第17章斜轧原理与工具设计

2025/4/171钢管生产理论与工艺东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室高秀华2025/4/172第17章斜轧原理与工具设计2025/4/173主要内容斜轧变形区及其参数斜轧过程运动学斜轧过程时轧件的变形斜轧穿孔咬入条件斜轧穿孔时轧制压力和轧制力矩斜轧工具设计2025/4/174第一节斜轧变形区及其参数一、斜轧变形工具轧辊顶头导板（导盘）2025/4/175一、斜轧变形工具1、轧辊入口锥（曳入锥）：咬入管坯，并实现管坯穿孔；出口锥（辗轧锥）：实现毛管减壁、平整毛管表面、均匀壁厚、规圆毛管；轧制带（压缩带）：从曳入锥到辗轧锥的过渡作用。2025/4/1762025/4/1772025/4/178一、斜轧变形工具2、顶头鼻尖：穿孔时对准管坯定心孔，防止穿偏、给管坯中心施加一个轴向压力，防止过早形成孔腔；穿孔锥：穿孔、减壁；平整段（均壁锥）：均壁、平整毛管内表面反锥：防止毛管脱出顶头时产生内滑伤；平衡作用。2025/4/1792025/4/1710一、斜轧变形工具3、导板入口斜面：导入管坯；出口斜面：导出管坯并限制毛管扩径；过渡带：两个斜面间的过渡作用。斜轧穿孔的孔型：由轧辊、顶头和导板构成的环形封闭孔型。2025/4/17112025/4/1712二、变形区定义：纵截面由圆到环形的两个小底相接的锥体构成的；变形区划分：曳入区：定义：作用：实现一次咬入；增加接触面积，增加摩擦力，提高曳入力为二次咬入创造条件；压缩管坯直径；2025/4/17132025/4/17142025/4/1715二、变形区穿轧区：定义：作用：穿孔；压缩管坯壁厚；扩大内径；二次咬入；2025/4/1716二、变形区均整区：定义：作用：均匀壁厚；平整毛管内外表面；规圆区：定义：作用：规圆毛管2025/4/1717与变形区有关的参数和轧机调整参数斜轧穿孔过程：

管坯经过穿孔准备、二次咬入和穿孔毛管减壁、平整内外表面和均匀壁厚以及规圆等轧制变形，而获得要求尺寸的钢管。与变形区有关的参数和轧机调整参数轧制线：管坯－毛管中心运行的轨迹；轧机中心线：穿孔机安装调整时固有的中心线；送进角：轧辊轴线和轧制线两者在包含轧制线并以轧辊调整回转中心到轧制线的垂直距离为法线的平面上投影的夹角。2025/4/1718与变形区有关的参数和轧机调整参数辗轧角：轧辊轴线和轧制线两者在包含轧制线和轧辊调整回转中心到轧制线的垂直距离在内的平面上投影的夹角。轧辊距离：两个轧辊轧制带之间的距离。导板距离：两个导板过渡带工作面的间距。孔型椭圆系数：导板距离与轧辊距离之比。管坯直径总压下量和管坯直径总压下率：2025/4/1719与变形区有关的参数和轧机调整参数顶头前伸量：顶头顶尖伸出轧辊轧制带中心线的距离；顶头前压下量：顶头前压下率：2025/4/1720与变形区有关的参数和轧机调整参数顶杆位置：在轧制线方向轧辊后端面与顶头后端面的间距；导板偏移量：轧辊轧制带中心到导板过渡带中点距离；导板接触滞后量：从轧件与轧辊接触点到轧件与导板接触点间距离。毛管扩径量：外径：内径：2025/4/1721第二节斜轧过程的运动学一、轧件旋转前进的原因

