二輥式軋管機是一種周期式軋機,其工作原理如圖3-14所示。主傳動齒輪通過曲柄和連桿機構的機構帶動工作機架做往復運動,軋機機架上裝有一對軋輥,軋輥通過固定在機座上的齒條、主動齒輪和被動齒輪,將機架的往復運動同時轉變為軋輥的周期性轉動。
冷軋管機主要由一個帶有一定錐度的芯頭和一對帶有逐漸變化孔槽的孔型構成。工作機架往復運動的同時,軋輥同時轉動。軋制管坯在芯頭和孔型的間隙內反復軋制,實現了管坯外徑的減小和壁厚的減薄,工作機架在前極限位置時,管坯和芯頭要翻轉60°~120°,以便在反行程時管坯繼續軋制,如圖3-15所示。
管材軋制可分為4個過程:
(1)送料過程。當工作機架在后極限位置時(見圖3-16)(a)),兩個軋輥處在進料段,孔型與管坯沒有接觸。通過送料機構將管坯向前送入一定的長度m(稱為送料量),即管坯I-I截面移動到I1-I1截面位置,截面II-II也同時移動到II1-II1位置,管坯的所有斷面都向前移動m.此時,管坯錐體與芯頭間產生一定的間隙Δt.
(2)前軋過程。當工作機架向前移動時,軋輥和孔型同時旋轉,孔型滾動壓縮管坯,使管坯在由孔型和芯頭組成的斷面逐漸減小的環行間隙內進行減徑和減壁。管材軋制時,管坯首先與芯頭表面接觸,而后進行軋制。未被軋制的管坯與芯頭表面的間隙Δ8則要增大,如圖3-16(b)所示。軋制過程的變形區(又稱瞬時變形區)由三部分組成,如圖3-17所示。圖3-17中,0為咬入角區,01為減徑角區,02為壓下角區。在減徑角區,管坯直徑減小至內表面與芯頭接觸;在壓下角區,管坯的直徑和壁厚同時被壓縮,實現管坯直徑的減小和壁厚的減薄。在軋制過程中,咬入角0、減徑角01和壓下角02是變化的。咬入角0=01+02.壓下角對應的水平投影ABCD可近似看做梯形,減徑角對應的水平投影為CDGFE.
在整個前軋過程中,管坯的變形過程可分為四段,即減徑段、壓縮段、精整段和定徑段,如圖3-18所示。
減徑段:管坯在減徑段只有減徑變形,由于管坯和芯頭表面沒有接觸,壁厚將略有增加。管坯壁厚增加的規律與拉伸減徑變形時壁厚增加的規律相同,它與合金和尺寸規格等因素有關。
2)壓縮段:管坯的變形主要集中在這一階段。由于孔型在這一階段的平均錐度較大,因此管坯在此階段發生很大的外徑減小和壁厚減薄,軋制管材的壁厚已接近成品管材壁厚。
3)精整段:在精整段,管坯的變形量很小,主要目的是消除軋制管材的壁厚不均。此段孔型的錐度與芯頭的錐度相等,管坯的壁厚達到成品管材的壁厚和要求的偏差范圍。
4)定徑段:管坯在這一段的主要變形是外徑變化,壁厚沒有減薄。目的是使管材外徑一致,消除竹節狀缺陷。此段孔型的錐度為零。管坯與芯頭已不再接觸。
因此,冷軋管材金屬的變形主要在前軋過程實現,而在前軋過程,變形又主要集中在減徑段和壓縮段。其變形特點是由減徑、壓扁逐漸轉到壁厚被壓縮,并且孔型和芯頭間發生強制寬展。
(3)回轉過程。當軋輥處在軋制行程前極限位置時,如圖3-16(c)所示軋輥孔槽處在回轉段,孔型與管坯錐體不接觸,管坯由回轉機構通過芯桿、芯頭和卡盤帶動翻轉60°~120°.
