DO10.13374斤.isnl00li3x.2010.10.010 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 张琳) 韩静涛)刘靖》钟敏) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100082)广东华兴换热设备有限公司，潮州515726 摘要在建立孔型斜轧几何模型的基础上对螺旋高翅片管孔型斜轧变形区的运动规律进行研究，发现轴向延伸与变形区 轧件圆周旋转速度的分布有关.在变形区轧件从咬入到轧出圆周旋转速度存在递增的趋势，在孔型等螺距的情况下使轴向速 度也在递增，这是导致轧件轴向延伸的本质原因.通过理论分析给出了轴向延伸率的理论计算公式，用两种规格的坯管在不 同的压下量下进行轧制实验，结果表明延伸率的计算值与实测值基本吻合. 关键词孔型斜轧：翅片管：运动学分析：延伸率 分类号TG335.19 M echan ism of axial elongation in the rotary rolling process of ntegral helical high finned tubes ZHANG L.HAN Jingto.LU Jng.ZHONG Mi) 1)School ofMa trak Science and Engineering University of Science and Technokgy Beijng Beijing 100083 China 2)GuagdangHuaxing Heat Exchange Equpment Co Ld.Chaozhau515726 China ABSTRACT Based a he geometric model esablished for roury rolling ofh gh helical fnned tubes the motional behavior of a roll ng piece in the defomatian one was investgated and the resu lts show that he phenomena ofaxial elangation has a connection wit the distribution of circum ferental ve pc ity It is the essen tal reasan omake a rolling tube elngate along the axiald irectian that the ax al velocity n he depmation zone ncreases alang wit te circum feren tial vepcity in the conditon that te pitch value of the groove keeps changeless along the axis A fomuh of axial epngatpn ate was given on he basis of theoretical analysis In order to verify he omu l of epngation rate rolling experments for two types of rolling pieces n different reductpnswere conducted and the resu lts ap proxinatey agreed wih he heoretical values KEY WORDS rotary olling fnned ube k nem atic analysis epngation rate 翅片管作为一种高效的强化传热元件在换热器 辊轴线与轧件轴线成一夹角（称为上升角）采用这 中的使用越来越广泛.整体型翅片管由于翅片与基 种工艺目前可以稳定轧制钢质螺旋高翅片管，翅高 管为一体，无接触热阻传热性能好，机械强度高，耐 13mm左右，翅距6~12m四翅片厚度2mm左右. 热震和机械震动，耐腐蚀能力强，性能稳定，使用寿 钢质螺旋高翅片管孔型斜轧时存在比较大的轴 命长，而且由于轧制翅片的几何形状合理流动阻力 向延伸率，延伸率可达20%~50%，而且影响因素 小，积灰少，与焊接式和机械连接式翅片管相比具有 比较多难以控制.目前对轧制轴向延伸的机理尚无 显著的优点1-) 相关研究。相比钢管斜轧延伸而言，螺旋翅片管在轧 螺旋翅片管可以采用环状孔型斜轧工艺生 制时，轧件在孔型中轴向不能自由滑动，遵循受孔型 产.环状孔型斜轧是指轧辊由一组同轴的盘状轧 约束的螺旋运动.研究螺旋翅片管孔型斜轧轴向延 片组成相邻轧片之间的凸棱形成环状孔型，而且轧 伸的机理对孔型设计和工艺控制具有重要意义. 收稿日期：2010-01-04 基金项目：广东省教有部产学研结合项目(N92006D90404023) 作者简介：张琳(1979-)，男.博士研究生：韩静涛(1957一)，男.教授，博士生导师.Ema时han@ust edy cn
