朱旭1)曾庆龄2)
1）广东冠邦科技有限公司528312；2）北京科技大学100083
摘要：本文在分析行星轧制技术及行星轧机的发展情况的基础上，探讨了行星轧制技术及装备的发展方向以及亟待解决的关键技术和理论问题，同时还介绍了我国行星轧机设备研发和集成商——广东冠邦科技有限公司的现状以及发展趋势。lw8-40.5
关键词：行星轧制技术行星轧机发展现状
云梦县教育局
前言
行星轧机是一种连续轧制的大压下量轧机，具有高效、压下量大、延伸率大，结构简单、紧凑，操作简便，耗电、耗水少，无须二次加热，节能，适合轧制难变形的合金钢材等一系列优点，从而引起了国内外众多从事塑性加工的科技人员的关注，并受到有金属材料制造厂商的青睐。从行星轧机的实际生产情况来看，既有令人满意的地方，也有一些不足之处。本文在深入了解行星轧制技术与行星轧机的发展历程和现状的基础上，探讨了行星轧制过程中存在的问题，这些都对促进行星轧制技术及其装备的发展和开发应用具有一定的实际意义。 1行星轧制技术的发展情况及存在的问题
自上世纪70年代三辊行星轧机问世以来，由于其具有许多独特的优点，国内外众多学者对其进行了广泛的理论和应用研究，他们从行星轧制的几何学、运动学、力能参数以及数值仿真等方面做了大量分析研究。 在行星轧制几何学方面，文献[1]由孔型曲面与轧辊辊面为一对共轭回转面，得到计算三辊行星轧机孔型曲面的新方法——锥面法，并建立了数学模型。文献[2]采用空间解析几何基本理论推导出行星轧机轧辊干涉条件的计算公式，但计算结果偏保守，使得轧辊的设计潜力得不到充分发挥。而文献[3]采用基于空间解析几何的共轭曲面法建立轧辊不干涉条件，采用此不干涉条件设计的轧辊直径比一般不干涉条件下的要大，这对PSW轧机本身的设计具有重要意义。
行星轧机辊形曲线的设计研究是在斜轧的辊形设计理论的基础上，结合行星轧机的工作原理和金属流动特点来进行的。朱之超等[4]利用空间解析几何的基本理论，结合行星轧机轧辊各段的作用和几何特征，推导了轧辊均整段和减壁段辊形曲线的数学模型，为辊形曲线设计提供了一定的理论基础。
行星轧机的轧制轴线与轧辊轴线成空间交叉关系，这给行星轧制的运动学分析带来了困难。康祖立、李应强等[5]以轧辊轴线和轧制轴线之间的公垂线作为坐标轴来建立行星轧制的空间坐标系，以简单的坐标系描述了轧辊与轧件间的空间
位置关系，使得PSW轧制过程的运动分析较为方便。傅文祖[6]对行星传动进行简化、分解后，采用空间解析几何和“速度矢量”方法，探讨了轧件不转条件，但这仅是不稳定的条件，这也是在实际中较难掌握的问题。
在理论研究行星轧制力能参数方面，Siebke等[7]在理论分析三辊行星轧制钢管的轧制力和轧制功率的基础上，建立了数学模型，并进行了轧制实验。Aoyagi 等[8]在用三辊行星试验轧机轧制塑泥棒材的变形试验中，研究了材料的流动情况、轧制力和轧制力矩，以及在不同的压下率下轧辊上的轧制压力分布情况。张海兵等[9]利用轧件变形区微分几何模型对接触面进行分析，在考虑前后滑的情况下对微分体进行受力分析，得到轧制力的积分计算式，从而采用数值分析方法得到轧制力及轧制力矩。图书馆学概论
随着计算机技术和有限元理论的发展，有限元法已成为应用最广泛、最有成效的模拟金属成形过程的数值方法，它不仅可以模拟复杂的塑性变形过程，还能够研究变形过程中的各种工艺参数对成形过程的影响。近年来，不少学者开始尝试用有限单元法来分析行星轧制棒材、管材的变形过程。
台湾成功大学和台湾中山大学的研究人员采用大型商业有限元软件研究了棒材、管材的三辊行星轧制过程[10-11]。通过有限元分析，发现轧制过程中外层金属的流动速度大于内层金属的流动速度，该速度差导致了轧制棒材时轧件头部产生空穴，并研究了摩擦系数、转速、倾斜角、偏转角以及辊形对轧制成品的表面状况和轧制力能参数的影响，从而为辊形设计和轧制工艺提供了一定的指导方向。通过
试验与仿真相结合，讨论了在不同轧制条件下成品的螺旋纹节距、螺旋升角等，证明了该有限元模型的正确性，可用于三辊行星轧制过程的后续研究中。
中国科学院金属研究所的研究人员采用三维热机耦合模型对TP2铜管的三辊行星轧制过程进行了有限元仿真分析[12-13]。通过模拟可知：在三辊行星轧制过程中管坯断面要经受一个由圆形到三角形再归到圆形的变形过程；四辊行星轧制过程中管坯横断面的变形是一个从圆形到圆四边形再归圆到圆形的过程，其反复弯曲应力较三辊行星轧制过程显著减小；在三辊行星轧制过程中轧件变形区的温度将由室温上升至700℃左右；结合材料微观组织方面的实验研究，借助有限元软件进行了微观组织预报；同时还得到三辊行星轧制过程中坯料质点的运动轨迹和相应的运动规律，该模拟计算对探索复杂的行星轧制规律具有重要意义。
