专利名称：新斜轧管材延伸机的几何模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热轧管材延伸技术，该技术可直接应用于斜轧管材延伸设备。
背景技术：
现代常见的斜轧管材延伸机有1)Diescher轧管机2)Assel轧管机(三辊斜轧延伸机)3)ACCU ROLL轧管机4)三辊斜轧行星轧管机(PSW)任何的斜轧过程产生变形区金属“胀鼓”的现象是不可避免的，为了减轻这种“胀鼓”，和提高轧制速度，多年来人们作了很多探讨，但收效甚微，无奈之下开发了斜-纵轧结合的轧管机(如Diescher轧管机、ACCU ROLL轧管机)，这类轧管机不但机械结构庞大，同时由于斜—纵轧结合的轧制过程导致轧机调整复杂化。上世纪八十年代初开发的三辊斜轧行星轧管机和最近正在开发的四辊斜轧行星轧管机是一种行星差动机构，并且轧辊呈收敛型布置，所以金属“胀鼓”现象受到很大程度的扼制，但是由于机械结构的复杂化也导致一些难于接受的缺点。
根据上述四种轧管机的几何模型利用本专利的技术方案进行实际计算，就可知道这四种轧管机在轧制过程变形区金属“胀鼓”严重和轧制速度不高的原因。图2中分别示出了上述四种斜轧管机的几何模型。
常见的斜轧延伸机几何模型的一个共同特点是，轧辊轴线(Z轴)调整回转中心O1点都在图1所示座标系的x轴上，在y轴上没有偏移量。它们几何模型不同的是，Diescher轧管机的辗轧角ψ＝0；Assel和ACCU ROLL轧管机的辗轧角ψ＞0，轧辊呈放射型布置；PSW的辗轧角ψ＜0，轧辊呈收敛型布置。
下面通过实际计算结果来说明上述几种斜轧延伸机几何模型存在的弊病。为了比较几种斜轧延伸机斜轧壮态优劣，设定如下相同的计算条件计算变形区从开始减壁又减径的断面起算，直到减壁、减径同时终了，计算变形区长度120mm，开始减壁又减径的断面上毛管外圆半径r＝82.92mm，减壁又减径终了时r＝76.68mm，减壁量6.24mm，送进角β＝8°，轧辊轴线调整回转中心点O1至过轧件轴线的基准面的距离(即轧辊轴线在x轴上的移动量)x0＝290mm，偏移量y0＝0。
根据各种斜轧机不同的几何模型，不同的计算条件是Diescher轧管机，辗轧角ψ＝0，Assel轧管机，ψ＝4°，ACCU ROLL轧管机，ψ＝15°，PSW，ψ＝-55°。
计算结果列于表1常见的斜轧管材延伸机的Rcosξ和Rcosε值表1
表1的计算结果表明，仅就减轻变形区金属“胀鼓”而言，最好的是PSW，具体表现在Rcosε值从变形区入口至出口是递减的，并且递减率还很大，这样，随着管材壁厚从入口至出口逐渐变薄，金属横向流动显著地减少，显然减轻了对“胀鼓”敏感的薄壁区的金属“胀鼓”现象。所以如此，是因为PSW采用了绝对值很大的负辗轧角(即ψ＜0)，致使轧件旋转方向与轧辊圆周速度矢量正向夹角ε从入口至出口逐渐变大。斜轧壮态最差的是ACCU ROLL，它的Rcosε值从变形区入口至出口是递增的，其原因是它的辗轧角ψ＞0；Assel也是ψ＞0，但ψ的绝对值要比ACCU ROLL的小，所以斜轧壮态比ACCU ROLL稍好些；Diescher的ψ＝0，它斜轧壮态也比Assel的稍好些。
常见的斜轧延伸机的通病是，轧件轴向速度过小，变形区金属“胀鼓”严重(PSW除外)，不能实现纯斜轧过程，所以这样是由于它们的几何模型所决定的，不但偏移量y0＝0，并且辗轧角ψ＞0。PSW的ψ＜0，ψ的绝对值很大，因而变形区金属“胀鼓”不严重，能实现纯斜轧过程，但是轧件轴向速度太小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有斜轧管机的不足和缺点，提出一种新斜轧管材延伸机的几何模型。
本发明提出描叙斜轧过程的四个数学模型，通过它们进行优化计算获得新斜轧管材延伸机几何模型，在新几何模型的斜轧管材延伸机上实现减轻变形区金属“胀鼓”和提高轧制速度的目的。运用前两个数学模型，还可以合理的分配变形量，设计斜轧延伸机轧辊和斜轧穿孔机、热扩管机轧辊、顶头，同时它们也是准确调整轧辊的数学模型；运用后两个数学模型，可以准确的计算轧件轴向和旋转速度。
一种新斜轧管材延伸机的几何模型，通过对现有斜轧管材延伸机的几何模型的改进，提出实现斜轧最佳化的新斜轧管材延伸机的几何模型，其特征在于轧辊呈收敛型布置，即辗轧角ψ＜0，在坐标系oxyz中，偏移量y0≠0，并且送进角β与偏移量y0不能同号，即a或者b，a、移动量x0＞0，轧辊呈收敛型布置辗轧角ψ为负，送进角β为负，偏移y0量为正；b、移动量x0＞0，轧辊呈收敛型布置辗轧角ψ为负，送进角β为正，偏移量y0为负。
所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，利用下述(1)数学模型，在已知轧件曲面β、ψ、r、x0、y0、z的条件下，可求的轧辊曲面θ、X、Y、R、Z参数；取一个z值，就能求出一个对应于该点的一个轧辊半径R和在坐标系O1XYZ中X、Y、Z的坐标值，取若干个z值就得到若干个对应的R值和X、Y、Z、值，若干个R值和Z、X、Y值就构成了关于坐标系O1XYZ的轧辊曲面；(1)z=ztgθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨXYZ=cosΨsinβsinΨ-cosβsinΨ0cosβsinβsinΨ-sinβcosΨcosβcosΨrcosθ-x0rsinθ-y0zR=X2+Y2]]>其中β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆的参数方程的参数，X——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中X轴上的坐标值，Y——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中Y轴上的坐标值，R——不同轧辊横断面上轧辊半径，
