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什麼是鋼管張力减徑變形原理

什麼是鋼管張力减徑變形原理?

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關於管材帶張力無芯棒連軋的運動學、金屬流動、减徑量分配和孔型設計、尺寸精度控制、力能參數等的基本理論。

張力减徑機運動學

連軋機工作的基本條件是各機架秒體積流量相等即:

  • FiVi=const

式中Fi為任一機架管材截面積;Vi為相應機架管材出口速度。

對理想過程的偏差,可用係數C來表示:

  • Ci+1=(Fi+1Vi+1-FiVi / Fi+1Vi+1

當C>0時機架間將產生張力。但這並不意味著帶張力連軋過程是違反各架秒流量相等的原則,這是因為帶張力减徑時在軸向力作用下金屬縱向流動阻力减小,導致管壁减薄傾向比無張力時大,管子的斷面積(Fi+1)將减小,最終仍可保持相鄰機架秒流量相等。這就是張力减徑機可實現大變形量(减徑又减壁)的基本原理。

張力值的選擇 張力值的大小以張力係數Z表示。張力係數是縱向應力σ1和金屬的變形抗力Kf之比。

平均張力係數Z對一個機架來說等於前後張力係數的平均值。

張力值的大小問題實質上是一個减壁量問題。Z值一般應在0.5~0.8之間。

最大張力係數除了要受避免管子被拉斷的限制外,還受管子與軋輥間摩擦係數的限制。

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圖1示出一個機架上軸向力的平衡關係。在軋製軸線上作用有Px(垂直壓力的軸向分量)、前張力q後張力qH以及軸向摩擦Pf,而平衡條件是:

  • q+Pf-qH-Px=0

由於機架前後張力q及qH分別與减徑前後管子截面積成正比,减徑量愈大,减徑前後管子截面積之差愈大,則q和qH之差也愈大。這樣Pf=T為一正值,即摩擦力方向同軋輥旋轉方向相一致,减徑過程可以實現。如果q+Pf<qH+Px則减徑過程不能實現。

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圖2給出了最大摩擦係數下管子外徑、張力係數與减徑率的關係。

此外,最大張力係數Zmax值還受到一些工藝因素的影響,有時Z<0.8時,在生產中還可能產生拉斷現象,如Kf值選得不準確,溫度不均等。張力係數一般都是由經驗來選取的。

軋輥轉速的確定 準確地計算軋輥轉速不論對張力减徑機設計或者張力减徑生產都是必要的。

在設計張力减徑機時,須對各種產品規格進行綜合轉速計算,或者為了簡略起見,選擇具有代表性的幾種規格進行轉速計算,然後分別畫出轉速曲線(圖3)。根據轉速曲線確定電機調速範圍。代表性規格指的是按最大張力進行减徑的規格、按最小張力或推力進行减徑的規格和用少數機架即短系列生產的規格。現時採用液壓一差動傳動的張力减徑機的調速範圍一般為±30%,即若同一機架的最大速度與最小速度之比用R來表示,則R=1.3/0.7=1.86。對單獨傳動的張力减徑機,調整範圍±50%,R=1.5/0.5=3。

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機架號縱坐標:n/r.min-1
    圖3各架軋輥轉速分佈曲線
1-調速+30%;2-基本轉速;3-調速-30%

在確定轉速時,要涉及到單架减徑率、單架减壁率、張力和工作直徑等。

影響單架减徑率ΔD/D的决定因素是D/S。早期二輥張力减徑機單架减徑率可達14%~17%,但現代减徑機的單架减徑率一般在6%~9%左右。對於通常的D/S(為10~20),當入口管徑小於100mm時,取ΔD/D=7%~9%,當入口管徑大於100mm時(例如等於150~180mm時),則取ΔD/D=6%。

單架减壁率ΔS/S實質上是一個張力值大小的問題。由於Zmax=0.8,這一數值也就决定了最大减壁率的極限值。根據金屬流動規律,减壁率大小又與减徑率有一定關係。

雖然尚不能建立單架减壁率與單架减徑率間精確的定量關係式,但是可用下列方法確定總减徑率與最大總减徑率之間的定量關係。

(1)諾伊曼(F.Neumann)的計算方法。當總减徑率為25%~30%時,不可能有减壁率,總减徑率為50%~60%時,可能的總减壁率為總减徑率的1/4~1/3。當總减徑率高達70%以上時,可能的總减壁率為减徑率的40%。

