斜辊矫正钢管圆度变化规律的研究

    随着石油、航空、航天等工业技术的发展,对钢管圆度的精度有越来越高的要求。斜辊矫正机作为钢管圆度控制的辅助手段发挥着重要作用。如何设置压扁量,有效控制钢管的圆度,对产品的质量会有不同的影响。目前制定的规程和原则仍处于经验之中。国内已有部分技术人员从理论上进行了基础研究,对进一步认识压扁量的作用及如何设定压扁量提供了基础理论。为了进一步了解矫正过程的变化规律,本文在弹塑性变形理论研究的基础上对各设定参数的变化关系进行了研究。通过分析可以进一步掌握压扁量与圆度控制精度之间的相互关系,为制定合理压扁量提供理论依据。

    1 钢管弹塑性变形基本理论

    1.1 基本假设[1]

    由于钢管矫正温度较高,因此可以认为管材为理想弹塑性体。钢管在矫正时仅受上下矫正辊集中载荷的作用。管材受压变形后为近似椭圆形,且中心轴与壁厚的中心线相重合,符合平面截面假设。钢管压扁矫正模型如图1所示。

    1.2 弹塑性矫正变形的理论

    1)设钢管标准原始曲率为1PQ0,则被矫钢管在矫正辊的作用下将产生弹塑性变形,弯曲力矩与曲率变化量的关系为[2]:

    式中ΔC为曲率变化量, 1Pmm;E为材料的弹性模量,MPa;I为截面惯性矩,mm4;Q0=(d-t)P2,mm;1PQ为弯曲曲率,1Pmm。

    弹塑性弯曲变形力矩方程为:

    式中M为相对弯矩;$Ce为屈服曲率变化量,其值为,1Pmm。

    设圆环断面的弹区比为F,则

    2)弹性极限压扁量Dce,相对压下系数G[3]。

    钢管轧件的弹性极限状态是轧件弹塑性变形的初始起点。为了分析不同的压扁量对矫正质量的影响,需要确定初始压扁量的大小。由于轧件仍处于弹性状态,根据弹性变形时功能相等的原理求解标准钢管压时Dce。

    式中d为钢管的公称外径, mm;t为钢管的壁厚,mm;Rs为轧件的屈服极限,MPa。

    式中Dc为实际压扁量,mm;G为相对压下系数。

    3)管材原始曲率变化量(1Pmm)。

    设管材矫正前为椭圆形,长短轴的直径差为$d,则管材的原始曲率相对标准管材的原始曲率变化量:

    4)反弯曲率变化量(1Pmm)。

    根据文献[4]可知管材在压扁时水平方向与垂直方向的压扁量之比值近似等于0.92。因此钢管在矫正时设压扁量为Dc,则矫正时反弯曲率相对标准管材的初始曲率的变化量分别为: