冷轧管机的工艺原理与轧制过程

目前，已被广泛应用的冷轧管机共分两大类型：二辊皮尔格式冷轧管机和多辊式冷轧管机。

二辊冷轧管机轧制原理及机架传动机构如图2-1、图2-2所示。

图2-1　冷轧管机轧制原理示意

1—管坯　2—芯棒　3—上轧辊　4—下轧辊　5—同步齿轮　6—齿条　7—机架

图2-2　冷轧管机机架传动机构

1.1　　二辊式冷轧管机

轧管机机架由曲柄连杆机构带动作往复运动。两个轧辊一上一下水平安装在机架中。为了使上、下两个轧辊作相反方向同步转动，在每个轧辊轴的一端，各装有一个齿数和模数均相同的齿轮，齿轮与固定在机座上的齿条啮合。如图2-1所示，在上、下轧辊的环形孔型块（或半圆形孔型块）上制作有按特定变形规率设计的孔型。当机架作往复运动时，轧辊孔型将迫使被轧管坯的直径和壁厚产生变形并形成一个完整的变形锥体。在锥体的内部置有一个按变形规律设计的锥形芯棒以保证成品管几何尺寸的精度和表面的粗糙度。为保证变形的合理性及管材的质量，在轧管机机架作往复运动的前、后极限位置处必须使管坯和芯棒旋转某个特定角度并同时将管坯向轧制方向送进一段距离（送进量）。这样，当轧管机机架作不间断的往复运动时，就可以完成对管坯的轧制。

二辊冷轧管机和多辊冷轧管机一般由以下几个主要部分组成。

（1）主电机及其传动机构

直流电机经皮带轮（或经减速机、离合器等）带动曲柄连杆机构，再通过与轧机机架相连的连杆带动轧机机架作往复运动。

（2）轧管机机架

轧管机的机架中装有轧辊轴、孔型块、轴承座和同步齿轮。机架是承受轧制力的主要部件。

（3）回转送进机构

该机构的作用是，当轧机机架运动到前、后极限位置时，将管坯和芯棒杆旋转一个规定的角度，同时还将管坯向前送进一段距离，以备下一个周期轧制。

（4）送进卡盘与床身

管坯送进卡盘的功能是夹住（或顶住）管坯，在回转送进机构及丝杠的带动下，将管坯向前送进并回转一个限定的角度。当送进卡盘在床身上走到前极限位置时将快速返回至原始位置，等待下一根管坯。

（5）芯棒卡紧装置

它的功能是将芯棒杆固定在轧制中心线上的特定位置并承受在轧制过程中产生的较大的轴向力；当机架运动至前、后极限位置时，变形锥体与轧辊脱离接触时，将芯棒杆转一个与管坯大小和方向相同的角度。必要时，还通过芯棒杆将润滑剂送入位于变形区中的芯棒表面。

（6）管坯中间卡盘和出口卡盘

当管坯送进装置已将管坯尾部送到床身的前极限位置时，需要中间卡盘和出口卡盘帮助顺利完成管坯的尾部的回转和送进，尤其是管坯较重、较长时，仅靠芯棒与变形区锥体间的摩擦力是难以准确完成管坯的回转的。此外它还具有将变形锥体保持在轧制中心线上的重要功能。

（7）进料装置

它的功能是将管坯由受料台逐根取下并放入受料槽中，然后用推料机构将其送入轧机待轧。

（8）成品出料装置

此装置包括将成品管快速拉出、在线切割成定尺和打捆的功能。在全部过程中，成品管的表面不得被擦伤。

1.2　多辊式冷轧管机

图2-3示出了多辊式冷轧管机的轧制原理。具有非变断面孔型的小直径轧辊3以其辊径支撑在按特定曲线制作的滑道4的滚动面上。

当滑道4以v1的速度向前运动，而轧辊中心以v2的速度向前运动时，由于速度差，轧辊辊径与滑道之间便产生相对滚动，同时轧辊的孔型就沿着管坯的表面向前滚动。3个（4个或5个）轧辊被装在轧棍保持架内，并均匀地分布在圆柱形厚壁套筒内，组成圆形孔型。当3个（4个或5个）轧辊同步向前滚动时，就实现了对管坯的轧制。当轧辊运动到后极限位置（图2-3a的左端）时，在回转送进机构的帮助下完成管坯的回转与送进。