(2)羅德爾(W.Rodder)的經驗曲線(圖4)。

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縱坐標:减壁率/%橫坐標:减徑率/%   圖4  總减徑率和减壁率的關係圖
    1理論最大值;2實際值

(3)義大利因諾森蒂(Innocenti)公司的經驗式:

  • 當ΔD/D≥50%時△S/S=(ΔD/D-13%)×0.55
  • 當ΔD/D<50%時△S/S=(ΔD/D-16%)×0.55

在ΔD/D已定時,則可確定所能達到的最大减壁率。

用以上(2)、(3)兩種方法計算所得的結果相近。

轉速計算方法的理論基礎是各架金屬秒流量相等:

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式中Dk為軋輥工作直徑;nB為軋輥轉速;D為管子外徑;S為管子壁厚;b為孔型高度;y為係數。

上式說明任一架的轉速為常數C被[Dki(Di-Si)Si]所除而得的商,所以計算nBi主要是確定Dki和Si

因諾森蒂公司推薦的y值如下:

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張力减徑過程中在始軋機架中由於張力漸漸升起,所以管壁有增厚現象,而在終軋機架中由於張力逐漸消失,管壁同樣也有增厚現象,囙此沿軋機長度方向壁厚的變化如圖5所示。這是張力减徑過程中壁厚的變化的一般規律。若始軋機架為2~3架,取第1架壁厚增厚,第2架壁厚不變(或稍减薄,但仍大於來料壁厚),第3架壁厚减薄(但仍大於來料壁厚)。第4架减壁,並等於中間機架的减壁量。始軋機架壁增厚或减薄值一般在0.03~0.08mm範圍內。

若終軋機架為3架,取成品機架有增厚(或壁厚不變),成品前架也是增厚,成品前第2架有增厚或减薄。終軋機架的增厚或减薄值一般在0.01~0.03mm範圍內,一般是成品前第2架或第3架的管壁最薄。

中間機架的平均减壁率(%)按下式計算:

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圖5各架壁厚分佈示意圖

張力减徑時金屬流動的基本方程式  分析張力减徑的金屬流動多用西貝爾(E.Siebel)和韋伯(E.Weber)提出的塑性理論,這是因為管子减徑過程和鋼管空拔很相似。但由於也存在著差异,僅能給出定性分析。

西貝爾公式從塑性變形的基本假設出發,得出在某一方向上的對數變形φ與該方向的正應力σ和平均應力σm之差成正比,得出金屬流動的基本方程式為(圖6):

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由上式可看出,各方向的變形大小由各方向的正應力和平均應力之差值决定。

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圖6减徑時的應力分析

保羅(Paul)和格呂納(GrLiner)在西貝爾提出的方程中引入塑性變形條件:

  • σ1t=Kf

式中Kf為變形抗力,是資料單向屈服應力,相當於拉伸試驗時的屈服點,在沒有加工硬化時Kf是定值;考慮加工硬化的情况下,Kf改成平均值Kfm

假設徑向應力σr=0,則根據方程式(2)可得:

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將式(3)和(4)代入式(1),再用Kf除,則得到如下的比例等式:

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式中Z=σ1/Kf即張力係數。

由式(5)可明顯看出張力係數的作用,即在不同作用下金屬流動的情况有以下3種:

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這意味著徑向壓縮時金屬一半流向長度方向(即延伸),一半流向管壁(即壁增厚)。這種應力狀態下的减徑變形,即為無張力减徑機中的鋼管變形情况,稱為對稱變形。但在一般减徑過程中,由於壁厚變化受多種外界因素影響,並非是對稱變形。

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這意味著壁厚保持不變,徑向壓縮時金屬僅向長度方向(縱向)流動,為平面變形。這種變形狀態相當於微張力减徑機變形情况。

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這時徑向壓縮的金屬和壁厚减薄的金屬以等量而長度方向上流動(即又减徑又减壁)。這是一種理想情况,因為如果σ1=Kf,鋼管將被拉斷,一般Z值不超過0.8。張力减徑相當於在後兩種情况之間,即

