三輥行星軋機(jī)軋制溫變區(qū)冷卻設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉長榮

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

由于鑄軋法具有工藝流程短、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、能耗低、生產(chǎn)效率高、成本低等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于精密銅盤管生產(chǎn)工藝［1-3］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)三輥行星軋機(jī)軋制技術(shù)已進(jìn)行了大量而深入的研究，劉東華［4］對(duì)三輥行星軋制過程中 ACR 紫銅管的組織和性能演變進(jìn)行了研究，分析了紫銅管在軋制過程中組織演變情況。劉化民［5］進(jìn)行了銅管坯三輥行星軋制過程三維有限元模擬，分析了銅管坯在軋制過程中的力變情況。李冰［6］研究了TP2 銅管三維溫度場預(yù)測三輥行星軋制工藝，探究了軋制中溫度場的變化對(duì)工藝的影響。上述研究主要集中在軋制過程中的銅管坯變形和組織影響的理論研究，而軋輥壽命和軋管表面質(zhì)量在生產(chǎn)實(shí)際中是生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對(duì)軋制冷卻系統(tǒng)的研究，特別在軋輥冷卻水環(huán)設(shè)計(jì)和應(yīng)用上鮮有報(bào)道，本文闡述了軋制過程中軋制熱和金屬流動(dòng)對(duì)軋輥的影響，并推出了軋輥冷卻水環(huán)可變流量、噴射角度的設(shè)計(jì)思路，以及通過冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來延長軋輥壽命和改善軋管表面質(zhì)量，從而提升銅管坯軋制效率和質(zhì)量的應(yīng)用。

2 軋制過程軋輥表面速度場、溫度場的變化

在三輥行星軋制過程中，銑面后的銅管坯在高速旋轉(zhuǎn)軋輥表面凸環(huán)和固定式芯棒形成的膜孔內(nèi)變形流動(dòng)定型，由Φ92×25 軋制到Φ50×2.5，加工率高達(dá)92.91%，在整個(gè)變形中，冷加工變成了熱加工，再結(jié)晶后改善了銅管坯的晶粒度，銅管坯與軋輥相接觸點(diǎn)分別由冷到熱；從減徑變形區(qū)到集中變形區(qū)不斷加速升溫后整形歸圓出料；整個(gè)過程中，銅管坯在軋輥軋入?yún)^(qū)開始軋入變形逐漸升溫，進(jìn)入集中變形區(qū)后加速流動(dòng)繼續(xù)升溫開始再結(jié)晶，到達(dá)規(guī)整整形區(qū)時(shí)溫度和流速達(dá)到峰值，在歸圓定徑區(qū)開始逐漸降溫出管，通過軋輥表面某一軸截面端點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)跟蹤，模擬出軋制溫變過程（圖1）。

圖1 軋制過程溫變模擬

在整個(gè)過程中，銅坯在軋入?yún)^(qū)與旋轉(zhuǎn)的軋輥產(chǎn)生周向和軸向摩擦力，隨著軋入銅坯開始減徑減壁，軋輥表面各區(qū)段溫度和摩擦力發(fā)生變化，為了驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)，對(duì)軋制整根銅坯后軋輥表面溫度進(jìn)行測量，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出軋輥在軋制過程中軋輥表面溫度變化曲線（圖2），并將數(shù)據(jù)均值繪制成軋輥表面區(qū)段測溫均值雷達(dá)圖（圖3）。

可見軋輥表面溫度在各區(qū)段差異較大，這是摩擦力變化和金屬變形流速變化的結(jié)果，其中規(guī)整整形區(qū)時(shí)達(dá)到峰值，金屬流速最大，在溫度影響下，軋輥規(guī)整整形區(qū)表面從正常狀態(tài)到發(fā)生粗糙和金屬疲勞時(shí)間也最短，該區(qū)所需求的冷卻量最大，由于各區(qū)段冷卻量需求各不相同，如只對(duì)規(guī)整整形區(qū)進(jìn)行集中冷卻，將造成其它區(qū)段因冷卻不足而過早劣化，如各區(qū)段都采用同一冷卻量將使部分區(qū)段冷卻過度產(chǎn)生摩擦粗糙，因規(guī)整整形區(qū)表面質(zhì)量決定了軋管表面質(zhì)量，通過軋輥表面各區(qū)段溫差和摩擦力的分析，依據(jù)對(duì)應(yīng)軋輥各區(qū)段不同的工況和運(yùn)動(dòng)軌跡推演出不同強(qiáng)度的點(diǎn)位冷卻和延長軋輥工作時(shí)長及提高軋管質(zhì)量的重要途徑。

