轧环机工作参数理论设计

轧环机工作参数理论设计轧环机工作参数理论设计 摘要 分析了环件 轧制的力学规律和运动学性质研究和建立了环件轧制的咬入条件、锻透条件、轧制力与力 矩关系、直线运动与旋转运动关系在此基础上，确定了轧环机主要工作参数的理论设计方 法和计算公式，为轧环机设计制造提供了依据关键词关键词 轧环 件 工作参数 设计 计算 Theoretical Design of Working Parameters of Ring Rolling MillHua LinAbstract：：A basis has been provided for the ring rolling mill design and manufacture by de termination of theoretical design method and calculation formula for working par ameters of such depending upon research and establishment of condition of biting -into groove, of plastic penetration and relation between roll force and torque, between rectilinear feeding and rotational rolling motion via analysis of mecha nical and kinematical laws for ring rolling.Keywords：：Ring rolling mill, Working parameters, Design, Calculation1 1 前言前言轧环机又称扩孔机，其工作参数对环件轧制过程有着重要影响，所以，合理设计轧环机的工 作参数是轧环机设计中的核心问题。

虽然轧环机的结构形式有立式和卧式两类［1～3 ］，但它们的主要工作参数都是轧制力、轧制力矩、电机功率、直线进给速度、旋转轧制 速度目前，轧环机工作参数的设计主要依赖于类比和经验，缺乏理论依据，且轧制力能关 系和运动关系不匹配，不能满足环件轧制技术的应用发展需要本文通过环件轧制力学和运 动学分析，建立轧环机工作参数的理论设计方法，为新型轧环机设计制造提供依据2 2 环件轧制条件环件轧制条件2.12.1 咬入条件咬入条件环件轧制咬入状态如图 1 所示，驱动辊 O1作主动轧制运动，芯辊 O2作从动轧制运动 P1和 F1分别为驱动辊对环件的正压力和摩擦力，P2为芯辊对环 件的正压力，α1、α2分别为环件与驱动辊和芯辊的接触角设 P1 和 F1合力作用点位于驱动辊与环件接触弧上 ξ1α1点，P2 力作用点位于芯辊与环件接触弧上 ξ2α2点这里 ξ1和 ξ2 为力作用点系数，且 ξ1∈（0，1），ξ2∈（0，1）环件在图 1 所示的轧制力作用下产生轧制变形的必要条 件是环件连续咬入孔型（驱动辊与芯辊之间的缝隙），即拽入力必须大于或等于推出力，而 进给方向受力是平衡的所以，环件轧制变形的必要条件也是咬入条件。

据此，由图 1 几何 关系得：ΣFx=F1x＋P1x＋P2 x =F1cosξ1α1－P1sinξ1α1－ P2sinξ2α2≥0 （1）ΣFy=F1y＋P1y＋P2y =F1sinξ1α1－P1cosξ1α1＋P2cosξ2 α2=0 （2）图图 1 1 环件轧制咬入状态环件轧制咬入状态设环件与孔型接触摩擦符合库仑定律并设摩擦系数为 μ，则：F1＝μP1 （3）联立式（1）～（3），求解得：（4）式中：β--环件与轧辊之间的摩擦角，且 μ=tgβ一般情况下，可近似认为轧制力作用点位于接触弧中点，即 ξ1＝ξ2＝ 1／2将其代入式（4）得环件轧制咬入条件为：（5）参见图 1，设 L 为接触弧长在进给方向的投影长度；R1、R2分别为驱 动辊和芯辊工作半径；R、r 分别为环件外圆和内圆半径；h0、h 分别 为环件轧制变形区入口和出口处高度；Δh 为每转轧制环件壁厚减小量亦即每转进给量 则由图 1 几何关系可得［4］：（6）将上式代入式（4）的第一式，整理得环件轧制咬入的摩擦条件为：（7） 式中：Δhmax--环件轧制最大每转壁厚减小量或最大每转进给量。

