具有两个径向主轧辊的辗环机的制作方法

文档序号:3032490阅读:249来源:国知局
专利名称:具有两个径向主轧辊的辗环机的制作方法
技术领域
本发明属于特种锻压技术。
现有辗环机的径向主轧辊只有一个。这样的辗环机最适合轧制断面为矩形的环类锻件,也可以轧制一些有复杂形状断面的环件,但对于轴向形状不对称的环件,有时甚至断面仅由两个简单的矩形所组成,如

图1所示,轧制起来也十分困难。对图1所示锻件,按现有技术(参见机械工业出版社78年11月首版的《锻工手册》及国防工业出版社89年9月首版的《锻压技术手册》),首先利用锻锤将原料制备成图2所示毛坯,其中高颈部分(图中带阴影)与锻件高颈部分(图中带阴影)体积相等;下面法兰部分与锻件法兰部分体积相等,并要求毛坯的高颈部分的外径与下面法兰部分的外径之差等于锻件上高颈部分的外径与其下部法兰外径之差。这个差值在轧制过程中始终不变。其轧制之初时的情形如图3(P1、P2、P3表示各接触面间的轧制力或全反力)所示。
这样的轧制在锻件轴向不对称程度严重以及锻件尺寸较大时尤为突出地存在三方面的问题1、摩擦功率损耗大参见图3和图5,工件3和主轧辊1都各是一个整体,由于主轧辊上部直径大,因而上部与工件接触的表面的速度v2大于下部与工件接触的表面的速度v1;而工件上部与主轧辊接触的表面的速度v′2小于其下部与主轧辊接触的表面的速度v′1。这样就存在着工件与主轧辊接触表面间的相对滑动。在主轧辊主动力矩足够大的前提下,打滑的实际发生情况与轧制时轧辊、工件的几何尺寸、轧辊压下量及轧辊两主承压面(图3力P1、P2箭头所指处)的正压力N1、N2(见图21)的比值有关。稳定轧制时可能发生的状态有两种其一,轧辊较大直径工作面处(图3力P1箭头所指处)与工件发生相对滑动,而轧辊较小直径工作面处(图3力P2箭头所指处)与工件不滑动(线速相同);其二,较小直径工作面处发生相对滑动,而较大直径工作面处不滑动。
图21及下式有助于对其规律的认识,并可借以对打滑状态进行判断。
(N1)/(N2) ≤ (r)/(R) · ((μ滑Cosθ2-Sinθ2))/((μ滑Cosθ1+Sinθ1))说明1、图中N1为较大直径工作面处对工件3的正压力,N2为较小直径工作面处轧辊1对工件3的正压力;
2、上式是上述第二种状态可能发生的条件以及图21所示为此状态下作用力的情况;
3、μ滑为打滑时轧辊与工件间的滑动摩擦系数;
4、分析中忽略了芯轴的摩擦圆(在芯轴以滚动轴承支承,且润滑状态良好时,轴承摩擦系数很小)。
如果在正常的轧制工艺参数范围内上式不能被满足,则会发生第一种状态。
不论哪种状态发生,滑动摩擦引起的功率损失等于相对滑动速度与滑动摩擦力之乘积。由于轧制时的正压力是巨大的,因此,这个损失是不容忽视的。特别对于大型辗环机,就更是如此。对于图1、图2所示的轧制对象,在材料为25#钢,以压下量△h=5mm、主轧辊下部外表面圆周速度v1=1m/s、轧制温度t=1150℃进行轧制的过程中,当轧制到如图7所示工件上部外径等于575mm、下部外径等于731mm、内径等于450mm、且芯轴与工件内壁的接触高度达到114mm时,通过计算(见前述《锻压技术手册》)可得P1=214630(N)、P2=251109(N)、轧制力矩M轧=19598(N·m)、轧制功率等于43.550(KW)。并根据前述的方法计算分析,可知,此时轧辊下部不滑动,仅上部滑动。则(参见图5)v1=1m/s,v2=1.172m/s,v′2=0.787m/s,轧辊上部相对滑动速度v2-v′2=0.385m/s;取轧辊与工件打滑时的摩擦系数μ滑=0.3,则滑动摩损功率N1·μ滑·(v2-v′2)近似等于P1·μ滑·(v2-v′2)=24.79(KW)。超过轧制力功率一半以上。
