΔS₆＝ΔS_内6＝0.1mm

ΔS₇＝0(增加一道次定壁轧制)

孔型间隙S_i为：

S₁＝S₀-ΔS₁＝13mm-3.62mm＝9.38mm

S₂＝S₁-ΔS₂＝9.38mm-2.17mm＝7.21mm

S₃＝S₂-ΔS₃＝7.21mm-1.51mm＝5.7mm

S₄＝S₃-ΔS₄＝5.7mm-0.4mm＝5.3mm

S₅＝S₄-ΔS₅＝5.3mm-0.2mm＝5.1mm

S₆＝S₅-ΔS₆＝5.1mm-0.1mm＝5.0mm

S₇＝S₆-ΔS₇＝5.0mm-0mm＝5.0mm5.假设各道次的管外径Di并计算出Di-Si值由于随减壁道次增加管外径也从D₀＝108mm逐渐增大到D₇＝115mm，假定各道次的D_i如表1示：

表1

i	0	1	2	3	4	5	6	7
									Di(mm)	108	108.88	110.21	111.7	113.3	114.1	115	115
Si(mm)	13	9.38	7.21	5.7	5.3	5.1	5.0	5.0
									Di-Si(mm)	95	99.5	103	106	108	109	110	110

6.计算出各道次的半螺距值 $V_c=(D_n-S_n)S_n\·m_{n+1}=\frac{(D_i-S_i)+(D_j-S_j)}{2}\·\frac{S_i+S_j}{2}\·m_i$   (式中j＝i-1)则： $m_i=\frac{4V_c}{[(D_i-S_i)+(D_j-S_j)][S_i+\mathrm{Sj}]}$

        将数值代入，得到：

m₁＝12.84mm m₂＝16.63mm m₃＝20.17mm m₄＝23.74mm

m₅＝24.76mm m₆＝25.26mm m₇＝25.4mm7.确定变形工具的几何形状作出孔型图1)轧辊：取菌形轧辊的前锥长l₁＝140mm，压轧带长K＝23.74mm，后锥长l₂＝196.26mm，前后锥α₁＝2°，α₂＝2.5°。2)顶头：取最大直径δ＝98mm，顶头全长沿轧辊辊面取S_i作出孔型图，按r_i＝ρ_i-S_i作出顶头工作锥部的形状图，(ρ_i为i截面上轧辊与轧件接触点到管轴的最小距离，r_i为各截面顶头半径)，前面的部分用R＝118mm的园弧连接，中间段各点用直线连接，取后反锥园弧半径r＝25mm，即得到工作锥为凹形多段锥台的顶头。

表2为本发明与现有技术中阿克-罗尔(φ114)，斜轧管机和自动轧管机(φ100-140)，最大减壁、轧薄延伸变形能力的比较。

表2

	最小壁厚Smin(mm)	延伸μ max	减壁量ΔSmax(mm)
				本发明	≥4.0-3.0	≤2.19-2.17	8-9(其中轧辊外减壁量为3.17mm，顶头内减壁量为5.83mm)
Accu-Rool轧机φ114	≥5.0	≤1.5	≤2.5(全由轧辊外减壁)
				自动轧管机φ100-140	≥3.5-4.0	≤2.0-3.0	≤5.0(大部分为顶头内减壁)

在φ120两辊斜轧延伸机上使用本发明的顶头，可将三辊穿孔机穿出的φ108mm×13mm毛管轧成φ118mm×5.0，4.5，4.0mm的内外表面质量良好的荒管。其中ΔS＝8-9mm，ΔS/S₀＝61.54-69.23％，D_n/S_n＝23.6-29.5，μ＝2.19-2.71

Claims (1)

1、一种在两辊斜轧机上轧制薄壁荒管用顶头的设计方法，其特征在于：将斜轧过程视为每旋转半转轧制一次的多道次连续轧制过程，即毛管每旋转半转、前进半个螺距便被减壁一次。各道次减壁量按指数函数ΔSim＝ΔS₁mk^1-i的规律分配。

按体积不变常量求出各道次的半螺距m_i： $m_i=\frac{4V_c}{[(D_i-S_i)+(\mathrm{Dj}-\mathrm{Sj})][S_i+\mathrm{Sj}]}$

式中：V_c为半螺距长的体积不变常数

      Di，Si为第i轧制道次的外径和壁厚

      j＝i-1Vc＝(D_n-S_n)S_n×m_n+1

式中：D_n，S_n分别为轧出荒管的外径和壁厚

      M_n+1为轧出荒管的半螺距 $M_{n+1}=\frac{\mathrm{\π}{D}_n}{2}\mathrm{tg\β}$

式中：β为轧辊的前进角求出短顶头型两辊斜轧机的多道次连轧减壁孔型间隙S_i：

S_i＝ΔS_外i+ΔS_内i

式中：ΔS_外i为第i道次轧辊承担的减壁量

      ΔS_内i为第i道次顶头承担的减壁量

      ΔS_外i＝m_i*tgα₁

            式中：α₁为轧辊的前锥角

      ΔS_内i＝ΔS_内1K^1-i

            式中：ΔS_内1为顶头的第1道次减壁量，一般取总减

                  壁的30～50％

                  ΔS_内i为顶头的第i道次减壁量

                  K为常数，一般取1.6～2.0

根据上述公式，首次计算时需假设轧辊前锥段的半螺距个数和相应的半螺距值以及顶头第一道次的减壁量和各道次的毛管外径等参数，在此基础上通过多次循环逼近计算，即可求出各道次的孔型间隙S_i。然后在轧辊和顶头组成的孔型图上对应半螺距点画出孔型间隙，

根据上述公式，首次计算时需假设轧辊前锥段的半螺距个数和相应的半螺距值以及顶头第一道次的减壁量和各道次的毛管外径等参数，在此基础上通过多次循环逼近计算，即可求出各道次的孔型间隙S_i。然后在轧辊和顶头组成的孔型图上对应半螺距点画出孔型间隙，将各孔型间隙点分别用圆弧和直线连接起来就形成了顶头工作锥曲线、顶头的最大直径取决所轧毛管的内径和壁厚，一旦最大直径确定，则根据工作锥曲线。顶头各截面的半径r_i就可以这样确定：r_i＝ρ_i-S_i(ρ_i为i截面上轧辊与轧件接触点到管轴的最小距离，r_i为各截面顶头半径)。

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