2.22.2 锻透条件锻透条件环件轧制相当于有限高度块料拔长［5］，其塑性状态如图 2 所示环件产生轧制塑性变形的充分条件是锻透，即塑性区穿透整个环件的壁厚根据塑性滑移线理论，对图 2所示塑性区进行分析 ［6］，得环件轧制锻透条件为：（8）式中：ha--环件轧制变形区平均壁厚图图 2 2 环件轧制塑性区状态环件轧制塑性区状态由图 1 几何关系得：将上式和式（6）的第三式代入式（8），得环件轧制锻透条件为：(9)式中：Δhmin--环件轧制最小每转进给量或最小每转壁厚减小量 该式表明，要使环件轧制锻透，则每转进给量必须大于最小每转进给量 3 3 力与力矩关系力与力矩关系环件稳定轧制过程中，在驱动辊和芯辊轧制力作用下环件处于静力平衡状态，即驱动辊和芯 辊对环件的作用力大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上芯辊为空转被 动辊，若忽略其支承轴承的摩擦力矩，则芯辊不能承受力矩作用，它对环件作用力的合力作用线应通过芯辊轴心根据 静力平衡条件，驱动辊对环件作用力与芯辊对环件的作用力保持平衡环件轧制中的受力状 态如图 3 所示根据力矩定义和图 3 几何关系可得：M=Pl=P(R1+R2+R-r)sin(ξ2α2) (10) 式中：P--环件轧制力；l--力臂；M-- 力矩。

图图 3 3 环件轧制中受力状态环件轧制中受力状态近似取芯辊对环件作用力位于接触弧中点，则，并考虑代入上式得：(11)4 4 直线运动与旋转运动关系直线运动与旋转运动关系立式轧环机中，驱动辊同时作直线进给运动与旋转轧制运动卧式轧环机中，驱动辊作旋转 轧制运动，芯辊作直线进给运动这两类轧环机的直线运动与旋转运动都要满足一定关系 设 υ 为环件轧制直线进给运动速度，Δt 为环件每转轧制时间，则由速度定义得： v＝Δh/Δt （12）若不计轧制中环件与驱动辊接触面之间的滑动，则环件轧制一转时间中驱动辊工作面所转动 的距离等于该转轧制中环件外圆周长即：2πR=2πnR1ΔtΔt=R/(nR1) （13）式中：n--驱动辊转速将式（13）代入式（12）得环件轧制中直线进给运动速度与旋转轧制运动转速关系为： v＝ΔhnR1/R (14)5 5 轧环机工作参数设计轧环机工作参数设计合理的轧环机工作参数，既要满足环件轧制条件，又要符合力与力矩关系、直线运动与旋转 运动关系5.15.1 公称轧制力公称轧制力设 Pmax为环件所需最大轧制力，λp为轧制力安全系数，则轧环机公 称轧制力 Pe为：Pe=λpPmax （15）根据文献［7］，最大轧制力为：(16)式中：K--环件材料在轧制温度下的剪切强度；b--环件 的最大宽度；H0--环件的最大径向壁厚；Lmax- -环件的最大轧制弧长在进给方向投影长度；m-- 轧制摩擦因子。

5.25.2 旋转轧制运动转速旋转轧制运动转速设 vl为驱动辊的轧制线速度，则旋转轧制运动转速 nr为：（17）式中驱动辊轧制线速度 υl可在 1～3m/s 范围内选取［8］5.35.3 公称轧制力矩公称轧制力矩将公称轧制力 Pe和式（6）的第三式代入式（11）得公称轧制力矩 Me为：（18）将环件轧制咬入条件式（7）和锻透条件式（9）分别代入上式得公称轧制力矩范围为：(19)5.45.4 电机功率电机功率设 λe为电机许用过载系数，η 为轧环机效率，则根据功率定义得所需电机功率 Ne为：（20）将式（19）代入上式得电机功率范围为：（21）5.55.5 电机转速电机转速设 i 为电机至驱动辊传动比，则由式（17）的驱动辊转速得电机转速 ne为：(22)5.65.6 直线进给运动速度直线进给运动速度将旋转运动转速和轧制条件式（7）、（9）代入直线运动与旋转运动关系式（14）,得 直线进给运动速度 ve范围为：（23） 6 6 结论结论建立了环件轧制咬入条件式（7）和锻透条件式（9）建立了环件轧制力与力矩关系式（ 11）和直线运动与旋转运动关系式（14）确定了轧环机轧制力、力矩、电机功率和转 速、直线进给速度和旋转轧制转速等主要工作参数的理论计算公式。

在轧制力和旋转轧制转 速确定的条件下，轧环机的力矩、直线进给速度和电机功率可以在一定范围内选择确定。