2、轧辊摩损严重,寿命降低3、变形不均匀在图1和图2的工件上部的中部画二条线AA和A′A′,可看出,轧制前下侧的金属体积大于上侧金属体积,而轧制后体积相等了。说明上部金属在轧制过程中有严重的轴向单向流动。实际上在轧制过程中上部是从靠近下面法兰处开始向上逐渐进入轧制的,最初上端并未受到轧辊和芯辊的挤压,它的直径是被下部材料拉拽大的。在这种情形下,其上端会产生离开轧辊一个角度的现象(参见图7)。其断面内力沿轴线方向的分布,必然成图6所示意的那样,上端受拉(在图中以负号表示),下端受压(图中正号表示)。因此最终导致锻件端面翘曲,如图4所示。影响了轧制精度以及锻件内在质量。
本发明的目的是要提供一种改进的辗环机及相应的工艺以消除上述摩擦损耗、延长轧辊的使用寿命以及克服变形的不均匀性,提高轧制精度。
目的是这样实现的设置两个径向主轧辊,其转动由两套动力系统分别驱动。其中一个和常见卧式辗环机的径向主轧辊一样,其轴线相对机架是固定的(简称定轧辊),另一个通过滑块机构与机架联接并配以一个推力缸使其可与芯轴作相向移动(简称动轧辊),即在芯轴向定轧辊移近的同时移向芯轴。在轧制过程中,动、定两轧辊的相对转速有一个模拟式反馈控制系统自动调节,以保证正常轧制时两轧辊各自与工件的接触表面间均不出现线速差及轧制动力的最大发挥。动轧辊相对芯轴的移动也由模拟式反馈控制系统自动控制,使整个轧制过程如同两部单径向轧辊辗环机在同时分别按照各自的适应规律对两个简单断面环件进行轧制一样。该加工过程的特征之一是工件两部分外径之差由大变小,最终达到锻件图纸要求。
实现二主轧辊相对转速自动调节,只需将其中一个作为基准(简称基准辊),对另一个进行调速(简称调速辊)即可。根据情况有时选动辊为基准辊,有时反之。调速辊的驱动,可以采取电动机调速机械式和容积调速液压马达式两种。机械传动具有效率高,工作可靠的特点,但调速电机体积过大,而液压马达易实现无级调速、工作平缓、且体积功率比小,因此在体积足够小的调速电机问世之前,宜选用液压马达驱动,并可以采取两辊全液压式和基准轧辊机械传动而调速轧辊液压马达传动的混合式(此方法适合于在原有辗环机基础上进行改造的场合)。
下面结合本申请人为生产大口径高颈法兰(通径范围355.6mm~609.6mm)而设计的全液压传动双径向主轧辊辗环机(简称高径法兰辗环机)进一步说明发明的内容及具体实施技术。
图12所示为美国ANSI B16.5 150Lb A105 24inc welding Neck高颈锻钢法兰零件图。
图8为高颈法兰辗环机的结构示意。
图9为高颈法兰辗环机工作原理示意。
整机主要结构由上辊7(为调速辊和定辊)、下辊8(为基准辊和动辊)、芯轴13及其滑块14、上辊支架6、下辊滑块9、芯轴移动缸1、下辊移动缸10、导向抱辊机构15、芯辊支承臂3、支承臂支架2、支承臂油缸4、机架12、上辊油马达5、下辊油马达11组成。
液压系统主要包括上辊液压马达系统(闭式)、下辊液压马达系统(闭式)、芯轴移动缸系统、下辊移动缸系统(闭式)、芯轴支承及抱辊工作液压系统。见图10、图11。
