楔横轧轧制时的弹性压扁累积效应.pdf

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1993.02.011 第15卷第2期北京科技大学学报 Vol.15 No.2 1993年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1993 楔横轧轧制时的弹性压扁累积效应蒋家龙· 郑正豪*” 摘要：指出：了楔横轧轧制过程中模具和轧件间存在弹性生偏，并且弹性乐痛量随轧制的继续行累积效应。在考虑弹性压扁的情况下，尝试性地计算了轧辊和轧件间的接触面积，并用实验分析验证了弹性压扁累积的理论关键词：楔横轧，弹性压扁，接触面积 The Accumulating Effect of Elastic Press Flat during Wedge Cross Rolling Jiang Jialong Zheng Zhenghao ABSTRACT:The paper expounds that there is elastic press flat between the roller and workpiece during the wedge cross rolling and the flat will accumulate with the rolling con- tinuity.The area of the press flat is attemptly calculated and some exprimental analysis to prove the theory of the accumulating effect of elastic press flat is made. KEY WORDS:wedge cross rolling.elastic press flat.contact area 塑性加工时伴随有弹性力的作用和弹性变形。一般情况下，此弹性变形力与塑性变形力相比数值较小，若在工艺参数中考虑了此弹性变形量，则不会对产品的机械性能与尺精度产生影响。但在楔横轧轧制时，由于其丁.艺特殊性，弹性压力和弹性压扁对轧制过程有重要作用。特别在轧制细长杆件时、轧件已经过塑性变形的部分若仍不断与轧辊接触，则可能出现弹性压扁累积效应。这一效应对产品的机械性能及尺寸精度有重大影响，严重时甚至可能使轧制过程不能继续，对此不能不加以重视。 1楔横轧时轧辊与轧件的接触面积横轧时，在塑性变形区，同时考虑塑性变形和弹性变形后，按照图1，可写出接触面积的总公式) *1991-06-22收稿 *机械工程系(Department of Mechanical Engineering) *北京钢铁设计研究总院(Beijing Central Engineering and Research Incorporation of Iron and Steel Industry 第一作者：男、58岁，副教授

第 15 卷第 2 期北京科技大学学报一9 9 3 年 3 月 J o u r n a l o f U n i v e r s it 3 : o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 1 5 N o . 2 M a r . 199 3 楔横轧轧制时的弹性压扁累积效应蒋家龙 ` 郑正豪 “ 摘要 : 指出了楔横轧轧制过程中模具和轧件间存在弹性压扁 . 并刚剿生压扁量随轧制的继续有累积效应。在考虑弹性压扁的情况一下 , 尝试性地计算了轧辊和轧件间的接触面积 , 并用实验分析验证了弹性压扁累积的理论。关键词 : 楔横轧 , 弹性压扁 , 接触面积 T h e A e c u m u l a t i n g E fe e t o f E l a s t i e P r e s s F l a t d u r i n g W e d g e C r o s s R o l l i n g iJ an g J ial 洲g ` Z le/ 职 Z he gn al o ` 水 A B S T R A C T : T h e P a P e r e x P o u n d s t h a t t h e r e 1 5 e l a s t i e