三輥斜軋穿孔機(jī)

早先三輥穿孔機(jī)主要靠有經(jīng)驗(yàn)的操作工通過手動調(diào)整，從而準(zhǔn)確度難以完全保證，基于測控自動化和保證調(diào)整準(zhǔn)度與毛管精度考慮，做了以下改進(jìn):

1) 加懸臂三輥定心，盡量靠近穿孔機(jī)，增加頂頭頂桿的剛性，有效防止偏心。

2) 激光校準(zhǔn)裝置對穿孔機(jī)進(jìn)行標(biāo)定( 配帶工裝) ，保證機(jī)組的同心度，高水平的工藝控制可確保毛管的幾何形狀與精確的同心度，滿足毛管壁厚精度要求。

3) 關(guān)于標(biāo)定，在機(jī)架端面定3 個點(diǎn)，固定工裝支架，激光發(fā)射器固定在支架上，調(diào)整工裝找正，量筒和測量元件一起被夾緊在三輥定心的中心，對準(zhǔn)并標(biāo)定，同理將后續(xù)三輥定心、頂桿小車的位置依次標(biāo)定。

4) 對原軋輥軸結(jié)構(gòu)修改細(xì)化，防止應(yīng)力集中。

5) 穿孔機(jī)主傳動電機(jī)采用直流電機(jī)，若空間允許，考慮兩臺小點(diǎn)的電機(jī)串聯(lián)，降低投資，考慮合適的減速比，滿足穿軋高合金鋼種的要求。

6) 壓下裝置由彈簧平衡改為液壓平衡，使壓下螺絲螺母的螺紋間隙得到更有效的消除，孔型控制精度更高。

7) 壓下輥位由編碼器檢測，從而實(shí)現(xiàn)精確定位，可以從操作臺數(shù)顯系統(tǒng)上和PC 界面中看到顯示的數(shù)值，便于隨時監(jiān)控。

8) 所有調(diào)整機(jī)構(gòu)都設(shè)有可靠的防塵、消隙裝置，保持清潔，消除間隙，充分保證精度。如大銅套加密防塵，提高其使用壽命，也有利于換輥，尤其對于兩下輥。

9) 電動送進(jìn)角( 軋輥擺角) 的調(diào)節(jié)同樣由編碼器檢測實(shí)現(xiàn)精確定位，可以從操作臺數(shù)顯系統(tǒng)上和PC 界面中看到顯示的數(shù)值，便于隨時調(diào)控。

10) 考慮改進(jìn)送進(jìn)角轉(zhuǎn)盤的鎖緊，在轉(zhuǎn)盤上刻紋，并在壓塊上刻紋，刻紋寬度適當(dāng)考慮蝸桿的導(dǎo)程等，保證兩鎖緊裝置的相位，液壓鎖緊。

11) 送進(jìn)角調(diào)節(jié)的鎖緊機(jī)構(gòu)改進(jìn)，采用球鉸方式或者其它方式解決振松的問題; 若軋輥架兩側(cè)帶小球鉸，則必須采用液壓缸消隙; 若軋輥架兩半大球鉸置于滑塊( 可在轉(zhuǎn)盤窗口里滑動) 內(nèi)，則可考慮頂絲消隙后緊固 。

1) 三輥穿孔的管坯橫截面變形特點(diǎn)是圓三角形，這樣橫截面橢圓度小，頂頭易對準(zhǔn)中心，故三輥穿孔毛管的壁厚尺寸精度高于兩輥穿孔機(jī)，在壓下精確調(diào)整和保證頂桿剛度的情況下尤為明顯。

2) 在同樣壓下率的情況下，金屬同軋輥的接觸面積比兩輥穿孔機(jī)要大得多，也就是軸向拽入力比兩輥穿孔機(jī)大，更利于咬入。

3) 相比兩輥的雙線螺旋，三輥穿孔形成三線螺旋送進(jìn)，同樣的送進(jìn)角和軋輥轉(zhuǎn)速的情況下，斜軋穿孔的時間較兩輥的縮短。

4) 由于沒有導(dǎo)板的摩擦，減少了軸向滑移，軸向滑移系數(shù)可達(dá)0． 95 ～ 1． 1; 提高了穿孔效率，由兩輥的最高效率0． 8 提高到0． 9 ～ 0． 95，比兩輥斜軋穿孔高出15%～ 20%。