Z——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中Z轴(轧辊轴线)上的坐标值；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，利用下述(2)数学模型，在已知轧辊曲面β、ψ、R、Z、x0、y0参数条件下，可求得轧件曲面θ′、r、X0、Y0、Z0、x、y、z参数；取一个Z值，就能求出一个对应于该点的一个轧件半径r值在坐标系oxyz中z的坐标值，对于若干个Z值就得出若干个对应的r值和z值，若干个r值和z值就构成了关于坐标系oxyz的轧件曲面。
(2)Z=ZX0=-x0cosΨ-y0sinβΨsinY0=-y0cosβZ0=-x0sinΨ-y0sinβΨcosθ′=π+arc(tgY0cosβ+(Z-Z0)sinβX0cosβ-(Z-Z0)tgΨ)xyz=cosΨ0sinΨsinβsinΨcosβ-sinβcosΨ-cosβsinΨsinβcosβcosΨRcosθ′Rsinθ′Z+x0y00R=X2+Y2]]>其中β——送进角，ψ——辗轧角，R——不同轧辊横断面上轧辊半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ′——不同轧辊横断面上轧辊外形圆参数方程的参数，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，
X0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的X轴上的移动量，Y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的Y轴上的偏移量，Z0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的Z轴上的移动量x——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中x轴上的坐标值，y——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中y轴上的坐标值，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，利用所述(3)数学模型，在已知轧辊曲面或者轧辊曲面β、ψ、r、x0、y0、z、θ参数条件下，可求得轧辊圆周速度方向与轧件轴线的正向夹角ξ；；计算并比较不同参数的Rcosξ值，对应于Rcosξ较大的和Rcosε较小的几何参数，构成了新斜轧管材延伸机的几何模型；(3)z=ztgθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨcosξ=rcosθ-x0rsinθ-y0sinψ-sinβcosΨrsinθ-y0z-sinβΨcoscosβcosΨ2+zrcosθ-x0cosβΨcossinΨ2+rcosθ-x0rsin-y0sinΨ-sinβΨcos2]]>其中ξ——金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件轴线的正向夹角，β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，
z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆参数方程的参数；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号；求出金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件轴线的正向夹角ξ，就可以求出接触点上金属在轧制方向的速度；夹角ξ越小轧制速度就越大，轧机的几何模型不同，夹角ξ的大小也不同；轧机的几何模型不同，轧辊半径R的大小也不同。可以由轧辊半径R与cosξ的乘积“R cosξ”作为斜轧机几何模型轧制速度的象征值，“R cosξ”越大，轧制速度就越高，轧制速度这一指标就越优，斜轧状态就越好。
