二辊式轧管机是一种周期式轧机,其工作原理如图3-14所示。主传动齿轮通过曲柄和连杆机构的机构带动工作机架做往复运动,轧机机架上装有一对轧辊,轧辊通过固定在机座上的齿条、主动齿轮和被动齿轮,将机架的往复运动同时转变为轧辊的周期性转动。
冷轧管机主要由一个带有一定锥度的芯头和一对带有逐渐变化孔槽的孔型构成。工作机架往复运动的同时,轧辊同时转动。轧制管坯在芯头和孔型的间隙内反复轧制,实现了管坯外径的减小和壁厚的减薄,工作机架在前极限位置时,管坯和芯头要翻转60°~120°,以便在反行程时管坯继续轧制,如图3-15所示。
管材轧制可分为4个过程:
(1)送料过程。当工作机架在后极限位置时(见图3-16)(a)),两个轧辊处在进料段,孔型与管坯没有接触。通过送料机构将管坯向前送入一定的长度m(称为送料量),即管坯I-I截面移动到I1-I1截面位置,截面II-II也同时移动到II1-II1位置,管坯的所有断面都向前移动m.此时,管坯锥体与芯头间产生一定的间隙Δt.
(2)前轧过程。当工作机架向前移动时,轧辊和孔型同时旋转,孔型滚动压缩管坯,使管坯在由孔型和芯头组成的断面逐渐减小的环行间隙内进行减径和减壁。管材轧制时,管坯首先与芯头表面接触,而后进行轧制。未被轧制的管坯与芯头表面的间隙Δ8则要增大,如图3-16(b)所示。轧制过程的变形区(又称瞬时变形区)由三部分组成,如图3-17所示。图3-17中,0为咬入角区,01为减径角区,02为压下角区。在减径角区,管坯直径减小至内表面与芯头接触;在压下角区,管坯的直径和壁厚同时被压缩,实现管坯直径的减小和壁厚的减薄。在轧制过程中,咬入角0、减径角01和压下角02是变化的。咬入角0=01+02.压下角对应的水平投影ABCD可近似看做梯形,减径角对应的水平投影为CDGFE.
在整个前轧过程中,管坯的变形过程可分为四段,即减径段、压缩段、精整段和定径段,如图3-18所示。
减径段:管坯在减径段只有减径变形,由于管坯和芯头表面没有接触,壁厚将略有增加。管坯壁厚增加的规律与拉伸减径变形时壁厚增加的规律相同,它与合金和尺寸规格等因素有关。
2)压缩段:管坯的变形主要集中在这一阶段。由于孔型在这一阶段的平均锥度较大,因此管坯在此阶段发生很大的外径减小和壁厚减薄,轧制管材的壁厚已接近成品管材壁厚。
3)精整段:在精整段,管坯的变形量很小,主要目的是消除轧制管材的壁厚不均。此段孔型的锥度与芯头的锥度相等,管坯的壁厚达到成品管材的壁厚和要求的偏差范围。
4)定径段:管坯在这一段的主要变形是外径变化,壁厚没有减薄。目的是使管材外径一致,消除竹节状缺陷。此段孔型的锥度为零。管坯与芯头已不再接触。
因此,冷轧管材金属的变形主要在前轧过程实现,而在前轧过程,变形又主要集中在减径段和压缩段。其变形特点是由减径、压扁逐渐转到壁厚被压缩,并且孔型和芯头间发生强制宽展。
(3)回转过程。当轧辊处在轧制行程前极限位置时,如图3-16(c)所示轧辊孔槽处在回转段,孔型与管坯锥体不接触,管坯由回转机构通过芯杆、芯头和卡盘带动翻转60°~120°.
