2025/4/171鋼管生產理論與工藝東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室高秀華2025/4/172第17章斜軋原理與工具設計2025/4/173主要內容斜軋變形區及其參數斜軋過程運動學斜軋過程時軋件的變形斜軋穿孔咬入條件斜軋穿孔時軋制壓力和軋制力矩斜軋工具設計2025/4/174第一節斜軋變形區及其參數一、斜軋變形工具軋輥頂頭導板（導盤）2025/4/175一、斜軋變形工具1、軋輥入口錐（曳入錐）：咬入管坯，并實現管坯穿孔；出口錐（輾軋錐）：實現毛管減壁、平整毛管表面、均勻壁厚、規圓毛管；軋制帶（壓縮帶）：從曳入錐到輾軋錐的過渡作用。2025/4/1762025/4/1772025/4/178一、斜軋變形工具2、頂頭鼻尖：穿孔時對準管坯定心孔，防止穿偏、給管坯中心施加一個軸向壓力，防止過早形成孔腔；穿孔錐：穿孔、減壁；平整段（均壁錐）：均壁、平整毛管內表面反錐：防止毛管脫出頂頭時產生內滑傷；平衡作用。2025/4/1792025/4/1710一、斜軋變形工具3、導板入口斜面：導入管坯；出口斜面：導出管坯并限制毛管擴徑；過渡帶：兩個斜面間的過渡作用。斜軋穿孔的孔型：由軋輥、頂頭和導板構成的環形封閉孔型。2025/4/17112025/4/1712二、變形區定義：縱截面由圓到環形的兩個小底相接的錐體構成的；變形區劃分：曳入區：定義：作用：實現一次咬入；增加接觸面積，增加摩擦力，提高曳入力為二次咬入創造條件；壓縮管坯直徑；2025/4/17132025/4/17142025/4/1715二、變形區穿軋區：定義：作用：穿孔；壓縮管坯壁厚；擴大內徑；二次咬入；2025/4/1716二、變形區均整區：定義：作用：均勻壁厚；平整毛管內外表面；規圓區：定義：作用：規圓毛管2025/4/1717與變形區有關的參數和軋機調整參數斜軋穿孔過程：

管坯經過穿孔準備、二次咬入和穿孔毛管減壁、平整內外表面和均勻壁厚以及規圓等軋制變形，而獲得要求尺寸的鋼管。與變形區有關的參數和軋機調整參數軋制線：管坯－毛管中心運行的軌跡；軋機中心線：穿孔機安裝調整時固有的中心線；送進角：軋輥軸線和軋制線兩者在包含軋制線并以軋輥調整回轉中心到軋制線的垂直距離為法線的平面上投影的夾角。2025/4/1718與變形區有關的參數和軋機調整參數輾軋角：軋輥軸線和軋制線兩者在包含軋制線和軋輥調整回轉中心到軋制線的垂直距離在內的平面上投影的夾角。軋輥距離：兩個軋輥軋制帶之間的距離。導板距離：兩個導板過渡帶工作面的間距。孔型橢圓系數：導板距離與軋輥距離之比。管坯直徑總壓下量和管坯直徑總壓下率：2025/4/1719與變形區有關的參數和軋機調整參數頂頭前伸量：頂頭頂尖伸出軋輥軋制帶中心線的距離；頂頭前壓下量：頂頭前壓下率：2025/4/1720與變形區有關的參數和軋機調整參數頂桿位置：在軋制線方向軋輥后端面與頂頭后端面的間距；導板偏移量：軋輥軋制帶中心到導板過渡帶中點距離；導板接觸滯后量：從軋件與軋輥接觸點到軋件與導板接觸點間距離。毛管擴徑量：外徑：內徑：2025/4/1721第二節斜軋過程的運動學一、軋件旋轉前進的原因

