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厚壁无缝钢管穿孔技术
】厚壁无缝钢管穿孔， 今天在无缝钢管生产过程中,穿孔工艺被广泛应用。1886 年德国的曼内斯申请了用斜辊穿孔机生产管状断面产品的专利。 专利中描述了金属变形时内部力的作 用和使用两个或多个呈锥形的轧辊进行穿孔，因此被称作曼内斯曼穿孔过程。 由 R.C 斯蒂菲尔发明的导板使得穿孔后的毛管长度得到增加。 后来狄舍尔发明了导盘， 使穿孔效率得到更大提高。 1970 年出现了锥形辊的穿孔机 ， 在 它比以前的穿孔机在金属的 变形上有明显的改进。 在无缝钢管生产中,穿孔工序的作用是将实心的管坯穿成空心的毛管。穿孔作为金属变 形的第一道工序，穿出的管子壁厚较厚、长度较短、内外表面质量较差，因此叫做毛管。如 果在毛管上存在一些缺陷， 经过后面的工序也很难消除或减轻。 所以在钢管生产中穿孔工序 起着重要作用。 当今无缝钢管生产中穿孔工艺更加合理,穿孔过程实现了自动化。 斜轧穿孔整个过程可以分为三个阶段 第一个不稳定过程--管坯前端金属逐渐充满变形区阶段，即管坯同轧辊开始接触（一次 咬入）到前端金属出变形区，这个阶段存在一次咬入和二次咬入。 稳定过程--这是穿孔过程主要阶段，从管坯前端金属充满变形区到管坯尾端金属开始离 开变形区为止。 第二个不稳定过程—为管坯尾端金属逐渐离开变形区到金属全部离开轧辊为止。 稳定过程和不稳定过程有着明显的差别， 这在生产中很容易观察到的。 如一只毛管上头 尾尺寸和中间尺寸就有差别，一般是毛管前端直径大，尾端直径小，而中间部分是一致的。 头尾尺寸偏差大是不稳定过程特征之一。 造成头部直径大的原因是： 前端金属在逐渐充满变 形区中，金属同轧辊接触面上的摩擦力是逐渐增加的，到完全充满变形区才达到最大值，特 别是当管坯前端与顶头相遇时，由于受到顶头的轴向阻力，金属向轴向延伸受到阻力，使得 轴向延伸变形减小，而横向变形增加，加上没有外端限制，从而导致前端直径大。尾端直径 小，是因为管坯尾端被顶头开始穿透时，顶头阻力明显下降，易于延伸变形，同时横向展轧 小，所以外径小。 生产中出现的前卡、后卡也是不稳定特征之一，虽然三个过程有所区别，但他们都在同 一个变形区内实现的。变形区是由轧辊、顶头、导盘（导板）构成。整个变形区为一个较复杂的几何形状，大致可以认为，横断面是椭圆 形，到中间有顶头阶段为一环形变形区。纵截面上是小底相接的两个锥体，中间插入一个弧 形顶头。 变形区形状决定着穿孔的变形过程，改变变形区形状（决定与工具设计和轧机调整）将 导致穿孔变形过程的变化。 二辊斜轧穿孔机及钢管穿孔过程 8 利实现二次咬入。这个区段的变形特点是：由于轧辊入口锥表面有锥度，沿穿孔方向前进的 管坯逐渐在直径上受到压缩， 被压缩的部分金属一部分向横向流动， 其坯料波面有圆形变成 椭圆形，一部分金属轴向延伸，主要使表层金属发生形变，因此在坯料前端形成一个“喇叭 口”状的凹陷。此凹陷和定心孔保证了顶头鼻部对准坯料的中心，从而可减小毛管前端的壁 厚不均。 穿孔变形区中四个区段 Ⅱ区称为穿孔区，该区的作用是穿孔，即由实心坯变成空心的毛管，该区的长度为从金 属与顶头相遇开始到顶头圆锥带为止。这个区段变形特点主要是壁厚压下,由于轧辊表面与 顶头表面之间距离是逐渐减小的,因此毛管壁厚是一边旋转,一边压下，因此是连轧过程,这个 区段的变形参数以直径相对压下量来表示,直径上被压下的金属,同样可向横向流动(扩径)和 纵向流动(延伸)但横向变形受到导盘的阻止作用,纵向延伸变形是主要的。 导盘的作用不仅可 第四章 穿孔 9 以限制横向变形而且还可以拉动金属向轴向延伸,由于横向变形的结果,横截面呈椭圆形。 Ⅲ区称为碾轧区,该区的作用是碾轧均整、改善管壁尺寸精度和内外表面质量，由于顶 头母线与轧辊母线近似平行，所以压下量是很小的，主要起均整作用。轧件横截面在此区段 也是椭圆形，并逐渐减小。 Ⅳ区称为归圆区。 该区的作用是把椭圆形的毛管， 靠旋转的轧辊逐渐减小直径上的压下 量到零，而把毛管转圆，该区长度很短，在这个区变形实际上是无顶头空心毛管塑性弯曲变 形，变形力也很小。 变形过程中四个区段是相互联系的， 而且是同时进行的， 金属横截面变形过程是由圆变 椭圆再归圆的过程， 4-3 轧件横截面变化图 4.2 4.2.1 斜轧穿孔运动学 两辊穿孔机运动学 4.2.1.1 螺旋轧制的速度分析 穿孔机轧辊是同一方向旋转,且轧辊轴相对轧制轴线倾斜,相交一个角度称作前进角。当 圆管坯送入轧辊中,靠轧辊和金属之间的摩擦力作用,轧辊带动圆管坯—毛管反向旋转,由于 前进角的存在,管坯—毛管在旋转的同时向轴向移动,在变形区中管坯—毛管表面上每一点都 是螺旋运动,即一边旋转,一边前进。 