·748· 工程科学学报，第39卷，第5期 皮尔格冷轧作为一种无缝管材加工方法，其具 精度和产品性能都有重要影响，针对于目前的技术屏 有管材的内外径和壁厚在由确定尺寸且轴对称的芯 障，其选择也是依靠经验获得.本文以304不锈钢为 棒和往复运动的带有沟槽的轧辊作用下逐渐减小的 研究对象，通过有限元模似及实验研究分析，得出了不 特点，皮尔格冷轧被广泛用于制造难以变形的金属 同周期送进量对皮尔格冷轧成形的影响规律，对皮尔 管材1- 格冷轧钢管的工艺控制有重要意义 Lodej等利用三维有限元模拟分析方法来简化模 1皮尔格冷轧送进量特征分析 型，通过变形量叠加的形式计算出冷轧过程中应力应 变的变化特点[].Abe和Furugen分析了皮尔格轧制 图1为皮尔格冷轧示意图，轧制过程中，当工作机 的变形行为并得到了保证成品管表面质量所需的合适 架移到后极限位置I时，将管料向前送进一个距离，同 轧制条件[6.但上述研究只是揭示了皮尔格冷轧中管 时将管材回转一定角度.工作机架向前移动后，刚送 材成形的特点和规律，并没有对轧制过程中工艺参数 进的管料以及原来处在工作机架两极限位置之间尚未 进行进一步研究.Abe等利用雷诺方程提出一种新的 加工完毕的管材，在开有直径不断变化的孔型的2个 润滑计算方法，并给出冷轧过程中不同送进量、轧制速 轧辊以及横截面直径不断减小的芯棒之间发生塑性变 度、轧辊孔型等工艺参数时所需润滑状态的计算方 形[9-o].当工作机架移动到前极限位置Ⅱ时，管料送 法)]，但其只针对不同工艺参数下的润滑状态计算方 进一个距离且与芯棒一起回转一定的角度.工作机架 法进行了研究.刘江林等借助有限元模拟软件研究了 反向移动后，管材受轧辊的继续轧制.轧成部分的管 冷轧工艺参数对TA18钛合金管材金属流动及成形载 材在下一次管料送进时离开轧机，其极限位置I和极 荷的影响规律]，但其管材变形区是预制的，并没有模 限位置Ⅱ的送进量数值总和称之为周期送进量.皮尔 拟完整的轧制过程 格轧制就是不断的重复上述过程直到管材成形.送进 实际生产中，在大多数情况下工艺参数设计是根 机构将管材沿轧制方向移动一段距离m,如图1中所 据轧制材质不同采用生产经验形式选取，这会导致在 示，此时管材脱离了芯棒表面并产生了一定的间隙，图 某些情况下工艺选择不合理，因此在冷轧生产过程中 中m+△m区域为先前管材送进部分在经过多个周期 会产生横向压痕、纵向毛刺以及产品精度较低等缺陷， 轧制后所处区域，管材沿轧制方向延伸量为△m.送进 所以工艺参数选择至关重要.皮尔格轧制过程中管材 量m的不同会导致管材与芯棒间隙8的不同，进而影 的周期送进量m是关键的工艺参数，对成品管的尺寸 响管材的尺寸精度以及成形过程中的力能参数等. 12周期正向行程) 12周期反向回程) 轧辊 管材 +△V 芯棒 芯棒 轧辊 图1皮尔格冷轧示意图 Fig.1 Schematic of the cold pilgering process 图2为送进机构示意图，在管坯卡盘J上，螺母与 管坯送进卡盘J推着管坯向前送进一个距离，即送进 送进丝杆C相配合组成螺旋副.管坯L在送进卡盘J量.当卡盘J向前运动到某一位置时，电动机F将其 推动作用下实现送进，运动由轴H输入，一方面经过 快速退回到起始位置，送进量可以在一定范围内无极 齿轮1~4驱动送进凸轮B与曲轴同步转动，凸轮B每 调节 旋转一周送进丝杆就随着凸轮绕可调支点A来回摆 2有限元模型建立与分析 动一次，从而使横向架M连同齿轮12、13、轴I、联轴器 K和送进丝杆等做与送进量相适应的沿轴向的前进和 2.1有限元模型建立 后退运动.另一方面，经齿轮5~13、无级变速器D、电 本文以LG-60皮尔格冷轧管机为原型，分别对送 磁离合器￡，驱动送进丝杆做与送进量相适应的连续 进量为8、10和12mm下的皮尔格冷轧过程进行了完 的等速旋转运动.送进丝杆这两个复合运动的结果使 整的有限元模拟.