5) 降低了單位能耗，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究資料，其能耗要比兩輥斜軋穿孔小33% ～ 40%。

6) 改善了毛管內(nèi)外表面的質(zhì)量，由于無導(dǎo)板劃傷和中心撕裂的問題，因此毛管內(nèi)外表面的質(zhì)量比兩輥斜軋穿孔為好，保證了后續(xù)鋼管生產(chǎn)的質(zhì)量。

7) 生產(chǎn)中調(diào)整靈活、方便，能夠適應(yīng)較寬的品種規(guī)格范圍，而且軋制精度高，鋼管內(nèi)外表面光潔，質(zhì)量高，壁厚均勻，形狀規(guī)整，一般外徑公差在± 0.5 以下，壁厚公差在± 0.3 ～ 0.5 之間。

8) 毛管尺寸比較穩(wěn)定，各支毛管之間或同一毛管頭尾的外徑差比兩輥穿孔的小。

9) 從CPE 機(jī)組的特殊性可知，管坯經(jīng)穿孔獲得毛管的外徑和壁厚比較單一，且為中厚壁管，不會發(fā)生三輥穿孔機(jī)穿軋薄壁毛管時容易形成尾三角的問題。

10) 由于穿軋毛管壁厚較厚、長度較短，頂頭的使用壽命更長。

11) 三輥穿孔機(jī)機(jī)型較兩錐形輥穿孔機(jī)簡單，控制也沒那么復(fù)雜，便于操控。

12) 相應(yīng)地，同樣規(guī)格穿孔機(jī)的重量，由于結(jié)構(gòu)簡單，三輥穿孔機(jī)較兩輥輕便。

13) 為保證檢測元件靈敏可靠，編碼器和接近開關(guān)等都選用進(jìn)口件; 從而保證高調(diào)控精度，自動化程度高，作業(yè)率高，故障少。

14) 為保證穿孔機(jī)各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的安全可靠，重要的調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)有兩道甚至三道保險，有接近開關(guān)、凸輪開關(guān)，還有電氣限位。

15) 機(jī)組在機(jī)械、電氣、液壓各系統(tǒng)間均設(shè)有聯(lián)鎖與保護(hù); 機(jī)械設(shè)備上還設(shè)計(jì)有極限保護(hù)措施; 電氣設(shè)計(jì)有過載保護(hù)等。

16) 安裝于PC 中的操作系統(tǒng)與PLC 相連，確保工藝控制可靠和毛管質(zhì)量優(yōu)良，物料跟蹤系統(tǒng)能儲存來料的工藝數(shù)據(jù)和設(shè)定參數(shù)，各種產(chǎn)品規(guī)格的設(shè)定參數(shù)、工具數(shù)據(jù)、穿軋工序以及穿軋結(jié)果儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)用 。

自從第一臺三輥穿孔機(jī)于1965 年投入工業(yè)生產(chǎn)以來，用三輥穿孔機(jī)穿軋合金管坯就備受關(guān)注。后來由于兩錐形輥穿孔機(jī)的趨于成熟且廣泛應(yīng)用，三輥穿孔機(jī)相對發(fā)展緩慢。

三輥穿孔除了具備兩輥穿孔同樣的效率高、生產(chǎn)靈活、可穿長坯的優(yōu)點(diǎn)外，其最大特點(diǎn)是變形區(qū)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。三向壓應(yīng)力不會產(chǎn)生中心破裂。在提高生產(chǎn)能力和改善毛管質(zhì)量方面，比兩輥穿孔具有更大潛力。三輥穿孔機(jī)穿出的毛管尺寸精度比兩輥高，可穿軋的合金鋼管的范圍比兩輥大，因此是一種值得推廣的很有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)型。

