二辊周期式冷轧管机在铜合金管材生产的几个工艺特征1 二辊周期式冷轧管机的应用特点周期式冷轧管机是有色金属管材生产中广泛应用的一种基本生产方法，管材按一定频率送进由芯棒和周期往复运动的孔型所组成的轧槽内，内壁在芯棒的支撑下，靠逐渐收缩的变断面孔型碾压管坯，实现减径减壁功能，如图1所示。轧制中金属受三向压应力作用，具有良好的塑性变形条件，而往复运动的孔型将周期送进的金属的塑变分散到整个有效轧程中去，最大限度地利用金属的塑性，达到用较小的轧制力实现较大加工率的目的，具有显著的微观变形，宏观积累;的效果，因而是充分发挥材料塑性的最有效的冷加工工艺方法。具有以下六个方面的显著特点：（1）道次加工率可以达到70%90%，延伸系数310，一次冷轧相当于45次拉伸，具有较高的劳动效率。特别是对于塑性低、难变形合金，是目前最为有效的铜合金管拉伸前的开坯手段。（2）可显著缩短管材加工工艺流程，减少拉伸所造成的几何废料及辅助生产时间，生产效率和成品率提高15%20%，特别是近年来以长行程、高频率、双回转双送进为代表的新型轧制设备的发展，为超长铜合金管材连续化生产奠定了技术基础。（3）在变形区内金属周向、径向压缩应力作用明显，而轴向作用力相对较小，因而可以起到显著的纠偏作用，一般轧制后管材的偏心率会比挤压偏心率下降50%以上，这是靠拉伸不可能实现的，因而可以显著提高产品的壁厚公差精度，是目前高精度薄壁铜合金管材生产的关键工艺环节。（4）轧制回程对处于轧槽中的管材具有均整碾压作用，一段金属从送进孔型到脱离孔型，处于不断变形、不断均整的过程，因而轧制管材既具有塑性变性对组织的强化作用，又具有显著提高管材表面质量及尺寸精度的作用，为高精管材抛光拉伸奠定了基础。（5）冷轧管机结构复杂、设备投资高、维护调整困难、工具制造成本高，生产效率受设备结构及调整、维护、更换工具、装料等辅助因素影响较大。（6）二辊周期式冷轧管机受轧辊孔型及运动特点的限制，轧制产品椭圆度及表面光洁度不如拉伸制品，因而二辊周期轧制一般应用于拉伸前的开坯工序。近十年来，PSW行星轧制技术业已成熟，由于PSW轧制省去了传统的热挤压工序，可以方便地实现大重量管坯连续化盘式生产，且具有节能、高效的显著优势，目前已成为塑性好、再结晶温度低的紫铜类管材开坯的主流生产工艺。但对于加工硬化快、塑性较差、再结晶温度高的铜合金管材，今后仍将以冷轧开坯生产工艺为主，但随着现代工艺技术的发展，高速度、高效率的二辊周期式冷轧管机将成为必然的发展趋势。图1 二辊周期轧机工作原理图2 高速轧机发展中的三个必须解决的技术问题衡量轧管机先进程度的关键指标是其生产效率，计算轧管机生产效率的公式如下，除去轧制根数K以外，其中：送进量m与总延伸系数和孔型的设计及行程有关；每分钟行程次数n与轧机的总体结构刚度、传动效率及机体高速运行的稳定性有关；设备利用系数与辅助用时有关。因此实现高速轧制必须解决以下重要的技术瓶颈：（其中n是每分钟双行程次数；m是送进量，mm；λ是总延伸系数；K是轧制根数；η是设备利用系数。）2.1 轧机及传动机构工作时的稳定性问题图2 传动装置运动速度对惯性扭矩的影响图3 行星曲柄机构配重及垂直配重示意图图4 垂直配重前后主传动承受的扭矩对比图5 垂直配重与行星曲柄配重轧机安装基础对比2.1.1 轧机机体的结构问题。轧机机头及曲柄、连杆机构工作时承受各种轧制力及各种附加拉弯交变应力的作用，高速轧制时其工况更为恶劣，保持轧机机头及曲柄连杆机构具有良好的结构刚度，是保证轧制平稳运行、提高轧件质量的根本要求。在设计上不应片面靠减轻轧头及附属曲柄连杆机构的重量来减少冲击动量，为提高轧制频率创造条件。与国外高速轧机相比，我国轧机机头及附属曲柄、连杆机构不是过重而是不足，这也是影响我国轧管机运行寿命及轧制质量的关键因素之一。