17冷轧管材成形原理.docx
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17冷轧管材成形原理
17冷轧管材塑性成形原理
17.1周期式轧管法塑性变形原理
17.1.1轧制过程
图17-1所示为二辊周期式冷轧管法进程轧制工作简图。
轧制过程可分解为以下过程：
（1）送进管料：
轧辊位于进程轧制的起始位置，也称起点I,管料送进m量值，1移至I111,轧制锥前端由nn移至nl,管体内壁与芯棒间形成间隙△；⑵进程轧制：
轧辊向前滚轧，轧件随着向前滑动，轧辊前部的间隙随之扩大。
变形区由两部分组成：
瞬时减径区和瞬时减壁区，分别对应中心角bp、0。
，分别定义为减径角和减壁角。
两者之和为咬入角Bz,整个变形区定义为瞬时变形区；
（3）转动管料和芯棒：
滚轧到管件末尾后，在稍大于成品外径的孔型内将管料转动60°〜90°,芯棒也同时转动，但转角略小，以求磨损均匀。
轧件末端滑移至川川。
轧至中间任意位置时，轧件末端移至nxnx；（4）回程轧制：
又称回轧，轧辊从轧件末端向回滚轧。
由于进程轧制时轧机有弹跳，管体沿孔型横向也有宽展，所以转动角度后回程轧制仍有相当的减壁量，约占一个轧制周期的30%〜40%。
回轧时瞬时变形区与进程轧制相同，由减径和减壁区构成。
金属流动方向为原流动方向。
按进程轧制将轧辊孔型展开（图17—2）,“1”—空转管料送进部分；“6”—空转回转部分；其余为变形区，可分为四段变形区：
“2”-减径段：
对应压缩管料外径直至内表面与芯棒接触为止。
因为冷轧管料一般较薄，减径时壁厚增加，塑性降低，横剖面压扁扩大了芯棒两侧非接触区，变形均匀性变差，容易轧折，所以减径量越小越好。
一般管料内径与芯棒最大直径间的间隙取在管料内径的3%〜6%以下。
壁厚增量
4
◎:
（0.7~0.8）S）0（17—1）
d。
式中d0、.d0、S0—管料外径、外径减缩量和壁厚。
“3”—压下段：
主要变形阶段，同时减径和减壁；“4”—预精整段：
最后定壁，主要变形结束；“5”-精整段：
定径，同时进一步提高表面质量和尺寸精度。
假设Fo是管料横截面积，那么每个轧制周期管料送进体积为mF。
，设Fi是轧件出口横截面积，按体积不变条件，每个轧制周期延伸总长度
=L=空m=」「m（17—2）
Fi-
式中・呂一总延伸系数。
Fo
因为周期式冷轧是依次送进，逐渐轧到成品管尺寸，变形区内任意横剖面总是经过若干轧制周期后才达到要求尺寸。
除上述总变形量外，对于变形区内任意剖面，定义变形瞬间的变形量为“瞬时变形量”,相对于管料的变形量为“积累变形量”。
定义变形区内任意横剖面Fx的瞬时延伸系数等于与Fx相距Ax的前一截面FAx与Fx之比。
可以证明：
此两截面间包含的体积等于该轧制周期的送进体积，即
（17—3）
设管料的外径、内径、壁厚分别以d°、d°，、So表示，相应的成品管尺寸分别以d1、dJ、Si表示，以dX、dJ、SX表示Fx的尺寸，以dAx、dAx'、Sax表示FAx的尺寸，则各变形参数可分别表示如下：
由式（17—3）可知变形区内任一断面在每一轧制周期中向前移动Ax在变形区不同位置是逐渐增大的，所以计算任一断面在变形区内承受的加工次数比较复杂。
不同的送进量、变形程度以及孔型形状等都会使各断面在变形区内的加工次数发生变化。
如果孔型压下段的展开线为抛物线，则任意断面在变形区内承受的加工次数，即变形分散系数n1可近似按下式计算：