P r e s s fl a t b e t w e e n t h e r o ll e r a n d w o r k P i e e e d u r i n g t h e w e d g e e r o s s r o lli n g a n d t h e fl a t 叭厂 111 a e e u m u l a t e w i t h t h e r o lli n g e o n - t i n u it y . T h e a r e a o f t h e P r e s s fl a t 1 5 a t t e m P t l y e a l c u l a t e d a n d s o m e e x P r im e n t a l a n a ly s i s t o P r o v e t h e t h e o r y o f t h e a e c u m u l a t i n g e fe e l o f e l a s t i e P r e s s fl a t i s m a d e . K E Y W O R D S : w e d g e e r o s s r o lli n g , e l a s t i e P r e s s fl a t , e o n t a e t a r e a 塑性加工时伴随有弹性力的作用和弹性变形。一般情况下 , 此弹性变形力与塑性变形力相比数值较小 , 若在工艺参数中考虑了此弹性变形量 , 则不会对产品的机械性能与尺 _ 寸精度产生影响。但在楔横轧轧制时 , 由于其工艺特殊性 , 弹性压力和弹性压扁对轧制过程有重要作用。特别在轧制细长杆件时 , 轧件已经过塑性变形的部分若仍不断与轧辊接触 , 则可能出现弹性压扁累积效应。这一效应对产品的机械性能及尺寸精度有重大影响 , 严重时甚至可能使轧制过程不能继续 , 对此不能不加以重视。 1 楔横轧时轧辊与轧件的接触面积横轧时 , 在塑性变形区 , 同时考虑塑性变形和弹性变形后 , 按照图 1 , 可写出接触面积的总公式〔’ 〕 19 9 1一 0 6一 2 2 收稿机械工程系 (D e p a r t m e n t o f M e c h a n i e a l E n g l n e e r l n g ) * * 北京钢铁设计研究总院 ( B e ij i n g C e n t r a l E n g l n e e r i n g a n d R e s e a r e h I n e 。印 o r a t i o 二 o f l r o n a n d S t e e l I n d u s t r y ) 第一作者: 男、 58 岁、副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 02. 011

19 0 北京科技大学 ` 孕报 1 99 3 年 N o Z F = b Z= ZR r Z R + r + b二+ b , )l ( l ) 1 一拜 ; 1 一群二、 ” 2 一 ` 尸〔蕊瓦一朴又万万) R I R + 犷 ( 2 ) 式中尸一接触面积上的单位压力 ; l一接触区长度 ; 。 . 、拜 2 一分别为轧辊与轧件的波桑系数 ; E . 、 E Z一分别为轧辊与轧件的弹性系数 ; R 一轧辊的半径 ; r一轧件的轧后半径; Z 一坯料压缩量的一半。楔横轧时 , 随着轧制过程的进行 , 模具凸棱的顶面 (展宽面 ) 越来越宽。由于存在轧辊的弹性压扁和轧件的弹性恢复 , 凸棱顶面与轧件已轧过的部分仍有接触 , 且接触面积越来越大 , 使得这个接触面卜总的挤压力也会越来越大。从以卜分析可以看出 , 轧制过程中轧辊与轧件的接触面积由在弹塑性变形区接触总面积 A ` C D B 了A 和模具凸棱顶面与轧件间弹性压扁面积累积的接触面积 A 勺 “ E ’E 两部分组成 , 如图 2 所示。 G / { / / 才一甲门气图 l 弹性变形时横轧轧辊与轧件的几何关系 F i g . I G 份m i t r i e re l a t i o n be t w e n r o ll a n d w o r k p iec e d u ir n g c r o s r o l li n g w h e n t h o u g h t o f e li s n e i t y 图 2 楔横轧典型展宽区的接触面积 (a) 平面图 (h) 轴测图 F ig . 