因此作为高速轧机应在保证机头及曲柄连杆机构具有足够刚度的条件下，通过优化机头结构合理减轻重量，提高轧制频率。2.1.2 传动系统的动平衡问题。曲柄连杆机构运转时最大的问题是曲柄转动水平方向的分速度成周期性加减速，导致轧辊做直线运动时对传动系统产生巨大的冲击负荷和惯性扭矩，这种惯性冲击载荷随着轧制频率、速度的提高而迅速上升，如不加以平衡将导致产生巨大的惯性力和惯性力矩，高速轧制无法进行。低速和高速对传动系统产生的扭矩对比如图2所示。目前应用的惯性力及扭矩的平衡方法中平衡效果最好的是垂直配重法和行星曲柄配重技术，如图3所示，两者对惯性载荷及扭矩的平衡效果均可达到85%以上（如图4所示），是目前先进的平衡配重方式，其特点是惯性平衡在曲柄上，可以有效减少惯性冲击对传动轴的作用，同时这两种配重方式都可以吸收和释放动载能量的作用，可显著提高机头直线运动速度的均匀性。但两者相比垂直配重需要较深的基础，以容纳与机头重量相同的配重，而行星曲柄配重则不需要过深的设备基础，安装调节方便，如图5所示，同时由于取消了连杆使传动效率提高20%以上，是目前先进高速轧机配重的发展方向，目前已在德国皮尔格最新型的HMRK轧机及俄罗斯的新型赫伯特轧机上应用。2.1.3 轧辊受力合理分散问题。传统周期式冷轧管机轧辊两点支撑，在高速轧制过程中轧辊要承受剧烈的弹性交变负载，容易造成轧辊表面的应力疲劳，破坏孔型表面质量，而且轴承承受了全部轧制力，工况恶劣，使轧辊轴承寿命成为影响有效轧制效率的关键因素，特别是对大型轧机而言，如何改善轧辊的受力条件已成为延长工具寿命、减少轧制辅助时间、提高设备利用效率的关键一环。俄罗斯新型固定机架轧机，机头采用四辊结构，在固定机架上下滑板间运动，轧制时轧辊轴承不承担轧制力（仅承担一部分水平附加应力），轧制力通过支撑辊均匀传递到上下滑板，可以有效减少轧辊轧制时轧辊的弹性变形，提高孔型及轴承寿命，具有良好的承力结构，是目前高速重载轧机先进的辊系布置形式，可以满足稳定高速轧制的要求。2.2 合理选择轧制行程及孔型配制问题2.2.1 轧制行程与轧制频率的配比。目前所有先进轧机孔型均采用环状孔型设计，如图6所示，使轧制行程得以延长，从工艺角度提高了轧制时金属塑变的均匀性，减轻了不均匀变形程度，可显著提高送进量及加工率。但在相同的轧制频率下提高轧制行程长度，必然会增加曲柄的长度，由于传动的动力矩与曲柄长度的平方成正比，会使系统主传动动力矩急剧增长，这对大型轧机传动系统、平衡系统及曲柄连杆刚度设计提出了更高的要求，因而轧制行程的延长必须与轧制频率相匹配，才能合理提高生产效率。轧制送进量和轧制频率都是提高生产效率的重要参数，但两者存在矛盾，工艺上希望轧制行程越长越好，以提高送进量和加工率，但从轧机稳定性来考虑不希望轧制行程过长。从工艺上来看，在变形分散系数达到一定程度后，再增加轧制行程长度并无实际意义，因此设计轧制行程时，应以典型金属轧制所要求的最小变形分散系数为依据（如表1所示），在轧制频率保持较先进水平的前提下，选取合理的轧制行程长度。目前轧制行程在1000mm时变形分散系数已经达到15以上，对于铜及铜合金轧制而言已经足够用了，至于能达到什么轧制频率，取决于轧机传动、机头设计、制造水平，目前对于同类规格轧机100120次的轧制频率已经属于高速轧机的先进水平了。图6 环形孔型结构示意图表1 典型铜加工品种的最小变形分散系数合金加工率%最小变形分散系数紫铜855.5H62851014H68808555.5HSn70-173787.27.5B10708055.52.2.2 轧制孔型对轧制稳定性的影响。轧制孔型是保证轧制过程稳定性、保证轧制质量的关键环节之一。