（17—5）
3h
m（12三）
式中h—压下段水平长度。
从生产率来看，n1愈小愈好，但过小会加大每个周期变形量，易在成品管上于孔型开口处出现横裂等缺陷。
为此，轧制不同材料的管材时对应不同的最小变形分散系数，常见值见表17-1。
17.2冷轧变形区应力分析
冷轧管变形区内各部分金属的应力状态比较复杂，而且还会随着轧制条件的变化而变化，它主要与外摩擦、变形的均匀性以及轧制制度等有关。
表仃-1各种合金最小变形分散系数
合金
变形程度/%
N1
紫铜
85
5.5〜7
H62（挤压后退火）
85~88
6.7~10
H62
85~88
10~14
H68
80~85
5~5.5
HSn70-1
73~78
7.2~9.0
B5
70~80
5~5.5
TA1
70~80
7.5~8
TA7
50~65
14~15
TC2
60~70
10~11
1Cr18Ni9Ti
81
11~12
17.2.1外摩擦的影响
图17-3是冷轧管机进程轧制时变形区出口垂直剖面轧槽内各点的速度分布。
如图所示，轧辊绕主动齿轮节圆周上一点01旋转，01是瞬时中心，变形区出口垂直剖面上各点的速度：
轧辊轴心G,VG=Rj3G；孔型槽底C,Vc=（Rj—Pc）3G；孔槽边缘b,Vb=（Rj-Pb）3G；孔型内任一点x,Vx=（^—Px）3G。
Rj为主动齿轮节圆半径，3G为轧辊转速。
图17—3进程轧制时变形区岀口垂直剖面轧槽内各点的速度分布
（17—6）
假设出口垂直剖面金属以Vm流动，与机架运行方向相同的速度为正，则变形区出口垂直剖面上轧槽各点对接触金属的相对速度Vxd如图17—4（a）所示。
接触辊面上任意点相对轧件的速度等于
Vxd=Vm—Vx二Vm—「G（Rj—"x）
Vxd>0为前滑区；Vd<0为后滑区；Vd=O的各点为中性点，连接中性点构成中性线，如图17—4（b）中的曲线ABC，在ABC以内为后滑区，出口剖面上点A、C所对应的轧辊半径成为轧制半径pz,轧制半径满足
（17—7）
如果减少变形量，变形区内金属流动速度会下降，后滑区则相应扩大。
变形区内工具给轧件接触表面的摩擦力方向如图17—4（b）所示。
由于变形金属只向机架进程轧制的运动方向流动，则在前滑区金属承受三向附加压应力，在后滑区承受轴向附加拉应力，其他两向为压应力。
图17-4进程轧制时工具接触表面的相对速度和轧件的摩擦力方向
回程轧制时，金属仍沿进程轧制的方向流动，轧辊作反向旋转，变形区出口剖面内轧辊接触表面相对轧件的速度如图17-5（a）所示。
设仍以与机架运行方向相同的速度为正，由式（17-6）可得回程轧制时前、后滑区的分布情况和摩擦力方向如图17-5（b）所示，BDDd为后滑区。
所以回程轧制时槽底部分金属在外摩擦力作用下受三向附加压应力，槽缘部分金属受轴向拉应力，其余两向为压应力。
与进程轧制时相反。
图17—5回程轧制时工具接触表面的相对速度和轧件的摩擦力方向
由于轧件始终向机架进程轧制的运动方向延伸，芯棒接触表面的摩擦力方向总是与回轧时机架的运动方向相同，对接触表面的金属造成三向附加压应力。
17.2.2不均匀变形的影响
与一般纵轧孔型一样，周期式冷轧孔型也有一定的开口度，以防止啃伤、轧折等缺陷的发生。
轧制时在孔型开口处形成一定的非接触区，无论正轧或回轧，开口处金属皆受到附加拉应力作用，槽底部分金属受到附加轴向压应力作用。
综上所述，周期式轧管出口剖面最常可能出现的工作应力状态分布如图17-6所示。