第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 张 琳 1 ) 韩静涛 1) 刘 靖 1) 钟 敏 2 ) 1 ) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2 ) 广东华兴换热设备有限公司, 潮州 515726 摘 要 在建立孔型斜轧几何模型的基础上对螺旋高翅片管孔型斜轧变形区的运动规律进行研究, 发现轴向延伸与变形区 轧件圆周旋转速度的分布有关.在变形区轧件从咬入到轧出圆周旋转速度存在递增的趋势, 在孔型等螺距的情况下使轴向速 度也在递增, 这是导致轧件轴向延伸的本质原因.通过理论分析给出了轴向延伸率的理论计算公式, 用两种规格的坯管在不 同的压下量下进行轧制实验, 结果表明延伸率的计算值与实测值基本吻合. 关键词 孔型斜轧;翅片管 ;运动学分析;延伸率 分类号 TG335.19 Mechanism ofaxialelongationintherotaryrollingprocessofintegralhelical highfinnedtubes ZHANGLin1) , HANJing-tao1) , LIUJing1) , ZHONGMin2) 1 ) SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2 ) GuangdongHuaxingHeatExchangeEquipmentCo.Ltd., Chaozhou515726, China ABSTRACT Basedonthegeometricmodelestablishedforrotaryrollingofhighhelicalfinnedtubes, themotionalbehaviorofarollingpieceinthedeformationzonewasinvestigated, andtheresultsshowthatthephenomenaofaxialelongationhasaconnectionwith thedistributionofcircumferentialvelocity.Itistheessentialreasontomakearollingtubeelongatealongtheaxialdirectionthattheaxialvelocityinthedeformationzoneincreasesalongwiththecircumferentialvelocityintheconditionthatthepitchvalueofthegroove keepschangelessalongtheaxis.Aformulaofaxialelongationratewasgivenonthebasisoftheoreticalanalysis.Inordertoverifythe formulaofelongationrate, rollingexperimentsfortwotypesofrollingpiecesindifferentreductionswereconductedandtheresultsapproximatelyagreedwiththetheoreticalvalues. KEYWORDS rotaryrolling;finnedtube;kinematicanalysis;elongationrate 收稿日期:2010-01-04 基金项目:广东省教育部产学研结合项目 (No.2006D90404023 ) 作者简介:张 琳 ( 1979— ), 男, 博士研究生;韩静涛 ( 1957— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:hanjt@ustb.edu.cn 翅片管作为一种高效的强化传热元件在换热器 中的使用越来越广泛.整体型翅片管由于翅片与基 管为一体, 无接触热阻, 传热性能好, 机械强度高, 耐 热震和机械震动, 耐腐蚀能力强, 性能稳定, 使用寿 命长, 而且由于轧制翅片的几何形状合理, 流动阻力 小, 积灰少, 与焊接式和机械连接式翅片管相比具有 显著的优点 [ 1--3] . 螺旋翅片管可以采用环状孔型斜轧工艺生 产 [ 4] .环状孔型斜轧是指轧辊由一组同轴的盘状轧 片组成, 相邻轧片之间的凸棱形成环状孔型, 而且轧 辊轴线与轧件轴线成一夹角 (称为上升角 ), 采用这 种工艺目前可以稳定轧制钢质螺旋高翅片管, 翅高 13 mm左右, 翅距 6 ～ 12mm, 翅片厚度 2 mm左右 . 钢质螺旋高翅片管孔型斜轧时存在比较大的轴 向延伸率, 延伸率可达 20% ～ 50%, 而且影响因素 比较多难以控制 .目前对轧制轴向延伸的机理尚无 相关研究, 相比钢管斜轧延伸而言, 螺旋翅片管在轧 制时, 轧件在孔型中轴向不能自由滑动, 遵循受孔型 约束的螺旋运动 .研究螺旋翅片管孔型斜轧轴向延 伸的机理对孔型设计和工艺控制具有重要意义 . DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .10 .010