轧制力、孔型和芯棒可以按舍瓦金壁厚公式结合经验系数计算，轧制孔型压下段的展开曲线符合轧制硬化的指数规律，一般需要用计算机进行编制，对于半圆形孔型一般取11个界面计算，对于环形孔型应取2030个截面计算，以保证曲线的平滑、压下的均匀，其中尤其要注意的是开口度的选择，需要根据经验进行设计，其直接影响到轧制变形中前滑和后滑区受力状况、应变的均匀性以及产品质量。目前轧制芯棒有两种：一种是抛物线形的，一种是锥形的。抛物线形芯棒曲线变化平缓，有利于变形的均匀性，但其的脱开性差、适应规格少，因此目前基本上都是采用锥形芯棒。另一个与孔型相关的关键参数是同步齿轮的节园直径的选取，由于节园直径决定了轧制管坯的中性面位置，影响到前滑区、后滑区的分配比例，如果节园直径过大将会产生拖管;现象，如果过小会产生窜管;现象，在设计时可以根据叶美李扬年科公式或德马可经验公式估算，不同的是叶美李扬年科公式算出来的较小，而德马可公司公式算出来的大一些，对轧制的影响是：叶美李扬年科公式的节园直径导致轧辊咬入料坯时会对芯杆产生一个向后的推力，德马克公式会对芯杆产生一个拉力，由于长管坯的芯杆较长受压刚性较差，而受拉较为有利，因此采用德马克公式对轧制稳定形较为有利。2.3 回转送进机构高速轧制时回转送进机构必须具有与轧制周期良好的匹配性，送进量误差不得高于12%，在高频率下，整个轧制周期往往仅有0.6秒左右，留给回转送进的时间仅有0.05秒。因此高速轧制过程中，回转送进系统处于频繁启动-加速-减速-停止的循环中，对回转送进系统的传动和结构的可靠性提出了苛刻的要求，目前在先进的高速轧机中均采用直流调速控制凸轮-无级变速-游动丝杠送进的方式，将连续的回转运动转换为间断的回转、送进动作，使回转送进传动机构在启动、停止时减少动态转矩、降低惯性冲击，在加速时及时提高转矩和速度并保证精确的送进，以适应高速轧制的要求，有效保证回转送进系统的可靠性。3 未来二辊周期轧机的发展方向对于铜及铜合金管材生产而言，目前二辊周期轧机是关键工艺装备，其生产效率、性能的好坏直接影响企业整个生产工艺、质量控制等各个环节，随着现代信息化、自动化控制技术的发展，二辊周期轧机的装备技术含量越来越高，适于大长度管坯高效率生产的长行程、高速度、高效率、自动化的高速轧机已广泛应用于现代化生产领域，带动了整个管材生产工艺技术的变革，其最终目的是实现管材的盘式化连续生产，因此速度和效率是当前及今后二辊轧机发展的生命线，所有的技术进步和革新都是围绕这两个关键指标展开的。我国二辊轧机自20世纪80年代以来，技术发展处于缓慢发展状态，虽然引入了一些现代化、自动化的控制手段，但在高速、高效率方面一直没有取得关键的技术突破，整体技术指标还处于国际上60年代中期的水平，而且质量参差不齐，很难适应我国现代制管生产工艺的进步，造成目前管材生产企业不得不采用人海战术;，年产一万吨的管材生产企业，其轧管机配置数量多达六七台之多，因此我国二辊周期轧机未来的发展必须走高速度、高效率的道路，在总结国外高速轧管机的设计、制造技术的基础上，开发出具有我国特色的高速轧管机，才能为工艺上采用大变形加工率、增加送进量、改善轧制质量、提高生产效率奠定基础。参考文献【1】 .M.马特维也夫，.瓦特金.轧管机轧辊及工具设计.北京：冶金工业出版社.【2】 负超，等.冷轧管机回转送进机构分析与优化.机械研究与应用，2005，4（18）.【3】 李耀群.周期式冷轧管机的发展.钢管，2002，8（31）.【4】 方河才.冷轧管机发展中有关技术问题的讨论.STEEL PIPE，Oct.2005，Vo1.34.No.5.【5】 Homer D Eckhandr.Kinematic Design of Machines and Mechanisms.北京：机械工业出版社，2002.【6】 钟卫佳.铜加工技术实用手册.北京：冶金工业出版社，2007.