孔型开口处始终承受拉应力，严重时甚至可能出现横裂，这是限制冷轧管一次变形率的主要原因。
17.2.3变形分散程度的影响
轧制时的附加应力轧后必然以残余应力的状态保留下来，无论从正轧或回轧造成的残余应力分析，只要回轧前旋转60°〜90°,残余应力都能部分互相抵消。
如果减小每次变形量，增加加工次数，就会降低每次产生的残余应力，而且不断互相抵消，促使轧件内残余应力均匀化，利于金属塑
性的提高。
但是，变形分散程度的增加又会降低生产率，所以压下段分散系数应按不同材料规定个允许的最低值，以控制产品质量。
图17—6周期式冷轧管工作应力状态图
（a）进程轧制；（b）回程轧制
17.3二辊周期式冷轧管作用力计算
冷轧管时的作用力主要是轧制力及轴向力。
17.3.1轧制力计算
与一般纵轧轧制力计算类似，在轧制过程中，计算断面的金属对轧辊轧制力可用下述方法：
P=pF（17—8）
式中p――平均单位压力；F――金属与轧槽接触面积。
p可用2血•舍瓦金公式计算。
进程轧制时
_S0PdxJ2Pdx^Sj
p"bxn「f（厂1）（17—9）
Sx1jSx
回程轧制时
式中二bx—金属在计算断面变形程度下的抗拉强度；nw—考虑中间主应力的影响系数，其值为
1.02~1.08一般取为1.05；S、Sx—管料壁厚和所取计算断面轧件壁厚；Pj、Pdx—主动传动齿轮节圆半径和计算断面孔槽底部轧辊半径；f――摩擦系数，对钢、铝合金为0.08~0.1;对紫铜、黄铜及其他有色金属为0.05~0,07色Sj、ASh—进程和回程时管壁绝对压下量，进程时为70%〜80%总压下量，回程时为20%〜30%总压下量。
F可以近似用压下段接触面积的水平投影表示：
F二氏、2录“：
（17—11）
式中Bx――计算断面孔槽宽度；■"：
Sx――计算断面管料厚度绝对压下量。
当轧制强度高的钢、钛及黄铜等合金时，弹性压扁对接触面积影响较大，接触面积水平投影可按下式计算：
F=DxV'Sx3.910-4；「bxDx（0.393心-Dx）（17-12）
、6
式中一形状系数，二辊轧机为1.26,三辊轧机为1.10;Dx—计算断面轧槽直径；「0—孔型
块半径，即轧辊半径
17.3.2冷轧管时的轴向力
周期式冷轧管机轧件从变形区轧出的速度取决于轧辊的主动传动齿轮的节圆半径，不是由轧辊的瞬时轧制半径决定，从而使变形工具对轧件产生一定的轴向力。
在机架正、反行程开始时，受到轴向拉力作用，终了时受到压力作用。
轴向力产生的根本原因是变形区中作用力在轧制轴线上的投影不为零，这与冷轧管过程中运动学特点有关。
轧制力、送进量、变形量、金属与轧槽间的相对滑动、摩擦力、工艺润滑、孔型设计等都能影响轴向力的分布。
轴向力的存在相当程度上影响着冷轧管的变形工艺参数和生产率。
过大的轴向力会造成插头，即前后两根管子的端头相互插入，此种现象在轧制薄壁管时特别严重。
还会使管子折皱、芯杆纵向弯曲、变形区金属向后窜动，使送进时管子由芯棒上脱开力增大，导致轧机生产率降低和送进机构迅速磨损。
由冷轧管时的变形及运动学特点可知，轴向力的大小在机架正、凡行程时是不相同的。
实验证明：
在正行程时，为轧制力的6%〜10%;反行程时，为轧制力的10%〜15%。
轴向力在机架行程中是变化的，特别在行程终了时达最大值。
17.4二辊周期式冷轧管机孔型设计
孔型设计是冷轧管生产的一项重要工作，其是否正确合理直接影响到冷轧管机的生产率、管材的质量和工具寿命等。