两个轧辊同向旋转；轧辊轴线与轧制线有一个交角二、基本概念回转中心：调整送进角时，轧辊围绕旋转的点。回转轴：该中心向轧制线的垂线。轧辊主平面：回转轴与轧辊轴线组成的平面。轧制主平面：回转轴与轧制线组成的平面。2025/4/1722第二节斜轧过程的运动学二、基本概念主垂直平面：垂直回转轴包括轧制线在内的平面。送进角：轧辊轴线与轧制线在主垂直面上投影的夹角。碾轧角：轧辊轴线与轧制线在轧制主平面上的投影的夹角。2025/4/17232025/4/1724OxO1O2AABBAABBUxUxsinωxUxcosωxUxsinωxUxsinωxsinΨxUxsinωxcosΨxUxcosωxcosβcosΨxUxz=UxcosωxUxcosωxcosβUxcosωxsinβUxx=UxcosωxsinβUxcosωxcosβUxcosωxcosβcosΨxUxcosωxcosβsinΨx-UxsinωxsinΨxUxy=UxsinωxcosΨx+UxcosωxcosβsinΨxZYx2025/4/17252025/4/1726第二节斜轧过程的运动学三、轧辊切线速度在轧件轴向、径向、切向的分速度2025/4/1727第二节斜轧过程的运动学三、轧辊切线速度在轧件轴向、径向、切向的分速度2025/4/1728第二节斜轧过程的运动学四、切向和轴向滑动系数和轧件在X点分速度2025/4/1729第二节斜轧过程的运动学五、斜轧运动学几个参数：轧件转速：单位螺距：轧件每被加工一次前进的距离2025/4/1730第二节斜轧过程的运动学五、斜轧运动学几个参数：单位压下量：轧件每被轧辊加工一次的径向压下量，即前进一个单位螺距的径向压下量。曳入区：穿轧区孔喉前：穿轧区孔喉后：2025/4/17312025/4/1732第二节斜轧过程的运动学六、轴向滑动系数的提高办法加大送进角；降低轧辊转速；加大辊径；减小入口辊面对轧制线的张角；降低延伸系数；增加顶头前径缩率；采用顶头润滑剂；以主动旋转导盘代替导板。2025/4/173313242025/4/1734第三节斜轧穿孔时轧件的变形一、斜轧穿孔时的基本变形纵向（轴向）：绝对变形：伸长量相对变形：真变形：变形系数：延伸系数2025/4/1735管坯毛管长度：Lp外径：Dp壁厚：Dp/2平均管径：Dp/2长度：Lm外径：Dm壁厚：δm平均管径：Dm-δm2025/4/1736第三节斜轧穿孔时轧件的变形一、斜轧穿孔时的基本变形横向（切向）：绝对变形：平均扩径量相对变形：真变形：变形系数：平均扩径系数2025/4/1737第三节斜轧穿孔时轧件的变形一、斜轧穿孔时的基本变形径向（壁厚）：绝对变形：减壁量相对变形：真变形：变形系数：减壁系数2025/4/1738第三节斜轧穿孔时轧件的变形二、附加变形纵向剪切变形：定义：指内外层金属沿轴向产生附加的相互剪切变形；表示方法：管壁金属纤维某点的切线与管壁垂线的夹角；产生原因：由于顶头轴向阻力造成的，一方面表面变形；另一方面顶头阻止金属轴向流动；危害：使毛管内外表面层很容易出现缺陷，如穿孔低塑性高合金管时的横裂缺陷。措施：通过顶头正向驱动或顶头加润滑剂方法。2025/4/1739穿孔时金属的纵向剪切变形2025/4/1740第三节斜轧穿孔时轧件的变形二、附加变形横向剪切变形：定义：指内外层金属沿横向产生附加的相互剪切变形；表示方法：某纤维在0.5壁厚处的切线与过该点的径向线之间的夹角；产生原因：内外层金属横向角速度不一；

危害：可能产生纵裂、折叠、分层等缺陷；

措施：减小椭圆度、顶头正向驱动、顶头加润滑剂2025/4/17412025/4/1742第三节斜轧穿孔时轧件的变形二、附加变形扭转变形：定义：指在变形区中，管坯－毛管各截面间产生相对角位移；

