斜轧穿孔原理

斜轧穿孔原理

斜轧穿孔原理(deformation theory of cross piercing process)

关于斜轧穿孔(见管坯穿孔)运动学、咬入、金属变形及流动、应力和应变分布、力能参数等的基本理论，是轧制原理的一部分。

斜轧穿孔运动学斜轧穿孔运动学的特征是：穿孔机轧辊向同一方向旋转，轧辊轴线相对于轧制线倾斜，圆管坯进入轧辊后，一方面被金属与轧辊之间的摩擦力带动，作反轧辊旋转方向的旋转，同时由于轧辊轴线对管坯轴线(轧制轴线)有一倾角(前进角)，管坯又沿轴向移动，故呈螺旋运动。表示螺旋运动的基本参数有：切向运动速度、轴向运动速度和管坯每半转的位移值(称螺距)。

轧辊轴线和轧制线相交点的速度存在着以下的关系。如交点上轧辊圆周速度为W，则按图1W可分解为两个分量：

(1)切向旋转速度V B

(2)轴向前进速度U B

式中D为所讨论截面轧辊的直径，mm；n B为轧辊转速，r／min；α为前进角，(o)。

在轧制过程中，由于管坯靠轧辊带动而运动，理论上轧辊将把相应的速度传给金属，使金属产生和V b相等的切向速度V m及和U B相等的轴向速度U M。

实际上两者并不相等，因金属和轧辊之间存在滑动。两者用滑移系数来表示相差的程度。管坯(金属)实际切向和轴向速度应为：

式中分别为切向和轴向滑移系数，一般两者都小于1。

在生产中最有实际意义的是毛管离开轧辊时的轴向速度，轴向出口速度愈大，生产能力也愈高。如果代表出口处滑移系数，则按式(1)、(2)求出的V M和U M为毛管离开轧辊的切向和轴向速度。生产实践证明，凡是增加顶头和导板轴向阻力的因素，都会使减小，凡是增大轧辊曳入摩擦力的因素都会使增加。根据生产和实验测定，二辊斜轧穿孔时(出口)一般为0.5～0.9。

(3)在轧辊出口处毛管的螺距t0可由下式求出：

式中D0为管子直径，mm；α为前进角，(o)。

二辊斜轧穿孔时使管坯转动的力平衡条件用下式表示(顶头摩擦阻力矩的影响很小，忽略不计)：

式中和为切向前滑区和后滑区的摩擦力矩；M P为轧辊正压力产生的阻力矩；M L为来自导板的摩擦力矩。

图2是管坯旋转时的受力分析。

由式(3)看出，只有切向后滑区中的摩擦力矩为带动管坯旋转的力矩，而其他力矩都是阻止管坯旋转的力矩。因此，在切向上存在着较大的后滑区是实现管坯转动的必要条件。

二辊斜轧穿孔变形区中的轴向作用力如图3所示。作用在管坯轴向上力的平衡条件可用下式表示：

式中P1x，P2x为轧辊进出口锥上正压力的轴向分量；T x为轧辊上摩擦力；P Lx，T Lx为作用在导板上的正压力和摩擦力的轴向分量；Q为顶头轴向阻力。

管坯轴向运动是T x作用的结果，因为P1x和P2x值很小。其他作用力都是阻止金属轴向移动的力。T x要带动管坯作轴向移动，则T x的方向必须和金属运动方向相一致。这要求轧辊轴向速度大于金属轴向移动速度，即整个变形区或变形区中绝大部分须为后滑区，金属的轴向移动条件才能建立。

当轴向阻力增加时，如果穿孔过程还能建立，要达到新的力平衡条件，坯料的轴向移动速度必然降低。其结果是，一方面金属和轧辊之间的滑动增加，减小，导致T x增大，另一方面由于金属轴向移动速度减

小，导致每半转变形量减小，最终导致轴向力减小，因而穿孔过程还能继续进行。但当T x靠速度调节不能大于轴向阻力时或切向摩擦力矩小于转动阻力矩时，穿孔过程就不能进行，即生产中常出现的轧卡。

斜轧穿孔过程中产生全部后滑的实质，主要是顶头阻力的影响。要使穿孔过程顺利进行并减小金属和工具的滑动，提高穿孔速度，重要的是减小轴向阻力和切向阻力矩，或者增加轴向曳入摩擦力和带动坯料旋转的摩擦力矩。