孔型设计方法很多，较为普遍的方法是根据金属在轧制过程中塑性显著降低而使相对变形量按一定规律变化的原则进行设计，代表方法是ro.e.舍瓦金孔型设计法。
17.4.1孔型轧槽长度的确定
如图17-2所示，孔型轧槽由空转送进部分、减径段、压下段、预精整段、精整段和空转回转部分构成。
减径段、预精整段为与轧制线成一定角度的直线，精整段为与轧制线平行的直线，压下段为光滑曲线，是孔型设计的核心内容。
压下段、预精整段、精整段构成工作段Lg，送进段和回转段分别用Ls和Lh表示。
由于送进量一定时工作段长度增加可降低瞬时变形率，并可使用小锥度芯棒降低瞬时减径率，改善不均匀变形，提高金属塑性，所以设计时应尽量缩短送进和回转段长度。
但是，送今和回转过快会使相应机构中的冲击负荷过大，部件磨损严重。
常用长度为轧槽总长度的
5%〜6%。
由图17-2知轧槽的总回转角是由送进角0s、回转角9h和工作角9g组成，目前常用的半圆形轧槽块最大回转角Ymax为180。
〜215。
如果已知各段行程长度，可计算出对应的轧槽回转角
（17—13）
Lx3603600
兀Dj
式中Lx—机架行程；Dj一主动齿轮节圆直径。
条件:
也可以先确定各段回转角，由式（17-13）计算对应的行程长度。
无论何种设计方法，应满足以下
（17—14）
（1）减径段Lj的确定
减径段长度Lj与减径段锥角丫j和减径量△Dj有关，过大的Yj和厶Dj将在管坯减径时产生较大
的轴向力。
一般情况下，tan“=0.12~0.20ADj为2.0~3.0nm。
Lj可按下式计算:
（17—16）
Dj
2tanj-2tan：
式中a—芯棒锥角。
（2）预精整段L2的确定
预精整段长度L2与管料任意断面在该段所受的预精整次数有关，而次数的多少又与压下段瞬时变形量直接相关，特别是进入预精整段前的瞬时变形量。
压下段的瞬时变形量大则预精整次数就要高一些。
可由下式确定：
（17—17）
L2=（1.0~1.5）m\2
由于管坯经过该段后壁厚不再变化，所以预精整段的锥度必须与芯棒锥度相同。
需指出，在轧制厚壁管或冷拔毛料时，不一定有此段变形区。
（3）精整段L3的确定
精整段也称定径段，轧槽直径应与成品管直径相等。
长度取决取进入精整段管料直径与成品直径差，同时与轧槽椭圆度大小有关，一般可按下式计算：
L3（1.0~2.0）mJ
（17—18）
（4）压下段L1的确定
压下段长度可按下式计算:
在保证管子质量的前提下，应尽可能增加压下段长度，以增加一个送进体积在此段的辗轧次数,减少横裂出现的几率。
17.4.2压下段槽底纵向展开曲线设计
压下段槽底纵向展开后应为一条光滑曲线，简化设计方法可将压下段分为7〜10段。
在舍瓦金孔型设计中，壁厚相对变形量函数f（x）=ASX/SX采用沿轧制方向逐渐减小的原则，有两种表达形式：
式中a、A—待定系数；厲、巳一系数，为使轧槽顶部曲线具有合理曲率，厲=0.1,巳=0.64
式（17—20）表示壁厚按指数关系变化，适用于轧制黄铜、白铜和不锈钢；式（17—21）表示壁厚按线性关系变化，适用于轧制铝合金和异型管材。
如果芯棒椎较小，减径量不大，壁厚绝对压下量可按下式计算：
（17—22）
，Sx二—mSodSx
Sxdx
利用边界条件：
x=0,Sx=S0+AS;x=L1,£=Si,得:
（17—24）
同理，对式（17—21）积分，得:
式中S—压下段内任意断面管子壁厚；AS-管坯在减径段的壁厚增量，可按5%〜6%在减径段的减径量计算；」S2—壁厚总延伸系数，」s^=（So+AS2）/S1
