發(fā)布時間：2021-05-20所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：錐輥連續(xù)輾軋成形是目前世界上最先進(jìn)的螺旋葉片成形工藝，生產(chǎn)螺旋葉片的錐輥軋機屬于特種軋制設(shè)備，國內(nèi)目前尚無廠家專業(yè)生產(chǎn)。為此，在介紹生產(chǎn)螺旋葉片常用工藝的基礎(chǔ)上，對螺旋葉片錐輥輾軋成形理論、錐輥軋機及其軋制參數(shù)的調(diào)整等問題的研究現(xiàn)狀
摘要：錐輥連續(xù)輾軋成形是目前世界上最先進(jìn)的螺旋葉片成形工藝，生產(chǎn)螺旋葉片的錐輥軋機屬于特種軋制設(shè)備，國內(nèi)目前尚無廠家專業(yè)生產(chǎn)。為此，在介紹生產(chǎn)螺旋葉片常用工藝的基礎(chǔ)上，對螺旋葉片錐輥輾軋成形理論、錐輥軋機及其軋制參數(shù)的調(diào)整等問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對螺旋葉片錐輥連續(xù)輾軋技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：金屬學(xué)與金屬工藝;螺旋葉片;綜述;錐輥;連軋;展望
0引言
螺旋葉片是指用鋼板或鋼帶制成的連續(xù)多圈的螺旋狀零件[1]，其廣泛應(yīng)用于農(nóng)機、電力、輕工、食品、化工等許多行業(yè)[2]。錐輥連續(xù)輾軋成形是目前世界上最先進(jìn)的螺旋葉片成形工藝方法，與傳統(tǒng)方法相比其材料的利用率可提高1倍以上，效率可提高90%[3,4]。生產(chǎn)螺旋葉片的錐輥軋機屬于特種軋制設(shè)備，目前國內(nèi)尚無廠家專業(yè)生產(chǎn)。雖然此使用領(lǐng)域及用來軋制螺旋葉片的材料種類已經(jīng)有了擴大，但軋制參數(shù)的調(diào)整仍停留在經(jīng)驗調(diào)節(jié)上[4]。本文在介紹螺旋葉片常用生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)上，對錐輥輾軋成形理論、錐輥軋機及其軋制參數(shù)的調(diào)整研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對螺旋葉片錐輥連續(xù)輾軋技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
螺旋葉片成形工藝，如圖1所示。
20世紀(jì)30年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對螺旋葉片錐輥連續(xù)輾軋成形技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了不少成果，歸納起來主要涉及到螺旋葉片錐輥連軋成形理論的研究、錐輥軋機的研制、輾軋參數(shù)調(diào)整方法的探索等幾個方面。
1.1錐輥輾軋成形理論的研究
螺旋葉片錐輥輾軋成形最早于1938年由蘇聯(lián)學(xué)者ПавловН.М.提出[5]，1949年經(jīng)過蘇聯(lián)學(xué)者ЖуравдевА.Э.的完善[6]，標(biāo)志著螺旋葉片錐輥輾軋成形新工藝的誕生。這個時期的輾軋原理主要以蘇聯(lián)學(xué)者提出的圓柱輥共面楔形輾軋與分導(dǎo)復(fù)合成形理論為主。聯(lián)合收割機的問世及廣泛使用，使輾軋成形工藝取得了巨大進(jìn)展。20世紀(jì)60年代，在英國科學(xué)家提出了錐輥異面輾軋成形理論以后，關(guān)于輾軋成形的理論研究和實驗成果大量地被應(yīng)用到生產(chǎn)實際中去，使螺旋葉片的生產(chǎn)面貌產(chǎn)生了根本性的變化。