兩個軋輥同向旋轉；軋輥軸線與軋制線有一個交角二、基本概念回轉中心：調整送進角時，軋輥圍繞旋轉的點。回轉軸：該中心向軋制線的垂線。軋輥主平面：回轉軸與軋輥軸線組成的平面。軋制主平面：回轉軸與軋制線組成的平面。2025/4/1722第二節斜軋過程的運動學二、基本概念主垂直平面：垂直回轉軸包括軋制線在內的平面。送進角：軋輥軸線與軋制線在主垂直面上投影的夾角。碾軋角：軋輥軸線與軋制線在軋制主平面上的投影的夾角。2025/4/17232025/4/1724OxO1O2AABBAABBUxUxsinωxUxcosωxUxsinωxUxsinωxsinΨxUxsinωxcosΨxUxcosωxcosβcosΨxUxz=UxcosωxUxcosωxcosβUxcosωxsinβUxx=UxcosωxsinβUxcosωxcosβUxcosωxcosβcosΨxUxcosωxcosβsinΨx-UxsinωxsinΨxUxy=UxsinωxcosΨx+UxcosωxcosβsinΨxZYx2025/4/17252025/4/1726第二節斜軋過程的運動學三、軋輥切線速度在軋件軸向、徑向、切向的分速度2025/4/1727第二節斜軋過程的運動學三、軋輥切線速度在軋件軸向、徑向、切向的分速度2025/4/1728第二節斜軋過程的運動學四、切向和軸向滑動系數和軋件在X點分速度2025/4/1729第二節斜軋過程的運動學五、斜軋運動學幾個參數：軋件轉速：單位螺距：軋件每被加工一次前進的距離2025/4/1730第二節斜軋過程的運動學五、斜軋運動學幾個參數：單位壓下量：軋件每被軋輥加工一次的徑向壓下量，即前進一個單位螺距的徑向壓下量。曳入區：穿軋區孔喉前：穿軋區孔喉后：2025/4/17312025/4/1732第二節斜軋過程的運動學六、軸向滑動系數的提高辦法加大送進角；降低軋輥轉速；加大輥徑；減小入口輥面對軋制線的張角；降低延伸系數；增加頂頭前徑縮率；采用頂頭潤滑劑；以主動旋轉導盤代替導板。2025/4/173313242025/4/1734第三節斜軋穿孔時軋件的變形一、斜軋穿孔時的基本變形縱向（軸向）：絕對變形：伸長量相對變形：真變形：變形系數：延伸系數2025/4/1735管坯毛管長度：Lp外徑：Dp壁厚：Dp/2平均管徑：Dp/2長度：Lm外徑：Dm壁厚：δm平均管徑：Dm-δm2025/4/1736第三節斜軋穿孔時軋件的變形一、斜軋穿孔時的基本變形橫向（切向）：絕對變形：平均擴徑量相對變形：真變形：變形系數：平均擴徑系數2025/4/1737第三節斜軋穿孔時軋件的變形一、斜軋穿孔時的基本變形徑向（壁厚）：絕對變形：減壁量相對變形：真變形：變形系數：減壁系數2025/4/1738第三節斜軋穿孔時軋件的變形二、附加變形縱向剪切變形：定義：指內外層金屬沿軸向產生附加的相互剪切變形；表示方法：管壁金屬纖維某點的切線與管壁垂線的夾角；產生原因：由于頂頭軸向阻力造成的，一方面表面變形；另一方面頂頭阻止金屬軸向流動；危害：使毛管內外表面層很容易出現缺陷，如穿孔低塑性高合金管時的橫裂缺陷。措施：通過頂頭正向驅動或頂頭加潤滑劑方法。2025/4/1739穿孔時金屬的縱向剪切變形2025/4/1740第三節斜軋穿孔時軋件的變形二、附加變形橫向剪切變形：定義：指內外層金屬沿橫向產生附加的相互剪切變形；表示方法：某纖維在0.5壁厚處的切線與過該點的徑向線之間的夾角；產生原因：內外層金屬橫向角速度不一；

危害：可能產生縱裂、折疊、分層等缺陷；

措施：減小橢圓度、頂頭正向驅動、頂頭加潤滑劑2025/4/17412025/4/1742第三節斜軋穿孔時軋件的變形二、附加變形扭轉變形：定義：指在變形區中，管坯－毛管各截面間產生相對角位移；

