Assel 轧管机名义辊径的确定

于路强

(中冶京诚工程技术有限公司 北京100176)

Assel 轧管机是一种斜轧变形设备，其结构特征是互成120 度的三个轧辊和一根芯棒组成相对封闭的环状孔型;轧辊轴线相对于轧制中心线在垂直方向和水平方向均倾斜一定角度，分别称作送进角和辗轧角;轧辊形状呈锥形，中间有一个凸起的圆滑过渡段称作台肩，轧制时三个轧辊与长芯棒共同完成集中变形，变形示意见图1。Assel机组主要用来生产管壁较厚、规格繁多、尺寸精度要求高的轴承钢管和各种机械用管［1］。

图1 Assel 轧管机变形示意图

Assel 轧管机轧辊辊型见图2，分为入口锥、台肩、辗轧段和出口锥。通常将台肩外缘直径称为名义辊径。名义辊径的确定是轧辊设计的基础，也是轧机设计的重要参数。现有文献中Assel 轧管机名义辊径通常按可轧制最小管径的经验倍数来确定［1，2］，实际上影响名义辊径的因素有很多。本文主要从轧辊设计的角度，讨论名义辊径的主要影响因素。

图2 Assel 轧管机辊型图

1 工艺设计对名义辊径的要求

Assel 轧管机在开始轧制时，毛管被三个同向旋转的轧辊咬入并反向旋转，然后螺旋向出口方向前进，当毛管到达台肩时开始集中减壁延伸，变形剧烈，然后进入辗轧段进行均壁轧制。辗轧段的长度一般等于或大于管子回转一周的前进量的三分之一。最后到出口区。

辗轧段的主要作用是均壁精轧，虽然此区域的变形量很小，但对钢管壁厚均匀性非常重要。由于送进角的存在，辗轧段的轧辊母线不可能完全平行于轧制线，因此会产生螺旋性的壁厚不均。斜轧过程中，沿轧制线方向任意截面处的孔型开度值定义为该截面轧件与轧辊分离点至轧制线的距离，由此可得单位螺距范围内孔型开度值的最大差值即壁厚的最大差值。由孔型开度值的计算方法可得［3］，在送进角和辗轧角及其他条件不变的情况下，名义辊径越大，一定长度范围内孔型开度值的最大差值越小。从减小壁厚不均的角度考虑，名义辊径应该尽量大。但名义辊径的增大会使接触面积及横向变形增大，三角形压扁的角部更尖锐，引发产品裂纹［1］。综合考虑，在满足壁厚不均要求的前提下，名义辊径应尽量选择小值。

2 机械性能对名义辊径的要求

轧辊在轧制过程中受到各种应力的综合作用，要求轧辊必须有足够的强度和刚度［4］。

2.1 强度要求

轧辊在轧制过程中受到弯曲应力、扭转应力、接触应力等综合影响，为满足强度要求轧辊轴必须足够粗，并且辊身具有足够的“肉厚”。在材质一定的情况下，名义辊径越大，轧辊的强度越高。

2.2 刚度要求

轧辊在轧制力和轧制力矩的作用下，将发生弯曲、扭转、剪切、辊间弹性压扁等变形，这些变形均不得超过允许值，因此需要轧辊具有足够的刚度。在材质一定的情况下，名义辊径越大，轧辊的刚度越高。

综上所述，应根据理论计算的轧制力和轧制力矩校核轧辊的强度和刚度，确定满足机械性能要求所需的最小名义辊径。

3 轧辊重车对名义辊径的要求

在轧制过程中，轧辊表面因工作磨损，需不止一次的重车或重磨。轧辊工作表面的每次重车量为0.5 ～5mm，重磨量为0.01 ～0.5mm。轧辊直径减小到一定程度后，即不能再使用。因此在确定名义辊径时应考虑一定的重车量，提高轧辊的利用率［4］。

4 生产经济性对名义辊径的要求

名义辊径大具有强度高、刚性好的优点，但由此会带来接触面积的增大、轧制力和轧制力矩增大，同时需要更大的轧机牌坊。从经济性角度考虑，在满足强度、刚度及重车量的要求下，名义辊径应尽量小。

4.1 接触面积的计算

Assel 轧管机轧件与轧辊接触面积如图3 所示，整个接触区可近似看做三角形与梯形的组合［5］。各段接触长度计算如下。

式中 D0—毛管直径;

S0—毛管壁厚;

D—荒管直径;

S—荒管壁厚;

d—芯棒直径;

α1—入口辊面锥角;

α3—出口辊面锥角。

L2和L3的长度由轧辊尺寸确定。

图3 Assel 轧管机轧件与轧辊接触面积示意图

各段接触宽度计算如下:

式中 Ri—计算处轧辊半径;

ri—计算处钢管半径;

Δri—计算处单位螺距内的压下量;

εi—计算处椭圆度;

Δε—辗轧段椭圆度减小量。

总接触面积

4.2 轧制力的计算

金属对轧辊的轧制力可由下式确定:

式中 pc—平均单位压力;

F—接触面积。

Assel 轧管机轧制接触区分为减径区和减壁区，应分别计算各区单位压力。单位压力由金属变形抗力结合各项影响系数确定。金属变形抗力由材质、变形量、变形速度和变形温度决定，可通过试验数据回归公式或查表获得。

4.3 轧制力矩的计算

轧制力矩可由下式确定:

式中 R—轧辊半径;

b—平均接触宽度;

α—送进角;

β—辗轧角;

r—钢管直径。由以上的计算可得，名义辊径的增大会使接触面积增大，同时轧制力和轧制压力也相应增加［6］。文献［5］中提到，其他条件不变的情况下，分别用名义辊径480mm 和380mm 的两种轧辊生产，大辊径比小辊径的轧制力和轧制力矩分别提高21%和20 ～42%。

5 结论

Assel 轧管机名义辊径的确定需综合考虑各方面的影响。工艺设计和设备机械性能的角度需要足够大的名义辊径保证壁厚的均匀性和轧辊的强度、刚度，满足以上要求并考虑一定重车量的情况下，名义辊径应尽量小，以降低能耗并保证轧制过程稳定。

［1］杨志强.三辊轧管辊型设计探讨［J］. 钢管，1995，Vol.24 (4):30－33.

［2］王海文，李绍山. 三辊轧管机的发展及轧辊辊型设计［J］.钢管，1992，Vol.21(2):13－16.

［3］李胜祗，孙中建. 斜轧穿孔机孔型优化系统的研制［J］.钢铁研究学报，1998，Vol.10(5):15－18.

［4］邹家祥.轧钢机械［M］.北京:冶金工业出版社，1995:84－100.

［5］李连诗.钢管塑性变形原理［M］.北京:冶金工业出版社，1985:205－206.

［6］双远华，李国桢. 钢管斜轧理论及生产过程的数值模拟［M］.北京:冶金工业出版社，2001:93－104.