1986年ГевкоВ.М.進(jìn)一步發(fā)展和完善了螺旋葉片輾軋成形理論，在其專著中詳細(xì)地論述了輾軋成形技術(shù)發(fā)展的概貌、理論及應(yīng)用領(lǐng)域。在螺旋葉片錐輥輾軋成形理論的發(fā)展過程中，日本的學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果，如1978年中田孝提出的“反復(fù)軋制與不均勻壓下輾軋相結(jié)合”的辦法、1984年野上新平提出的“邊軋彎曲法”、1984年高崎光弘等提出的“邊軋彎曲法成形型材”等[2]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，螺旋葉片錐輥輾軋成形理論的主要發(fā)展方向趨向于對“厚”葉片、大變形及其數(shù)值模擬等課題的研究。
國內(nèi)從20世紀(jì)80年代初開始螺旋葉片錐輥輾軋成形理論的研究。1986年佳木斯聯(lián)合收割機廠的胡偉麗等人在對英國引進(jìn)的FM-600型螺旋葉片軋機消化吸收的基礎(chǔ)上，對螺旋葉片錐輥輾軋成形工藝進(jìn)行了初步介紹[7]。1989年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊合在其導(dǎo)師霍文燦等的指導(dǎo)下完成了一些具有開拓性的工作，他在博士論文中詳細(xì)論述了螺旋葉片錐輥輾軋成形的基本理論，并對成形過程的調(diào)整與控制進(jìn)行了研究，利用編程的方法實現(xiàn)了成形過程調(diào)整與控制的計算機仿真[1]。文獻(xiàn)[8]對錐輥共面楔形異步輾軋成形機理進(jìn)行了研究，標(biāo)志著我國在螺旋葉片錐輥輾軋成形理論創(chuàng)新方面走到了世界的前列。20世紀(jì)90年代是我國螺旋葉片錐輥輾軋成形理論及實踐的一個大發(fā)展時期，先后有山西機電設(shè)計研究院的時達(dá)富、張如懷與張澤民等人對不銹鋼螺旋葉片軋機等進(jìn)行了研究(1994)[9]，北京科技大學(xué)的李應(yīng)強等人提出了關(guān)于螺旋葉片錐輥輾軋成形的共軛理論輥縫解析法(1994)[10]，楊合等人建立了錐輥異面冷輾軋成形的幾何模型(1995)[11]。文獻(xiàn)[2]對國內(nèi)錐輥輾軋成形理論的研究進(jìn)行了一個系統(tǒng)的總結(jié)(2000)。20世紀(jì)90年代后期開始，西北工業(yè)大學(xué)的楊合指導(dǎo)研究生鮮飛軍、肖紅生、雷軍等人開展錐輥輾軋成形的數(shù)值模擬研究[12～16]，目前已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。
1.2錐輥軋機的研究
當(dāng)英國LENHAN公司研究人員在20世紀(jì)80年代初提出錐輥異面輾軋成形理論后，他們研制出了實用的螺旋葉片錐輥軋機并申請了國際專利;日本日立公司生產(chǎn)技術(shù)研究室也在1984年研制成功了1臺技術(shù)驗證機[1]。LENHAN公司的改進(jìn)型FM-600型軋機由于生產(chǎn)螺旋葉片時具有高效性、高利用率的特點，因而迅速占領(lǐng)了世界上大部分的市場，該軋機的優(yōu)點是在設(shè)計過程中簡化了錐輥傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高了傳動效率，降低了制造成本,同時也達(dá)到了提高軋制力的目的。
FM-600軋機主要由料臺系統(tǒng)、輾軋主機、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成。其中，主機由兩個錐形軋輥、預(yù)緊裝置、軋輥調(diào)整裝置、螺旋分導(dǎo)裝置調(diào)整機構(gòu)及傳動系統(tǒng)組成。該軋機的主要技術(shù)參數(shù)如下：
