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1、冷轧管变形原理deformation theory of cold rolling tube process关于冷轧管轧管过程、变形和应力状态、瞬时变形区、滑移和轴向力、轧制力等 的基本理论。二辊式冷轧管机的轧管过程 二辊式冷轧管机工作时，其工作机架借助于曲柄连 杆机构作往复移动。管子的轧制（图 1）是在一根拧在芯棒杆 7 上的固定不动的锥 形芯棒和两个轧槽块 5 之间进行的。在轧槽块的圆周开有半径由大到小变化的孔 型。孔型开始处的半径相当于管料 1 的半径，而其末端的半径等于轧成管 2 的半 径。图1 二辊式冷轧管机1-管料；2-轧成管；3-工作机架；4-曲柄连杆机构；5-轧槽块6-轧辊；7
2、-芯棒杆；8-芯棒杆卡盘；9-管料卡盘；10-中间卡盘；11-前卡盘在送进和回转时，孔型和管体是不接触的，为此，轧槽块 5上在孔型工作部分的 前面和后面，分别加工有一定长度的送进开口（半径比管料半径大）和回转开口 （半径比轧成管的半径大）。在轧制过程中，管料和芯棒被卡盘 8、9 夹住，因此， 无论在正行程轧制或返行程轧制时，管料都不能作轴向移动。工作机架由后极限位置移动到前极限位置为正行程；工作机架由前极限位置移动 到后极限位置为返行程。轧制过程中，当工作机架移到后极限位置时，把管料送进一小段，称送进量。工 作机架向前移动后，刚送进的管料以及原来处在工作机架两极限位置之间尚未加 工完毕的管体，
3、在由孔型和芯棒所构成的尺寸逐渐减小的环形间隙中进行减径和 管壁压下。当工作机架移动到前极限位置时，管料与芯棒一起回转60。90。工 作机架反向移动后，正行程中轧过的管体受孔型的继续轧制而获得均整并轧成一 部分管材。轧成部分的管材在下一次管料送进时离开轧机。图2 多辊式冷轧管机1-柱形芯棒；2-轧辊；3-轧辊架；4-支承板；5-厚壁套筒；6-大连杆；7-摇杆； 8-管子多辊式冷轧管机的轧管过程 多辊式冷轧管机轧制管材时见（图 2），管子在圆柱 形芯棒1和刻有等半径轧槽的34个轧辊2之间进行变形。轧辊装在轧辊架3 中，其辊颈压靠在具有一定形状的支承板（滑道）4上，支承板装在厚壁套筒5中， 而厚壁套
4、筒本身就是轧机的机架，它安装在小车上。工作时，曲柄连杆和摇杆系 统分别带动小车和装在工作机架内的轧辊架作往复移动。由于小车和轧辊架是通 过大连杆 6 和小连杆分别与摇杆 7 相联结的，所以当摇杆摆动时，轧辊与支承板 便产生相对运动。当辊径在具有一定形状的支承板表面上作往复滚动时，轧辊和 圆柱形芯棒组成的环形孔型就由大变小，再由小变大地作周期性改变。当小车走 到后板极限位置时，送进一定长度的管料并将管体回转一个角度。为了降低返行 程轧制时的轴向力以防止两根相邻管料在端部相互切入，一般管料的送进和管体 的回转，是当小车在后极限位置时同时进行的。当小车离开后极限位置向前移动 时，孔型逐渐变小，进行轧
5、制，在返行程轧制时获得均整。冷轧管时金属的变形和应力状态 以二辊式冷轧管机轧管为例，在轧管过程中金 属的变形过程如图3所示。送料时工作锥向轧制方向移动一段距离m（送进量）, 相当于管料的I-I截面移动相同的距离到了 I - I,位置，11一II的截面移动 同一个距离m到了 II 一II位置（图3a）。由于在管料送进的时候，工作锥的内表 面脱离了芯棒的表面；两者之间形成了一个间隙c所以，当工作机架前移，工 作锥变形时，在变形区中先是减径，然后是压下管壁（图3b），而且在变形和延 伸的过程中，工作锥内表面与位于轧槽块前的芯棒之间的间隙不断增大。同时， 工作锥的末端截面移动到II 一II位置。xx图