图2-3　多辊冷轧管机轧制原理示意

1—芯棒　2—管坯　3—轧辊　4—滑道

滑道与轧辊轴心间的速度关系是以轧辊的轧制半径（图2-3b）沿变形区锥体表面运动时没有滑动为基础，即轧辊的轧制半径与变形区锥体表面的接触点是轧制过程中轧辊沿变形区表面滚动时的瞬时速度中心。为了保证这一必要条件，设置了摇杆系统（图2-4a）。C点与滑道（即轧管机机架）相连，D点与轧辊保持架（即轧辊中心线）相连。当轧机机架作往复运动时，轧辊中心O点与滑道间的速度关系如下。

式中　L——机架行程；

　　　Lh——轧辊相对于滑道的滚动距离；

　　　Lb——轧辊相对于变形锥体的滚动距离；

　　　Rz、RJ——轧辊的轧制半径和辊径半径；

　　　LA、LB、LC、L1——摇杆系统参数。

如图2-4b所示，轧辊之轧制半径RZ随产品规格的变化而变化，轧辊的辊径则是常数。因此每当改变产品规格时，必须改变摇杆系统中LB、LC和L1的参数，才能确保轧辊之轧制半径沿着变形锥体表面纯滚动。如果破坏了这个关系就会产生下列两种现象。

（1）轧辊沿变形区锥体表面滚动时的瞬时速度中心不在Z点处，而在E点处。此时在Z点处将会出现一个+v3的速度，也就是说，当正行程时，轧辊拉着变形锥体向前窜动。反行程时，轧辊将带着变形锥体向后推。

（2）轧辊与变形锥体间的瞬时速度中心位于F点处。此时在Z点处将出现一个-v3的速度。当正行程时，轧辊将变形锥体向后推。反行程时轧辊将变形锥体向前拉。

上述两种情况的出现，对于管材顺利轧制都是很不利的。此时，管材的内、外表面将出现明显的擦伤、横向波纹，轧辊和滑道会严重磨损。更严重的是，当轧制薄壁管时，两根管子的接头处会出现严重的插头，形成叠轧，使轧管机的负荷急剧增加，造成芯棒与芯棒杆断裂，生产不得不被迫停机而处理事故，由此造成人力、材料和能源的重大损失。

多辊式冷轧管机的组成与二辊冷轧管机的组成基本相同。

2.1　主电机及其传动机构

LD-30和LD-60轧管机均采用直流电机传动，经皮带轮、小齿轮、偏心齿轮和大连杆与轧机机架相连，带动轧机机架作往复运动以实现轧制。摇杆系统示于图2-4。

图2-4　摇杆系统示意

LD-8和LD-15轧管机的主传动机构如图2-5所示。其大连杆的一端与偏心轮连结于O2点，而另一端与摇杆的延长线上的O3点连结。当偏心轮连续转动时，通过大连杆带动摇杆摆动并经其一端与摇杆上的A点相连，另一端与机架上的斜支座上的C点相连的拉杆AC带动轧机机架作往复运动以实现轧制。

图2-5　LD-8和LD-15摇杆系统示意

2.2　冷轧管机的主要参数及选择

目前世界各国生产高质量、高精度的冷轧管材主要采用的是二辊皮尔格（Pilger）式和多辊式冷轧管机。这类轧管机采用的是纵向轧制的方法，所生产的冷轧管材以其优越的特性吸引了科学技术各个领域的广泛重视。

2.2.1　二辊式和多辊式冷轧管机的特点

（1）经过冷轧的管材精度高，冷轧对于原始管坯壁厚偏差纠偏能力较强，几何尺寸精确，其精度可达到H7-H8。

（2）表面质量好，一般情况下表面粗糙度可达Ra=0.2～0.8。

经过冷轧的管材的金属组织晶粒细密，管材机械性能和物理性能均较优越，机械强度和抗腐蚀性能显著提高。

（3）采用大变形量轧制，减少加工道次，与冷拔法相比，道次变形量较大，可达70%～85%；采用冷轧法生产管材可大量减少中间工序，如：热处理、酸洗、打头、矫直等，减少了金属材料、燃料、电能和其他辅助材料的消耗，减少人力的浪费，还降低了设备的总占地面积。

（4）用冷轧方法可生产薄壁和极薄壁、内外表面无划痕的优质管材；可获得薄壁和特薄壁的管材，直径与壁厚之比可达50∶1～200∶1。

（5）可轧制变断面的管材，它具有很高的强度和较轻的重量。

（6）采用冷轧法可轧制的材质有碳钢、高合金钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、低塑性高温合金、铜及其合金、铝及其合金等有色金属，以及钛及其合金、锆、钨、钼、钽、铌等稀有金属。