上、下轧辊液压马达均采用NJM型内曲线多作用低速大扭矩马达。该类马达低速平稳性好,起动力矩大,可直接带动轧辊,不需要中间减速机构。
轧辊转速自调系统,见图10,不仅可保证两轧辊各自与工件在接触表面处达到速度同步,而且可以保证上、下轧辊同时或趋于同时达到打滑的临界状态,最大限度地发挥整机的动力性。
轧辊打滑的原因是轧辊所受主动力矩大于轧辊与工件间最大静滑动摩擦力(实际应为接触面各种滑动摩擦力之和,其中包括前、后滑区的动滑动摩擦力。后面提及的静滑动摩擦力也有此含义)对轧辊轴线之矩的结果。对双主轧辊轧制,为了保证实现对驱动能力的最大利用,应使两轧辊与工件的静滑动摩擦力Ff能同时达到最大值。为此,只需使驱动力矩根据两轧辊与工件接触弧面的正压力N进行调整即可。在μ滑基准=μ滑调速的前提下,如果驱动力矩的调整保证了两轧辊与工件间的静滑动摩擦力Ff时时与各自的正压力N成比例,即N基准∶N调速=Ff基准∶Ff调速也就可以达到上、下轧辊同时达到打滑临界状态的目的。对于轧制壁厚较大的环件(上述高颈法兰的轧制即属如上此),其咬入弧长L与平均截面高度h之比均小于0.5,因此轧制力P及正压力N均通过咬入弧中点,正压力N通过主轧辊中心。见冶金工业出版社89年7月首版的《轧制原理手册》。如图20所示,由于θ≤arc tgμ滑,而arc tgμ滑一般不太大(如μ滑=0.3时,arc tgμ滑=16°42′),P·cosβ1与P·cosθ相差不大,及P·cosθ即等于正压力N,故对单轧辊轧制,P·cosβ1近似等于芯轴移动油缸的推力;对双轧辊轧制,则P动·cosβ1动近似为动轧辊移动缸推力,P定·cosβ1定+P动·cosβ1动近似为芯轴移动缸推力。这样,即可以动辊移动缸的推力近似代替动辊轧制正压力,而以芯轴移动缸的推力与动辊移动缸的推力之差近似代替定辊的轧制正压力。
调速过程(参见图10)下辊液压马达11由电液比例变量泵16供油。在11的进油管路上接有压力传感器A。上辊液马达5由液控变量泵17供油,17的控制油由电液流量伺服阀18提供。在5的进油管路上接有压力传感器B。轧制时,芯轴移动油缸1的工作压力通过传感器C,经过跟随器JC8输入到减法放大器JC1的正端;下辊移动油缸10的工作压力通过压力传感器D、跟随器JC7及一个分压电路(因两个油缸缸径不同,以及两主轧辊辊径不同,故此进行补偿)输入到JC1的负端和JC2的正端。如图10所示的电路中的电阻值决定了JC2、JC1放大倍数相等,从而保证了经JC1减法运算输出的电压同JC2输出的电压比等于上、下辊所应有的扭矩比。下辊液压马达进油口压力(轧制时,出油口背压相对进油口数值很小,因此,液压马达输出扭矩近似与进油口压力成正比)通过压力传感器A输入到运放JC4的正端,上辊马达5进油口压力通过传感器B输入到运放JC3的正端。JC4、JC3的负端各通过一个相互同步转动的同阻值的精密线绕电位器(这里用于变阻器)接地,使得JC4和JC3的电压放大倍数,在转动该电位器时,同时改变并总保持相等。JC4的输出电压和JC2的输出电压分别送到JC6的正负端,进行比较,如有不同则使微电机D1转动,D1直接带动上述电位器,电机的转动使得JC4的输出向着趋于与JC2的输出相等的方向变化。如果二液压马达进油口的压力之比等于相应JC1与JC2的输出电压比,则JC3与JC1的输出即应相等,否则,JC3和JC1的输出分别送到JC5差动放大后就使JC5的输出偏离零值,并通过直流电流放大电路(与伺服阀力马达特性相匹配),驱动伺服阀18使变量泵17的排量变化,最终使上轧辊液压马达的进油口压力向着减小JC3、JC1输出电压差的方向变化,最终实现了速度同步及驱动潜力最大发挥的自调控目的。