6、 3 冷轧管时金属变形在返行程轧制时，由于轧制前管体回转了一个角度，原来处在孔型侧壁的金属转 到了孔型顶部，因而工作锥受到了均整，使任何一个横截面形状更圆，壁厚更均 匀。另外，由于变形时其中一部分金属向周向流动的结果，在孔型侧壁和工作锥 的内表面管料脱离了芯棒，这样有利于下一次管料送进。图 4 冷轧管变形时的作用力工作机架回到后极限位置附一个轧制周期结束，轧成管的一段长度为 L =%26pi;S (D -S )m/%26pi;S (D -S )=%26mu; mT000T T T%26epsilon;式中26mu;为总延伸系数，等于管料截面积与轧成管截面积之比，m为送进量。总延伸系数0%26m
7、u;和送进量m越大；则越大，反之越小。%26epsilon;TT冷轧管时，金属是在不断改变着位置和形状的瞬时变形区内变形的。金属在轧辊 的正压力P、芯棒的正压力N,来自轧辊的摩擦阻力T以及来自芯棒的摩擦阻力 T 的作用下进行变形（图 4）。若在金属与轧辊接触的变形区中取一单元体，则其 径向主应力%26sigma;、周向主应力%26sigma;和轴向主应力%26sigma;均为压 应力，所以冷轧管时，金属变形基本应力的应力状态是三向压应力，但在辊缝处 （%26phi;角范围内）轴向承受单向拉应力，见图5。与冷拔管时的二向压一向拉 的应力状态相比，这种应力状态更有利于金属塑性的发挥。图 5 冷轧管
8、变形时应力状态沿轧槽分布图a-正行程；b-反行程瞬时变形区的结构 无论正行程轧制或返行程轧制，瞬时变形区的出口截面都与 工作机架的中心截面相重合。在二辊式冷轧管机上轧管时，由于进入变形区的管 体要先减小直径再减小壁厚，因此，瞬时变形区包括由减径角%26 the ta和压下 角%26theta;构成的两部分（图3b）。在工作机架的行程中%26theta; %26theta; 的大小是变化的。%26theta;与%26theta;之和构成瞬时变形区总的接触角。在 多辊式冷轧管机上轧管时，行程的开始阶段瞬时变形区由单一的减径区构成，在 行程的其他部分，由于这种轧机使用圆柱形芯棒，瞬时变形区可以认为由
9、单一的 减壁区构成。瞬时变形区变形量的确定 在一般纵轧过程中，变形区的几何尺寸是不变的。所 以坯料上的任一个截面都可以一直从变形区的入口移动到出口。变形区进口截面 和出口截面的高度差、就是坯料上任一截面连续通过变形区时的压下量，而且是 稳定不变的。但在冷轧管时，进入变形区的和离开变形区的管体截面的尺寸是不 断变化的，而且瞬时变形区进口截面和出口截面的高度差也不等于工作锥上进入 瞬时变形区的截面在一个轧制行程中的压下量。因此，冷轧管时，工作锥上的任 一截面在一个轧制行程中连续通过不断变化着的瞬时变形区时所达到的变形量 是不相同的，而且确定它的大小也是比较复杂的。在实际计算中，通常是根据各 瞬时变
10、形区出口截面的尺寸，确定该截面变形开始时在工作锥上的位置和尺寸， 再计算其变形量。这个变形量称为瞬时变形区变形量。瞬时变形区变形量的计算 一般以下述原则为基础：设某瞬时变形区的出口截面为1-1（图6）,该截面在 通过瞬时变形区时所经受的压下量等于它与另一截面II 一 II的高度差，而这两个图中 R 、 r 和 S 分别为瞬时 、 r 和 S 分别为该截%26Delta;x %26Delta;x图 6 直角坐标中的一段工作锥截面之间所包括的金属体积等于送进的金属体积。 变形区出口截面的外半径、内半径和壁厚；R 面变形前的外半径、内半径和壁厚。 %26Delta;x在冷轧管时，主要变形是在正行程轧
