大型筒节轧制成形机理研究

赵强

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

1 咬入条件

（1）咬入力学模型和条件。为了使大型筒节能够连续稳定地轧制，大型筒节轧制成形必须满足一定的咬入条件，与单辊驱动不同，双辊驱动时芯辊与驱动辊对轧件的摩擦力均起到了驱动作用，本文对双辊驱动下的咬入条件进行了重新推导。如图所示为大型筒节轧制变形区模型，P2和P1分别为芯辊与驱动辊在变形区内对大型筒节的正压力，T2和T1分别为芯辊和驱动辊在变形区内对大型筒节的摩擦总力，2α和 1α分别为芯辊和驱动辊与大型筒节接触角。

大型筒节受力条件为式中，1ξ和2ξ为系数，简单起见，认为1ξ=2ξ=0.5。

根据经验假设大型筒节和轧辊之间的摩擦为库伦摩擦，驱动辊和芯辊与大型筒节的摩擦系数均为µ，则：T1=μP1、T2=μP2，代入上式，并整理可得：

考虑咬入角较小，并将摩擦系数用摩擦角来描述，µ= tanβ，上式可近似为

（2）咬入条件与进给量的关系。如图1所示，r和R为大型筒节内外半径，1hΔ 、2hΔ 分别为芯辊对大型筒节外表面的进给量，和驱动辊对大型筒节外表面的进给量。Δh=Δh1+Δh2，忽略进给中轧机和轧辊的弹性变形，以大型筒节中心为坐标原点，建立图中的xoy坐标系，则大型筒节与两辊接触区轮廓方程为：

图1 大型筒节轧制成形几何模型

当xL=− 时，AE与BE交于E点，CF与DF交于F点，此时有

得

考虑到：α1≈L/R1；α2≈L/R2，代入咬入条件得：

（3）单辊驱动与双辊驱动的咬入条件对比。由文献可知，单辊驱动时的咬入条件如式（7）和式（8）所示。

对比式（3）与式（7），双辊驱动时，满足咬入所需的摩擦角为单辊驱动时的一半，即由于双辊驱动时，芯辊与驱动辊对大型筒节均起到主动驱动，更容易咬入。同理，同样的摩擦条件下，双辊驱动时，能够实现更大压下量的咬入，如式（8）与式（10）。

2 锻透条件

锻透条件即塑性区穿透整个大型筒节壁厚，使整个塑性变形区均发生塑性变形，所以大型筒节锻透条件是大型筒节轧制变形的充分条件。即大型筒节轧制变形过程中，每圈压下量必须满足大型筒节的锻透条件。

根据滑移线理论，大型筒节的锻透条件为：

式中，ha为变形区平均厚度，mm；

所以大型筒节的锻透公式为：

上式表明，大型筒节尺寸和轧辊尺寸是锻透条件的重要影响因素，轧制过程中，轧辊半径R1、R2保持不变，但R-r值减小，因此，随着轧制的进行，minhΔ 数值逐渐减小，即相同的压下量，大型筒节变大更利于锻透条件。

大型筒节轧制过程中，轧制的每圈压下量需既满足大型筒节轧制的咬入条件，又满足大型筒节轧制的锻透条件，才能保证大型筒节轧制的稳定进行。

3 筒节扩径模型

（1）大型筒节轧制过程中的直径扩大规律。

根据体积不变条件，可得轧制加工中大型筒节外径：

式中，D为轧制某一时刻大型筒节的外径，mm；d为轧制某一时刻大型筒节的内径，mm；H为轧制某一时刻大型筒节的壁厚，mm；D0为大型筒节毛坯外径，mm；d0为大型筒节毛坯内径，mm；H0为大型筒节毛坯壁厚，mm。

上式也可用于大型筒节锻造毛坯的基本尺寸设计。

（2）驱动辊进给速度。

当单圈进给量Dh为常数时，驱动辊进给速度可由下式给出：

式中，hΔ为驱动辊单圈进给量，mm；D1为驱动辊直径，mm；n1为驱动辊转速，转/s。

式（13）给出了驱动辊在大型筒节出口厚度为H时的进给速度，与毛坯规格、驱动转速、驱动辊直径和单圈压下量有关。其中驱动辊转速由轧制速度V(单位：m/s)决定。

4 筒节轧制咬入条件验证

筒节轧制满足咬入条件是实现筒节稳定轧制的前提，如满足不了咬入条件，轧辊和筒节之间将出现打滑现象。在此，通过有限元仿真，针对不同压下量，对筒节轧制咬入条件进行验证，结果如图2所示。

图2 不同单圈压下量的塑性区分布

从提取的结果来看，在单圈压下量为30mm/20mm/10mm条件下，筒节都是正常地咬入，满足了咬入条件，能够保证筒节轧制正常的进行。

5 结语

本文重新推导了双辊驱动大型筒节轧制过程中的咬入条件、锻透状态、直径扩大等轧制变形规律和成形机理，与单辊驱动的成形规律做对比，并采用有限元软件建立了筒节轧制热力耦合模型，对研究的轧制变形规律和成形机理进行了验证。