針對目前國內(nèi)普遍存在的大量結(jié)構(gòu)陳舊、性能落后、能源浪費(fèi)嚴(yán)重、原材料消耗高、質(zhì)量難以保證、環(huán)境污染嚴(yán)重、勞動條件差的小型無縫鋼管機(jī)組面臨淘汰，資料認(rèn)為114( 半) 限動芯棒連軋管機(jī)組和114CPE 機(jī)組是改造我國小型無縫鋼管機(jī)組較為理想的機(jī)型。

對于CPE 機(jī)組，建議采用鼓形穿孔機(jī)，特別推薦三輥穿孔機(jī)，因CPE 延伸很大，鼓形穿孔機(jī)延伸較小毛管壁厚較大，縮口后毛管維持較高溫度，有利于頂管生產(chǎn)。三對于小型無縫鋼管企業(yè)來說，錐形穿孔機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，主電機(jī)容量也大，其價格比鼓形穿孔機(jī)高約50%，且輥穿孔毛管壁厚精度略高于兩輥，并且CPE 不要求薄壁毛管，選擇三輥穿孔機(jī)可顯著的減少投資 。

三輥斜軋穿孔機(jī)三輥穿孔機(jī)組由前臺、三輥穿孔機(jī)、主傳動、后臺一段、后臺二段、電氣控制系統(tǒng)、流體系統(tǒng)( 包括液壓、潤滑、冷卻水等) 等組成。其中穿孔機(jī)主傳動包括主電機(jī)、聯(lián)軸器、三出軸的減速機(jī)和萬向接軸等。

三輥穿孔機(jī)是三個軋輥呈“品”字形120°布置的斜軋機(jī)型。沒有導(dǎo)板或?qū)ПP，完全由三軋輥形成孔型，變形區(qū)的變形過程如同兩輥穿孔機(jī)。三輥穿孔機(jī)主要由機(jī)架、軋輥、軋輥架、壓下調(diào)整裝置、鎖緊裝置及轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)等部分組成。軋輥平衡彈簧和調(diào)整裝置聯(lián)合成整體，轉(zhuǎn)盤定位于機(jī)架入口側(cè)，其作用是通過調(diào)整其上的蝸輪蝸桿確定三個軋輥的送進(jìn)角; 機(jī)架由上機(jī)架和下機(jī)架組成，上軋輥裝于上機(jī)架中，兩個下軋輥裝于下機(jī)架中，上下機(jī)架由鎖緊立柱通過斜楔鎖緊。

三輥穿孔機(jī)為開口式機(jī)架結(jié)構(gòu)，換輥、維護(hù)、檢修方便。早期機(jī)型為軋輥平衡采用純機(jī)械方式，壓下調(diào)整不太方便，平衡性及調(diào)整精度更多地由操作工熟練的經(jīng)驗(yàn)保證，故其自動化程度有待提高。

在三輥穿孔機(jī)上斜軋實(shí)心管坯時金屬中心區(qū)的變形和應(yīng)力狀態(tài)與兩輥穿孔有著本質(zhì)的區(qū)別，由三個主動軋輥和一個頂頭構(gòu)成“封閉的”環(huán)形孔型。在三輥穿軋實(shí)心管坯時，由于管坯始終受到三個方向的壓縮，加上橢圓度小，一般在管坯中心不會產(chǎn)生破裂( 即形成孔腔) ，或者說形成孔腔的傾向小，從而保證了毛管內(nèi)表面質(zhì)量。這種變形方式更適合穿孔高合金鋼種。

實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)證明，在三輥穿孔機(jī)上穿孔時不產(chǎn)生中心破裂形成孔腔，因而用三輥穿孔機(jī)穿孔毛管可以獲得高的內(nèi)表面質(zhì)量，同時對管坯的內(nèi)部質(zhì)量也要求不高。即使本身有中心疏松和縮孔的圓鑄坯，穿孔后也不形成內(nèi)折型式的缺陷，有資料認(rèn)為三輥穿孔是在沒有孔化疏松作用下實(shí)現(xiàn)的 。