11、制过程中完成的；但是，由于工作机架：轧 辊等零部件的弹性恢复和轧制前管体的回转，有的轧机还有送进，因此在返行程 轧制时工作锥也有一定的甚至较大的变形。一般可用下列公式来计算正行程轧制和返行程轧制的壁厚压下量A5a 斗 a/S；+ 2Vr（tan7 - tantf） - 5J（1- KJ隠 =JSE丰2匚（恰nF 汁2）-占訂&式中26Delta;S为正行程轧制时的壁厚压下量；26Delta;S为返行程轧制时的 壁厚压下量：V = （R+r）/（R+r）mS为送进体积率；R、r为管料的外半径和内半 径； %26alpha; 为锥形芯棒的母线倾斜角； %26gamma; 为工作锥母线的倾斜角； K
12、 为计算返行程轧制时变形量的系数，一般可取K =0.30.4。t一个轧制周期中的壁厚压下量为：瞬时变形区的边界和咬入角 为了计算变形时轧辊同轧件的接触面积，必须知道 瞬时变形区的前后边界线。周期式轧制时，瞬时变形区的后边界线（出口一侧的 边界线） 应是一条空间曲线，但实际上和轧机中心面与工作锥的交线相差不大， 故一般把后者作为瞬时变形区的后边界线。瞬时变形区的前边界线（入口一侧的边界线） 是空间曲线，它取决于沿孔型周边的 变形区各纵截面上的接触角%26theta;。（图7）0图 7 瞬时变形区的纵截面%26 theta;可按下列简化公式计算:式中%26Delta;R为瞬时变形区中的半径压下量；
13、%26rho;为轧辊的理想半径；C 为孔型周边上不同点处孔型的高度，R为瞬时变形区出口截面工作锥的半径。x在孔型的脊部，接触角为：式中%26rho;为孔型脊部轧辊的半径。r若以瞬时变形区的壁厚压下量%26Delta;S取代上式中的%26Delta;R，则可得到 确定瞬时变形区前边界线上各点接触角的计算公式。瞬时变形区的接触面积 图 8 为二辊式和多辊式冷轧管机轧制管子时的变形区及 接触面积图示。文献中有多种计算瞬时变形区接触面积的近似公式。一种常用的计算二辊式冷轧 管机轧管时接触面积的方法如下。图9为借助于计算接触角%26theta;得到的正行程轧制时瞬时变形区接触表面积 的垂直投影和水平投影
14、。区域 OPLMC 为总接触表面积的垂直投影； OPRE=Fy 为减 壁区接触表面积的垂直投影；BLMNMLB=Fx用为总接触表面积的水平投影； C PR C =Fx 减壁区接触表面积的水平投影。1R122 s图 8 冷轧钢管时变形区及接触面积图示a-二辊冷轧管机的变形区；b-多辊式冷轧管机变形区；c-正行程的接触面积；d- 返行程的接触面积1-塑性和弹性变形区； 2-弹性变形区； 3-管子； 4-芯棒； 5-轧辊图 9 正行程轧制时瞬时变形区接触面积a-垂直投影；b-水平投影先来确定减壁区接触表面积的水平投影。由图 9 可知，减壁区接触表面积的水平 投影可分成两部分：Fx =2(F+F )s
15、 c1p1po p1R1P在孔型脊部C=R，面积F 用下式计算具有足够的精确度：xc1p1po式中 C 为孔槽深，近似为孔槽宽之半。面积 F|R%26e ta; 1/2(P P)(R D)，式中 26e ta;为系数，等于 0.85。RD=(%26rho;-C )sin(%26theta;-%26theta;) ， C 为孔型周边与工作锥最先接 触处轧槽的高度;%26theta;为孔型脊部减壁区的接触角；%26theta;为孔型周 边和工作锥最先接触处减壁区的接触角。所以计算 Fx 的公式可写成取 sin(%26theta;-%26theta;)%26asymp;%26theta;-%26theta;： tctrtctr尺=昭仏S石 + Q- 85Qa 一 Cmn )(几D &由于孔型侧壁的开口角通常为16。22。，用于工程计算可取C =R。/3，所以孔型周边与工作锥最先接触处的总接触角为：min x而孔型脊部的总接触角为：因此取 %26theta; %26theta; =%26theta;/%26theta; =%26eta;tc/trocor2对不同轧机%26eta;波动在1.601.70之间，轧机较大时其值较小。2以角%26theta;表示角%26