第10期 张琳等.螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 。1293" 次经历咬入一碾轧一规整三个阶段9.咬入阶段随 1螺旋翅片管孔型斜轧工艺 着轧辊上刀具的直径逐渐增大，管壁在螺旋前进过 如图1(b所示的三辊孔型斜轧，三个轧辊在空 程中被轧片凸棱压下的深度逐渐加深，实现减径、延 间均匀分布成倒三角形布置.轧件在三个轧辊与芯 伸并得到一定高度和形状的翅片；碾轧段停止压下， 棒组成的空间中由轧辊带动螺旋前进轧制而成.轧 通过增加轧片凸棱的厚度（减小环状孔型宽度）使 辊轴线与轧件轴线成一小的夹角（称为上升角，轧 翅片在厚度方向受碾压从而使翅片厚度减小而高度 辊由一组同轴的盘状轧片组成一定间距的多个环状 增加：最后，在精整段孔型不再变化实现对翅片形状 孔型，孔型按变形规律过渡，如图1（到所示，翅片依 及管壁的精整. (a) b 限轧段 整形段 咬人段、 图1螺旋翅片管孔型斜轧工艺示意图（轧制工艺：（变形区域 Fg1 Schematic digrm of the otary olling process prhelical high fnned ubes (a)rotary olling process (b de fmation ane 轧辊与轧件的相互运动关系复杂，一方面是由 于孔型轧制时在轧制区域存在径向上的速度梯度， ,) 另一方面斜轧同时存在切向和轴向分速度，而且是 多个环状孔型连续的轧制.对于斜轧工艺当变形工 具构成的变形区空间确定后，工具提供给轧件的运 动速度场决定着金属的变形(， 2螺旋翅片管孔型斜轧轴向延伸的机理 研究 图2轧件与轧辊几何关系模型.（两空间几何关系：（几何关 2.1孔型斜轧运动学分析的几何模型 系的轴向截面 分别以轧件中心线和轧辊轴线为右手笛卡尔坐 Fg 2 Modelling the geomnetric e ltion between the roller and the oll ing workPece(号geame ti家e电仰(b axial secti知ofhe您n 标系的一个轴建立坐标系，如图2（到所示，将轧件 metric rekat知 中心线作为的轴，轴正方向表示轧制时轧件前 进方向，上升角的旋转轴作为轴，将该坐标系 距)依次为…，轧件出孔型后螺距为t假 Q芩Y作为原始坐标系，轧辊坐标系认为是将原始 设管状轧件可以沿轴向等细分成厚度足够小的环件 坐标系经过以下变换而来：假设开始轧辊坐标系 微单元，当相邻单元以不同角速度转动时在两微单 Q多￥与QXY完全重合，以轴为中心逆时针旋 元的连接截面上产生切向的剪切应力，各微单元不 转角度作为上升角，然后再沿征方向平移距离d 同角速度反映到宏观上产生轧件的扭转.变形区轧 沿轴正方向轧片的中心分别为，卫…， 件的旋转角速度从咬入到轧出依次为ω1,2，， P,半径分别为RR,…,R压下量分别为9 ωg螺旋前进轴向速度分别为只，号；4由于轧 …,9轧片凸棱顶端与轧件的切点分别为S,S 片与轧件是面接触在轧片与轧件间的接触面上存 …,，S变形区轧件的翅根半径分别为F5,5 在“中性点”，在“中性点”不存在相对滑动，轴向分 轧件坯管半径为由于上升角0很小(3°，可 速度和切向分速度分别相等，设各轧片与轧件的接 认为i+R≈d 触面上中性点分别为kk…,k中性点到轧辊 轧辊旋转角速度为u,轧片厚度（即变形区螺 轴线距离R分别为RR,…,R中性点到轧件
第 10期 张 琳等:螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 1 螺旋翅片管孔型斜轧工艺 如图 1( b)所示的三辊孔型斜轧, 三个轧辊在空 间均匀分布成倒三角形布置.轧件在三个轧辊与芯 棒组成的空间中由轧辊带动螺旋前进轧制而成 .轧 辊轴线与轧件轴线成一小的夹角 (称为上升角 ), 轧 辊由一组同轴的盘状轧片组成一定间距的多个环状 孔型, 孔型按变形规律过渡, 如图 1(a)所示, 翅片依 次经历咬入 —碾轧—规整三个阶段 [ 5] .咬入阶段随 着轧辊上刀具的直径逐渐增大, 管壁在螺旋前进过 程中被轧片凸棱压下的深度逐渐加深, 实现减径、延 伸并得到一定高度和形状的翅片;碾轧段停止压下, 通过增加轧片凸棱的厚度 (减小环状孔型宽度 )使 翅片在厚度方向受碾压从而使翅片厚度减小而高度 增加;最后, 在精整段孔型不再变化实现对翅片形状 及管壁的精整. 图 1 螺旋翅片管孔型斜轧工艺示意图 .