动轧辊移动自控系统的目的是要在整个轧制过程中消除工件轴向不对称的两部分材料内部切向不均匀内力的产生机制。
对于图13所示的锻件用本辗环机加工,其毛坯形状如图14,内孔为圆柱型,根据体积相等原则,其上部外径与下部外径之差大于锻件上部外径与下部外径之差。轧制时实际相当于将锻件分开成上、下两部分,分别由两台单主轧辊辗环机进行轧制,只不过两个过程同时进行,且每时每刻两部分内径都相等就是了。两部分外径之差的变化,完全按照上述设想的各自单独轧制所应有的规律变化。
下面以高颈法兰辗环机,说明其控制方法及过程(参见图1)动轧辊移动油缸10由液控变量泵19供油,19由电液伺服阀20控制其变量;芯轴移动缸在轧制时由机械伺服变量泵19供油。随着芯轴移动缸的位置移动,通过一个凸轮板机构和线位移传感器F将动轧辊应有的移动位置转变成电信号作为基准送到JC9的负端。动轧辊的移动位置由线位移传感器E测量并转换成电信号输送到JC9的正端进行比较,如果其电压值不等于基准电压,过高或过低,则JC9的输出即偏离零值,并通过电流放大驱动电路驱动电液伺服阀20,改变泵19的排量以纠正缸10的速度编差,直至达到正确。
凸轮板曲线的做法根据工件上、下两部分的体积在轧制过程中各自不变的条件,可计算出在工件毛坯内径到锻件内径范围内给定的一系列内径值所对应的一系列外径值、一系列定轧辊所对应的工件部分的厚度(内、外半径差)变化量及工件上、下两部分外半径差的减小量。
其中定轧辊所对应的工件部分的厚度变化量即为芯轴的相应移动量及凸轮轮廓曲线横坐标;工件上、下两部分外半径差的相应减小量即为轧辊的移动量及曲线的纵坐标。
见图15、图18。一般芯轴1、上轧辊2、下轧辊3外表面不做出简单的圆柱面而应做成如图15所示的形状,其目的是要限制工件边缘处的展宽效应,提高轧制精度及增加轧制力的穿透度,对毛坯厚度大而高度小的情况就更需如此。这样的工艺措施增加的摩擦损耗尚无好办法加以克服。
当锻件两部分本身的轴向分布具有不对称性时,还要考虑在制坯时做出适当的相应处理。
如对于高颈法兰(如图12示),在制定工艺,设计锻件图及毛坯图时,除了可将上部外表面设计成圆柱面(如图13、图14示)外,还可将其设计为接近于另件图的锥面形状(如图16、图17示)。这时若上部锥度不大,内径仍可为圆柱形;若锥度较大,就要将毛坯设计成图19所示的形状,以抵消锥部的上侧沿切向内压力过大所导致的不希望的变形。
图13-18所示为针对ANS1 B16.5 150Lb 24inc高颈法兰所制定的两个工艺方案(包括锻件图、毛坯图和轧辊形状)。其中图13-15依次为高颈部外面为圆柱面的锻件图、毛坯图和轧辊形状示意图;图16-18依次为高颈部外面为圆锥面的锻件图、毛坯图和轧辊形状示意。
本发明是应时而生的。近年来,由于中国劳动力低廉、钢材、煤碳价格相对较低以及政府鼓励出口的政策,我国法兰制品的价格水平具有很强的国际竞争力,因而极大地吸引着以美国为主的国际法兰盘进出口商。法兰的订单越来越多,然而实际出口量却受到多方面条件的限制,其中,没有适合于生产大口径法兰特别是高颈大口径法兰的理想设备及工艺就是重要的制约条件之一(本申请人在外贸部门经营法兰出口项目时,走访调查了国内许多大型企业的辗环机的各方面情况,发现现有辗环机均不适合大口径高颈法兰锻件的轧制)。另据有关方面提供的信息,我国“八五”期间法兰制品的年需求量将由现在的十万吨左右上升到二十五~三十万吨,因此,可以预见本发明将给我国法兰生产及出口的综合能力作出贡献。