2 T y p i e a l e o n t a e t a r e a o f s p r e a d i n g a r e a o f W ed g e c r o s r o ll i n g 通 ` A “ E ’E 的面积是由 f 轧件轧制过程中存在部分弹性变形 , 亦即轧制过程中轧件的温降和机架因轧制力变化而引起的弹跳值不足以补偿弹性压扁的累积值而有残留弹性压扁的接触区 . 为了便于分析问题 , 假设轧机刚度为无穷大、轧辊不存在偏心、轧制时不存在温度变化以及忽略例如辊面不平等其他因素的影响 , 则可认为轧辊与轧件的接触区 A ` A 材 E ’E 是一个矩形 , 且假设弹性压力均匀分布 , 则弹性接触面积为: F . , = L o b 、 , ( 3 ) l 一户万 1 一拜二、。一 ` p `不云{ 一一 + 爪云一 ’ ( R 、, + r 。一 r , ) r . R o + r o 式中 : b 〔,一接触宽度 E ’E 的长; 一坯料的原始半径 ; R 《 ,一轧辊未起楔时的半

Vol.15 No.2 楔横轧轧制时的弹性压扁累积效应 ·191· 径；F。一A'A"EE的面积：L.一轧件已展宽长的一半；r,一坯料的轧后半径。 L。是随轧制过程的继续而加大的，所以这部分面积也伴随轧制过程的进行而增大。面积A'A"AC可以近似认为平行于YOZ平面，其面积F,按梯形近似计算： F R北2、++6, (4) 2(R。+rg) tgx 式中：Z。一坯料压下量的一半；x一模具成形角可把面积CDBB'A所在平面近似认为垂直于XOZ平面并与YOZ成x角，其面积按】个三角形和】个梯形近似计算，轧辊对轧件在这部分的接触仍按圆柱面相接触考虑、得： F=sinzy (r。-,-Z,L R。+,=r,Z+b+b,】 R。+rU +r。-r,汇 2xR,+乙。-乙Z+b:+b] (5) R。+ru 其中：b',一DB宽度中的弹性变形区宽度 b',==8( -+1-,R。+Z-Z 十 (6) NπE,πE、 R。十「u 轧制压力沿整个被轧轧件实际是不相同的，只是为了便于说明问题，才假设为均匀分布。模具成形面对轧件的接触面是CDBB'A,由于成形角及模具展宽角的影响，轧件沿整个接触线的变形量是不均匀的。在面积A'A“AC中模具展宽角面边缘轧到成形面形成的螺旋痕上，由于展宽面几平是平的，因此，金属流动的阻力很大，故平均压力p也较大，相应地轧后弹性压扁也较大。面积A'A“EE'上的平均弹性压力完全依赖于另两部分面积上压力的变化而变化。总的弹性压力取决于模具成形角、展宽角以及变形量乙。在变形量乙。不变的情况下，成形角越大、模具展宽角越小，则金属沿轴向越易流动弹性压力值也小：反之，成形角越小，展宽角越大，则金属沿轴向越难流动、弹性压力值也越大。A'A”EE面积则是影响弹性压力值的另一重要因素，若此面积不断增大，则弹性压力值也随之增大。 2弹性压扁累积存在的实验证明 2.1实验过程简介在H630楔横轧机上轧制某细长带锥度非对称轴类零件，测量此时轧制压力的变化，考虑到弹性压扁的累积在于模具凸棱顶面压紧轧件所致，所以实测分两次进行。第一次模具顶面不脱空进行轧制，测得径向轧制力变化；第二次保持第一次轧制辊缝、导板缝不变，把模具顶面脱空（亦即减小轧制完成后的无用接触），用同种材料在同一温度条件下进行轧制，测得径向轧制压力的变化②。 2.2径向轧制压力实测曲线的分析

V o l . N 1 5 楔横轧轧制时的弹性压扁累积效应 O 19 1 径 F ; o 一 ` A 刀厂的面积 E ; L e 一轧件已展宽长的一半 ; , ; 一坯料的轧后半径。 L 。是随轧制过程的继续而加大的 , 所以这部分面积也伴随轧制过程的进行而增大。面积 A ` A “ A C 可以近似认为平行于 Y O Z 平面 , 其面积 F , 按梯形近似计算 : F , [ ( R 。 + , · 。一 r , ) r , Z 。 2 ( R 。 + , ` 。练 , Z 。 + 一 + b ! 4 U — 一 t g “ ( 4) 式中 : Z 。