( a) 轧制工艺;(b) 变形区域 Fig.1 Schematicdiagramoftherotaryrollingprocessforhelicalhighfinnedtubes:(a) rotaryrollingprocess;( b) deformationzone 轧辊与轧件的相互运动关系复杂, 一方面是由 于孔型轧制时在轧制区域存在径向上的速度梯度, 另一方面斜轧同时存在切向和轴向分速度, 而且是 多个环状孔型连续的轧制.对于斜轧工艺当变形工 具构成的变形区空间确定后, 工具提供给轧件的运 动速度场决定着金属的变形 [ 6] . 2 螺旋翅片 管孔 型斜 轧轴 向延 伸的 机理 研究 2.1 孔型斜轧运动学分析的几何模型 分别以轧件中心线和轧辊轴线为右手笛卡尔坐 标系的一个轴建立坐标系, 如图 2( a)所示, 将轧件 中心线作为的 x轴, x轴正方向表示轧制时轧件前 进方向, 上升角的旋转轴作为 z轴, 将该坐标系 O1 x1 y1 z1作为原始坐标系, 轧辊坐标系认为是将原始 坐标系经过以下变换而来 :假设开始轧辊坐标系 O2x2 y2z2与 O1x1y1 z1完全重合, 以 z轴为中心逆时针旋 转角度 θ作为上升角, 然后再沿 z1正方向平移距离 d. 沿 x2轴正方向轧片的中心分别为 P1, P2, … , Pn, 半径分别为 R1, R2, … , Rn, 压下量分别为 q1, q2, … , qn, 轧片凸棱顶端与轧件的切点分别为 S1, S2, … , Sn, 变形区轧件的翅根半径分别为 r1, r2, …, rn, 轧件坯管半径为 r0, 由于上升角 θ很小 ( θ≤3°), 可 认为 rn +Rn≈d. 轧辊旋转角速度为 ω0, 轧片厚度 (即变形区螺 图 2 轧件与轧辊几何关系模型.(a) 空间几何关系;( b) 几何关 系的轴向截面 Fig.2 Modellingthegeometricrelationbetweentherollerandtherollingworkpiece:( a) geometricrelation;( b) axialsectionofthegeometricrelation 距 )依次为 t1, t2, …, tn, 轧件出孔型后螺距为 t.假 设管状轧件可以沿轴向等细分成厚度足够小的环件 微单元, 当相邻单元以不同角速度转动时在两微单 元的连接截面上产生切向的剪切应力, 各微单元不 同角速度反映到宏观上产生轧件的扭转.变形区轧 件的旋转角速度从咬入到轧出依次为 ω1, ω2, …, ωn, 螺旋前进轴向速度分别为 u1, u2, …, un.由于轧 片与轧件是面接触, 在轧片与轧件间的接触面上存 在 “中性点”, 在 “中性点 ”不存在相对滑动, 轴向分 速度和切向分速度分别相等, 设各轧片与轧件的接 触面上中性点分别为 k1, k2, … , kn, 中性点到轧辊 轴线距离 Rk分别为 Rk1, Rk2, … , Rkn, 中性点到轧件 · 1293·
。1294 北京科技大学学报 第32卷 轴线距离分别为，；n 4=wnB=”n (9) 2.2变形区轧件的圆周速度 2 如图2(b所示的轧片P“中性点”处轧片的 由式(7、(8)和(9)得： 圆周速度等于B速度阿分解为平行于轧件 n h E- (10) 轴线○的轴向速度和垂直于轧件轴线的切向分 速度y分别由下式确定： 将式(4)和(5)代入式(10)整理得： uvsn0=w0 R sin (1) 1 (11) w vcos0=0R cos0 (2) 切向分速度使轧件得到旋转运动，轴向分速度 使轧件得到前进运动，轧件螺旋式前进.在“中性 由式(11)可得以下推论： 点"”轧件圆周速度等于轧片圆周速度的切向分速 (1)在「、△9不变，即在保持各轧片压下量不 度，因此可得轧片与轧件角速度的关系为： 变的情况下，增加轧片半径会降低延伸率. w =wo R cos0 (3) (2)在R、△9不变即在保持各轧片不变的情 轧件咬入的旋转角速度为轧片R使与其接触 况下，减小（物理意义是增加轧辊的压下量）会 的轧件微单元获得的角速度： 使延伸率增加，相反增加「（减小轧辊的压下量）会 ,-%0sg 降低延伸率. 4) (3)在R、「不变的情况下增加△9即增加轧 轧件在孔型出口的旋转角速度为轧片P使与 片的相对压下量，会使延伸率增加：反之，减少轧片 其接触的轧件微单元获得的角速度.设轧片P相 的相对压下量会降低延伸率. 比轧片P的相对压下量为△9即R=R十△9 在钢管斜轧延伸轧制中将扭转变形视为附加变 =「一△q则轧片Pn使与其接触的轧件微单元获 形，认为是对轧制的不利因素.