所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，利用下述(4)数学模型，在已知轧件曲面或轧辊曲面(β、ψ、r、x0、y0、z、θ参数)条件下，可求得轧辊圆周速度方向与轧件旋转切线方向的正向夹角ε；计算并比较不同参数的Rcosε值，对应于Rcosε较小的和Rcosξ较大的几何参数，构成了新斜轧管材延伸机的几何模型；(4)z=ztgθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨcosϵ=-rsinθ-y0zsinβΨcoscosβΨcostgθ+zrcosθ-x0cosβΨcossinΨrsinθ-y0z-sinβΨcoscosβΨcos2+zrcosθ-x0cosβΨcossinΨ2+rcosθ-x0rsin-y0sinΨ-sinβΨcos2tg2θ+1]]>其中ε——金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件旋转方向的正向夹角，
β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆的参数方程的参数；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号；金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件旋转方向的正向夹角ε越小轧件旋转速度就越大，金属横向流动就越多，变形区金属“胀鼓”就越严重，也就是斜轧状态就越差。轧件旋转速度的大小与夹角ε有关外，还与轧辊半径R也有关，因此也应由轧辊半径R与cosε的乘积“R cos ε”值来表示斜轧机几何模型斜轧状态的优劣，R cosε越小斜轧状态就好越。
本发明与现有技术相比较具有的有益效果为进行优化计算获得新斜轧管材延伸机几何模型，在新几何模型的斜轧管材延伸机上实现减轻变形区金属“胀鼓”和提高轧制速度的目的。
另外，运用上述四个数学方程组中的前两个，可以合理的分配变形量，设计斜轧延伸机轧辊和斜轧穿孔机、热扩管机轧辊、顶头等工具；同时它们也是准确调整轧辊的数学模型；运用后两个数学模型，可以准确的计算轧件轴向和旋转速度。
图1推导数学模型建立的坐标系；图2常见斜轧延伸机的几何模型，即Diescher轧管机、Assel轧管机、ACCU ROOL轧管机及psw几何模型；
图3新斜轧管材延伸机的几何模型a辗轧角Ψ为负，送进角β为负、偏移量y0为正；b辗轧角Ψ为负，送进角β为正、偏移量y0为负。
在图1推导数学模型建立的坐标系中，轧件轴线在坐标系oxyz的z轴上，轧辊轴线在坐标系O1XYZ的Z轴上。座标系O1XYZ是由座标系oxyz经两次旋转和两次平移得来的。第一次旋转是饶x轴旋转β角，逆时针旋转形成的β角取“+”，顺时针旋转形成的取“-”；第二次旋转是饶y轴旋转Ψ角，逆时针旋转形成的Ψ角取“+”，顺时针旋转形成的取“-”。两次平移是分别沿x轴和y轴移动x0和y0值。第一次旋转形成转角β角，就是送进角；第二次旋转形成的转角Ψ就是辗轧角。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式
。
首先拟定一个斜轧管材延伸机的几何模型送进角β＝8°，轧辊轴线调整回转中心点O1至过轧件轴线的基准面的距离，即轧辊轴线在x轴上的移动量x0＝290mm，辗轧角ψ＝-20°，偏移量y0＝-80mm。
其他计算条件与背景技术中计算现有斜轧管材延伸机的相同，即计算变形区从开始减壁又减径的断面起算，直到减壁、减径终了，计算变形区长度120mm，开始减壁又减径的断面上毛管外圆半径r＝82.92mm，减壁又减径终了时r＝76.68mm，减壁量6.24mm。这些条件描述了变形区的轧件曲面，因此运用方程组(1)(如果已知轧辊曲面应运用方程组(2))，计算曲面的有关参数，然后利用方程组(3)和方程组(4)分别计算轧辊圆周速度方向与轧制方向正向夹角ξ和与轧件旋转方向的正向夹角ε，并计算Rcosξ值和Rcosε值，从而判断斜轧状况的优劣。根据上述计算条件计算结果列于表2。
表2
纵观计算结果，与表1比较，新斜轧管材延伸机几何模型要比上述常见的几种延伸机的几何模型优越Rcosξ值要比常见延伸机的大，是PSW的三倍以上，是其它常见延伸机的1.6倍左右(若适当变换β、Ψ和y0值还会产生更好的效果)；从变形区入口至出口Rcosε与PSW一样是递减的，这说明本发明比常见的延伸机不但轧制速度高，而且也具有较强的扼制变形区金属“胀鼓”的能力。
权利要求
1.一种新斜轧管材延伸机的几何模型，通过对现有斜轧管材延伸机的几何模型的改进，提出实现斜轧最佳化的新斜轧管材延伸机的几何模型，其特征在于轧辊呈收敛型布置，即辗轧角ψ＜0，在坐标系oxyz中，偏移量y0≠0，并且送进角β与偏移量y0不能同号，即a或者b，a、移动量x0＞0，轧辊呈收敛型布置辗轧角ψ为负，送进角β为负，偏移y0量为正；b、移动量x0＞0，轧辊呈收敛型布置辗轧角ψ为负，送进角β为正，偏移量y0为负。
