CN1291923A - 一种用于钢管的皮尔格冷轧的工具设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及塑性金属加工方法,尤其是钢管的轧制生产,并且可以在轧机上应用。用于钢管的皮尔格冷轧的工具设计方法,其中,为了提高精确度,表面质量、机械性能并减少钢管缺陷,外部工具的展开部分和内部工具的外形为统一的曲线形式并且代表了不同样条函数形值点的几何位置,因此与所计算出曲线的样条函数的几何参数一起,本发明人采用了限定了所轧制材料的物理机械性能和皮尔格轧制机制的因子。

Description

一种用于钢管的皮尔格冷轧的工具设计方法
本发明的所属技术领域
本发明涉及一种塑性金属加工方法，尤其是涉及钢管的轧制生产，该方法可以在轧机上应用于钢管的皮尔格冷轧。
现有技术
对于提供轧件的物理机械参数和几何尺寸的稳定性的轧制过程的有效变形机制的实现，显著地由制造出的成形工具的工作表面的质量、其工作部件的结合的平滑度以及机械装置的潜能所限定，以再现出最接近所计算出的曲线的形状的工作表面的真实形状。
皮尔格加工工具可以包括轧机轧辊，该轧辊孔型脊部为抛物线形，以及断面减小的芯棒，该断面具有抛物线形的母线，因此轧辊孔型的脊部具有一个比芯棒的母抛物线要高的抛物线因子(发明人的美国申请号为№534261，国际分类号为B21B 21／02，I．E．№ 41，1976)。
皮尔格加工工具可以包括锥形芯棒和皮尔格轧辊，该皮尔格轧辊的孔型具有沿着展开的长度方向的减径区域、其母线与芯棒轴线的倾斜角大于芯棒母线的倾斜角的辊压区域、预调节区域和校准区域。于是预调节区域的母线与芯棒母线有一个倾斜角，它为芯棒母线倾斜角的0．5-0．9，并且该预调节区域的长度为辊压区域长度的0．3-0．6(发明人的美国申请号为№822937，国际分类号为B21B 21／02，I．E．№15，1981)。
皮尔格加工工具可以用于轧制锆合金涂层管(S．Reschke，A．Schaaund T．Grimmelsmann“VERBESSERUNG DESHERSTELLUNGSVERFAHRENS FUR ZIRCALOY-HULLROHRE”．Metall，1986，H，№ 4，S．338-346)，其特征如下：
-环模的开始部分具有弱减径区域；
-最大的变形出现在展开部分的前半部分；
-在工作区域的端部处的锥角最小(辊身周边为每10度0．04mm)。
从该原文中可以看出，当采用这些工具的时候，不可能完全避免小直径管的变形缺陷。
与所要求保护最接近的技术决策是把该皮尔格加工工具设计成这样，其中外部工具的校准部的展开部分和内部工具的外形具有不变的凹面形状，沿着整个加工长度方向主要是抛物线。
在这种情况中：
-内部工具以及外部工具的展开部分的不变的主要的抛物线的曲线是用同一的数学函数进行说明的并且可能有同样的抛物线参数；
-进入到校准区域中的曲线是相切的，并与圆柱形和锥形的主要形状重叠(FRG专利号№1777043，1971)。
内部和外部工具的抛物线曲线的几何形状并不取决于所轧制材料的物理机械性能。工具的外部和内部孔型的展开部分沿着其整个加工长度方向不变的凹面形状使锥形工具或其他形状的内部工具的变形变复杂了(Z．A Koff，P．M．Soloveytchik，V．A．Aljoshin，M．I．Grishpun“TubeCold Pilgering”．Metallurgizdat．Sverdlovsk．1962．Glen Stapleton“COLDPILGER TECHNOLOGY”．1682 W．216th Street．USA．1996)。
本发明的概述