由式(10)在孔型 得的角速度为： 螺距相等的情况下，若轧件前后旋转角速度相等，则 wn=(R+△9)c0s0 5) e=0即延伸率为0因此，对于孔型斜轧，由于轧件 T-△9 不能在轴向自由延伸，且在孔型螺距不变的情况下， 23孔型斜轧轴向延伸的机理 轧件若无扭转，则不存在轴向延伸，轧件的扭转与延 如图1（所示，由于孔型的长度相比轧件的长 伸存在直接的联系 度可以忽略，设轧件原始长度为轧后长度为 2.4影响轴向延伸率的其他因素 轧制时间为T轧件咬入孔型的轴向速度为出，轧件 由式(7)可得，轧件的延伸率由轧件在孔型的 由孔型轧出的轴向速度为4轧件的延伸率ε可表 入口轴向速度4和出口轴向速度4决定，在出口 示为： 处，轧件由于不再受孔型的约束，可以在轴向自由延 e=4-4 (6) 伸，因此轧件的轴向速度除了螺旋前进的轴向速度 r 4外，还有因为塑性变形而获得的轴向速度4轴 在孔型长度远小于轧件长度的情况下，可认为 向速度为这两部分之和： L=T4,=T叫因此延伸率e可表示为： e=4-y 马=H十4 (12) 4 (7) 式中，4为轧件在孔型末端的螺旋前进速度，可由 由式(7)可得，轧件在轧制后之所以发生轴向 式(9求得，与轧件的转速及孔型的螺距有关：4为 延伸，是因为轧件在孔型中的出口轴向速度大于入 轧件出口处因为塑性变形而获得的轴向速度，与轧 口轴向速度.因此所有影响轧件进入和离开轧制 辊最后一组轧片的相对压下量与变形速度有关，相 区域轴向速度的因素都有可能会影响延伸率的 对压下量越大变形速率越大则越大，延伸率也 变化. 越大 由于轧件做螺旋运动，假设P、分别为轧件 实验表明，翅片在出孔型后螺距一般会比孔型 在孔型入口和出口处的螺旋运动参数”，则轧件的 设计值增加0.6~1四可以认为螺距变大是由于 轴向速度满足关系式(8)与式(9： 轧件在孔型出口处获得的额外附加速度4造成的， 4=w,P=01 考虑翅片螺距增大对轴向延伸率的影响，在式(11) (8) 2 中用轧件的实际螺距代替孔型出口的螺距玉
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 轴线距离 rk分别为 rk1, rk2, …, rkn. 2.2 变形区轧件的圆周速度 如图 2( b)所示的轧片 P, “中性点” k处轧片的 圆周速度 v等于 ω0 Rk, 速度 v可分解为平行于轧件 轴线 O1的轴向速度 u和垂直于轧件轴线的切向分 速度 w, 分别由下式确定 : u=vsinθ=ω0 Rksinθ ( 1) w=vcosθ=ω0Rkcosθ ( 2) 切向分速度使轧件得到旋转运动, 轴向分速度 使轧件得到前进运动, 轧件螺旋式前进.在 “中性 点”轧件圆周速度等于轧片圆周速度的切向分速 度, 因此可得轧片与轧件角速度的关系为: ωrk =ω0 Rkcosθ ( 3) 轧件咬入的旋转角速度为轧片 P1 使与其接触 的轧件微单元获得的角速度 : ω1 = ω0 R1 cosθ r1 ( 4) 轧件在孔型出口的旋转角速度为轧片 Pn使与 其接触的轧件微单元获得的角速度.设轧片 Pn相 比轧片 P1 的相对压下量为 Δqn, 即 Rn =R1 +Δqn, rn =r1 -Δqn, 则轧片 Pn使与其接触的轧件微单元获 得的角速度为 : ωn = ω0 ( R1 +Δqn) cosθ r1 -Δqn ( 5) 2.3 孔型斜轧轴向延伸的机理 如图 1( b)所示, 由于孔型的长度相比轧件的长 度可以忽略, 设轧件原始长度为 L1, 轧后长度为 L2, 轧制时间为 T, 轧件咬入孔型的轴向速度为 u1, 轧件 由孔型轧出的轴向速度为 un, 轧件的延伸率 ε可表 示为 : ε= L2 -L1 L1 ( 6) 在孔型长度远小于轧件长度的情况下, 可认为 L1 =Tu1, L2 =Tun, 因此延伸率 ε可表示为: ε= un -u1 u1 ( 7) 由式 ( 7)可得, 轧件在轧制后之所以发生轴向 延伸, 是因为轧件在孔型中的出口轴向速度大于入 口轴向速度.因此, 所有影响轧件进入和离开轧制 区域轴向速度的因素都有可能会影响延伸率的 变化 . 由于轧件做螺旋运动, 假设 p1 、pn分别为轧件 在孔型入口和出口处的螺旋运动参数 [ 7] , 则轧件的 轴向速度满足关系式 ( 8)与式 ( 9): u1 =ω1 p1 = ω1 t1 2π ( 8) un =ωnpn = ωntn 2π ( 9) 由式 ( 7) 、( 8)和 ( 9)得: ε= ωn ω1 · tn t1 -1 ( 10) 将式 ( 4)和 ( 5)代入式 ( 10)整理得: ε= 1 + Δqn R1 1 1 - Δqn r1 · tn t1 -1 ( 11) 由式 ( 11)可得以下推论 : ( 1) 在 r1 、Δqn不变, 即在保持各轧片压下量不 变的情况下, 增加轧片半径会降低延伸率 . ( 2) 在 R1 、Δqn不变, 即在保持各轧片不变的情 况下, 减小 r1 (物理意义是增加轧辊的压下量 ), 会 使延伸率增加, 相反增加 r1 (减小轧辊的压下量 )会 降低延伸率 . ( 3) 在 R1 、r1 不变的情况下增加 Δqn, 即增加轧 片的相对压下量, 会使延伸率增加 ;反之, 减少轧片 的相对压下量会降低延伸率. 