大型筒節軋制成形機理研究

趙強

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

1 咬入條件

（1）咬入力學模型和條件。為了使大型筒節能夠連續穩定地軋制，大型筒節軋制成形必須滿足一定的咬入條件，與單輥驅動不同，雙輥驅動時芯輥與驅動輥對軋件的摩擦力均起到了驅動作用，本文對雙輥驅動下的咬入條件進行了重新推導。如圖所示為大型筒節軋制變形區模型，P2和P1分別為芯輥與驅動輥在變形區內對大型筒節的正壓力，T2和T1分別為芯輥和驅動輥在變形區內對大型筒節的摩擦總力，2α和 1α分別為芯輥和驅動輥與大型筒節接觸角。

大型筒節受力條件為式中，1ξ和2ξ為系數，簡單起見，認為1ξ=2ξ=0.5。

根據經驗假設大型筒節和軋輥之間的摩擦為庫倫摩擦，驅動輥和芯輥與大型筒節的摩擦系數均為μ，則：T1=μP1、T2=μP2，代入上式，并整理可得：

考慮咬入角較小，并將摩擦系數用摩擦角來描述，μ= tanβ，上式可近似為

（2）咬入條件與進給量的關系。如圖1所示，r和R為大型筒節內外半徑，1hΔ 、2hΔ 分別為芯輥對大型筒節外表面的進給量，和驅動輥對大型筒節外表面的進給量。Δh=Δh1+Δh2，忽略進給中軋機和軋輥的彈性變形，以大型筒節中心為坐標原點，建立圖中的xoy坐標系，則大型筒節與兩輥接觸區輪廓方程為：

圖1 大型筒節軋制成形幾何模型

當xL=? 時，AE與BE交于E點，CF與DF交于F點，此時有

得

考慮到：α1≈L/R1；α2≈L/R2，代入咬入條件得：

（3）單輥驅動與雙輥驅動的咬入條件對比。由文獻可知，單輥驅動時的咬入條件如式（7）和式（8）所示。

對比式（3）與式（7），雙輥驅動時，滿足咬入所需的摩擦角為單輥驅動時的一半，即由于雙輥驅動時，芯輥與驅動輥對大型筒節均起到主動驅動，更容易咬入。同理，同樣的摩擦條件下，雙輥驅動時，能夠實現更大壓下量的咬入，如式（8）與式（10）。

2 鍛透條件

鍛透條件即塑性區穿透整個大型筒節壁厚，使整個塑性變形區均發生塑性變形，所以大型筒節鍛透條件是大型筒節軋制變形的充分條件。即大型筒節軋制變形過程中，每圈壓下量必須滿足大型筒節的鍛透條件。

根據滑移線理論，大型筒節的鍛透條件為：

式中，ha為變形區平均厚度，mm；

所以大型筒節的鍛透公式為：

上式表明，大型筒節尺寸和軋輥尺寸是鍛透條件的重要影響因素，軋制過程中，軋輥半徑R1、R2保持不變，但R-r值減小，因此，隨著軋制的進行，minhΔ 數值逐漸減小，即相同的壓下量，大型筒節變大更利于鍛透條件。

大型筒節軋制過程中，軋制的每圈壓下量需既滿足大型筒節軋制的咬入條件，又滿足大型筒節軋制的鍛透條件，才能保證大型筒節軋制的穩定進行。

3 筒節擴徑模型

（1）大型筒節軋制過程中的直徑擴大規律。

根據體積不變條件，可得軋制加工中大型筒節外徑：

式中，D為軋制某一時刻大型筒節的外徑，mm；d為軋制某一時刻大型筒節的內徑，mm；H為軋制某一時刻大型筒節的壁厚，mm；D0為大型筒節毛坯外徑，mm；d0為大型筒節毛坯內徑，mm；H0為大型筒節毛坯壁厚，mm。

上式也可用于大型筒節鍛造毛坯的基本尺寸設計。

（2）驅動輥進給速度。

當單圈進給量Dh為常數時，驅動輥進給速度可由下式給出：

式中，hΔ為驅動輥單圈進給量，mm；D1為驅動輥直徑，mm；n1為驅動輥轉速，轉/s。

式（13）給出了驅動輥在大型筒節出口厚度為H時的進給速度，與毛坯規格、驅動轉速、驅動輥直徑和單圈壓下量有關。其中驅動輥轉速由軋制速度V(單位：m/s)決定。

4 筒節軋制咬入條件驗證

筒節軋制滿足咬入條件是實現筒節穩定軋制的前提，如滿足不了咬入條件，軋輥和筒節之間將出現打滑現象。在此，通過有限元仿真，針對不同壓下量，對筒節軋制咬入條件進行驗證，結果如圖2所示。

圖2 不同單圈壓下量的塑性區分布

從提取的結果來看，在單圈壓下量為30mm/20mm/10mm條件下，筒節都是正常地咬入，滿足了咬入條件，能夠保證筒節軋制正常的進行。

5 結語

本文重新推導了雙輥驅動大型筒節軋制過程中的咬入條件、鍛透狀態、直徑擴大等軋制變形規律和成形機理，與單輥驅動的成形規律做對比，并采用有限元軟件建立了筒節軋制熱力耦合模型，對研究的軋制變形規律和成形機理進行了驗證。