二輥斜軋穿孔機(jī)由兩個雙桶形軋輥組成,所以稱為桶式穿孔。軋輥的軸線與軋機(jī)的軸線成一定傾斜角,所以又稱斜軋。工作時兩個軋輥的旋轉(zhuǎn)方向相同。坯料是沿著軋制方向進(jìn)入,當(dāng)坯料被軋輥咬入之后,在軋制力的作用下旋轉(zhuǎn)并向前運動(即坯料質(zhì)點做螺旋式前進(jìn)運動)。在管坯的前端沒有固定的錐形芯頭,實心
棒坯在軋輥的壓力作用和芯頭擠壓下,其中心部位受三向拉應(yīng)力的作用而形成空腔,輾軋成毛坯管。
芯頭的作用是使管坯成形、密實,控制管坯有均勻的壁厚和內(nèi)徑尺寸。
二輥斜軋穿孔機(jī)一般可生產(chǎn)直徑為ф30~600mm和壁厚為3~60mm的管坯。
斜軋穿孔運動學(xué)的特征是:穿孔機(jī)軋輥向同一方向旋轉(zhuǎn),軋輥軸線相對于軋制軸線傾斜,圓管坯進(jìn)入軋輥后,被金屬與軋輥之間的摩擦力帶動,做反軋輥旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn),同時,由于軋輥軸線對管坯軸線(軋制軸線)有一個傾角(前進(jìn)角),管坯又沿軸向移動,所以稱螺旋運動。表示螺旋運動的基本參數(shù)有:切向運動速度、軸向運動速度和管坯每半轉(zhuǎn)的位移值(稱螺距)。軋輥軸線和軋制線相交點的速度存在著如下關(guān)系。
如交點上軋輥圓周速度為w,則按圖3-3,w可以分解為兩個分量:vB和uB,
切向旋轉(zhuǎn)速度vB為:
軸向前進(jìn)速度uB為:
式中
D-所討論截面軋輥的直徑,mm;
nB----軋輥轉(zhuǎn)速,r/min;
α----前進(jìn)角,(°)
在軋制過程中,管坯靠軋輥帶動而運動,理論上軋輥將把相應(yīng)的速度傳遞給金屬,使金屬產(chǎn)生與vg相等的切向速度v和與uB相等的軸向速度uM.但實際上兩者并不相等,因為金屬和軋輥之間存在滑動。用滑動系數(shù)來表示兩者相差的程度。
管坯(金屬)實際切向速度和軸向速度應(yīng)為:
式中
ηT,,η0分別為切向和軸向滑動系數(shù),一般兩者都小于1.在生產(chǎn)中,最有實際意義的是毛管離開軋輥時的軸向速度。
軸向出口速度越大,生產(chǎn)能力就越高。如果用nr、n.代表出口處滑動系數(shù),則按式3-3、式3-4求出的vw和uM分別為毛管離開軋機(jī)的切向速度和軸向速度。
生產(chǎn)實踐證明,凡是增加頂頭和導(dǎo)板軸向阻力的因素,都會使mo減少;凡是增大軋輥曳入摩擦力的因素都會使m.增加。
根據(jù)生產(chǎn)和實驗測定,二輥斜軋穿孔時,no(出口)一般為0.5~0.9.在軋輥出口處毛管的螺距t.可由式3-5求出:
式中 D0-管子直徑,mm;
α-前進(jìn)角,(°).