在钢管斜轧延伸轧制中将扭转变形视为附加变 形 [ 8] , 认为是对轧制的不利因素 .由式 ( 10)在孔型 螺距相等的情况下, 若轧件前后旋转角速度相等, 则 ε=0, 即延伸率为 0.因此, 对于孔型斜轧, 由于轧件 不能在轴向自由延伸, 且在孔型螺距不变的情况下, 轧件若无扭转, 则不存在轴向延伸, 轧件的扭转与延 伸存在直接的联系. 2.4 影响轴向延伸率的其他因素 由式 ( 7)可得, 轧件的延伸率由轧件在孔型的 入口轴向速度 ui和出口轴向速度 uo决定, 在出口 处, 轧件由于不再受孔型的约束, 可以在轴向自由延 伸, 因此轧件的轴向速度除了螺旋前进的轴向速度 un外, 还有因为塑性变形而获得的轴向速度 up, 轴 向速度为这两部分之和: uo =un +up ( 12) 式中, un为轧件在孔型末端的螺旋前进速度, 可由 式 ( 9)求得, 与轧件的转速及孔型的螺距有关;up为 轧件出口处因为塑性变形而获得的轴向速度, 与轧 辊最后一组轧片的相对压下量与变形速度有关, 相 对压下量越大变形速率越大, 则 up越大, 延伸率也 越大. 实验表明, 翅片在出孔型后螺距一般会比孔型 设计值增加 0.6 ～ 1 mm, 可以认为螺距变大是由于 轧件在孔型出口处获得的额外附加速度 up造成的 . 考虑翅片螺距增大对轴向延伸率的影响, 在式 ( 11) 中用轧件的实际螺距 t代替孔型出口的螺距 tn. · 1294·
第10期 张琳等：螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 。1295 轧片凸棱的顶部，轧辊的实际轧制半径可根据下式 3孔型斜轧轴向延伸的实验研究 确定： 3.1延伸率计算值与实测值的比较 R=R+19 (13) 通过轧制实验对比分析轧件轴向延伸率随压下 式中，系数1根据经验一般取值在0.3~06系数1 量的变化，并比较延伸率理论计算值与实测值，延伸 反映了因轧制条件不同轧片与轧件运动的“中性 率计算值由式(11确定.用两种规格的坯管分别为 点”沿轧件径向位置上的移动 中48mm以9m与64mm9四材质都为20G钢， 轧制实验结果与延伸率计算值的比较见图3 初轧温度1050℃，终轧温度850℃左右.轧辊由14 由图3()与图3(b可见，延伸率的计算值与实测 片厚度为8m的轧片组成.轧辊转速66mr, 值比较吻合. 由于轧片与轧件为面接触根据经验“中性点”不在 30 (a) 0 28 28 26 °26 24 系22 ·实测值 ·实测值 20 ·一计算值 20 。计算值 参 18 18L 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 轧银压下量/mm 轧捉压下量/mm 图3采用不同坯管轧制时的延伸率计算值与实测值比较.（两48mmX9m坯管：(，◆64mm以9mm坯管 Fg3 Comparison of ekngaton e bewee measured and ca kulted va jues with different b知kub5(码中48mX9mb知nkbe (b)64 mmx9mm bkank tube 3.2轧件扭转的物理模拟实验 线的标线在轧制后变成两条平行的螺旋线（图中翅 为验证螺旋高翅片管在孔型斜轧中产生前后扭 片上的白色线条人.如图4（所示，原坯管模型内 转的现象，用塑性泥进行物理模拟实验，这种方法具 表面的正方形格子标线（其中两条边平行于轴线）， 有直观、简便、快速和价廉等优点.坯管模型用暗 轧制后成为平行四边形，原平行于轴线的两条标线 红色塑泥制成，并用白色塑泥在坯管模型上制作标 轧制后仍平行但与轴线倾斜成一夹角，原垂直于轴 线。将坯管模型轧制后观察标线的变化情况，并由此 线的两条标线轧制后仍与轴线保持垂直.物理模拟 判断变形特征 的结果表明，在轧制过程中发生扭转，这是轧件在孔 如图4（所示，坯管模型外表面两条平行于轴 型中前后旋转角速度不同造成的 a G 图4螺旋高翅片管孔型斜轧物理模拟实验结果.（两轧件外层的扭转：（轧件内壁的扭转 F4 Physicalmodelling expermnents on romn rolling of a helical high fnned ube (a wiston he surface layer of the rolled Piece (b wist an the inner surface of the olled piece 点，轧件在变形区从咬入到轧出的过程中圆周速度 4结论 存在递增的趋势，这使得轧件发生扭转，同时轧件出 (1螺旋高翅片管孔型斜轧工艺由于孔型的特 口轴向速度大于入口轴向速度，从而产生轴向延伸