一坯料压下量的一半; : 一模具成形角可把面积 C D B B ` A 所在平面近似认为垂直于 X O Z 平面并与 Y口 Z 成 : 角 , 其面积按 1 个三角形和 1 个梯形近似计算 , 轧辊对轧件在这部分的接触仍按圆柱面相接触考虑 , 得 : ; 2 一告 S i n · ( R 。 + , · 。一 , ; ) , · , Z 。 r ( ) 一 , ` 一 Z 。 ) [ R o + r ( ) + 气 + b 。 ] ( 5) 1 、 J 八é + + ( , · 。一 r : ) [ 2 ( R 。 + Z 。 ) ( r 。一 Z 。 )Z 。 R ( ) + , ’ 。 + b 其中 : b ` 。 — 。 B `宽度中的弹性变形区宽度澎。 = 二助 ( l 一召 ; 兀 E I 1 一赵二 + — 兀 E , ( R ( , + Z 。J )( , · 。一 Z 〔, ) R o + , ` o 只是为了便于说明问题 , ( 6) 轧制压力沿整个被轧轧件实际是不相同的 , 分布。模具成形面对轧件的接触面是 C D B B ` A , 才假设为均匀由于成形角及模具展宽角的影响 , 轧件沿整个接触线的变形量是不均匀的。在面积 A ` A “ A C 中模具展宽角面边缘轧到成形面形成的螺旋痕上 , 由于展宽面几乎是平的 , 因此 , 金属流动的阻力很大 , 故平均压力 p 也较大 , 相应地轧后弹性压扁也较大。面积 A ` A “ E 厂上的平均弹性压力完全依赖于另两部分面积上压力的变化而变化。总的弹性压力取决于模具成形角、展宽角以及变形量 Z 。。在变形量 Z 。不变的情况下 , 成形角越大 , 模具展宽角越小 , 则金属沿轴向越易流动弹性压力值也小 ; 反之 , 成形角越小 , 展宽角越大 , 则金属沿轴向越难流动 , 弹性压力值也越大。 A `A “ E 厂面积则是影响弹性压力值的另一重要因素 , 若此面积不断增大 , 则弹性压力值也随之增大。 2 弹性压扁累积存在的实验证明 .2 1 实验过程简介在 H 6 30 楔横轧机上轧制某细长带锥度非对称轴类零件 , 测量此时轧制压力的变化 , 考虑到弹性压扁的累积在于模具凸棱顶面压紧轧件所致 , 所以实测分两次进行。第一次模具顶面不脱空进行轧制 , 测得径向轧制力变化 ; 第二次保持第一次轧制辊缝、导板缝不变 , 把模具顶面脱空 (亦即减小轧制完成后的无用接触 ) , 用同种材料在同一温度条件下进行轧制 , 测得径向轧制压力的变化〔2〕。 .2 2 径向轧制压力实测曲线的分析

·192 北京科技大学学报 I993年No.2 轧制压力分为径向分力、轴向分力和切向分力3个部分。上述零件轧制时的伦向轧制压力实测曲线图3所示，图中两曲线分别为模具脱空和未脱空情况卜轧制测得的轧辊轴承座所受的垂直力：在轧制转角约300~330”时、轧辊处在精整段，不再有变形量，但仍行径向轧制长力（敢人约9kN)存在：，山于模具加工有卸荷段逐渐降低，抛出时仍行约1.5kN的压力、足见线余压扁其是行作的、而且很人。在轧制转角约250~ 300'轧制时、被轧令件的变形量是不变的，！未脱空模具轧制时，随轧制过程的继续，测得径向轧制压力直线增加（增量约10kN),这足以说明轧辊和轧件间存在着弹性压扁的累积效应.，弹性扁随轧制的进累积加人、轧制力逐渐增高。脱空轧制时，由于采用了介理的脱空方法、测得此时的徐向轧制卡力近乎衡定，这'与理论分析一致。当然这并不说明弹性卡袖的消除，而只是弹性压扁的累积减轮了。 0 15- 2 7 30)· 330· 9,-561l 名-294-s%1=5$32: 11=0z=9w80 3w-8-551.=济1-阳切 3,m=20 H1a=5611 图3径向轧制压力的实测曲线 Fig.3 The measured curve of radial roll load 文献〔3)的作者测量」了果铅试件轧制时的切向力和轴向力、发现用脱空模具轧制时的切向力较用木脱空模具轧制时切问力小，相差最人约10%左i,而脱空模具轧制时的轴向力比木脱空模具轧制时的轴向力要人些、这同样说明弹性的任在与累积。模具脱空轧制时、山广弹性：压桶不累积或说掸性扁紧积较小，成形：生的轴向力可沿令件轴问传递到各个断、所以实测俏接近成甲面上的轴间力、即真实轴向力，而模具不脱空轧制时、山弹性乐扁的紫积、轧作被展宽卡紧、成形：生的轴向力沿轴向传递时模具袋苑面山掸性卡小：生的悸搽：受·部分、所以实测值比真实值小 3弹性压扁的累积对轧制产品质量的影响某细长轴令件成型实验调试时现的现象可说明、弹性长扁的累积对轧制产：品的彬响。模具成形不做任何修整时，轧制，品问部有内部空洞且于掸性：压扁的柴擦作用、试件在中部拉扭综介作川面变细技全断裂.修整模具降低啪性扁的彬啊，川获得外形尺寸合格的成品，们细观察表.原米被扣细处仍有细微裂痕.光较差：用线切

