发布时间：2021-05-20所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：锥辊连续辗轧成形是目前世界上最先进的螺旋叶片成形工艺，生产螺旋叶片的锥辊轧机属于特种轧制设备，国内目前尚无厂家专业生产。为此，在介绍生产螺旋叶片常用工艺的基础上，对螺旋叶片锥辊辗轧成形理论、锥辊轧机及其轧制参数的调整等问题的研究现状
摘要：锥辊连续辗轧成形是目前世界上最先进的螺旋叶片成形工艺，生产螺旋叶片的锥辊轧机属于特种轧制设备，国内目前尚无厂家专业生产。为此，在介绍生产螺旋叶片常用工艺的基础上，对螺旋叶片锥辊辗轧成形理论、锥辊轧机及其轧制参数的调整等问题的研究现状进行了总结，并对螺旋叶片锥辊连续辗轧技术的发展方向进行了展望。
关键词：金属学与金属工艺;螺旋叶片;综述;锥辊;连轧;展望
0引言
螺旋叶片是指用钢板或钢带制成的连续多圈的螺旋状零件[1]，其广泛应用于农机、电力、轻工、食品、化工等许多行业[2]。锥辊连续辗轧成形是目前世界上最先进的螺旋叶片成形工艺方法，与传统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]。生产螺旋叶片的锥辊轧机属于特种轧制设备，目前国内尚无厂家专业生产。虽然此使用领域及用来轧制螺旋叶片的材料种类已经有了扩大，但轧制参数的调整仍停留在经验调节上[4]。本文在介绍螺旋叶片常用生产方法的基础上，对锥辊辗轧成形理论、锥辊轧机及其轧制参数的调整研究现状进行了总结，并对螺旋叶片锥辊连续辗轧技术的发展方向进行了展望。
1国内外研究现状
螺旋叶片成形工艺，如图1所示。
20世纪30年代以来，国内外学者对螺旋叶片锥辊连续辗轧成形技术进行了大量的研究，取得了不少成果，归纳起来主要涉及到螺旋叶片锥辊连轧成形理论的研究、锥辊轧机的研制、辗轧参数调整方法的探索等几个方面。
1.1锥辊辗轧成形理论的研究
螺旋叶片锥辊辗轧成形最早于1938年由苏联学者ПавловН.М.提出[5]，1949年经过苏联学者ЖуравдевА.Э.的完善[6]，标志着螺旋叶片锥辊辗轧成形新工艺的诞生。这个时期的辗轧原理主要以苏联学者提出的圆柱辊共面楔形辗轧与分导复合成形理论为主。联合收割机的问世及广泛使用，使辗轧成形工艺取得了巨大进展。20世纪60年代，在英国科学家提出了锥辊异面辗轧成形理论以后，关于辗轧成形的理论研究和实验成果大量地被应用到生产实际中去，使螺旋叶片的生产面貌产生了根本性的变化。1986年ГевкоВ.М.进一步发展和完善了螺旋叶片辗轧成形理论，在其专著中详细地论述了辗轧成形技术发展的概貌、理论及应用领域。在螺旋叶片锥辊辗轧成形理论的发展过程中，日本的学者也进行了大量的研究，并取得了一定的成果，如1978年中田孝提出的“反复轧制与不均匀压下辗轧相结合”的办法、1984年野上新平提出的“边轧弯曲法”、1984年高崎光弘等提出的“边轧弯曲法成形型材”等[2]。进入20世纪90年代以后，螺旋叶片锥辊辗轧成形理论的主要发展方向趋向于对“厚”叶片、大变形及其数值模拟等课题的研究。