0.5≤Z<1

以上分析可大致給出張力對金屬流動的影響。實際上σr不等於零,囙此也不能忽略。在變形區中由入口到出口,σσtσ1均在變化著,一般認為σσ由變形區入口到出口逐漸减小,這是因為σ1由變形區入口到出口是逐漸新增的。而作用在鋼管橫斷面各環層上的σr也不相同,對於薄壁管,徑向平均應力大小可用下式表示:

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式中γ為壁厚係數

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張力减徑機减徑率的分配和孔型設計

减徑率的分配 原則是:開始的幾個機架(一般為2~3架)為張力升起機架,ΔD/D值(减徑率符號ρ)較中間機架為小;末尾的幾個機架(一般為3~4架)是張力降落機架,最後一架取ΔD/D<1%,成品前架取ΔD/D<3%,倒數成品前第二架的ρ與正常ΔD/D值的差不應大於3%。圖7為各架减徑率的典型分配。

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縱坐標:每架减徑率/%

圖7各架减徑率的分配

平均减徑率可用下式確定:

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式中n為機架總數,n-4為有效機架數目。

孔型設計 三輥張减型(圖8,)設計的基本公式如下。

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圖8三輥减徑機孔型

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圖9ζ和ρ的關係

在進行孔型設計時以上幾式是計算的基本公式。當减徑率分配已定,即ρ已知,ζ可由圖9曲線查得。當ρ和ζ已知後,則可求出α,然後由d和α求a和b。

由於上述公式中僅用ζ=bi-1/ai這一參數來考慮寬展,為了可靠,需引進一個參數λ(%):

  • λ=(ai-1-bi)/(ai-bi-1)×100

式中分子表示前一架孔型的長半徑和後一架孔型短半徑之差,即高度上的絕對壓下量△bi;分母表示後一架孔型長半徑和前一架孔型短半徑之差,即寬展量△ai。λ表示兩者之間的比例關係。

義大利因諾森蒂公司所推薦的州直如下:

20170731152054 79826 - 什麼是鋼管張力减徑變形原理

計算時有時α和λ兩個參數有衝突。通常是把λ做一個核算參數,當差异較大時應重新計算。

張力减徑管的尺寸精度

內多邊形 張力减徑和無張力减徑類似,軋製時沿孔型周邊壁厚分佈是不均勻,無張力减徑時內孔常出現多邊形。形成內多邊形的趨勢如下:

  • (1)S/D愈小,壁厚不均愈小,當S/D為0.05~0.10時內孔不圓現象幾乎不出現;
  • (2)當S/D較小時,張力大小對內孔形狀沒有多大影響,厚壁管的减徑應在微張力下工作;
  • (3)减徑量愈小,則內孔形狀愈好;
  • (4)孔型的橢圓度愈大,則內孔形狀愈差。

縱向壁厚不均 張力减徑的主要問題是產生較大的縱向壁厚不均,這是由於管子兩端所承受的張力與管子中間不同。所以軋製後管子兩端壁厚,中問壁薄,導致切頭長度新增。

切頭長度可用羅德爾公式計算:

20170731152054 17751 - 什麼是鋼管張力减徑變形原理

式中△S為减壁量;Cd為機架間距;Mε為總延伸係數。

張力减徑機的力能參數

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式中F為接觸面積,Dc為軋前軋後管徑平均值;η為估計外區對平均組織壓力的影響係數,η=1+0.9Dc/l×(S/Dc1/2;l為變形區長度;S為來料壁厚;ZH、Z為前後張力係數。

接觸面積按下式確定:

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張力减徑時的軋製力矩按下式確定:

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式中,f為金屬和軋輥間摩擦係數;P為軋製力;d為孔型直徑;Di為軋輥理想直徑;θk為工作直徑的特徵角。

前後張力造成的力矩是相反的,張力减徑時每一架的軋製力矩取決於前後張力之比值是新增還是减小。第1架和最後2~3架條件完全不同。如第1架力矩减小,這是前張力作用的結果;相反,在最後一架力矩减小是由於後張力作用力矩的新增。在中間機架中由於前後張力值相接近,軋製力矩處於穩定。

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