19 2 化京科技人学学报 19 9 3 年 N o 轧制版力分为径向分力、轴向分力和 t]J 向分力 3 个部分卜述零件轧制时的径向轧制怅力实测曲线女1 图 3 所示 , 图中两曲线分别为模具脱空和末脱空情况卜轧制测得的轧辊轴承座所受的派白 _ ] 在轧制转角约 3 0 0 一 3 3 0 门时 , 轧辊处在精整段 , 不再有变形量 , 但仍有径向轧制压力 ( 址大约 g k N ) 存在山厂模具加 T 一有卸荷段 l衍逐渐降低 , 抛出日寸仍有约 I . s k N 的压力 , 足见残余压扁狱是存在的 , 而且很大 6 1轧制转角约 2 5 0 代一 3 0 0 车L制时 , 被轧零件的变形策是不变的 , f-I[ 未脱空模具轧制时 , 随轧制过程的继续 , 测得径向轧制压力直线增加 ( 增量约 IOk N ) , 这足以说明轧辊和轧件间存在着弹性压扁的累积效应 , 弹 J 卜川 , 、扁随轧制的进行累积加人 , 轧制力逐渐增高。脱空轧制时 , 由 J 几采用了合理的脱空方法 , i则得此 H寸的径向轧制压力近乎衡定 , 这与理沦分析一致当然这少手不说明弹性帐扁的消除 , 而只是弹性压扁的累积减轻 J ’ 。 . f| |叼 , 叫 / 一ì 日 . . 已洲Z气 _ _ 一一了一、 - 一 _ _ _ 一 - 一一 ù 。 , 多 ’ 少乃 ] I 几州、汽一万一另 1 1 . , 二』5 {了一厂` 口` 2 2 、 : 竺 2 万、 , 二 2 6 l 二刃义二训 ( f 口二了J 厂犷。二一 ’ 们 (IJ 2 二。 = 刃 : 二万 ’ 刃6 1 ] 图 3 径向轧制压力的实测曲线 Fi g . 3 T h e m e a s u r e d e u r v e o f r a d i a l r o ll l o a d 文献〔3 〕的作者测策 J ’ 某铅试件轧制时的 tjJ 向力和轴向力 , 发现川脱空模具轧制 l讨的切向力较川术脱空模具轧制 I[ 、上切向力小 , 相趁最大约 10 % 左右 , 而脱 ’ ; ; 模具轧制日寸的轴向少J 比术脱空模具轧制时的轴向少J 要人此 , 这同样说明弹险IJ 、扁的存在 ’ J 累积 ` 模具脱空轧击` 11时 , r l l J 几弹片Jt` 寿; , i 小祟积或说弹性 J* i)n 累积较小 . 成 J巨仁自r , ` , ` l 一的轴 11 : J j J , . f 护片 ` 冬 { , 1 几轴 l; , J传递至11各个断 x自1 . 厂砂示以实 i乡! l】{肖接近成听q ll( r l 一的轴向力 , U} J了〔 ` 丈轴 l〔 : J jj l白了模具不脱空轧制一I寸 , I t I J 二弹卜1 几 I t )I; , i ’Ll勺累积 , 轧 f ` t 几被展宽 Irl! J长紧 , kIJ 形 I自I J 、 , : ` t 一的轧111; : J力护{y轧t l l; , Jf专递 lr寸模具展宽 lfl l rtl弹川 It j J , 、 , ` l 一的声辛擦承受 · 部分 , )i) r以实i则f任比 r冬实 fl’汇小 3 弹性压扁的累积对轧制产品质量的影响某细长轴类零件 , J父划 ` 灾验调 i式时出现 }(t] 现象 , ,丁说明 , 弹性仄扁的累积对轧制产品的形模王t 成形向不做任何修整时 , 轧制 , 、、二靛 , ) ` : j 部有内部空洞「l _ 山厂弹陀怅扁的哗擦作川 , 试件了一外)衫f泛 , 部 f士I J 飞寸材11综 f于作川 r而 , 变全l}I : tt 一至断裂修枯模具降低弹性 Jl 二扁的红珍响 . 则 { ;丁获得 f 宁格 r一勺lJ父品 { I }仃分I }I 丈见察表 r(I [ , I少补来被扭细处 f乃有细微裂痕 , 光泽较旅川线 tjJ