表示方法：所測截面相對角其原始位置的轉角；產生原因：在變形區中管坯－毛管各截面間角速度不一致而引起的；

危害：管坯上的縱向裂紋經穿孔后形成螺旋形的外折疊；措施：采用主動驅動頂頭，提高頂推力、提高送進角2025/4/17432025/4/1744第三節斜軋穿孔時軋件的變形二、附加變形塑性彎曲變形：定義：在變形中毛管管壁反復彎曲；表示方法：反復彎曲次數；產生原因：在穿孔中孔型和毛管均有橢圓度，每旋轉一周產生2m次反復塑性彎曲；危害：表面質量下降，增加變形能耗，產生疲勞裂紋；措施：減小橢圓度、提高送進角，減少壓縮次數。2025/4/1745第三節斜軋穿孔時軋件的變形三、斜軋實心圓坯的應力-變形狀態－－孔腔形成機理)孔腔形成：定義:指斜軋（橫軋、橫鍛）實心工件過程中，金屬內部產生的縱向內撕裂（或稱旋轉橫鍛效應）。兩種情況：中心孔腔和環形孔腔。2025/4/1746（a）切應力理論（b）正應力理論（c）綜合應力理論2025/4/1747第三節斜軋穿孔時軋件的變形三、斜軋實心圓坯的應力-變形狀態－孔腔形成機理孔腔形成原因：外端的影響：表面變形：2025/4/17482025/4/1749第三節斜軋穿孔時軋件的變形三、斜軋實心圓坯的應力（變形狀態－－孔腔形成機理臨界徑縮率：定義：斜軋穿孔時剛剛出現撕裂時的壓下率。2025/4/1750第四節斜軋穿孔時軋件的變形影響臨界徑縮率的因素送進角單位壓下量橢圓度提高臨界徑縮率的方法增大送進角增大單位壓下率增加頂頭前伸量，增加軸向阻力減小橢圓度減小變形區長度2025/4/1751第四節斜軋穿孔的咬入條件一、斜軋穿孔時咬入特點軋件必須旋轉和前進；有兩次咬入；實現咬入必需滿足縱向力平衡條件和切向力矩平衡條件。二、第一次咬入前進條件：管坯軸向力的平衡條件，即軸向力要大于軸向阻力；旋轉條件：管坯旋轉力矩平衡條件，即管坯旋轉力矩大于旋轉阻力矩。2025/4/1752第四節斜軋穿孔的咬入條件二、第一次咬入曳入條件2025/4/1753第四節斜軋穿孔的咬入條件三、改善第一次曳入條件增加摩擦力；減小軋輥入口錐輥面錐角；增大軋輥直徑；增加軋輥數目；軋件與軋輥接觸寬度要適當；2025/4/1754第四節斜軋穿孔的咬入條件四、第二次咬入2025/4/1755第二次咬入時軋件與工具接觸表面的受力分析2025/4/1756第四節斜軋穿孔的咬入條件五、斜軋穿孔的最佳工藝條件應使頂頭前實際徑縮率滿足以下條件，做到既順利咬入，又保證穿孔件不過早出現孔腔：2025/4/1757第五節斜軋穿孔時軋制壓力和軋制力矩一、斜軋穿孔時的軋制力面積計算2025/4/17582025/4/1759第五節斜軋穿孔時軋制壓力和軋制力矩平均單位壓力計算2025/4/1760第五節斜軋穿孔時軋制壓力和軋制力矩二、斜軋穿孔力矩軋制力矩、頂頭的附加阻力矩、導板的阻力矩。2025/4/17612025/4/1762對曼乃斯曼穿孔機：穿制薄壁管穿制厚壁管對菌式二輥斜軋穿孔機對桶式三輥斜軋穿孔機對二輥斜軋延伸機對二輥斜軋均整機2025/4/1763第六節斜軋工具設計對工具設計的要求咬入條件好，過程進行順利；鋼管筆直，表面質量好，幾何尺寸符合要求；單位能耗小，軋機符合允許范圍內；工具壽命高，磨損均勻；機組生產率高；－－－高產、優質、低消耗2025/4/1764第六節斜軋工具設計一、穿孔機軋輥設計1、軋輥直徑：咬入條件、提高穿孔效率、校核軋輥強度大型取下限、小型取上限2025/4/17652025/4/1766第六節斜軋工具設計一、穿孔機軋輥設計2、輥身長度：輥身長度L應比要求的最長變形區大100~200mm，一般輥身長約為最大輥徑的0.55~0.70，新軋機有加長的趨勢，多在上限。2025/4/1767第六節斜軋工具設計一、穿孔機軋輥設計3、輥面錐角：等徑穿孔：擴徑穿孔：2025/4/1768第六節斜軋工具設計一、穿孔機軋輥設計4、輥端圓角：5、軋輥材質：軸：40Cr、45Cr輥套：55、50Mn、65Mn鍛鋼或鑄鋼硬度：即有利于咬入、又又耐磨性2025/4/1769第六節斜軋工具設計二、頂頭設計1、頂尖2、穿軋錐：3、頂頭直徑：4、平整段:5、反錐：非更換式：更換式：2025/4/17702025/4/1771第六節斜軋工具設計二、頂頭設計1、頂頭材質：頂頭材料要求具有良好的高溫強度和耐磨性；良好的導熱性；耐激冷激熱性。目前常