该要求保护的发明通过几何尺寸的精确度和表面质量的提高、机械性能的稳定性并减少管缺陷从而解决这个问题。
该目的是通过创建出管坯的最佳变形机制来实现，该变形机制是通过采用根据金属的物理机械性能和管坯的轧制机制计算出的加工工具的设计方法来创建的。
技术效果是通过以下事实获得的，与制作成外部和内部成形工具形式的公知的工具设计方案相比较，沿着以抛物线形式的加工长度上在数学计算的基础上构造出孔型，-外部工具的孔型的展开部分的曲线以及内部工具的外形的几何形状是借助于多种不同的样条函数的形值点产生出来的(I．N．Bronshtein，K．A．Semendjaev“Handbook inmathematics”．Moscow．Radio and Communication．1985．)。
技术效果还可以通过以下事实获得，在每一个独立的外部或内部工具的轧制设计的每一阶段以成一体的曲线进行。这就可以使工具孔型的制造过程自动化(对于应用来说，例如，CNC)。
现有的管的皮尔格冷轧所用的工具的成形孔型的制造工艺，它根据二次或更高次因子的计算曲线设计出的，该工艺不能在它们相互的结合部分的点中提供平滑的过渡。
用于计算的样条函数的应用使得可能在现有的装置上的所述点中的经过加工的表面上提供平滑的过渡。
由于具有有形值点序列t和因数k的样条函数显示出为针对形值点序列(S k，t)的具有因子B-样条的任意的线性组合，因此数量和序列的选择通常要能在断点中有用量的形值点来组合出令人满意的平滑度。虽然如此，但是可以用较少数量的形值点对应于更多数量的连续性条件。
为了提供所轧制材料的物理机械性能的稳定性，当计算出作为样条函数的计算参数的曲线的形值点时，与几何参数一起，采用了考虑到所轧制材料的物理机械性能的因子，例如弹性模量、屈服强度、摩擦因子以及轧制机制：壁厚的变形速率和管的内径，输送的体积，等等。
附图的简要说明
附图给出了外部工具1的孔型脊部的轮廓的展开部分以及内部工具2的形状，在该图中
-AB-外部工具的辊轧部分；
-BC-外部工具的校准部分；
-A1B1-内部工具的辊轧部分；
-B1C1-内部工具的校准部分；
-点1，2，3…n-1，n-为样条函数的形值点，这些形值点形成了外部工具的形状；
-点1*，2*，3*…n*-1，n*-为样条函数的形值点，这些形值点形成了内部工具的形状；
外部工具AC的孔型脊部形状的展开部分采用模量k＞3的样条函数S(x)的形式，含有n个形值点。内部工具A1C1是采用模量k1＞3的样条函数S1(x)的形式，包含n*-个形值点。
样条函数S(x)和S1(x)的形值点的数量在10到10000之间改变，这取决于所用轧机的类型以及外部工具的类型：扇形，环形模。
在轧制低延展性金属的情况中，样条函数S(x)和S1(x)具有最大的曲率因子，并且在轧制可延展金属的情况中，样条函数S(x)和S1(x)具有最小的曲率因子。
为了给所轧制材料提供稳定的物理机械性能，根据沿着外部和内部工具的长度上减少的变形速度的条件计算出样条函数S(x)和S1(x)。
本发明的实施例
实施例1．生产φ9．13mm的锆合金Zr-1，0Nb钢管。
在三个阶段中对管坯进行冷变形以获得最终尺寸的钢管。在轧机HPT-55上进行第一道轧制，该轧机的外部工具是以半圆盘的形式。第二道轧制-在轧机K．PW-25上进行，该轧机具有以环模形式的外部工具，第三道轧制在轧机KPW-18上进行，该轧机的外部工具是以环模的形式。
轧机HPT-55的外部工具的轧辊孔型的脊部的展开部分和内部工具的孔型是由不同的样条函数形成的：包含50个形值点且因子k=6的S(x)，以及包含48个形值点且因子k1=4的S1(x)。
