斜轧工具设计概述
斜轧工具设计的合理化，即孔型几何形状的最佳化的确定，是一个很复杂的问题。这是因为管材的斜轧穿孔和延伸工序是金属塑性加工中变形状态最为急剧和受力状态最为复杂的一种。斜轧工具设计虽然经过了一个世纪的不断改进，仍然远非是完善和理想的。 目前，国内外斜轧变形工具设计主要还是采用“经验技术”，即根据大量的试验与生产实践经验，对已有孔型不断进行分析和改进，在总结大量实测数据的基础上，提出一些计算辊形与顶头外形尺寸的经验数据或公式作为设计的依据。由于科技的突飞猛进，对产品的质量要求越来越高，现已证明，这种设计方法已不能适应要求，需要有一个更加合理的设计方法。 为了改变这种完全依赣经验设计工具的方法，为了使设计出的工具能生产出道次变形量大，尺寸更加精密，内外表面缺陷很少的产品，国内外的学者从理论上研究出很多设计原理。 20世纪50年代和60年代初，德国的库泊(Kupper)和格林纳(Grunner)，美国的霍姆魁斯特(Holmquist)，前苏联的叶美年科(Emalyanenko)和施维金(Shveikin)，对轧辊与顶头的设计问题给予了注意。他们对加工过程中面积减缩的变形规律进行了研究。如给定轧辊的形状尺寸，使孔型中每一处的面积减缩比保持不变，即相邻连续断面减缩的比值为一常数，这样孔型的工作区（变形区）就被确定。这个方法将轴向变形看成是均匀变形，而忽略了径向和周向变形的影响。现在有些穿孔机的工具设计，仍采用这个“减面原理”。与此同时，前苏联的佛米切夫(Fomichev)、斯米尔诺夫(Smirnov)和列维金(Nevizhin)从控制径向应变型式的概念出发，提出了与减面原理相一致的“壁厚相对减薄为常数”原理，显然，这两个原理是互补的，如果将二者结合起来，则能更精确地确定正确的变形状态。这两种方法的主要出发点都是考虑如何使工具的形状能减少磨损，降低能耗。不足之处是在进行工具设计时，必须预先决定一些在给定的物理状态中具有重要作用的参数。 20世纪70年代后期，我国曾对斜轧辊形设计展开了深入研究，所有论文都集中在讨论如何确定轧辊与钢管的接触空间曲线上。把轧辊与钢管都看成是不产生弹塑性变形的刚体，它们之间为一线接触（共轭接触），在此假设下运用不同的数学手段，找出轧辊与钢管的空间几何关系，确定出它们的接触空间曲线，也就是提出轧辊辊形的母线方程，从而可根据变形医内不同坐标，计算出轧辊各段的半径。这种理论设计方法的主要目的是在提高管材的尺寸精度上，使轧出的管子外形椭圆度小，在全长上直径和壁厚的尺寸均匀，误差小。 把纯粹的刚体的几何共轭关系用到主要是塑性变形的斜轧穿孔与轧管工序的辊形设计上，只能说在保证产品的外形尺寸上是一种最优选择，但金属的塑性流动规律和变形力学规律所产生的影响没有得到考虑。英国的布拉金斯基(Bla-zynski)提出了一个考虑到如何减少不均匀变形，改善被加工材料内部质量的连续综合均匀应变增量比保持不变原理(CRHS)。该原理并不仅局限于某一工序，而是通用于像斜轧、挤压、拉拔等加工形式。这个原理仅仅考虑了变形速度，而束考虑材料变形所需时间。而在实际加工中瞬时应变率有时高达三位数量级，考虑到时间因素，又提出了平均应变率保持不变原理(CMSR)，可以将CRHS原理和CMSR原理结合，使两个条件自动满足变成同一个问题的解。 在目前对钢管质量要求越来越高的情况下，如何保证金属内部组织的完整，管子内外表面没有裂纹、折叠、轧褶、离层、结疤、螺纹道等缺陷，这方面在工具设计中越来越受到重视。此外工具设计还要考虑到便于咬入、轧制稳定、磨损均匀、便于调整、加工方便、公用性大等一系列工艺问题。 因此，合理的工具设计应该是把上述的几何、物理、工艺三个方面都结合起来考虑。另外，斜轧过程不仅是轧辊使金属产生变形，顶头（芯棒）也参与使金属变形，并对金属有着很大的变形压力，它的形状尺寸对变形区几何关系，轧制过程的建立，钢管的尺寸精度，轧机的力能消耗，特别是对产品的内部质量都有巨大影响。因此，斜轧工具设计不仅要重视辊形设计，同样要重视顶头（芯棒）设计。从减少或抑制产品内部缺陷的角度看，顶头形状与尺寸的合理设计比轧辊的辊形设计还很重要。
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