北京科技大学的臧勇、李立敏等人运用有限元软件MSC.MARC建立起铜管三辊行星轧制过程的三维热力耦合仿真模型[14-15]。结合仿真结果分析了轧制过程中金属的流动规律，轧件的温度场、应力应变场分布，轧制力以及辊形、摩擦状况对轧制过程的影响；并进行了120轧机辊形曲线的研究和仿真分析，这为大口径轧机的结构设计提供了理论帮助；研究了轧辊结构改变（将轧辊变为驱动旋转和被动旋转两部分）后对轧制过程中轧件的扭转现象、轧制力变化、温度变化的
影响以及摩擦状态对轧制过程的影响，为探索解决轧制过程中的轧件扭转、失稳问题具有重要意义。
目前，行星轧制技术方面还有许多问题有待进一步研究，主要归纳如下[16]：
①温度变化对轧件组织和性能、金属流动性的影响。行星轧制过程中产生大量的变形热，导致变形区温度急剧上升，对轧件的组织和性能会产生重要影响；
②组织性能预报研究。将行星轧制过程中组织演变和性能变化与生产过程中可控的工艺参数之间的定量关系，与轧制过程中轧件的温度场、应力-应变场、组织-性能演变场等耦合起来，建立物理冶金模型。通过计算机模拟，预测出轧后产品的组织状态和力学性能，从而实现对产品性能质量的控制及工艺参数的优化设计；
③轧件扭转问题。行星轧制过程中的轧件不转条件是不稳定的，只要条件稍有改变，就会打破理论上的平衡条件，但是轧件的扭转对轧制成品的性能、外观以及轧制过程的顺利进行都有较大的影响。因此，需要进一步研究影响轧件扭转的条件，尽量减小轧件的转动，保证在轧制过程中，轧件入口不转，出口微转；
④辊形曲线研究。辊形对轧制产品规格和性能、轧制力能参数以及轧件扭转等都有较大的影响，而目前却尚未形成较为系统的辊形曲线理论来指导实际生产；
⑤极限工作能力研究。行星轧机轧管工艺目前所面临的一个重要问题是随着管坯直径的逐渐增大和壁
厚的减薄，无法轧制出合格的铜管。因此，需要对极限加工能力进行研究，为进一步扩大产品规格提供理论依据。
2行星轧机的发展情况与不足
铸炉之主派伦迪乌斯三辊行星轧机（包括PSW轧机和HRM轧机）和四辊行星轧机都属于连续大压下量轧机，操作简便、具有良好的连轧性能、轧制力小、设备运行平稳、无冲击载荷、噪音较小，能为轧制半成品或成品管棒材提供一种经济方法，从而在国内外都得到迅速发展。
三辊行星轧机是上世纪70年代发展起来的一种大压下量轧机，起初主要用于粗轧棒材和线材，后来才发展到无缝钢管和铜管的轧制加工中来。1970年~1974年，德国西马克公司进行了三辊行星轧机试验，并于1975年建立第一台作为棒材轧机的粗轧机组使用的商用PSW轧机。1977年，第二台PSW轧机在瑞典SKF公司投产。1982年，日本三洋特钢公司成功研制出了第三台PSW轧机，用作生产Φ100~160特殊钢圆棒的半成品轧机。1980年，德国Mannesmann-Demag公司成功研制了一种结构和原理与PSW轧机基本相同的大压下量轧机，称为HRM轧机。1977年~1979年，西马克公司进行了一系列三辊行星轧机轧制无缝钢管的试验，发现采用三辊行星轧机轧管是一种高效率、灵活的新轧管法，是无缝钢管轧制技术方面的一项重大发明。1982年，德国ESW无
缝钢管厂安装三辊行星轧机轧出了首批无缝钢管。20世纪90年代初芬兰Outokumpu公司将三辊行星轧
机应用到铜管材生产的铸轧法中。1992年，韩国Lucky金属公司首次在国际上采用连铸连轧技术进行铜管工业化生产，三辊行星轧机开始真正应用到铜管材的加工生产之中[17]。
在国内，三辊行星轧机的理论研究和工业性生产也取得了很大的进展。1975年，沈阳有金属材料厂和西安重型机械研究所开始着手PSW轧机的设计，并于1978年成功研制了一台三辊行星试验轧机。1977年，上海第一铜棒厂与上海冶金设计院合作研制了用于轧制铜棒的三辊行星轧机。后来，北京科技大学与郑州金属制品研究院合作研制了一台Φ60型PSW轧机，用于黑金属线、棒材的轧制。1994年，金龙铜管集团在国内首先引进铜管铸轧工艺，使三辊行星轧机在有金属加工中的应用更加深入。目前，我国设计制造的PSW轧机规格较小，主要应用于有金属加工生产之中。