2.根据权利要求1所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，其特征在于，利用以下述的数学模型，在已知轧件曲面β、ψ、r、x0、y0、z的条件下，可求的轧辊曲面θ、X、Y、R、Z参数；z=ztanθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨXYZ=cosΨsinβsinΨ-cosβsinΨ0cosβsinβsinΨ-sinβcosΨcosβcosΨrcosθ-x0rsinθ-y0zR=X2+Y2]]>其中β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆的参数方程的参数，X——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中X轴上的坐标值，Y——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中Y轴上的坐标值，R——不同轧辊横断面上轧辊半径，Z——金属与轧辊接触点在坐标系O1XYZ中Z轴(轧辊轴线)上的坐标值；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
3.根据权利要求1所述的新斜轧管材延伸机的儿何模型，其特征在于，利用下述的数学模型，在已知轧辊曲面β、ψ、R、Z、x0、y0参数条件下，可求得轧件曲面θ′、r、X0、Y0、Z0、x、y、z参数； 其中β——送进角，ψ——辗轧角，R——不同轧辊横断面上轧辊半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ′——不同轧辊横断面上轧辊外形圆参数方程的参数，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，X0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的X轴上的移动量，Y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的Y轴上的偏移量，Z0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系O1XYZ的Z轴上的移x——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中x轴上的坐标值，y——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中y轴上的坐标值，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
4.根据权利要求1所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，其特征在于，利用以下所述的数学模型，在已知轧辊曲面或者轧辊曲面β、ψ、r、x0、y0、z、θ参数条件下，可求得轧辊圆周速度方向与轧件轴线的正向夹角ξ；z=ztgθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨcosξ=rcosθ-x0rsinθ-y3sinΨ-sinβcosΨrsinθ-y0z-sinβcosΨcosβcosΨ2+zrcosθ-x0cosβcosΨsinΨ2-rcosθ-x0rsin-y0sinΨsinθcosΨ2]]>其中ξ——金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件轴线的正向夹角，β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆的参数方程的参数；逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
5.根据权利要求1所述的新斜轧管材延伸机的几何模型，其特征在于，利用以下所述的数学模型，在已知轧辊曲面β、ψ、r、x0、y0、z、θ参数条件下，可求得轧辊圆周速度方向与轧件旋转切线方向的正向夹角ε；z=ztgθ=y0cosβ-zsinβx0cosβ+ztgΨcosϵ=rsinθ-y0z-sinβcosΨcosβcosΨtgθ·zrcos-x0cosβcosΨsinΨrsinθ-y0z-sinβcosΨcosβcosψ2+zrcosθ-x0cosβcosΨsinΨ2+rcosθ-x0rsin-y0sinΨ-sinβcosΨ2tg2θ+1]]>其中ε——金属与轧辊接触点上的轧辊圆周速度方向与轧件旋转方向的正向夹角，β——送进角，ψ——辗轧角，r——不同轧件横断面上轧件外圆半径，x0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的x轴上的移动量，y0——轧辊轴线调整回转点沿坐标系oxyz的y轴上的偏移量，z——金属与轧辊接触点在坐标系oxyz中z轴(轧件轴线)上的坐标值，θ——轧件横断面圆上轧件外圆的参数方程的参数。逆时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“+”号，顺时针形成的送进角β和辗轧角ψ取“-”号。
全文摘要
本发明涉及一种热轧管材延伸技术，该技术可直接应用于斜轧管材延伸设备。为了克服现有斜轧管材延伸机的缺点，实现斜轧最佳化，本发明提出了新的管材延伸机的几何模型，它的基本特征是轧辊呈收敛型布置，即辗轧角ψ＜0，在坐标系oxyz中，偏移量y
文档编号B21B37/78GK1796016SQ200410082318
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者詹尊舜 申请人:中国冶金建设集团包头钢铁设计研究总院