轧机KPW-25的外部工具的轧辊孔型的脊部的展开部分和内部工具的孔型是由不同的样条函数形成的：包含100个形值点且因子k=4的S(x)，以及包含80个形值点且因子k1=4的S1(x)。
轧机KPW-18的外部工具的轧辊孔型的脊部的展开部分和内部工具的孔型是由不同的样条函数形成的：包含300个形值点且因子k=6的S(x)，以及包含250个形值点且因子k1=5的S1(x)。形值点序列的计算值是根据下面公式计算出的：
Dn=Kt／[(Kt-K)／Dn-1+K-1]，在该公式中
Dn-在n-断面中的内部工具直径
Kt=f(G，σ0．2，E)-为由金属的物理机械性能决定的因子，
G-剪切模量，
σ0．2-屈服强度
E-弹性模量，
K=f(m，μ，Q，…)-由轧制条件决定的因子，
m-所输送的金属体积
μ-每一道次的延伸量，
Q-壁厚变形速度与内部管直径的变形速度的比值。
在生产出φ9．13mm的钢管之后，要检测几何尺寸：外径偏差高达30μm，内径偏差不超过25μkm。在内部和外部表面上没有探测到缺陷。沿着所轧制钢管的长度和断面机械性能的评估显示出，数值的分布不超过2％。在根据现有技术生产出来的钢管中的数值分布达10％。
实施例2．生产φ25．4mm的钛合金VT-1-0钢管。
在两个阶段中对管坯进行冷变形以获得最终尺寸的钢管。在轧机HPT-55上进行第一道轧制，其内部工具为半圆盘的形式，该轧机的第二道轧制-在轧机HPT-32上进行，其外部工具也为半圆盘的形式。
轧机HPT-55的外部工具的轧辊孔型的脊部的展开部分和内部工具的孔型是由不同的样条函数形成的：包含80个形值点且因子k=4的S(x)，以及包含80个形值点且因子k1=6的S1(x)。
轧机HPT-32的外部工具的轧辊孔型的脊部的展开部分和内部工具的孔型是由不同的样条函数形成的：包含120个形值点且因子k=5的S(x)，以及包含200个形值点且因子k1=4的S1(x)。
在生产出φ25．4mm的钢管之后，要检测几何尺寸：外径偏差高达150μm，内径偏差不超过120μm。在内部和外部表面上没有探测到缺陷。沿着所轧制钢管的长度和断面机械性能的评估显示出，数值的分布不超过5％。在根据现有技术生产出来的钢管中的数值分布达10％。
工业实用性
从上述的实施例中可以清楚地看出，由于选用了所计算曲线中的最佳形状曲线，该曲线平滑地把外部和内部工具的校准部分和辊压部分连接在一起，并且考虑了所轧制材料的性能以及轧制机制，所以就有可能大大地改善轧制过程的质量。已制作出能再现所计算的现有装置的外部和内部的技术工具的外形的程序并且该计划已在JSC“Chepetsky Mechanical Plant”处成功地进行了测试。
该软件在系统CADDS5中通过模块CVMAC开发出来。对于加工为轧机制造的工具来说，采用三或五台相配合的机器CNC-Fanuk和GG-52，该机器提供了所计算的和实际的工具几何参数的最大的一致性。

Claims (3)

1．一种皮尔格冷轧工具的设计方法，包括把外部工具的展开部分和内部工具的外形根据数学计算设计成曲线的形式，其特征在于，外部工具的孔型和内部工具的外形的曲线由不同样条函数的形值点的几何位置所呈现。
2．一种如权利要求1所述的皮尔格冷轧工具的设计方法，其特征在于，每一个单独外部或内部工具的辊轧部分和校准部分采用统一的曲线形式。
3．一种如权利要求1、2所述的皮尔格冷轧工具的设计方法，其特征在于，与所计算出的曲线的样条函数的几何参数一起，采用了限定所轧制材料的机械物理特性以及轧制机制的因子。
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