权利要求
1.属于特种锻压技术用于轧制环类锻件的径向辗环机,主要由芯轴、芯轴滑块、芯轴移动油缸和一个定轴主动转动的径向主轧辊组成,本发明的特征是a)增设一个可以与芯轴相向移动的径向主轧辊及其移动和转动的动力驱动系统,b)配备一个使两主轧辊间相对转速按照一定规律进行自调的控制系统和一个使上述增设轧辊对芯轴的相对移动速度按照一定规律进行自调的控制系统。
2.根据权利要求1规定的辗环机,其特征是动、定两个径向主轧辊的转动均由液压马达驱动。
3.根据权利要求1规定的辗环机,其特征是转速基准轧辊的转动采用机械式传动,调速轧辊的转动由液压马达传动。
4.根据权利要求1规定的两主轧辊相对转速自调控方法,其特征是a)调速轧辊的动力系统采用变量泵容积调速液压马达系统,b)测量并根据两轧辊与工件间的正压力的比值,控制、调整变量泵的排量,使两轧辊与工件间实际滑动摩擦力的比值等于相应正压力的比值,得以实现两轧辊趋于同时打滑的目的。
5.根据权利要求2和权利要求4规定的方法,其特征是用同轴电位器作为二线性放大器JC3、JC4的反馈分压电阻,使JC3、JC4的放大倍数同时变化并时时相等,从而保证转速基准辊与调速辊液压马达进油口处的压力之比恒等于JC4与JC3输出电压之比。
6.根据权利要求2或权利要求3规定的方法,其特征是用直流伺服电机闭式驱动回路,保证JC4的输出电压等于JC2的输出电压,以及用伺服阀闭式驱动回路,保证JC3的输出电压等于JC1的输出电压。
7.根据权利要求1规定的工艺方法,其特征是对具有轴向断面形状不对称的环类锻件,用两个径向平行、靠得很近的主轧辊同时进行轧制。
8.根据权利要求8的工艺方法,其特征是a)当锻件轴向断面形状整体不对称的两部分本身为轴向对称时,其毛坯内孔为圆柱面,b)当锻件轴向断面形状整体不对称的两部分本身具有相对整体不对称存在较小的局部不对称度时,为补偿局部不对称的影响,其毛坯内孔做出0~60°局部锥度。
9.根据权利要求8规定的工艺方法,其特征是对应于工件较大直径部分的轧辊表面有宽度与该部分高度相同的凹槽,且该轧辊沉入另一轧辊端面的凹台内。
10.根据权利要求1和权利要求8规定的工艺方法,其特征是动轧辊的移动是按照满足两轧辊所对应的工件上的两部分在轧制全过程各自体积不变的要求的规律进行。
全文摘要
具有两个径向主轧辊的辗环机,属于特种锻压技术。本发明旨在克服用单径向主轧辊辗环机轧制轴向严重不对称及大型轴向不对称的台阶类环锻件时,存在的摩擦功率损耗大,轧辊磨损严重以及易发生不希望的变形的缺点。主要特征是设置了两个均可输出轧制力矩的径向主轧辊,其中一个配有推力油缸可与芯轴作相向移动,并配有轧辊转速自控和轧辊移动自控系统,保证双轧辊趋于同时打滑及工件各部分变形均匀合理。可轧制大口径高颈法兰等。
文档编号B21H1/00GK1062105SQ9110255
公开日1992年6月24日 申请日期1991年4月24日 优先权日1991年4月24日
发明者孟驰 申请人:孟驰
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