冷軋管機

冷軋管材以其優越的特性廣泛地應用在國民經濟各個領域。經過冷軋的管材組織晶粒細密, 機械性能和物理性能均較優越；冷軋管機對於原始管坯壁厚偏差的糾偏能力較大, 幾何尺寸精確, 表面光潔度高；道次變形量較大，可達70% ～ 90%;採用冷軋法生產管材可大量減少中間工序, 如：熱處理、酸洗、打頭、矯直等, 減少了金屬材料、燃料、電能和其它輔助材料及人力的消耗；用冷軋方法可生產薄壁、極薄壁和內、外表面無划痕的優質管材；可有效地軋制高合金、塑性差的各種鋼管和有色金屬管材。

我國冷軋管機的研究起步於60年代, 1960年中國重型機械研究院有限公司(簡稱中重院，原西安重型機械研究所)設計的國內第一台LD30三輥冷軋管機順利投產。經過50多年的發展, 我國已形成了LG型(兩輥)和LD型(多輥)兩大系列的冷軋管機產品, 廣泛應用於我國金屬管材加工行業。

冷軋管機形式不同, 組成也有差別, 主要有以下組成部分：主電機及其傳動機構, 轉向箱，傳動軸, 軋機機架, 迴轉送進機構, 送進卡盤與床身, 芯棒卡緊裝置, 入口卡盤和出口卡盤, 上料裝置, 出料裝置。

按照迴轉送進方式, 冷軋管機有以下4種布置形式:

(1)採用機械式迴轉送進機構停機上料型冷軋管機;

(2)採用機械式迴轉送進機構連續上料型冷軋管機;

(3)採用伺服電機迴轉送進機構停機上料型冷軋管機;

(4)採用伺服電機迴轉送進機構連續上料型冷軋管機。

前兩種布置形式機架的傳動機構與迴轉送進機構由同一台電機驅動；后兩種布置形式機架的傳動機構由主電機驅動, 而迴轉送進機構由單獨的電機驅動。

由中重院研製的新型高速冷軋管機採用伺服電機迴轉送進機構連續上料, 使用效果良好。

新型高速冷軋管機有以下特點：第一, 採用交流伺服電機多點驅動和兩個芯棒卡盤、管坯卡盤交替作業實現連續上料、連續送進、連續軋制；第二, 採用雙扇形塊平衡系統平衡機架高速軋制所產生的慣性力；第三, 採用閉式機架和側向換輥技術, 提高軋機剛度和作業率；第四, 迴轉送進方式的選擇、送進量和迴轉角的設定通過電子凸輪曲線和在HMI上直接完成, 送進精度高且無級可調、迴轉角準確且0 ～ 90°無級可調；第五, 採用管坯頭尾檢測、管縫檢測和芯棒斷裂檢測實現管坯從上料到出料的全自動化作業。這種軋機效率是普通軋機的2.5 ～ 3倍, 成品管精度高、頭尾公差一致性好, 成材率高, 適合精密管和超長管的軋制。

普通冷軋管機的傳動方式通過偏心齒輪驅動機架往複運動。

為了克服軋機機架在往複運動中產生的巨大慣性力和慣性力矩, 提高機架的速度, 必須採用慣性力和慣性力矩的平衡裝置。

我國冷軋管機的平衡系統有以下幾種：垂直滑動重鎚平衡機構、水平滑塊平衡機構、雙扇形塊平衡機構和垂直擺錘平衡機構。

1　垂直滑動重鎚平衡機構

重鎚平衡機構包括一個水平方向和一個垂直方向的曲柄滑塊機構。

機架的轉矩靠相錯90°相位角的重鎚來平衡。機架減速時釋放出的能量, 由重鎚儲存起來, 在機架加速時再次利用；機架和重鎚的慣性力靠曲軸上的扇型塊的作用來平衡。轉矩平衡，使峰值大大減小, 且出現曲軸端的全部力矩總和沒有負值, 即使電動機的輸出力矩不反向, 其波動的最大值不超過額定值的±10%;慣性力平衡使剩餘的旋轉慣性力只有機架慣性力最大值的±10%左右。

中重院開發的LG-180 -HL、LG-220 -HL軋機採用垂直滑動重鎚平衡機構, 德國米爾公司的KPW或SKW系列的早期VM型和近代VMR高速軋機也採用此平衡機構。