国内从20世纪80年代初开始螺旋叶片锥辊辗轧成形理论的研究。1986年佳木斯联合收割机厂的胡伟丽等人在对英国引进的FM-600型螺旋叶片轧机消化吸收的基础上，对螺旋叶片锥辊辗轧成形工艺进行了初步介绍[7]。1989年哈尔滨工业大学的杨合在其导师霍文灿等的指导下完成了一些具有开拓性的工作，他在博士论文中详细论述了螺旋叶片锥辊辗轧成形的基本理论，并对成形过程的调整与控制进行了研究，利用编程的方法实现了成形过程调整与控制的计算机仿真[1]。文献[8]对锥辊共面楔形异步辗轧成形机理进行了研究，标志着我国在螺旋叶片锥辊辗轧成形理论创新方面走到了世界的前列。20世纪90年代是我国螺旋叶片锥辊辗轧成形理论及实践的一个大发展时期，先后有山西机电设计研究院的时达富、张如怀与张泽民等人对不锈钢螺旋叶片轧机等进行了研究(1994)[9]，北京科技大学的李应强等人提出了关于螺旋叶片锥辊辗轧成形的共轭理论辊缝解析法(1994)[10]，杨合等人建立了锥辊异面冷辗轧成形的几何模型(1995)[11]。文献[2]对国内锥辊辗轧成形理论的研究进行了一个系统的总结(2000)。20世纪90年代后期开始，西北工业大学的杨合指导研究生鲜飞军、肖红生、雷军等人开展锥辊辗轧成形的数值模拟研究[12～16]，目前已经取得了可喜的进展。
1.2锥辊轧机的研究
当英国LENHAN公司研究人员在20世纪80年代初提出锥辊异面辗轧成形理论后，他们研制出了实用的螺旋叶片锥辊轧机并申请了国际专利;日本日立公司生产技术研究室也在1984年研制成功了1台技术验证机[1]。LENHAN公司的改进型FM-600型轧机由于生产螺旋叶片时具有高效性、高利用率的特点，因而迅速占领了世界上大部分的市场，该轧机的优点是在设计过程中简化了锥辊传动的结构设计,提高了传动效率，降低了制造成本,同时也达到了提高轧制力的目的。
FM-600轧机主要由料台系统、辗轧主机、电控系统、液压系统等部分组成。其中，主机由两个锥形轧辊、预紧装置、轧辊调整装置、螺旋分导装置调整机构及传动系统组成。该轧机的主要技术参数如下：
电机功率/kW：22.5
最大加工尺寸/mm×mm：152×8
轧辊辊径/mm：190
轧辊调整范围/mm：10～20
轧辊转速/r·min-1：20/56
电机转速/r·min-1：1450
轧辊锥角/°：69
工作压力/MPa：2.4
国内第一台螺旋叶片轧机是佳木斯联合收割机厂20世纪80年代初从英国引进的FM-600型轧机，它的引进使我国螺旋叶片的生产工艺直接跨入世界先进水平。20世纪90年代初山西机电设计研究院设计成功1台不锈钢螺旋叶片轧机并申请了专利，该轧机主要有料盘、主机和液压剪组成，结构基本合理，能够满足生产要求，其缺点是不易操作。1993年北京科技大学的李应强联合国内贸易部郑州科研院研制成功的LP20轧机是国内第一代螺旋叶片轧机的杰出代表，该轧机结构独特，调控能力强，对各种螺旋叶片具有良好的适应性，目前仍然是郑州某粮机厂的主要生产设备。为了满足客户的要求，李应强等人在20世纪90年代中期在LP20轧机的基础上，又研制成功了LP30型轧机，该型轧机能轧制的叶片外径最大可达400mm，大大拓宽了螺旋叶片的使用领域，满足了不同行业的规格需求，打破了我国大规格螺旋叶片仍依赖进口的僵局。
至2005年底，国内螺旋叶片轧机的保有量大约在20台左右，年生产能力超过6000t，年产量在250万m左右。2006年，江苏大学的蒋小平等联合北京科技大学的李应强成功研制出新一代的LP10型螺旋叶片轧机，这种型号的轧机与第一代相比显著不同，其设计具有以下几个特点：一是轧辊锥角由传统的69°改变为84°，轧辊小端修改为标准的尖形;二是两轧辊夹角在以前的倾斜、错位和升降调节形成的楔形辊缝仍然不能满足轧制要求时，还可以通过机架系统新增加的微调机构实现最大6°的角度调节量;三是轧辊与主轴采用直联传动，传动方式采用更有力、更平稳、更可靠的牙嵌配合，在直径Φ100的牙盘上牙嵌齿数达到48个，只要有30%的齿配合良好机组便能可靠运行;四是动力采用德国SEW公司生产的斜齿轮减速器，虽然单辊电机功率只有0.75kW，但轧制力达到惊人的17.5t，单辊轧制力矩为400N·m,整机质量却只有1.2t;五是在同一轧机上备有不同规格的轧辊，提高了轧机的利用率，实现一机多用;六是轧机零部件用Pro/E三维造型后建立了虚拟样机，运用虚拟的计算机仿真结果与实际试轧结果表明，该轧机设计是成功的。