表示方法：所测截面相对角其原始位置的转角；产生原因：在变形区中管坯－毛管各截面间角速度不一致而引起的；

危害：管坯上的纵向裂纹经穿孔后形成螺旋形的外折叠；措施：采用主动驱动顶头，提高顶推力、提高送进角2025/4/17432025/4/1744第三节斜轧穿孔时轧件的变形二、附加变形塑性弯曲变形：定义：在变形中毛管管壁反复弯曲；表示方法：反复弯曲次数；产生原因：在穿孔中孔型和毛管均有椭圆度，每旋转一周产生2m次反复塑性弯曲；危害：表面质量下降，增加变形能耗，产生疲劳裂纹；措施：减小椭圆度、提高送进角，减少压缩次数。2025/4/1745第三节斜轧穿孔时轧件的变形三、斜轧实心圆坯的应力-变形状态－－孔腔形成机理)孔腔形成：定义:指斜轧（横轧、横锻）实心工件过程中，金属内部产生的纵向内撕裂（或称旋转横锻效应）。两种情况：中心孔腔和环形孔腔。2025/4/1746（a）切应力理论（b）正应力理论（c）综合应力理论2025/4/1747第三节斜轧穿孔时轧件的变形三、斜轧实心圆坯的应力-变形状态－孔腔形成机理孔腔形成原因：外端的影响：表面变形：2025/4/17482025/4/1749第三节斜轧穿孔时轧件的变形三、斜轧实心圆坯的应力（变形状态－－孔腔形成机理临界径缩率：定义：斜轧穿孔时刚刚出现撕裂时的压下率。2025/4/1750第四节斜轧穿孔时轧件的变形影响临界径缩率的因素送进角单位压下量椭圆度提高临界径缩率的方法增大送进角增大单位压下率增加顶头前伸量，增加轴向阻力减小椭圆度减小变形区长度2025/4/1751第四节斜轧穿孔的咬入条件一、斜轧穿孔时咬入特点轧件必须旋转和前进；有两次咬入；实现咬入必需满足纵向力平衡条件和切向力矩平衡条件。二、第一次咬入前进条件：管坯轴向力的平衡条件，即轴向力要大于轴向阻力；旋转条件：管坯旋转力矩平衡条件，即管坯旋转力矩大于旋转阻力矩。2025/4/1752第四节斜轧穿孔的咬入条件二、第一次咬入曳入条件2025/4/1753第四节斜轧穿孔的咬入条件三、改善第一次曳入条件增加摩擦力；减小轧辊入口锥辊面锥角；增大轧辊直径；增加轧辊数目；轧件与轧辊接触宽度要适当；2025/4/1754第四节斜轧穿孔的咬入条件四、第二次咬入2025/4/1755第二次咬入时轧件与工具接触表面的受力分析2025/4/1756第四节斜轧穿孔的咬入条件五、斜轧穿孔的最佳工艺条件应使顶头前实际径缩率满足以下条件，做到既顺利咬入，又保证穿孔件不过早出现孔腔：2025/4/1757第五节斜轧穿孔时轧制压力和轧制力矩一、斜轧穿孔时的轧制力面积计算2025/4/17582025/4/1759第五节斜轧穿孔时轧制压力和轧制力矩平均单位压力计算2025/4/1760第五节斜轧穿孔时轧制压力和轧制力矩二、斜轧穿孔力矩轧制力矩、顶头的附加阻力矩、导板的阻力矩。2025/4/17612025/4/1762对曼乃斯曼穿孔机：穿制薄壁管穿制厚壁管对菌式二辊斜轧穿孔机对桶式三辊斜轧穿孔机对二辊斜轧延伸机对二辊斜轧均整机2025/4/1763第六节斜轧工具设计对工具设计的要求咬入条件好，过程进行顺利；钢管笔直，表面质量好，几何尺寸符合要求；单位能耗小，轧机符合允许范围内；工具寿命高，磨损均匀；机组生产率高；－－－高产、优质、低消耗2025/4/1764第六节斜轧工具设计一、穿孔机轧辊设计1、轧辊直径：咬入条件、提高穿孔效率、校核轧辊强度大型取下限、小型取上限2025/4/17652025/4/1766第六节斜轧工具设计一、穿孔机轧辊设计2、辊身长度：辊身长度L应比要求的最长变形区大100~200mm，一般辊身长约为最大辊径的0.55~0.70，新轧机有加长的趋势，多在上限。2025/4/1767第六节斜轧工具设计一、穿孔机轧辊设计3、辊面锥角：等径穿孔：扩径穿孔：2025/4/1768第六节斜轧工具设计一、穿孔机轧辊设计4、辊端圆角：5、轧辊材质：轴：40Cr、45Cr辊套：55、50Mn、65Mn锻钢或铸钢硬度：即有利于咬入、又又耐磨性2025/4/1769第六节斜轧工具设计二、顶头设计1、顶尖2、穿轧锥：3、顶头直径：4、平整段:5、反锥：非更换式：更换式：2025/4/17702025/4/1771第六节斜轧工具设计二、顶头设计1、顶头材质：顶头材料要求具有良好的高温强度和耐磨性；良好的导热性；耐激冷激热性。目前常