垂直滑動平衡的平衡效果明顯, 不僅使機架的慣性力得到了平衡, 而且使慣性也得到了平衡, 因此使機架的運動速度得到了大幅度提高。但是垂直平衡必須有較深的地坑, 增加投資且給正常的維修增加了難度, 因此應用範圍受到很大的限制。

2　水平滑塊平衡機構

平衡塊放置於與軋制中心線平行的水平面上。帶動機架的曲軸與帶動平衡塊的曲軸的相位相錯105°。水平平衡不需要較深的基礎, 基建費用較低, 維護與檢修比較方便, 無重力矩的影響。但是佔地面積較大, 曲軸的拐數增多, 不便於加工製造。

60年代我國設計的LG-150、LG-200冷軋管機和德國米爾公司早期的高速軋機採用水平滑塊平衡方式。因水平平衡遇到的問題更多些, 佔地面積較大且給正常的生產帶來很大的不便, 幾乎沒有得到推廣應用。

3　雙扇形塊平衡機構

為了平衡機架高速運動所產生的一階慣性力, 在曲軸上(與曲柄成180°)裝上適當配重的扇形塊。為了平衡扇形塊的慣性力, 在與曲軸等速旋轉的平衡軸上加適當的平衡軸扇形塊, 使機架的運動速度成倍提高。雙扇形塊平衡具有製造和安裝使用相對較簡單, 不需要很深的地坑, 佔地面積也沒有明顯的擴大等優點。

中重院開發的LG-10 -GHLL、LG-15 -GHLL、LG-30 -GHLL和LG-60 -GHLL四種高速冷軋管機和德國米爾公司的第六代高速冷軋管機KPW25LC、KPW50LC和KPW75LC軋機採用雙扇形塊平衡機構。雖然此平衡機構不能平衡二階慣性力, 但因中、小型規格的冷軋管機二階慣性力影響較小, 可以忽略。

4　垂直擺錘平衡機構

垂直擺錘平衡機構是將平衡連桿所連接的重鎚通過連桿連接起來, 在機架往複運動時, 重鎚作圓周方向上的擺動。此時, 由平衡重產生的慣性力和慣性力矩可以平衡軋機機架產生的慣性力和慣性力矩, 從而達到提高軋機機架往複擺動速度的目的。

中重院開發的LD-120型多輥軋機和德國米爾公司上世紀70年代生產的KPW25VMR型高速軋機採用垂直擺錘平衡方式。

在機架中裝有軋輥軸、軋輥環、軸承座、同步齒輪和壓下調整裝置, 機架是承受軋制力的主要部件。

最早的軋機機架是鑄鋼閉式機架, 左、右兩片牌坊連為一體, 強度和剛性好, 但在更換產品規格及維修裝拆軋輥部件時, 必須將整體機架從機座中取出放置於特設的維修區進行拆裝, 費工、費時, 勞動強度較大。

目前我國仍在使用的二輥半圓孔型冷軋管機如LG-30、LG -55、LG -80、LG -120、LG-150等, 採用鑄鋼閉式機架的基本結構。進入80年代, 吸收國外同類軋機技術, 中重院和洛陽礦山機械研究院同時開發了開式機架。中重院經光彈試驗進一步驗證開式機架的合理性與可靠性。

開式機架的上橫樑由活動橫樑代替並用連接螺栓固定。左、右兩片牌坊分開加工後用四根預應力連接螺栓4連接並固緊定位, 機架下面採用整體的黃銅或尼龍滑板, 實踐證明效果良好。

開放式機架取消了舊式軋機上的兩對聯動齒輪, 保留了必不可少的同步齒輪。經過上述幾項重大改進之後, 使軋機機架的重量大為減輕, 更換軋輥更加方便, 不必將機架整體由機座中取出, 只須把活動橫樑拆下即可從機架中將軋輥總成取出, 再將備用軋輥總成裝入機架, 節時省力。

上軋輥總成的軸向調節是通過裝在上軸承座上的調整壓蓋和與機架連接的螺栓來實現。軋輥輥縫由裝在上軸承座7上方的斜楔和相應的螺栓調整。將半圓形孔型改用環形孔型增加變形區長度, 為改變金屬的變形條件和提高變形量及產品的質量、產量創造了有利的條件。實踐證明, 凡是採用環形孔型、長行程的軋機, 其產品的產量和質量均得到了明顯提高。