据此，如果穿孔过程中加一后推力或前拉力，采用主动驱动顶头，取消导板(如带导盘二辊斜轧穿孔、三辊斜轧穿孔)，在轧辊入口锥表面上刻痕以及对顶头进行润滑等，都可改变力的平衡条件，有利于建立管坯旋转和轴向移动条件，减小滑动，强化穿孔过程并减少轧卡现象。

斜轧穿孔时的咬人条件斜轧穿孔过程存在着两次咬入。轧件和轧辊刚接触的瞬间由轧辊带动轧件运动而把轧件曳入变形区中，称第一次咬入。当金属进入变形区和顶头相遇时，克服顶头的轴向阻力而继续前进，称第二次咬入。

满足一次咬入的条件并不一定就能实现二次咬入。在生产实践中还常有二次咬入时由于轴向阻力太大，管料前进运动停止而旋转运动仍可继续的情况。

一次咬入条件如果能保证管坯旋转和随后的轴向曳入条件，第一次咬入就能实现。

使管坯旋转的条件由下式确定：

M T≥M P+M Q+M i

式中M T为使管坯旋转的总力矩，在没有附加旋转力矩时为轧辊带动管坯的旋转摩擦力矩；M P为由正压力产生的阻止坯料旋转的总力矩，称正压力作用力矩；M Q为推料机的外推力在管坯后端产生的摩擦力矩；M i为管坯旋转时的惯性矩(对轴)。

使管坯曳入的条件由下式确定：

1/2P’—Px+Tx=0

式中P’为外推力；．P x为一个轧辊作用在管坯上的正压力在x轴上投影；T x为一个轧辊作用在管坯上的摩擦力在x轴上投影。

为了把金属曳入变形区中，必须有足够的T x。正压力是阻止金属被曳入的，外推力是帮助曳入的。由于正压力的轴向分量很小，故实现一次咬入是不困难的。

二次咬入条件二次咬入时的轴向力平衡条件为：

当没有后推力时(图4)

2(T x—P x)—Q’=0

当有后推力时

2(T x—P x)—Q’+P’=0式中Q’为顶头的轴向阻力；P’为后推力。

由上两式看出，同一次咬入相比二次咬入时又增加了一个顶头阻力Q’，因此要实现二次咬入，就必须使(忽略后推力)2Tx> Q’+P x’

不难看出，T x的大小主要同顶头前压缩率有关，顶头前压缩率愈大，则一次咬入到二次咬入间金属和轧辊的接触面积也愈大，T x增大。

因此为了保证二次咬入的实现，就要有一定的顶头前压缩率，因此顶头前压缩率是一个重要的变形参数。生产中得出，在二辊穿孔机上为实现二次咬入，顶头前压缩率一般不应小于4%。

增大T x的措施，一是减小轧辊入口锥角(同时可减小P x)；二是加大顶头前压缩率；三是增大金属和轧辊间的摩擦系数。减少顶头阻力的办法是减小顶头鼻部的半径及造成有利于减小Q’的顶头前管坯中心的应力状态。

正确调整顶头位置是很重要的，因为当压缩带的压缩率一定时，改变顶头位置则顶头前压缩率即发生变化。生产中当二次咬入不好时常把顶头向后移，以适当加大顶头前压缩率或采用定心的管坯等。二次咬入时不希望轧件和导板相接触，避免增加轴向阻力。在生产中还有影响二次咬入的其他因素，应根据不同情况进行具体分析。从理论上讲，凡利于增大T x的因素都有利于二次咬入，凡增大P x和Q’的因素都不利于二次咬入。

斜轧穿孔时金属的变形和流动斜轧穿孔过程中存在着两种变形，即基本变形(宏观变形)和附加变形(不均匀变形)。基本变形是指外观的形状的变化，即可直接观察到的宏观变形，与材料性质无关。附加变形指的是材料内部的直接观察不到的变形，是由金属的内应力引起的。

基本变形由一个实心圆坯料穿成一个空心坯(毛管)的过程中，宏观变形包括延伸变形(伸长)、周向变形(直径变化)和径向变形(壁厚压缩)。沿变形区长度上各断面3个方向的变形分布如图5所示。