该设计方法对低塑性材料较合适，主要缺点是压下段始端压力有峰值，相应部位的孔型磨损较严重，只是在大型轧机上轧槽较长，矛盾不太突出。
所以，对塑性较好的金属可按其他原则进行孔型设计。
17.4.3芯棒设计
常见芯棒如图17—7所示，其锥体长度至少应为减径段、压下段和预精整段的长度总和。
精整段起点的芯棒外径dk为
dk=d1—2S|（17—26）
式中d1、S1—成品管外径和壁厚。
芯棒圆柱部分直径dn为
dn=dk+2lGtana（17—27）
式中Ig—除精整段以外芯棒的实际工作长度
芯棒锥度为
实践证明，采用小锥度芯棒可以减少不均匀变形，降低压力，减少轧制过程中的瞬时减径量，
改善瞬时变形区内的金属流动。
但过小的芯棒锥度，管料端头容易切入。
经验认为：
芯棒锥度的最
小极限在0.002~0.005再小轧机调整困难。
一般硬质合金2tana=0.005~0.0015软合金2tana=
0.03~0.04轧制薄壁管时应取更小值，外径壁厚比为30〜40时，2tana=0.007~0.014外径壁厚比为40以上，2tana=0.0025~0.0035表17-2为我国两辊周期式冷轧机芯棒锥度选用参考值。
图17—7冷轧管机芯棒示意图
表仃-2芯棒锥度参考值
轧机型号
管坯与管材直径之差/伽
芯棒锥度2tana
<13
0.007~0.015
LG—30
>13
0.02
<14
0.01
LG—50
14~18
0.015
>18
0.02~0.03
12~16
0.01
17~22
0.02
LG—80
23~28
0.03
>28
0.04
17.4.4轧槽横断面形状尺寸设计
常见轧槽为切线侧壁圆孔型，如图17-8所示。
孔槽宽度选取要合适，过宽会加重横向变形不
（a）—次咬入时受力分析；（b）轧槽尺寸示意图
如图所示，来料一次咬入时与孔槽A、B两点接触，受到正压力P及摩擦力t=卩P（□为接触表面
摩擦系数）作用，合力为q=P.、1E：
2。
将q分解为水平及垂直两个力：
（17—29）
qx二qcos（：
）
qy=qsin（:
-）
（17—30）
式中B、•一孔型开口角和接触摩擦角。
当B+$<45°时，qx>qy,来料因水平作用力向立椭方向压扁；当B+0>45°时，qx料向垂直作用力方向压扁，增加横向尺寸，易被挤入辊缝。
所以应使B+0<45°。
冷轧时［1=
0.06~0.1,那么$=3°〜6°,B—般小于25°〜35°。
表17—3为常用参考值。
表仃—3开口角参考值
轧辊直径/mm
减径段开始
开口角（或扩展角）
压下段内
3/（°）
预精整段
精整段
300
35〜32
32〜29
29〜27
27〜25
364
24〜31
31〜27
27〜25
25〜23
434
20〜25
25〜22
22〜20
20〜18
550
16〜18
22〜20
22〜20
17〜15
如图17—14所示，孔型开口角B可以计算如下：
CoS-=（17—31）
Dx"Bx
：
Bx=2Ktm」sw（tanx-tanr）2Kdmlxtan：
（17—32）
式中Kt—考虑强迫宽展和工具磨损的系数，约为1.05~1.75压下段开始时取上限，向后逐渐降低;
Kd—压扁系数，可取0.7；Js^、」或—壁厚积累延伸系数和积累延伸系数。
至此，孔型设计的主要工作完成。
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