中重院研發的LG-10 -GHLL、LG-50 -GHLL、LG-30 -GHLL、LG-60 -GHLL高速冷軋管機採用這種機架, 剛度高, 換輥容易, 重量輕, 調整方便。

迴轉送進機構是冷軋管機的重要部件, 與軋機機架的往複運動完全同步協調運行, 必須在機架的一個往複行程中規定的前極限和后極限位置的很短的時間內快速完成管坯的送進與迴轉動作。一方面, 為了使孔型的工作段有足夠的長度用於金屬的變形, 盡量縮短迴轉送進段的長度。

另一方面, 迴轉送進機構要求在較長的時間內運行以降低衝擊負荷, 減少噪音, 提高性能, 延長使用壽命。為了適應軋機高速、高精度、連續化、全自動化的發展, 迴轉送進機構歷經多次改進。以下是我國軋機所採用的迴轉送進機構形式。

1　普通軋機迴轉送進機構

(1)馬爾泰盤機構。該機構衝擊和噪音大，不適合高速軋制, 為了獲得不同的送進量和轉角, 必須配置不同速比的齒輪以達到改變送進量的目的。

(2)減速箱型迴轉送進機構。該機構在軋制速度較高時衝擊也大, 送進量和轉角誤差很大。

(3)液壓迴轉送進機構。該機構迴轉部件結構簡單, 零件較少, 轉動慣量較小, 衝擊小, 噪音小。但液壓元件易損壞, 漏油較嚴重, 送進量和轉角不夠準確, 對產品的產量和質量均有不良影響。

(4)直流電機迴轉送進機構。該機構在運轉過程中噪音大為減少, 運轉速度亦有所提高。但是直流電機的響應速度慢, 送進量和轉角的精度不夠理想。

以上迴轉送進機構比較落後, 但我國還在大量使用, 不適合冷軋管機發展的需要, 應該逐步淘汰。

2　三種先進的迴轉送進機構

(1)遊動絲杠迴轉送進系統。該機構是根據德國SMS-Meer公司KPW型冷軋管機的迴轉送進機構設計而成。1982 ～ 1985年間, 由中重院設計、製造了該機構並進行試驗, 效果良好。隨即設計了LG-30 -GH型環形孔型長行程的高速冷軋管機。洛陽礦山機械工程設計研究院於1985年後設計並製造完成第一台環形孔型長行程高速冷軋管機LG-55 -Ⅲ型以及後來設計製造的LG-90 -GH、LG-90 -GHL和LG-60 -GH型軋機均採用遊動絲杠迴轉送進機構。

遊動絲杠迴轉送進機構由擺桿調節機構, 遊動絲杠傳動裝置, 芯棒卡盤, 芯棒微調機構, 送進、快退傳動機構, 轉角及輸出機構, 送進量顯示機構, 快退電機傳動機構, 潤滑系統, 上、中、下箱體組成。

該機構採用電機-凸輪-擺桿-遊動絲杠-遊動蝸桿傳動。軋管時, 當管坯在孔型塊的開口區, 同孔型脫離接觸的一瞬間, 迴轉送進裝置將其向前送進一個距離, 即送進量；同時隨芯棒一起轉過一個角度, 即迴轉角。迴轉送進是在曲軸傳動的一個有限的轉角範圍內進行的。

60年代初SMS-Meer公司就開始研究這種迴轉送進機構, 先後經歷四代改進, 出現過四種形式。第一種是凸輪-可變掛輪-遊動絲杠形式。

在60 ～ 70年代初, Meer公司採用的這種形式的迴轉送進箱僅有幾檔有限的送進量, 而且要靠調整齒輪速比、更換齒輪或換擋實現。第二種是凸輪-齒鏈式無級變速器-遊動絲杠形式, 這種形式的迴轉送進系統, 有把齒鏈式無級變速器放在迴轉送進箱內的, 有放在外邊的, 這種形式的迴轉送進箱使送進量範圍擴大, 但受齒鏈式無級變速器變速器傳遞功率的限制, 不能運用到大型軋管機上。第三種是凸輪-齒鏈式無級變速器+分擋齒輪變速箱-遊動絲杠形式。齒鏈式無級變數器和分擋齒輪變速箱放在迴轉送進箱外, 既加大了送進量的調整範圍, 也延長了齒鏈式無級變速器的使用壽命。在70年代初到80年代末, Meer公司採用第二、第三種形式迴轉送進箱。第四種是凸輪-調速電機(直流電機或交流變頻電機)-遊動絲杠形式, 90年代以來一直被Meer公司採用。