1.3辗轧参数调整的研究
螺旋叶片轧机的参数调整主要涉及到钢带喂入高度、两锥形轧辊的相对位置、轧辊的倾斜度、压力、辗轧速度、支撑辊位置以及指辊位置等影响螺旋叶片直径、螺距以及旋向的7个主要因素。通过调整某一轧辊的倾斜、错位和升降，两锥辊间便形成扭曲的楔形辊缝。调整出不同的楔形辊缝，同时调整喂料高度，便可以辗轧不同规格的螺旋叶片。但由于轧机结构上的限制以及轧制时轧机的弹跳、轧辊速度的匹配以及摩擦等因素的影响，使轧制工艺参数的调整相当困难，故从螺旋叶片轧机出现一直到20世纪90年代甚至现在，包括英、美、德等发达国家都采用“经验试轧法”进行轧制工艺参数的调整，甚至德国的专家把轧机的参数调整视为“艺术”[10]。英国LENHAN公司曾经想通过改造加装自动检测及自动调整装置，但试验效果不是很理想。
国内在FM-600型轧机引进后的调试过程中就发现了轧制参数调整的难度，有关科研人员非常重视这个问题，先后有多家院校、科研机构的专家学者对这个难题进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。
1989年，哈尔滨工业大学的杨合通过建立锥辊辗轧的数学模型，利用编程的方法完成辗轧过程调整与控制的计算机仿真，从而实现了对轧制过程调整参数的预报[17]。1994年，北京科技大学的李应强在研制LP-20轧机的过程中提出了关于锥辊异面辗轧共轭理论辊缝解析法，通过轧机设计时圆整一些重要的调整参数，从而实现生产过程参数调整的简化。最近几年，太原工业大学的秦建平、沈阳工业大学的魏晓波等也对这个问题进行了一些有益的研究[18～20]，取得了一定的效果。
2发展展望
锥辊连续辗轧成形作为目前世界上最先进的螺旋叶片成形工艺方法,有着其它工艺无法比拟的优势。在锥辊辗轧成形理论不断发展的同时，更多更先进的螺旋叶片轧机将会不断涌现，轧制参数调整的方法将会更加简单、实用和精确。另外，在以下几个方面，需要实现长足进步甚至技术突破：
1)厚螺旋叶片的生产工艺及装置。目前我国国内生产的厚螺旋叶片的厚度以及关键技术仍达不到国内生产企业的要求。因此，应尽快研制出有拥有自主知识产权、国产化程度较高的螺旋叶片辗轧机就显得尤为重要。
2)轧制参数的自动化调整。从技术发展的趋势来看，螺旋叶片轧制参数的自动化调整以及整个轧制过程的全自动控制是十分必要的，在不久的将来也是可能实现的。这样不但能够大大降低生产的成本以及劳动强度，同时生产的效率、效益也将会显著提高。
3)螺旋叶片的品种变化及使用领域扩展。例如，变螺距螺旋叶片就具有一定的市场需求，但使用目前的螺旋叶片轧机无法轧制出这种叶片。随着螺旋叶片辗轧成形工艺进一步为大家所熟悉，螺旋叶片锥辊轧机的应用领域越来越广，许多潜在的行业需求将会逐步体现出来，螺旋叶片辗轧成形方法将成为最主要和最有效的螺旋叶片生产方法。——论文作者：蒋小平，施卫东，沈玉堂，李伟
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