第 10期 张 琳等:螺旋高翅片管孔型斜轧的轴向延伸机理 3 孔型斜轧轴向延伸的实验研究 3.1 延伸率计算值与实测值的比较 通过轧制实验对比分析轧件轴向延伸率随压下 量的变化, 并比较延伸率理论计算值与实测值, 延伸 率计算值由式 ( 11)确定.用两种规格的坯管分别为 48 mm×9 mm与 64mm 9 mm, 材质都为 20G钢, 初轧温度 1 050℃, 终轧温度 850 ℃左右.轧辊由 14 片厚度为 8 mm的轧片组成.轧辊转速 66 r·min -1 , 由于轧片与轧件为面接触, 根据经验 “中性点”不在 轧片凸棱的顶部, 轧辊的实际轧制半径可根据下式 确定: Rn =R1 +ηqn ( 13) 式中, 系数 η根据经验一般取值在 0.3 ～ 0.6, 系数 η 反映了因轧制条件不同轧片与轧件运动的 “中性 点 ”沿轧件径向位置上的移动. 轧制实验结果与延伸率计算值的比较见图 3. 由图 3(a)与图 3( b)可见, 延伸率的计算值与实测 值比较吻合 . 图 3 采用不同坯管轧制时的延伸率计算值与实测值比较 .( a) 48mm×9mm坯管;( b) 64mm×9mm坯管 Fig.3 Comparisonofelongationratebetweenmeasuredandcalculatedvalueswithdifferentblanktubes:( a) 48 mm×9 mm blanktube; ( b) 64mm×9mmblanktube 3.2 轧件扭转的物理模拟实验 为验证螺旋高翅片管在孔型斜轧中产生前后扭 转的现象, 用塑性泥进行物理模拟实验, 这种方法具 有直观、简便、快速和价廉等优点 [ 9] .坯管模型用暗 红色塑泥制成, 并用白色塑泥在坯管模型上制作标 线, 将坯管模型轧制后观察标线的变化情况, 并由此 判断变形特征 . 如图 4( a)所示, 坯管模型外表面两条平行于轴 线的标线在轧制后变成两条平行的螺旋线 (图中翅 片上的白色线条 ).如图 4( b)所示, 原坯管模型内 表面的正方形格子标线 (其中两条边平行于轴线 ), 轧制后成为平行四边形, 原平行于轴线的两条标线 轧制后仍平行但与轴线倾斜成一夹角, 原垂直于轴 线的两条标线轧制后仍与轴线保持垂直.物理模拟 的结果表明, 在轧制过程中发生扭转, 这是轧件在孔 型中前后旋转角速度不同造成的. 图 4 螺旋高翅片管孔型斜轧物理模拟实验结果.(a) 轧件外层的扭转;(b) 轧件内壁的扭转 Fig.4 Physicalmodellingexperimentsonrotaryrollingofahelicalhighfinnedtube:( a) twistonthesurfacelayeroftherolledpiece;( b) twistontheinnersurfaceoftherolledpiece 4 结论 ( 1)螺旋高翅片管孔型斜轧工艺由于孔型的特 点, 轧件在变形区从咬入到轧出的过程中圆周速度 存在递增的趋势, 这使得轧件发生扭转, 同时轧件出 口轴向速度大于入口轴向速度, 从而产生轴向延伸 . · 1295·
。1296 北京科技大学学报 第32卷 (2通过轧制实验对比分析，表明本文提出的 (张庆生.螺旋孔型斜轧工艺.北京：机械工业出版社，1985) 螺旋高翅片管孔型斜轧轴向延伸率理论计算公式基 [5 LiL Mehals p Made SpecilstapeSteel Tubes Beijng Met allurgical hdustry Press 1994 本符合实际轧制结果 (李连诗.异型管制造方法.北京：治金工业出版社，1994) 6 LiZQ Zhong Q Lu Y Q Conputer siulation of three di 参考文献 mensional velocity fields n seam less tube coss oolling Process [Guo Y.htroductin of the perfomance fr hel ical fn ube (hina on Steel199631(10k45 Boiler Pressure Vessel Saf 2004 20(6):19 李志强，钟倩霞.卢于逑.钢管斜轧延伸变形区中工具三维运 (郭毅.整体螺旋翅片管的性能介绍.中国锅炉压力容器安全， 动速度场计算机模拟.钢铁，199631(10)：45) 2004.20(6):19) 【刀OK UHH BC.Helrod Theory rCuttirg Tool Desgn Tansk [2 GaoY F BaiH CangDQ Numericalmalelng ofmedim n ted by Zeng X Z Beijng Mechanical Industry Press 1984 duction heating in spiral fin tube rolling J Univ Sci Technol Bei (柳克辛BC刀具设计的螺旋面理论.彭样增译.北京：机械 jmg200931(10):1311 工业出版社.1984) (高玉峰，白浩，苍大强.