2003年以來, 中重院對Meer遊動絲杠迴轉送進機構進行了改進, 並成功地應用到LG-90-HL、LG-110 -HL、LG-120 -HL、LG-150-HL、LG-180 -HL、LG-220 -HL型大規格冷軋管機上。

對大型軋機的遊動絲杠迴轉送進機構做以下改進:

① 將送進電機21的快退、快進功能用專門的一台快退電機17 代替, 解決大型軋機低速小送進和高速退回的矛盾。

② 採用兩個送進離合器23並聯安裝在同一個軸上, 增大了管坯送進力。

③ 為了使轉角系統平穩可靠, 降低了迴轉凸輪4的升程, 將轉角齒輪組3的速比由1改進為升速1.5 ～ 2倍。

④ 改進送進凸輪曲線, 在雙送進、軋機返程軋制時, 管坯卡盤產生反方向的少量退讓, 防止芯棒桿拱起和消除後座力, 使軋制過程平穩。

迴轉送進機構通過連續運動來實現間歇地送進、迴轉動作, 由於在整個送進、迴轉動作中，全部參與迴轉送進動作的機械零部件都在連續動作, 力的傳遞和運動的傳遞始終處於連續狀態。

由於送進、迴轉均由兩個運動複合疊加而成, 因此動作柔和、平緩、沒有衝擊, 送進量可以無級調整, 適應不同速度的要求, 送進量、迴轉角度準確, 尤其適合於高速條件下工作。其缺點是結構複雜且零件多, 製造精度要求高, 且價格昂貴。

(2)弧面凸輪分度機構。弧面凸輪分度機構屬於高速精密間歇機構, 又叫徑向蝸形凸輪或滾子齒形凸輪分度機構。該機構由輸入軸上的弧面凸輪與輸出軸上的分度盤的滾子無間隙垂直嚙合, 實現分度盤間歇的輸出。凸輪曲線升程段輸出軸轉位, 傳動精度高, 工作性能好；直線段時輸出軸靜止且定位自鎖性好。該機構相當於將原來的馬爾太盤式迴轉送進機構中馬爾太盤用弧面凸輪分度機構所代替, 具有轉角、送進量準確, 衝擊小, 適合於高速軋制的優點。

在70年代法國的DMS(門巴爾)公司ILP(ILPR)型冷軋管機的迴轉送進系統中成功的應用這種機構。中重院近幾年設計的LD30、LD8、LD15軋機上也成功應用了這種結構。這種機構不足之處是送進量調整必須靠配置齒輪變速系統實現。

(3)交流伺服電機迴轉送進。長久以來, 迴轉送進機構複雜性制約了冷軋管機性能進一步提高。隨著交流伺服控制和機電一體化技術的快速發展, 並逐步從數控機床、印刷等領域擴展應用到冷軋管機上, 徹底改變了傳統冷軋管機迴轉送進機構。

交流伺服電機迴轉送進機構採用多台交流伺服電機獨立傳動, 多點驅動各機械單元(如絲杠、光杠、出入口卡盤、芯棒卡盤), 每台伺服電機之間通過伺服控制系統達到同步跟蹤、協調動作, 完成管坯的間歇送進和迴轉運動。採用交流伺服電機迴轉送進, 取消了原來連接主傳動與迴轉送進裝置之間的長傳動軸, 代之以電子軸，用電子凸輪代替機械凸輪, 用電子齒輪耦合代替了機械齒輪嚙合, 簡化了軋機結構, 使軋管機成為數控型金屬無鐵屑加工機床。

2006年中重院在國內率先研發伺服迴轉送進型冷軋管機, 並於2007年底國內第一台採用伺服電機控制的迴轉送進機構的LG-30 -HLLS型冷軋管機投產使用, 到目前, 中重院已設計製造了88台用伺服電機控制的迴轉送進機構的冷軋管機。