（7）用冷轧方法不仅可生产圆形管材，可以轧制三角形、正方形、矩形、椭圆形、六角形、锥形及不等壁厚的管材，而且还可以轧制内、外表面有不同高度的带筋管。

（8）用冷轧方法生产管材之所以被广泛使用并且范围不断扩大的另一个很重要的原因是：成品率很高。用冷轧管材可大量节省原材料，节省加工工时，降低产品的成本，提高产品的性能，提高产品的质量。

因为冷轧管材的一系列突出特点，其应用范围愈加广泛。冷轧管已不再是刚刚出现时仅用于制作高尔夫球杆，而今已在国民经济主要领域、愈来愈多的工业部门广为采用，如：汽车、拖拉机、航空、航天、无线电电子、石油、铁路交通、高速列车、汽轮机、发电机、热电站、原子能电站、医疗器械等等。

目前，国外设计制造冷轧管机的国家屈指可数，各国都有自己的系列标准，不仅仅用于各自的国内需要，也用于出口。参见表2-1、表2-2、表2-3。

表2-1　德国的冷轧管机系列

2.2.2　冷轧管机的主要参数及其选择

冷轧管机在金属压力加工的工艺中的作用愈来愈重要。它牵涉的领域愈来愈广，如：圆形、方形、六角形、椭圆形、锥形、带内筋、带外筋和带螺旋筋等的管材，必须根据不同的技术要求设计制造最新型的冷轧管机。为此必须慎重选择冷轧管机的适当参数，以满足不同轧制管材的使用要求。

表2-2　俄罗斯二辊冷轧管机系列

表2-3　俄罗斯多辊冷轧管机系列

1）冷轧管机的主要参数

（1）轧辊的直径；

（2）同步齿轮的节圆直径；

（3）轧机机架的行程长度；

（4）连杆长度；

（5）曲柄半径；

（6）主传动机构错距；

（7）轧机行程中变形段与空行程段的比值；

（8）轧辊孔型上各段的转角；

（9）管坯的送进量；

（10）管坯的转角；

（11）机架的速度；

（12）轧机的运行方式。

2）冷轧管机主要参数的选择

（1）轧辊直径的选择

选择轧辊直径基于如下几个因素。

①轧辊的强度；

②被轧金属与轧辊孔型表面允许的滑动值；

③在结构上轧辊的滚动轴承或其他类型轧辊的支撑点的合理性与可靠性；

④获得已设定的成品管壁厚的可能性（即最薄壁厚）；

⑤轧机机架运动部分的重量。

在上面的各项因素中，当增加轧辊直径时，具有正面效应，但另一部分则是负面效应。

因为对于每一种规格的轧机均有一个最佳的轧辊直径。

当增加轧辊直径时，垂直轧制压力增加。尽管如此，轧辊中的应力却在减小，因为此时轧辊的抗弯力矩增加的幅度较大（与垂直轧制压力的增加相比）。

（2）同步齿轮半径

同步齿轮半径RTB如下式：

式中　Ro——轧辊辊身半径，mm；

　　　RT——成品管半径，mm。

滑移系数：

最大许用滑移量不应超过15%～20%。如果继续增加此值，那么将会导致孔型的快速磨损。

制约轧辊直径选择的另一个重要因素是：轧机所能轧制的管材的最薄壁厚。按ВВНосаль公式，轧辊直径：

式中　TCmin——成品管最薄壁厚，mm；

　　　f——摩擦系数，f=0.2～0.3；

　　　σs——屈服极限，kg/mm2（采用轧制前和轧制后屈服极限的平均值，因为轧制过程中产生硬化）。

（3）机架的行程长度的选择

轧机机架的行程长度是轧辊直径的函数。在轧机上孔型的形状受到轧辊回转角度的制约，因此也就决定了机架的行程长度。

机架的行程由空转部分和变形锥体组成，因此其行程长度不应超过同步齿轮节圆周长。

（4）变形区锥体的平均锥度

变形区锥体的平均锥度：

式中　DP——管坯直径，mm；

　　　Dc——机架行程长度，mm；

　　　Lxc——机架行程长度，mm。

一般情况下，RPj=0.05～0.06 mm。

（5）一个行程中被轧金属的体积与行程长度的比值

轧管机的规格愈大此比值就愈大，而且与轧制成品的最大直径成正比。因此，希望尽可能加长机架的行程，这样可以减小瞬时变形区中的压下量，增加轧制的次数和均整的次数，采用较小的芯棒锥度。