四辊行星轧机是德国KOCKS公司经过多年努力在三辊行星轧机基础上研发的一种大压下量轧机，于2001年工业试验成功，并推出了由KRM四辊行星轧机、SRB张力减径机和RHS回转热锯组成的STP轧管工艺。2003年，冶钢集团的东钢公司与KOCKS公司签订了合同，决定在东钢公司建设世界上第一套采用KRM轧管设备的Φ114的热轧无缝钢管车间[18]。2007年河南金龙精密铜管集团从KOCKS公司引进了一台四辊行星轧机，用于轧制TP2紫铜管。
经过调研分析，发现行星轧制工艺在生产实践过程中还存在以下不足之处
[17]：
①轧机卡死现象。当轧制某些难变形、可轧温度范围窄的材料时，金属流动稳定性差，可控制性差，便有可能会出现卡死、扭结现象；
②轧件质量控制较困难。行星轧制时会产生大量变形热，导致轧件变形区的温度急剧上升，这对轧件内部组织性能的影响很大，但是，很难精确控制冷却条件使内部组织达到理想状态。此外，轧件表面易产生螺旋纹，影响表面质量。
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③轧辊易磨损。由于轧辊呈锥形，精整段直径很小，因此，在实际轧制时轧辊很容易磨损。金属流动性的不可控制性和剧烈的升温也加剧了轧辊的磨损。
④轧机的强度和稳定性较差。为保证回转盘做行星旋转，只能将其悬挂在固定机座上，而行星轧制变形量大，轧制力也很大。因此，需要加强轧机的强度和稳定性设计。
⑤要使轧件出口不转动，必须有熟练的操作工人和严格的操作协调制度，或者采用自动检测控制系统来加以控制。
以上这些问题成为限制行星轧制技术进一步推广应用的瓶颈，同时也成为国内外众多学者的研究重点。随着国民经济对铜管持续扩大的市场需求，尤其是对大规格铜管、合金铜管需求的增加，进一步研发行星轧制技术及装备将势在必行，
其发展方向将是扩大其产品适用范围，向合金铜管、其它有金属材料方向延伸，向高精度、大口径薄壁方向发展。
3我国行星轧机的现状与发展趋势
近些年，我国在消化吸收国外先进技术的基础上，积极自主创新、研发，在行星轧制装备方面取得了较为瞩目的成绩。其中，行星轧机的设备研发和集成商——广东冠邦科技有限公司，其自主研发的三辊行星轧管机组已达到国际先进水平，并拥有10余项中国发明和实用新型专利。截至2010年底，冠邦科技已向国内外用户累计提供了40余台（套）行星轧机。用户包括宁波金田、高新张铜、海亮集团、精艺金属、华鸿铜业、耐乐铜业、宏磊集团、青岛宏泰、福建金艺、中奥博特、江西铜业、中佳铜业、中山奥托昆普(现改名为Luvata Tube诺尔达铜管)、韩国三浦工业(Sampo Industrial Co．Ltd．)、印度Nissan Copper、土耳其Elektrosan等国内外著名企业。其中一套行星轧机用于生产高速铁路接触线（合金铜棒），其他均用于铸轧工艺生产紫铜管。
目前，冠邦科技正积极进行更进一步的行星轧机研发，主要发展方向为：大口径薄壁管件的轧制以及白铜合金管材的轧制。冠邦科技积极开展产学研合作，和北京科技大学联合成立了“冠邦—北京科技大学金属轧制技术装备研发中心”，充分发挥双方在科研、中试、产业化和市场方面的实力和优势，在行星轧制的基础理论、产品设计和仿真实验等方面取得了一系列成果。针对现有的铜管行星轧制加工范
宾汉姆围小、精度低等问题，冠邦—北京科技大学金属轧制技术装备研发中心拟采用实验室试验、计算机仿真模拟、先进仪器测试分析、工厂试验，用户使用报告相结合的研究方法，实现关键技术突破和技术装备的产业化。另外，冠邦科技进行了三辊行星轧机轧制白铜管的试验，试验表明：采用行星轧机轧制白铜管，理论上是可行的，但是还存在一些问题需要进一步解决。
4结束语
随着国民经济的发展，有金属管材的市场需求不断扩大，尤其是对大规格铜管、合金铜管、铝管需求的增加，必须进一步研发行星轧制技术及装备，扩大其产品适用范围，向合金铜管、铝管等有金属管材方向延伸，向高精度、大口径方向发展。
参考文献
[1]孙元堂，康祖立．三辊行星轧机孔型曲面的计算方法[J]．冶金设备，1993(4)：18-20．
[2]华仲明，赵文等．行星斜轧机轧辊干涉条件[J]．东北重型机械学院学报，1987，11(1)：
34-40．
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