圖2 軋輥表面溫度變化曲線

圖3 軋輥表面測溫均值雷達(dá)圖

3 軋制點(diǎn)軌跡和溫變區(qū)冷卻設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為了響應(yīng)軋輥表面各區(qū)段冷卻（圖4）的需求，對(duì)軋制過程軋輥?zhàn)赞D(zhuǎn)角速度和軋輥軋制偏轉(zhuǎn)角計(jì)算出區(qū)段點(diǎn)接觸軌跡，再將區(qū)段點(diǎn)接觸軌跡曲線映射到正面噴水環(huán)表面上形成定位基孔中心點(diǎn)（圖5），并根據(jù)基孔中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軋輥溫變區(qū)段及冷卻強(qiáng)度需求，計(jì)算出水環(huán)冷卻水孔的軌跡和流量，最后根據(jù)流量計(jì)算出對(duì)應(yīng)水嘴的孔徑。

在軋制過程中，冷卻水環(huán)通過側(cè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)水使各孔水流對(duì)應(yīng)軋輥點(diǎn)接觸軌跡變化進(jìn)行噴射，通過改變孔徑變化流量來滿足溫變區(qū)段不同的冷卻強(qiáng)度，促使軋輥表面各區(qū)段能夠連續(xù)充足的冷卻（圖6），大幅降低軋輥各區(qū)域摩擦勞損產(chǎn)生的粗糙現(xiàn)象，提高出料精度與表面質(zhì)量，同時(shí)，水環(huán)采用統(tǒng)一孔徑基孔制作后配備不同孔徑噴嘴，便于軋制角度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)流量的快速調(diào)整和布置。

圖4 軋制過程軋輥冷卻示意圖

圖5 冷卻孔位映射計(jì)算示意圖

圖6 可調(diào)旋轉(zhuǎn)水孔和旋轉(zhuǎn)進(jìn)水布置布置設(shè)計(jì)

將新設(shè)計(jì)的冷卻裝置應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)軌跡跟蹤圓錐噴射冷卻，相比原配備的單排或三排孔定向圓環(huán)噴射冷卻裝置能夠得到更加連續(xù)和均勻的冷卻效果，在每軋制20 根對(duì)比軋輥粗糙度的實(shí)驗(yàn)中，明顯減緩軋輥表面劣化粗糙，比原極限軋制量（80 根）延長到（100 根以上）；同時(shí)，由于軋輥表面劣化延緩，軋管A 級(jí)區(qū)段增長，比原極限軋制A 級(jí)線（60 根）增長到（90 根以上）；完成單線驗(yàn)證后推廣到雙線，從現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，軋輥壽命可普遍提升20%，A 級(jí)軋管可增加15%。

4 結(jié)束語

（1） 通過對(duì)三輥行星軋機(jī)軋制過程的分析，模擬出銅坯軋制點(diǎn)接觸軌跡，為優(yōu)化軋輥連續(xù)性冷卻提供可能；

（2） 根據(jù)銅坯軋制點(diǎn)接觸軌跡曲線映射到冷卻水環(huán)上對(duì)應(yīng)形成不同的點(diǎn)布置和流量孔徑，實(shí)現(xiàn)冷卻水流跟蹤連續(xù)冷卻；

（3） 設(shè)計(jì)新式變徑可調(diào)噴嘴，滿足工藝角度變更下的快速布置切換；

（4） 軋輥壽命延長，軋管表面質(zhì)量提升。