二輥斜軋穿孔時,管坯轉(zhuǎn)動的力平衡條件用式3-6表示(頂頭摩擦阻力矩的影響很小,忽略不計):2(-M+M"T-Mp-M1)=0 (3-6)
式中
MT’,MT”-分別為切向前滑區(qū)和后滑區(qū)的摩擦力矩;
Mp-軋輥正壓力產(chǎn)生的阻力矩;
ML來自導(dǎo)板的摩擦力矩。
由式3-6可以看出,只有切向后滑區(qū)中的摩擦力矩為帶動管坯旋轉(zhuǎn)力矩,而其他力矩都是阻止管坯旋轉(zhuǎn)的力矩。因此,在切向上存在較大的后滑區(qū)是實現(xiàn)管坯轉(zhuǎn)動的必要條件。圖3-4所示為管坯旋轉(zhuǎn)時的受力分析。
二輥斜軋穿孔變形區(qū)中的軸向作用力如圖3-5所示。
作用在管坯軸向上力的平衡條件可表示為:2(P22-P1x)+2T-Q+2(PL-T14)=0(3-7)
式中
P2x,P1x一軋輥進(jìn)出口錐上正壓力的軸向分量;
PLx,TLx作用在導(dǎo)板上的正壓力和摩擦力的軸向分量;
Tx-軋輥上摩擦力;
Q--頂頭軸向阻力。
管坯軸向運動是T,作用的結(jié)果,因為P1和P2值很小。其他作用力都是阻止金屬軸向移動的力。T,的方向必須和金屬運動方向相一致,這就要求軋輥軸向速度大于金屬軸向移動速度,即整個變形區(qū)或變形區(qū)中絕大部分需為后滑區(qū),這樣金屬的軸向移動條件才能建立。
當(dāng)軸向阻力增加時,如果穿孔過程還能建立,要達(dá)到新的力平衡條件,坯料的軸向移動速度必須降低。其結(jié)果是,一方面金屬和軋輥之間的滑動增加,m.減少,導(dǎo)致T,增大;另一方面由于金屬軸向移動速度減小,導(dǎo)致每半轉(zhuǎn)變形量減小,最終導(dǎo)致軸向力減少,因而穿孔過程還能繼續(xù)進(jìn)行。但當(dāng)T,靠速度調(diào)節(jié)不能大于軸向阻力時,或切向摩擦力矩小于轉(zhuǎn)動阻力矩時,穿孔過程就不能進(jìn)行,即生產(chǎn)中常出現(xiàn)的軋卡現(xiàn)象。
斜軋穿孔過程中產(chǎn)生全部后滑的實質(zhì),主要是頂頭阻力的影響。要使穿孔過程順利進(jìn)行并減小金屬和工具的滑動,提高穿孔速度,重要的是減小軸向阻力和切向阻力矩,或者增加軸向曳入摩擦力和帶動坯料旋轉(zhuǎn)的摩擦力矩。據(jù)此,如果穿孔過程中加一個后推力或前拉力,如采用主動驅(qū)動頂頭,取消導(dǎo)板(如帶導(dǎo)盤二輥斜軋穿孔、三輥斜軋穿孔),在軋輥入口錐表面上刻痕以及對頂頭進(jìn)行潤滑等,都可改變力的平衡條件,有利于建立管坯旋轉(zhuǎn)和軸向移動條件,減少滑動,強(qiáng)化穿孔過程并減少軋卡現(xiàn)象。
斜軋穿孔過程中存在著兩次咬入。軋件和軋輥剛接觸的瞬間由軋輥帶動軋件運動而把軋件曳入變形區(qū)中,稱為第一次咬入。
當(dāng)金屬進(jìn)入變形區(qū)和頂頭相遇時,克服頂頭的軸向阻力而繼續(xù)前進(jìn),稱為第二次咬入。滿足一次咬入的條件并不一定就能實現(xiàn)二次咬入。在生產(chǎn)實踐中,常有二次不能咬入的情況發(fā)生,如因軸向阻力太大,管料前進(jìn)運動就會停止。
一次咬入條件:如果能保證管坯旋轉(zhuǎn)和隨后的軸向曳入條件,第一次咬入就能實現(xiàn)。二次咬入條件:二次咬入的作用力如圖3-6所示。
當(dāng)沒有后推力時: 2(T2-P2)-Q'=0(3-8)
當(dāng)有后推力時: 2(T,-P2)-Q'+P'=0(3-9)
式中
Q'-頂頭的軸向阻力;
P'-后推力。
由式3-8和式3-9可以看出,同一次咬入相比,二次咬入時增加了一項頂頭阻力Q',因此要實現(xiàn)二次咬入,就必須使(忽略后推力)2T,>2P,+Q'.不難看出,T,的大小主要同頂頭前壓縮率有關(guān)。頂頭前壓縮率愈大,則一次咬入到二次咬入間金屬和軋輥的接觸面積也愈大,T.增大。
為了保證二次咬入的實現(xiàn),就要有一定的頂頭前壓縮率,因此頂頭前壓縮率是一個重要的變形參數(shù)。在生產(chǎn)中,為實現(xiàn)二輥穿孔機(jī)上的二次咬入,頂頭前壓縮率一般不應(yīng)小于4%.