電機功率/kW：22.5
最大加工尺寸/mm×mm：152×8
軋輥輥徑/mm：190
軋輥調(diào)整范圍/mm：10～20
軋輥轉(zhuǎn)速/r·min-1：20/56
電機轉(zhuǎn)速/r·min-1：1450
軋輥錐角/°：69
工作壓力/MPa：2.4
國內(nèi)第一臺螺旋葉片軋機是佳木斯聯(lián)合收割機廠20世紀(jì)80年代初從英國引進(jìn)的FM-600型軋機，它的引進(jìn)使我國螺旋葉片的生產(chǎn)工藝直接跨入世界先進(jìn)水平。20世紀(jì)90年代初山西機電設(shè)計研究院設(shè)計成功1臺不銹鋼螺旋葉片軋機并申請了專利，該軋機主要有料盤、主機和液壓剪組成，結(jié)構(gòu)基本合理，能夠滿足生產(chǎn)要求，其缺點是不易操作。1993年北京科技大學(xué)的李應(yīng)強聯(lián)合國內(nèi)貿(mào)易部鄭州科研院研制成功的LP20軋機是國內(nèi)第一代螺旋葉片軋機的杰出代表，該軋機結(jié)構(gòu)獨特，調(diào)控能力強，對各種螺旋葉片具有良好的適應(yīng)性，目前仍然是鄭州某糧機廠的主要生產(chǎn)設(shè)備。為了滿足客戶的要求，李應(yīng)強等人在20世紀(jì)90年代中期在LP20軋機的基礎(chǔ)上，又研制成功了LP30型軋機，該型軋機能軋制的葉片外徑最大可達(dá)400mm，大大拓寬了螺旋葉片的使用領(lǐng)域，滿足了不同行業(yè)的規(guī)格需求，打破了我國大規(guī)格螺旋葉片仍依賴進(jìn)口的僵局。
至2005年底，國內(nèi)螺旋葉片軋機的保有量大約在20臺左右，年生產(chǎn)能力超過6000t，年產(chǎn)量在250萬m左右。2006年，江蘇大學(xué)的蔣小平等聯(lián)合北京科技大學(xué)的李應(yīng)強成功研制出新一代的LP10型螺旋葉片軋機，這種型號的軋機與第一代相比顯著不同，其設(shè)計具有以下幾個特點：一是軋輥錐角由傳統(tǒng)的69°改變?yōu)?4°，軋輥小端修改為標(biāo)準(zhǔn)的尖形;二是兩軋輥夾角在以前的傾斜、錯位和升降調(diào)節(jié)形成的楔形輥縫仍然不能滿足軋制要求時，還可以通過機架系統(tǒng)新增加的微調(diào)機構(gòu)實現(xiàn)最大6°的角度調(diào)節(jié)量;三是軋輥與主軸采用直聯(lián)傳動，傳動方式采用更有力、更平穩(wěn)、更可靠的牙嵌配合，在直徑Φ100的牙盤上牙嵌齒數(shù)達(dá)到48個，只要有30%的齒配合良好機組便能可靠運行;四是動力采用德國SEW公司生產(chǎn)的斜齒輪減速器，雖然單輥電機功率只有0.75kW，但軋制力達(dá)到驚人的17.5t，單輥軋制力矩為400N·m,整機質(zhì)量卻只有1.2t;五是在同一軋機上備有不同規(guī)格的軋輥，提高了軋機的利用率，實現(xiàn)一機多用;六是軋機零部件用Pro/E三維造型后建立了虛擬樣機，運用虛擬的計算機仿真結(jié)果與實際試軋結(jié)果表明，該軋機設(shè)計是成功的。
1.3輾軋參數(shù)調(diào)整的研究
螺旋葉片軋機的參數(shù)調(diào)整主要涉及到鋼帶喂入高度、兩錐形軋輥的相對位置、軋輥的傾斜度、壓力、輾軋速度、支撐輥位置以及指輥位置等影響螺旋葉片直徑、螺距以及旋向的7個主要因素。通過調(diào)整某一軋輥的傾斜、錯位和升降，兩錐輥間便形成扭曲的楔形輥縫。調(diào)整出不同的楔形輥縫，同時調(diào)整喂料高度，便可以輾軋不同規(guī)格的螺旋葉片。但由于軋機結(jié)構(gòu)上的限制以及軋制時軋機的彈跳、軋輥速度的匹配以及摩擦等因素的影響，使軋制工藝參數(shù)的調(diào)整相當(dāng)困難，故從螺旋葉片軋機出現(xiàn)一直到20世紀(jì)90年代甚至現(xiàn)在，包括英、美、德等發(fā)達(dá)國家都采用“經(jīng)驗試軋法”進(jìn)行軋制工藝參數(shù)的調(diào)整，甚至德國的專家把軋機的參數(shù)調(diào)整視為“藝術(shù)”[10]。英國LENHAN公司曾經(jīng)想通過改造加裝自動檢測及自動調(diào)整裝置，但試驗效果不是很理想。