(4)回軋過程。管坯回轉后,隨著工作機架的返回運動對管坯進行回軋,消除前軋時造成的橢圓度、壁厚不均度和管材表面棱子等,以利于下一個周期的軋制。完成一個周期的軋制過程后,一個送料量的管坯被軋制,所得到的一段管材就是軋制成品管材。
管坯在軋制過程,受芯頭和孔型的共同壓力,在這個壓力的作用下,管坯發生塑性變形。管坯的受力狀態如圖3-19所示。在
變形區內,P.為管坯壓下角區的壓力,P,為減徑角區的壓力。P.和P,都是垂直于管坯軋制錐體的接觸表面,并可分解為Po'、P.”和P'P”。其中,Po'和P'為垂直于軋制中心線的徑向分量;P.”和P”為平行于軋制中心線的軸向分量。
芯頭在壓下角區對管坯的作用力P.同樣可分解為P,'和P,”。由于P,是P.的反作用力,所以P,”與Pp”大小相等,方向相反。同時,減徑區的軸向分力P”又通過管坯與芯頭間的摩擦作用到芯頭上。因此,無論在前軋,還是在回軋過程,芯頭都將受到軸向力的作用。
軸向力的大小取決于管坯材質的變形抗力、軋制送料量和孔型尺寸等條件。材質的變形抗力越大,需要的軋制力也越大。送料量的大小和孔型尺寸的設計又直接決定了咬入角的大小。當芯頭所受軸向力很大時,有可能造成連接芯頭的芯桿彎曲和斷裂。
管材軋制時,孔型在轉動過程中,由于孔槽上各點的半徑不同,軋制過程的線速度也不同,因此對于管坯的摩擦也不同。為了減少孔型對管坯的相對滑動,冷軋管機在設計時,主動齒輪的節圓直徑要小于被動齒輪的節圓直徑。
被動齒輪的節圓直徑與軋輥直徑相等。圖3-20所示為冷軋管時孔槽對金屬的相對速度分布。
由圖3-20可見,孔槽上與主動齒輪直徑相等的各點上相對速度為零;而直徑大于主動齒輪節圓直徑的各點的相對速度為負值;直徑小于主動齒輪節圓直徑的各點的相對速度為正值。
在管材軋制時,金屬還存在向前流動的速度,因此,管坯錐體上各部位與孔型孔槽上各部位的相對速度實際上是兩個速度的合速度。
如圖3-21所示,v1為假設管坯靜止,金屬沒有流動的相對速度,v2為金屬向前流動的速度。v2在錐體上各點都是相等的,而且無論是前軋還是回軋,速度的方向都相同。v1和v2的合速度即為考慮金屬流動的條件下的實際相對速度。合的方向不同,在軋制區分別形成了前滑區和后滑區。
由圖3-21可知,前滑區和后滑區對管坯的摩擦力方向相反,兩個摩擦力的合力作用于管坯上。由于管坯軋制錐體與芯頭是緊抱在一起的,最終這個力將通過芯頭作用到連接芯頭的芯桿上。為了盡可能減少孔型摩擦的不均勻性,冷軋管機設計中,主動齒輪的節圓直徑小于被動齒輪的節圓直徑,一般情況下,主動齒輪的節圓直徑比被動齒輪的節圓直徑小5%左右。
最合理的主動齒輪節圓直徑應等于孔型孔槽的平均直徑。對于大規格的冷軋管機,由于軋機軋制規格范圍大,設計中配備有兩種規格節圓直徑的主動齒輪。生產中應根據不同的孔型規格選擇合理的主動齒輪。這樣才能有效地減小孔型孔槽對管坯的滑動摩擦,減少孔槽的不均勻磨損,有利于提高軋制管材的表面質量和孔型的使用壽命。
但是,冷軋管機軋輥的更換十分困難,而且裝配精度要求很高。在有色金屬加工中,管材是多規格、多品種、小批量生產。企業根據主要的品種規格選定其中一種主動齒輪,便能基本適用生產要求。
表3-2 為常 見的二輥式冷軋管機的主要工藝性能。
| 表3-2 常見的二輥式冷軋管機的主要工藝性能 | |||||
| 名稱 | LG30 | LG5 | LG80 | XIIT75 | XIITB2 |
| 管坯外徑范圍/mm | 22-46 | 38-67 | 57-102 | 57-102 | 22-46 |
| 管坯壁厚范圍/mm | 1.35-6 | 1.75-12 | 2.5-20 | 2.5-20 | 1.35-6 |
| 成品管外徑范圍/mm | 16-32 | 25-55 | 40-80 | 40-80 | 16-32 |
| 成品管壁厚范圍/mm | 0.4-5 | 0.75-10 | 0.75-18 | 0.75-18 | 0.4>5 |
| 斷面最大減縮率/% | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 |
| 外徑最大減小量/mm | 24 | 33 | 33 | 32 | 24 |
| 壁厚最大減縮率/% | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 管坯長度范圍/mm | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 | 15.5-5 |
| 送料量范圍/mm | 2-14 | 2-14 | 2-14 | 2-14 | 2-14 |
| 軋輥直徑/mm | 300 | 364 | 434 | 434 | 300 |
| 軋輥主動齒輪節圓直徑/mm | 280 | 336 | 406或378 | 406或378 | 280 |
| 軋輥被動齒輪節圓直徑/mm | 300 | 364 | 434 | 434 | 300 |
| 工作機架行程長度/mm | 453 | 624 | 705 | 705 | 453 |
| 允許最大軋制力/MN | 6.5 | 11.0 | 17.0 | 17.0 | 6.5 |
| 軋輥回轉角度/°C | 185°39'20'' | 212°59'20'' | 199°213'43'' | 199°213'43'' | 185°39'23'' |
冷軋管時應力狀態主要是三向壓縮應力狀態。應變狀態為兩向壓縮,一向拉伸狀態,這種應變狀態能夠充分地發揮金屬的塑性。因此,冷軋管機適用于塑性偏低的合金和壁厚較薄的管材生產。這些產品采用軋制方法生產,可以減少中間退火,提高一次加工率,縮短生產周期,從而提高生產效率和管材的表面質量。
(1)道次加工率大,最大加工率可達到80%以上,特別適用于鈦合金和冷加工性能低的合金管材的加工;
(2)可以生產長度大的管材,最長可達30m;
(3)省略或減少部分合金的退火和中間退火,生產效率高,周期短;
(4)設備的自動化程度高,可減輕勞動強度;
(5)孔型更換簡便,尺寸調整方便快捷;
(6)可以生產異形管材和變斷面管材。
(1)冷軋管機結構復雜,設備精度要求高,投資和維修費用較大;
(2)工具設計、制造比較復雜;
(3)軋制的管材具有較大的橢圓度、波紋、棱子等,管材外徑偏差不易控制,因此,經軋制后的管材必須經拉伸減徑、整徑后才能達到成品管材的要求。