增大T,的措施,一是減少軋輥入口錐角(同時可減少P,);二是加大頂頭前壓縮率;三是增大金屬和軋輥間的摩擦系數(shù)。減少頂頭阻力的辦法是減少頂頭鼻部的半徑,以及造成有利于減少Q(mào)'的頂頭前管坯中心的應(yīng)力狀態(tài)。
正確調(diào)整頂頭位置是很重要的,因為當(dāng)壓縮帶的壓縮率一定時,改變頂頭位置,頂頭前壓縮率即發(fā)生變化。生產(chǎn)中,當(dāng)二次咬入不好時,常把頂頭向后移,以適當(dāng)加大頂頭前壓縮率或采用定心管坯等。二次咬入時,不希望軋件和導(dǎo)板相接觸,避免增加軸向阻力。
在生產(chǎn)中還有其他影響二次咬入的因素,應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行分析。從理論上講,凡是有利于增大T的因素都有利于二次咬入,凡是有利于增大P2和Q'的因素都不利于二次咬入。
金屬在斜軋穿孔過程中存在著兩種變形,即基本變形(宏觀變形--外觀形狀的變化)和附加變形(不均勻變形--材料內(nèi)部的變形,由金屬的內(nèi)應(yīng)力引起的)。
由一個實心圓坯料穿成一個空心坯的過程中,宏觀變形包括延伸變形(伸長)、周向變形(直徑變化)和徑向變形(壁厚壓縮)。沿變形區(qū)長度上各斷面3個方向的變形分布如圖3-7所示。
按體積不變的條件,基本變形的尺寸關(guān)系可用式3-10表示:
式中
Lo,Lz-分別為毛管和管坯的長度;
Do,S0-分別為毛管的外徑和壁厚;
dz-管坯直徑。
附加變形包括縱向剪切變形、切向(圓周方向)剪切變形和扭轉(zhuǎn)變形。
附加變形一般難以從管坯外觀上直接觀察到,因此要采用實驗料進(jìn)行研究。
穿孔毛管縱剖面的實際變形情況如圖3-8所示。
由圖3-8可以看出,內(nèi)層金屬的軸向流動較外層慢,變形時內(nèi)層金屬阻止外層金屬做軸向流動,在各層金屬之間產(chǎn)生縱向剪切變形。縱向剪切變形是頂頭的軸向阻力造成的。因穿孔時軋輥帶動管材做軸向流動,而頂頭則阻止金屬軸向流動,最終導(dǎo)致各層金屬軸向流動上的差異。但是各層金屬又是互相聯(lián)系的一個整體,不能分離。因此在各層金屬間必然產(chǎn)生附加變形和附加應(yīng)力,常使同軋輥和頂頭直接接觸的表層出現(xiàn)缺陷,或者使管坯表面原有的缺陷發(fā)展或擴(kuò)大。
在頂頭上的穿孔開始階段,由于頂頭表面的圓周速度大于金屬切向流動速度,頂頭如同軋輥一樣也帶動金屬向切向流動,這樣與頂頭直接接觸的內(nèi)表面金屬的切向流動速度大于管壁的中間層,原來為直線形的條痕后呈C形曲線分布,而且隨著管壁變形程度的加大,曲線彎曲程度也加大。這樣,在各層金屬之間將產(chǎn)生較大的切向剪切變形。
斜軋穿孔過程還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)附加變形(見圖3-9).如當(dāng)管坯上沿長度方向有一直線折疊時,穿孔后直線折疊變成大螺旋折疊。又如加熱管坯產(chǎn)生陰陽面時,穿孔過程中管
坯上的陰陽面在毛管上呈大螺旋形分布,這種現(xiàn)象都是由扭轉(zhuǎn)變形造成的。扭轉(zhuǎn)變形是由管坯和軋輥之間運動、變形的相互矛盾引起的。在軋制實心坯階段扭轉(zhuǎn)變形很小,到在頂頭上軋制階段扭轉(zhuǎn)變形急劇增加。
由于坯料在變形區(qū)內(nèi)做螺旋運動,所以變形是逐漸實現(xiàn)的。軋輥每轉(zhuǎn)半周,坯料在徑向上被壓縮一次。每次壓縮值稱為單位壓下量。如圖3-10所示,按變形區(qū)幾何特點,斜軋穿孔時的變形區(qū)主要分為3個區(qū)段:
第I段(表層變形、坯料直徑壓縮段)。
這段上主要產(chǎn)生徑向壓縮變形,使直徑變小。由于單位壓下量與坯料直徑相比是很小的,所以變形主要集中在實心坯的表層,因而橫斷面上的變形嚴(yán)重不均勻。在該段上,毛坯中心將出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài),為中心空腔的形成準(zhǔn)備力學(xué)條件。