國內(nèi)在FM-600型軋機引進(jìn)后的調(diào)試過程中就發(fā)現(xiàn)了軋制參數(shù)調(diào)整的難度，有關(guān)科研人員非常重視這個問題，先后有多家院校、科研機構(gòu)的專家學(xué)者對這個難題進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的成果。
1989年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊合通過建立錐輥輾軋的數(shù)學(xué)模型，利用編程的方法完成輾軋過程調(diào)整與控制的計算機仿真，從而實現(xiàn)了對軋制過程調(diào)整參數(shù)的預(yù)報[17]。1994年，北京科技大學(xué)的李應(yīng)強在研制LP-20軋機的過程中提出了關(guān)于錐輥異面輾軋共軛理論輥縫解析法，通過軋機設(shè)計時圓整一些重要的調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程參數(shù)調(diào)整的簡化。最近幾年，太原工業(yè)大學(xué)的秦建平、沈陽工業(yè)大學(xué)的魏曉波等也對這個問題進(jìn)行了一些有益的研究[18～20]，取得了一定的效果。
2發(fā)展展望
錐輥連續(xù)輾軋成形作為目前世界上最先進(jìn)的螺旋葉片成形工藝方法,有著其它工藝無法比擬的優(yōu)勢。在錐輥輾軋成形理論不斷發(fā)展的同時，更多更先進(jìn)的螺旋葉片軋機將會不斷涌現(xiàn)，軋制參數(shù)調(diào)整的方法將會更加簡單、實用和精確。另外，在以下幾個方面，需要實現(xiàn)長足進(jìn)步甚至技術(shù)突破：
1)厚螺旋葉片的生產(chǎn)工藝及裝置。目前我國國內(nèi)生產(chǎn)的厚螺旋葉片的厚度以及關(guān)鍵技術(shù)仍達(dá)不到國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的要求。因此，應(yīng)盡快研制出有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、國產(chǎn)化程度較高的螺旋葉片輾軋機就顯得尤為重要。
2)軋制參數(shù)的自動化調(diào)整。從技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，螺旋葉片軋制參數(shù)的自動化調(diào)整以及整個軋制過程的全自動控制是十分必要的，在不久的將來也是可能實現(xiàn)的。這樣不但能夠大大降低生產(chǎn)的成本以及勞動強度，同時生產(chǎn)的效率、效益也將會顯著提高。
3)螺旋葉片的品種變化及使用領(lǐng)域擴展。例如，變螺距螺旋葉片就具有一定的市場需求，但使用目前的螺旋葉片軋機無法軋制出這種葉片。隨著螺旋葉片輾軋成形工藝進(jìn)一步為大家所熟悉，螺旋葉片錐輥軋機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，許多潛在的行業(yè)需求將會逐步體現(xiàn)出來，螺旋葉片輾軋成形方法將成為最主要和最有效的螺旋葉片生產(chǎn)方法。——論文作者：蔣小平，施衛(wèi)東，沈玉堂，李偉
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