螺旋翅片管轧制的中频感应加热数 Zhu JQ LuY Z ZhongM Effects ofroll shape in ube percing 值模拟.北京科技大学学报.200931(10)：1311) eprgation on additive depmation SteelRolling 19(4):7 [3 Wu XA Stength ana lsis of ntegral fn ube China Boiker Pres (朱景清，刘雅政，钟梅.钢管斜轧延伸时辊型对附加变形的 sure Vessel Saf2001 17(5):14 影响.轧钢，1995(4片7) (吴学安.整体型翅片管的强度分析.中国锅炉压力容器安 I9 Zhang SH A renoftM ShangY L Physicalmaleling ofmetal 全，200L17(5):14) foming processes JPlast Eng 2000 7(1):44 [4 ZhangQS Screw GrooveRolling Techrokgy Beijirg Mechaical (张士宏，ArenoftM尚彦凌金属塑性加工的物理模拟.塑性 Industry Press 1985 工程学报20007(1)片44)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 ( 2)通过轧制实验对比分析, 表明本文提出的 螺旋高翅片管孔型斜轧轴向延伸率理论计算公式基 本符合实际轧制结果. 参 考 文 献 [ 1] GuoY.Introductionoftheperformanceforhelicalfintube.China BoilerPressureVesselSaf, 2004, 20( 6 ) :19 (郭毅.整体螺旋翅片管的性能介绍.中国锅炉压力容器安全, 2004, 20( 6) :19) [ 2] GaoYF, BaiH, CangDQ.Numericalmodelingofmediuminductionheatinginspiralfintuberolling.JUnivSciTechnolBeijing, 2009, 31( 10) :1311 (高玉峰, 白浩, 苍大强.螺旋翅片管轧制的中频感应加热数 值模拟.北京科技大学学报, 2009, 31 ( 10) :1311 ) [ 3] WuXA.Strengthanalysisofintegralfintube.ChinaBoilerPressureVesselSaf, 2001, 17( 5 ):14 (吴学安.整体型翅片管的强度分析.中国锅炉压力容器安 全, 2001, 17( 5) :14) [ 4] ZhangQS.ScrewGrooveRollingTechnology.Beijing:Mechanical IndustryPress, 1985 (张庆生.螺旋孔型斜轧工艺.北京:机械工业出版社, 1985) [ 5] LiLS.MethodstoMadeSpecial-shapeSteelTubes.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1994 (李连诗.异型管制造方法.北京:冶金工业出版社, 1994) [ 6] LiZQ, ZhongQX, LuYQ.Computersimulationofthreedimensionalvelocityfieldsinseamlesstubecrossrollingprocess. IronSteel, 1996, 31( 10 ):45 (李志强, 钟倩霞, 卢于逑.钢管斜轧延伸变形区中工具三维运 动速度场计算机模拟.钢铁, 1996, 31( 10 ) :45) [ 7] ЛюкшинВС.HelicoidTheoryforCuttingToolDesign.TranslatedbyZengXZ.Beijing:MechanicalIndustryPress, 1984 (柳克辛 BC.刀具设计的螺旋面理论.彭祥增译.北京:机械 工业出版社, 1984) [ 8] ZhuJQ, LiuYZ, ZhongM.Effectsofrollshapeintubepiercing elongationonadditivedeformation.SteelRolling, 1995 ( 4) :7 (朱景清, 刘雅政, 钟梅.钢管斜轧延伸时辊型对附加变形的 影响.轧钢, 1995( 4 ):7) [ 9] ZhangSH, ArentoftM, ShangYL.Physicalmodelingofmetal formingprocesses.JPlastEng, 2000, 7( 1) :44 (张士宏, ArentoftM, 尚彦凌.金属塑性加工的物理模拟.塑性 工程学报, 2000, 7 ( 1) :44) · 1296·