綜上所述，由于三輥穿孔機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和變形特點(diǎn)，更有利于金屬塑性變形，所以大大減少了穿孔時引起的毛管內(nèi)外表面缺陷，更適于穿軋低塑性難變形材料; 三輥穿孔結(jié)構(gòu)和操作均相對簡單，擴(kuò)大了可穿鋼種的范圍，且更換毛管規(guī)格方便; 可以充分利用三輥穿孔機(jī)的優(yōu)勢，避開軋制薄壁毛管出現(xiàn)尾三角的缺點(diǎn)。特別地，三輥穿孔機(jī)是CPE 頂管機(jī)組的不錯甚至更適合的一個選擇。

不管是新建還是改造無縫生產(chǎn)線，三輥穿孔機(jī)型都能帶來巨大的成本效益和高質(zhì)量的產(chǎn)品。不僅可以減少表面缺陷，而且可以降低工具消耗和能耗，并有效地控制投資和生產(chǎn)成本 。

1891年德國曼內(nèi)斯曼兄弟發(fā)明周期式軋管機(jī)時為穿孔鋼錠，才將軋輥輥型確定下來。其特征是軋輥由導(dǎo)向、穿孔、輾軋、減徑和定徑四段組成。在穿孔和輾軋兩段之間有一個很短的柱狀段，導(dǎo)位裝置為導(dǎo)輥。這種輥型的穿孔機(jī)稱為“曼氏穿孔機(jī)”。

現(xiàn)在常用的二輥斜軋穿孔機(jī)，是斯蒂弗爾于1905年完成的自動軋管機(jī)組中采用的。軋輥由兩個錐體以大直徑端對接而成，即桶形輥，導(dǎo)位為導(dǎo)板。

穿孔機(jī)由主機(jī)架、軋輥主傳動、前臺和后臺組成。前臺設(shè)有受料槽和推鋼裝置，后臺有頂桿支持和定心裝置。現(xiàn)代化的穿孔機(jī)為提高生產(chǎn)率，頂桿在完成一根毛管的穿孔之后，與毛管一起被拔出軋制線，從毛管中抽出后，進(jìn)入循環(huán)運(yùn)送系統(tǒng)，經(jīng)冷卻后從軋制線另一側(cè)拔入軋制線，開始另一個工作循環(huán)。

我國自動軋管機(jī)組中的二輥斜軋穿孔機(jī)，沒有頂桿循環(huán)運(yùn)送系統(tǒng)。頂桿固定在推力支座上，在穿孔時，頂桿有推力支座支持，使頂頭處于穿孔工作位置。一個毛管穿完后，推力支座將頂桿自毛管中抽出，毛管被拔出軋制線后，推力支座將頂桿送至工作位置，進(jìn)行下一根毛管的穿孔。

頂桿和頂頭的結(jié)合有兩種方式，一種是頂頭用螺紋擰接在頂桿的前端，頂頭因磨損或更換產(chǎn)品規(guī)格而需要更換時，連同頂桿一起更換；另一種方式是頂頭由人工置于穿孔機(jī)孔喉處的下導(dǎo)板上，頂桿由推力支座送到工作位置，當(dāng)管坯被軋輥咬人時，頂頭落在頂桿前端的頂尖上，完成穿孔一根毛管后，頂頭落在下導(dǎo)板上，由人工更換頂頭，頂桿由推力支座施出毛管。

穿孔機(jī)的機(jī)架在我國有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是軋輥和軸承座安裝在兩個轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)鼓可調(diào)整喂入角。在臥式配置軋輥的穿孔機(jī)上，轉(zhuǎn)鼓安裝在軋線兩側(cè)的牌坊內(nèi)；在立式布置軋輥的穿孔機(jī)上，轉(zhuǎn)鼓布置在機(jī)架的4個支柱之間，軋制線的上方和下方。前一種形式的穿孔機(jī)需要換輥時，打開機(jī)架上蓋，用吊車逐個吊出軋輥。后一種穿孔機(jī)換輥時，先將上軋輥落坐在下軋輥上，機(jī)架上蓋打開，用吊車將上、下軋輥一次吊出。