表现螺旋运动的基本参数是： 切向运动速度、 轴向运动速度、 和轧辊每半转的位移值 （螺 距）。 首先来讨论轧辊上任意一点的速度，如果轧辊圆周速度为 VR，则可以分解为两个分量 （切向分量和轴向分量）。 10 VaR=VRCOSβ=πD Nb/60×COSβ切向旋转速度 （1） VtR＝VR sinβ=πD Nb/60×Sinβ轴向速度 （2） 式中 D所讨论截面的轧辊直径，mm; Nb轧辊转速， rpm;v β咬入角。 在轧制过程中由于坯料靠轧辊带动，轧辊将相应的速度传递给管坯，则管坯速度为： VB=πD Nb/60×COSβ （3） 但实际上轧辊速度和金属速度并非完全相等。 一般金属运动速度小于轧辊速度， 即两者 之间产生滑移，可用滑移系数来表示两者速度，这样 VaR =πD Nb/60×COSβ×ητ (4) VtR＝πD Nb/60×sinβ×η0 (5) 式中：ητ 切向滑移系数, η0 轴向滑移系数,两者小于 1。 不同的材料有不同的滑移系数，参考如下： 碳钢 η0 = 0.8~1.0 低合金钢 η0 = 0.7 ~ 0.8 高合金钢 η0 = 0.5 ~ 0.7 在生产中最有实际意义的是毛管离开轧辊时的那一点速度，众所周知，出口速度愈大， 即生产率也愈高。为了简化计算，一般假设轧辊出口速度等于 VtR，实际误差包含在滑移系 数中。 毛管离开轧辊一点的轴向滑移系数可用公式(2)求出轴向速度,除以毛管长度得出理论的 穿孔时间,再和实测时间相比,即η0=T 理/T 实.这样确定η0 后,则可计算出毛管离开轧辊的轴 向速度。 螺距在变形中是个可变值，并且随着管坯进入变形区程度增加而增加，这是由于管坯- 第四章 穿孔 11 毛管断面积不断减小而轴向流动速度不断增加所致。 毛管离开轧辊一点的螺距值计算公式为: T=π/2×η0/ητ×d×tgβ 式中：d毛管直径 4.3 穿孔的咬入条件 斜轧穿孔过程存在着两次咬入， 第一次咬入是管坯和轧辊开始接触瞬间， 由轧辊带动管 坯运动而把管坯曳入变形区中，称为一次咬入。当金属进入变形区到和顶头相遇，克服顶头 的轴向阻力继续进入变形区为二次咬入。 一般满足了一次咬入的条件并 不见得就能满足二次咬入条件。在生产中我们常常看到， 二次咬入时由于轴向阻力作用，前进运动停止而旋转继续着即打滑。 4.3.1 一次咬入条件 一次咬入既要满足管坯旋转条件又要满足轴向前进条件。 管坯咬入的力能条件由下式确定： Mt ≥ Mp + Mq + Mi 式中：Mt - 使管坯旋转的总力矩; Mp—由于压力产生的阻止坯料旋转力矩 Mq—由于推料机推力而在管坯后端产生的摩擦力矩 Mi—管坯旋转的惯性矩 如果忽略 Mq、 Mi（值很小）则一般的表达式为： n (Mt + Mp) ≥ 0 (n—轧辊数) (6) 前进咬入条件是指管坯轴向力平衡条件， 也就是， 曳入管坯的轴向力应大于或等于轴向 阻力，其表达式为： n (Tx-Px) + P′ ≥ 0 (7) 式中：Tx—每个轧辊作用在管坯上的轴向摩擦力 Px--每个轧辊作用在管坯上正压力轴向分量 P′—后推力 (一般为零) 一次咬入所需旋转条件 下面的公式表明在管坯咬入时力的平衡， 两个重要参数， 摩擦系数和角速度可以通过下 面公式计算。 (8) 式中： ——轧辊入口锥角 ——咬入角 ——辊喉处的直径减径值 12 若想管坯咬入顺利些，可以将咬入角变大些、轧辊的入口锥角小些，或者通过施加管坯 的推入力和加大轧辊表面的辊花深度。 4.3.2 二次咬入条件 二次咬入的力能条件 二次咬入中旋转条件比一次咬入增加了一项顶头／顶杆系统的惯性阻力矩,其值很小。 因此二次咬入旋转条件,基本和一次咬入相同。二次咬入的关键是前进条件。 二次咬入时轴向力的平衡条件： n (Tx-Px) -Q′ ≥ 0 (9) 式中：Q′—顶头鼻部的轴向阻力 二次咬入所需旋转条件 二次咬入的条件在轴向管坯的推入力要大于顶头和管坯与轧辊之间的摩擦力， 能实现二 次咬入的前提是在管坯接触顶头前（x=自由长度） 管坯至少要旋转一周。 式中：d B——管坯直径 4.4 孔腔形成机理 斜轧实心管坯时， 在顶头接触管坯前常易出现金属中心破裂现象， 当大量裂口发展成相 互连接，扩大成片以后，金属连续性破坏，形成中心空洞即孔腔。。在顶头前过早 形成孔腔，会造成大量的内折缺陷，恶化钢管内表面质量，甚至形成废品，因此在穿孔工艺 中力求避免过早形成孔腔。 |
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