但，不要忘记，增加机架的行程后，轧机的主传动的动载荷将急剧增加。

（6）同步齿轮直径的选择

最理想的情况是，在金属的变形过程中的轴向力（作用在管坯上的轴向力）及金属的滑动应尽可能最小，这就必须使轧辊的孔型的轧制半径与同步齿轮的节圆半径相重合。要做到这一点，在目前是不可能的。主要的原因是轧制半径是个变量。

①П.Т.Емельяненко 确定同步齿轮直径的公式（此公式的优点是简单）：Rz=Ro～0.7Rx

式中　Rz——轧辊的轧制半径，mm；

　　　Ro——轧辊的辊身半径，mm；

可用最大管坯直径和成品管直径的算术平均值。

②比较合理的公式是Ю.Ф.Шевакн公式，其出发点是在轧制过程中使之不产生轴向力。

对于正行程：

对于反行程：

在粗略计算时，可取 λ1=1.9～2.2，λ3=1.6～1.8。

式中　RTB——同步齿轮半径，mm；

　　　h——孔型的深度，mm；

　　　Rd——孔型底部的半径，=Ro～Rx，mm；

　　　Δtx′——正行程的实际壁厚压下量，mm；

　　　Δtx"——反行程的实际壁厚压下量，mm；

　　　tx——计算断面上的壁厚，mm；

　　　Rx——计算断面上的孔型半径，mm；

　　　Bx——计算断面上的孔型宽度，mm；

　　　ΔBx——计算断面上的孔型开口量，mm；

　　　Kfo——正行程时的孔型充满系数，=1.0～0.5；

　　　Kf3——反行程时的孔型充满系数，=0.75；

　　　ε1——轧制压力的合力与水平分力的夹角，（°）；

　　　f——摩擦系数。

若上述公式是真实的，则：RTB≥Rd。

（7）曲柄半径、连杆长度、错距

机架的行程与曲柄半径、错距的关系如下：

式中　Lxc——机架行程，mm；

　　　L——连杆长度，mm；

　　　R——曲柄半径，mm；

　　　e——错距，mm。

连杆长度对主传动系统中惯性力的影响较大，当减小连杆长度时，连杆与水平线间夹角β将增大，这对于受力状况十分不利。

经分析认为，不论何种规格轧机，应遵循如下关系：

L=（6～6.2）R

2.2.3　我国第一个二辊和多辊冷轧管机主参数系列标准

我国自行设计和制造冷轧管机始于1960年。按国际较通用的优先数列中的R5和R10进行充分的分析并参照国外的经验于1963年8月在洛阳的一机部和冶金部联合召开的6130、6140工程审查会议上制定了我国第一个二辊和多辊冷轧管机主参数系列标准及冷拔管机的主参数系列标准。

（1）规定我国冷轧管机的名称

二辊冷轧管机统称LG型。

例：LG-60表示二辊周期式冷轧管机，最大成品管外径为60mm。

多辊式冷轧管机统称LD型。

例：LD-60表示多辊式冷轧管机，最大成品管外径为60mm。

（2）确定了我国冷轧管机的主参数系列。

我国第一个冷轧管机的主参数系列标准见表2-4。

我国第一个冷拔管机的主系参数系列标准如下：LB-0.5、LB-1、LB-3、LB-5、LB-10、LB-20、LB-30、LB-50、LB-75、LB-100、LB-150。

表2-4　我国冷轧管机的主参数系列

注：括号中的规格为根据需要来开发。

LB——表示冷拔机，数字表示冷拔机吨位。

数字——冷拔机最大拉拔力，吨。如LB-20，最大拉拔力为20吨的拉拔机。

（3）多辊冷轧管机的设计和制造

为了集中精力搞好LG型和LD型两种型号冷轧管机的开发工作，我国集中了一大批工程技术人员，用了近三年的时间，完成了LG-30、LG-55、LG-80、LG-120、LG-150、LG-200 六种规格二辊和 LD-8、LD-15、LD-30、LD-60四种规格多辊冷轧管机的设计和制造，并相继交付使用。

（4）我国冷轧管机主参数系列标准重新修定

1991年，根据多年的使用经验，中国重型机械研究院（原西安重型机械研究所）重新修定了我国冷轧管机主参数系列标准。标准号为：JB/T5786-91。按该标准，进一步明确了冷轧管机型号、规格的表示方法：

LG——二辊式冷轧管机

LD——多辊式冷轧管机