穿孔機(jī)機(jī)架上配制有導(dǎo)位裝置，導(dǎo)位與軋輥構(gòu)成近乎于封閉的空間，稱為“孔型”。我國有兩種形式的導(dǎo)位裝置，一種是導(dǎo)板，是最廣泛應(yīng)用的；另一種是大導(dǎo)盤，驅(qū)動的大導(dǎo)盤直徑約為軋輥直徑的兩倍，其緣面運(yùn)動速度大于毛管軋出速度。

鍛造實(shí)心圓毛坯時，每錘鍛一次，圓毛坯繞本身軸線轉(zhuǎn)動一下，因此圓毛坯在徑向受到連續(xù)的錘鍛和壓縮。每次錘鍛時，徑向的壓縮量稱為單位壓縮量。因橫向鍛造時，單位壓縮量小，因此發(fā)生表面變形（圓毛坯橫鍛試驗(yàn)證明，單位壓縮量小于6%時，則發(fā)生表面變形）。由于連續(xù)地多次徑向壓縮，當(dāng)徑向總壓縮量達(dá)到一定數(shù)值時，毛坯軸心部位便出現(xiàn)撕裂。圖1為5CrNiMo鋼在1 100～850℃溫度范圍內(nèi)鍛造后，其中心部位產(chǎn)生撕裂的情形。

三輥斜軋穿孔機(jī)斜軋穿孔試驗(yàn)證明，頂頭前管坯中心部位從未發(fā)現(xiàn)有孔腔形成現(xiàn)象。圖2為三輥斜軋穿孔機(jī)和二輥斜軋穿孔機(jī)穿孔軋卡試樣。

由軋卡試樣可知，三輥穿孔頂頭前管坯中心部位無孔腔產(chǎn)生，而二輥穿孔頂頭前管坯中心部位產(chǎn)生了孔腔。圖3中a所示為三輥穿孔管坯中心在橫向只受軋輥外力作用產(chǎn)生壓應(yīng)力，而無拉應(yīng)力；圖3中b所示為二輥穿孔管坯中心在軋輥外力作用方向，產(chǎn)生壓應(yīng)力，在導(dǎo)板方向受拉應(yīng)力，在交變拉、壓應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致中心產(chǎn)生撕裂。

二輥斜軋穿孔時，軋輥與軋件縱向接觸f可為細(xì)長窄條，因此軋輥對管坯作用力近似于集中載荷，又因?yàn)檐堓伱啃D(zhuǎn)半圈的壓下量小(約小2%～4%)，從而造成表面變形。圖4為斜軋圓管坯在外力P作用下管坯橫斷面的圖示。

由圖4可知，管坯的一部分受軋輥的直接作用，即所謂直接作用區(qū)；另一部分受軋輥的間接作用，該部分稱為間接作用區(qū)。由于載荷集中，直接作用區(qū)的應(yīng)力獲得優(yōu)先發(fā)展，應(yīng)力值較大；而在隨著離開集中載荷作用下的直接作用區(qū)所形成的間接作用區(qū)中，由于應(yīng)力分布在比直接作用區(qū)接觸面積大得多的面積上，因此應(yīng)力分散，其值急劇下降。由此不難看出，斜軋穿孔時，表面首先產(chǎn)生塑性變形，而隨著接近坯料中心其塑性變形逐漸減小，表面變形的金屬優(yōu)先向橫向擴(kuò)展（橫斷面由圓形變成橢圓形）和縱向延伸。由于縱向表面變形的結(jié)果，在管坯端部形成漏斗形凹陷?？梢?，無論表面變形或縱變形，其結(jié)果乃導(dǎo)致外層變形的金屬具有很大的流動速度，造成“拉”中間區(qū)域金屬向橫向擴(kuò)展及縱向延伸。所以斜軋穿孔變形是極不均勻的變形，在管坯中心產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力（橫向），該力是形成孔腔的主要應(yīng)力。