第II段(穿孔段)。
穿孔時管坯中心部位在接觸頂頭前,由于
拉應(yīng)力的作用,金屬整體性破壞,因而形成放射狀裂紋,這種現(xiàn)象稱為中裂或形成空腔。如上述情況,在I段的末端將出現(xiàn)三向拉應(yīng)力狀態(tài),將該應(yīng)力增加到某一臨界值時,坯料的心部出現(xiàn)微小裂紋,穿孔時在頂頭的壓力下,隨坯料的旋轉(zhuǎn),裂紋逐漸增大,形成疏松區(qū)域,最后擴(kuò)大成空腔。此時,凡增大管坯中心的拉應(yīng)力或降低管坯塑性的因素,都有利于空腔的形成。
第III和第IV段(整形段)。
該階段將管坯外徑稍大、壁厚較厚的管坯,通過整形使管坯的外徑與壁厚尺寸均達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。
保證斜軋穿孔時穿孔質(zhì)量的因素有:
(1)選用合格的優(yōu)質(zhì)坯料,這是基本的先決條件;
(2)必須對所有管坯進(jìn)行準(zhǔn)確定心;
(3)制定好熱加工工藝及加熱制度,并嚴(yán)格執(zhí)行,保證管坯整體的溫度均勻;
(4)調(diào)整好軋輥的各種工藝參數(shù),如頂頭的壓縮率、軋件的橢圓度、合適的軋輥傾角和壓縮次數(shù)等。
穿孔時的作用力有作用在軋輥上的力、作用在導(dǎo)板上的力和作用在頂頭上的力(見圖3-11).
對于穿孔作用力的研究還很不充分。已有的理論計算公式多用格萊依(A.Geleji)和采里科夫(A.И.Целиков)公式,但這些公式都是把復(fù)雜的斜軋變形做了過多的簡化和假定而導(dǎo)出的,和實際資料相比,數(shù)據(jù)相差有時達(dá)到1倍以上。為了實現(xiàn)應(yīng)用,多采用實際資料或在實際資料基礎(chǔ)上總結(jié)出的半經(jīng)驗公式。
軋制力。軋輥對金屬的軋制力P(N)由式3-11確定:P=p.F (3-11)
式中
Pc-平均軋制單位壓力,MPa;
F-軋輥同軋件的接觸面積,m㎡.
為了確定斜軋穿孔的軋制力,首先應(yīng)求出接觸面積。用經(jīng)驗公式3-12可以確定中小軋機(jī)的接觸面積:F=54dz (3-12)
式中
dz--坯料直徑,mm.
表3-1為小型機(jī)組對鋼的綜合測壓數(shù)據(jù),可供鈦合金斜軋穿孔時參考。
| 表3-1小型機(jī)組對鋼的綜合測壓數(shù)據(jù) | |||
| 鋼種 | 毛管尺寸/mm×mm | 平均軋制壓力/MPa | 軋輥直徑/mm |
| 鉻錳硅合金鋼 | φ97×6.5 | 105 | 550 |
| 碳鋼 | φ75×8.0 | 105 | 350 |
| 18-8不銹鋼 | φ88×6.5 | 177 | 500 |
| 鉻錳鋼 | φ80×6.5 | 145 | 500 |
平均單位軋制壓力可根據(jù)實測資料選取(見表3-1).根據(jù)實測數(shù)據(jù)回歸的軋制力P(kN)(碳鋼)為: P=4.9d2-(78.4~98.0)(3-13)
(2)軸向力。
用經(jīng)驗公式確定:Q=bP(3-14)
式中 b-系數(shù),一般取0.3~0.4,溫度低、厚壁管和前進(jìn)角大時取大值。
(3)導(dǎo)板力。
據(jù)實測數(shù)據(jù)得出導(dǎo)板力PL為:
PL=(0.15~0.27)P(3-15)
軋件橢圓度小時取大值。
(4)軋制力矩M(kN·m)用式3-16表示:
式中：
D.-壓縮帶處軋輥直徑,mm;
α-一前進(jìn)角,(°);
Q--軸向力,kN;
b-力臂,取決于接觸面積的平均寬度,mm,b=F/L,L為變形區(qū)長度,F為接觸面積;
P,-軋制力,kN;
Pz-切向摩擦力,kN:P2=Ptanφ
4-夾角,(°),
由幾何關(guān)系得出:tan /2=b/d' d'-壓縮帶處坯料直徑,mm.
(5)電機(jī)功率N(kW)表示為:
式中：
nB-軋輥轉(zhuǎn)速,r/min;
η-機(jī)械效率;傳動兩個軋輥所需的力矩;
MT-總(兩個軋輥)摩擦力矩;
ω-軋輥角速度,ω=ngπ/30.