该模拟计算方法采用修正的拉格朗工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 皮尔格冷轧作为一种无缝管材加工方法,其具 有管材的内外径和壁厚在由确定尺寸且轴对称的芯 棒和往复运动的带有沟槽的轧辊作用下逐渐减小的 特点,皮尔格冷轧被广泛用于制造难以变形的金属 管材[1鄄鄄4] . Lodej 等利用三维有限元模拟分析方法来简化模 型,通过变形量叠加的形式计算出冷轧过程中应力应 变的变化特点[5] . Abe 和 Furugen 分析了皮尔格轧制 的变形行为并得到了保证成品管表面质量所需的合适 轧制条件[6] . 但上述研究只是揭示了皮尔格冷轧中管 材成形的特点和规律,并没有对轧制过程中工艺参数 进行进一步研究. Abe 等利用雷诺方程提出一种新的 润滑计算方法,并给出冷轧过程中不同送进量、轧制速 度、轧辊孔型等工艺参数时所需润滑状态的计算方 法[7] ,但其只针对不同工艺参数下的润滑状态计算方 法进行了研究. 刘江林等借助有限元模拟软件研究了 冷轧工艺参数对 TA18 钛合金管材金属流动及成形载 荷的影响规律[8] ,但其管材变形区是预制的,并没有模 拟完整的轧制过程. 实际生产中,在大多数情况下工艺参数设计是根 据轧制材质不同采用生产经验形式选取,这会导致在 某些情况下工艺选择不合理,因此在冷轧生产过程中 会产生横向压痕、纵向毛刺以及产品精度较低等缺陷, 所以工艺参数选择至关重要. 皮尔格轧制过程中管材 的周期送进量 m 是关键的工艺参数,对成品管的尺寸 精度和产品性能都有重要影响,针对于目前的技术屏 障,其选择也是依靠经验获得. 本文以 304 不锈钢为 研究对象,通过有限元模拟及实验研究分析,得出了不 同周期送进量对皮尔格冷轧成形的影响规律,对皮尔 格冷轧钢管的工艺控制有重要意义. 1 皮尔格冷轧送进量特征分析 图 1 为皮尔格冷轧示意图,轧制过程中,当工作机 架移到后极限位置玉时,将管料向前送进一个距离,同 时将管材回转一定角度. 工作机架向前移动后,刚送 进的管料以及原来处在工作机架两极限位置之间尚未 加工完毕的管材,在开有直径不断变化的孔型的 2 个 轧辊以及横截面直径不断减小的芯棒之间发生塑性变 形[9鄄鄄10] . 当工作机架移动到前极限位置域时,管料送 进一个距离且与芯棒一起回转一定的角度. 工作机架 反向移动后,管材受轧辊的继续轧制. 轧成部分的管 材在下一次管料送进时离开轧机,其极限位置玉和极 限位置域的送进量数值总和称之为周期送进量. 皮尔 格轧制就是不断的重复上述过程直到管材成形. 送进 机构将管材沿轧制方向移动一段距离 m,如图 1 中所 示,此时管材脱离了芯棒表面并产生了一定的间隙,图 中 m + 驻m 区域为先前管材送进部分在经过多个周期 轧制后所处区域,管材沿轧制方向延伸量为 驻m. 送进 量 m 的不同会导致管材与芯棒间隙 啄 的不同,进而影 响管材的尺寸精度以及成形过程中的力能参数等. 图 1 皮尔格冷轧示意图 Fig. 1 Schematic of the cold pilgering process 图 2 为送进机构示意图,在管坯卡盘 J 上,螺母与 送进丝杆 C 相配合组成螺旋副. 管坯 L 在送进卡盘 J 推动作用下实现送进,运动由轴 H 输入,一方面经过 齿轮1 ~ 4 驱动送进凸轮 B 与曲轴同步转动,凸轮 B 每 旋转一周送进丝杆就随着凸轮绕可调支点 A 来回摆 动一次,从而使横向架 M 连同齿轮 12、13、轴 I、联轴器 K 和送进丝杆等做与送进量相适应的沿轴向的前进和 后退运动. 另一方面,经齿轮 5 ~ 13、无级变速器 D、电 磁离合器 E,驱动送进丝杆做与送进量相适应的连续 的等速旋转运动. 送进丝杆这两个复合运动的结果使 管坯送进卡盘 J 推着管坯向前送进一个距离,即送进 量. 当卡盘 J 向前运动到某一位置时,电动机 F 将其 快速退回到起始位置,送进量可以在一定范围内无极 调节. 2 有限元模型建立与分析 2郾 1 有限元模型建立 本文以 LG鄄鄄60 皮尔格冷轧管机为原型,分别对送 进量为 8、10 和 12 mm 下的皮尔格冷轧过程进行了完 整的有限元模拟. 该模拟计算方法采用修正的拉格朗 ·748·