(4)回轧过程。管坯回转后,随着工作机架的返回运动对管坯进行回轧,消除前轧时造成的椭圆度、壁厚不均度和管材表面棱子等,以利于下一个周期的轧制。完成一个周期的轧制过程后,一个送料量的管坯被轧制,所得到的一段管材就是轧制成品管材。
管坯在轧制过程,受芯头和孔型的共同压力,在这个压力的作用下,管坯发生塑性变形。管坯的受力状态如图3-19所示。在
变形区内,P.为管坯压下角区的压力,P,为减径角区的压力。P.和P,都是垂直于管坯轧制锥体的接触表面,并可分解为Po'、P.”和P'P”。其中,Po'和P'为垂直于轧制中心线的径向分量;P.”和P”为平行于轧制中心线的轴向分量。
芯头在压下角区对管坯的作用力P.同样可分解为P,'和P,”。由于P,是P.的反作用力,所以P,”与Pp”大小相等,方向相反。同时,减径区的轴向分力P”又通过管坯与芯头间的摩擦作用到芯头上。因此,无论在前轧,还是在回轧过程,芯头都将受到轴向力的作用。
轴向力的大小取决于管坯材质的变形抗力、轧制送料量和孔型尺寸等条件。材质的变形抗力越大,需要的轧制力也越大。送料量的大小和孔型尺寸的设计又直接决定了咬入角的大小。当芯头所受轴向力很大时,有可能造成连接芯头的芯杆弯曲和断裂。
管材轧制时,孔型在转动过程中,由于孔槽上各点的半径不同,轧制过程的线速度也不同,因此对于管坯的摩擦也不同。为了减少孔型对管坯的相对滑动,冷轧管机在设计时,主动齿轮的节圆直径要小于被动齿轮的节圆直径。
被动齿轮的节圆直径与轧辊直径相等。图3-20所示为冷轧管时孔槽对金属的相对速度分布。
由图3-20可见,孔槽上与主动齿轮直径相等的各点上相对速度为零;而直径大于主动齿轮节圆直径的各点的相对速度为负值;直径小于主动齿轮节圆直径的各点的相对速度为正值。
在管材轧制时,金属还存在向前流动的速度,因此,管坯锥体上各部位与孔型孔槽上各部位的相对速度实际上是两个速度的合速度。
如图3-21所示,v1为假设管坯静止,金属没有流动的相对速度,v2为金属向前流动的速度。v2在锥体上各点都是相等的,而且无论是前轧还是回轧,速度的方向都相同。v1和v2的合速度即为考虑金属流动的条件下的实际相对速度。合的方向不同,在轧制区分别形成了前滑区和后滑区。
由图3-21可知,前滑区和后滑区对管坯的摩擦力方向相反,两个摩擦力的合力作用于管坯上。由于管坯轧制锥体与芯头是紧抱在一起的,最终这个力将通过芯头作用到连接芯头的芯杆上。为了尽可能减少孔型摩擦的不均匀性,冷轧管机设计中,主动齿轮的节圆直径小于被动齿轮的节圆直径,一般情况下,主动齿轮的节圆直径比被动齿轮的节圆直径小5%左右。
最合理的主动齿轮节圆直径应等于孔型孔槽的平均直径。对于大规格的冷轧管机,由于轧机轧制规格范围大,设计中配备有两种规格节圆直径的主动齿轮。生产中应根据不同的孔型规格选择合理的主动齿轮。这样才能有效地减小孔型孔槽对管坯的滑动摩擦,减少孔槽的不均匀磨损,有利于提高轧制管材的表面质量和孔型的使用寿命。
但是,冷轧管机轧辊的更换十分困难,而且装配精度要求很高。在有色金属加工中,管材是多规格、多品种、小批量生产。企业根据主要的品种规格选定其中一种主动齿轮,便能基本适用生产要求。
表3-2 为常 见的二辊式冷轧管机的主要工艺性能。
| 表3-2 常见的二辊式冷轧管机的主要工艺性能 | |||||
| 名称 | LG30 | LG5 | LG80 | XIIT75 | XIITB2 |
| 管坯外径范围/mm | 22-46 | 38-67 | 57-102 | 57-102 | 22-46 |
| 管坯壁厚范围/mm | 1.35-6 | 1.75-12 | 2.5-20 | 2.5-20 | 1.35-6 |
| 成品管外径范围/mm | 16-32 | 25-55 | 40-80 | 40-80 | 16-32 |
| 成品管壁厚范围/mm | 0.4-5 | 0.75-10 | 0.75-18 | 0.75-18 | 0.4>5 |
| 断面最大减缩率/% | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 |
| 外径最大减小量/mm | 24 | 33 | 33 | 32 | 24 |
| 壁厚最大减缩率/% | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 管坯长度范围/mm | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 |
| 送料量范围/mm | 2-14 | 2-14 | 2-14 | 2-14 | 2-14 |
| 轧辊直径/mm | 300 | 364 | 434 | 434 | 300 |
| 轧辊主动齿轮节圆直径/mm | 280 | 336 | 406或378 | 406或378 | 280 |
| 轧辊被动齿轮节圆直径/mm | 300 | 364 | 434 | 434 | 300 |
| 工作机架行程长度/mm | 453 | 624 | 705 | 705 | 453 |
| 允许最大轧制力/MN | 6.5 | 11.0 | 17.0 | 17.0 | 6.5 |
| 轧辊回转角度/°C | 185°39'20'' | 212°59'20'' | 199°213'43'' | 199°213'43'' | 185°39'23'' |
冷轧管时应力状态主要是三向压缩应力状态。应变状态为两向压缩,一向拉伸状态,这种应变状态能够充分地发挥金属的塑性。因此,冷轧管机适用于塑性偏低的合金和壁厚较薄的管材生产。这些产品采用轧制方法生产,可以减少中间退火,提高一次加工率,缩短生产周期,从而提高生产效率和管材的表面质量。
(1)道次加工率大,最大加工率可达到80%以上,特别适用于钛合金和冷加工性能低的合金管材的加工;
(2)可以生产长度大的管材,最长可达30m;
(3)省略或减少部分合金的退火和中间退火,生产效率高,周期短;
(4)设备的自动化程度高,可减轻劳动强度;
(5)孔型更换简便,尺寸调整方便快捷;
(6)可以生产异形管材和变断面管材。
(1)冷轧管机结构复杂,设备精度要求高,投资和维修费用较大;
(2)工具设计、制造比较复杂;
(3)轧制的管材具有较大的椭圆度、波纹、棱子等,管材外径偏差不易控制,因此,经轧制后的管材必须经拉伸减径、整径后才能达到成品管材的要求。
