斜軋無縫鋼管生產(chǎn)中穿孔工藝

當(dāng)今無縫鋼管生產(chǎn)中穿孔工藝更加合理，穿孔過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，斜軋穿孔整個(gè)過程可以分為3 個(gè)階段：

1.不穩(wěn)定過程。管坯前端金屬逐漸充滿變形區(qū)階段，即管坯同軋輥開始接觸到前端金屬出變形區(qū)，這個(gè)階段存在一次咬入和二次咬入。

2.穩(wěn)定過程。這是穿孔過程主要階段，從管坯前端金屬充滿變形區(qū)到管坯尾端金屬開始離開變形區(qū)為止。

3.不穩(wěn)定過程。為管坯尾端金屬逐漸離開變形區(qū)到金屬全部離開軋輥為止。

穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程有著明顯的差別，這在生產(chǎn)過程中很容易觀察到的。如一只毛管上頭尾尺寸和中間尺寸就有差別，一般是毛管前端直徑大，尾端直徑小，而中間部分是一致的。頭尾尺寸偏差大是不穩(wěn)定過程特征之一。造成頭部直徑大的原因是：前端金屬在逐漸充滿變形區(qū)中，金屬同軋輥接觸面上的摩擦力是逐漸增加的，到完全變形區(qū)才達(dá)到最大值，特別是當(dāng)管坯前端與頂頭相遇時(shí)，由于受到頂頭的軸向阻力，金屬向軸向延伸受到阻力，使得軸向延伸變形減小，而橫向變形增加，加上沒有外端限制，從而導(dǎo)致前端直徑大。尾端直徑小，是因?yàn)楣芘魑捕吮豁旑^開始穿透時(shí)，頂頭阻力明顯下降，易于延伸變形，同時(shí)橫向展軋小，所以外徑小。

生產(chǎn)中出現(xiàn)的前卡、后卡也是不穩(wěn)定特征之一，雖然3 個(gè)過程有所區(qū)別，但它們都在同一個(gè)變形區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。變形區(qū)是由軋輥、頂頭、導(dǎo)盤構(gòu)成 。

斜軋方法已經(jīng)在無縫鋼管的生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，它除了應(yīng)用在穿孔這個(gè)主要工序之外，還應(yīng)用在軋管、均整、定徑、延伸、擴(kuò)徑和旋壓等基本工序中。斜軋與縱軋和橫軋不同之處主要表現(xiàn)在金屬的流動(dòng)性上?？v軋時(shí)金屬流動(dòng)的主要方向與軋輥表面的運(yùn)動(dòng)方向相同，橫軋時(shí)金屬流動(dòng)的主要方向與軋輥表面的運(yùn)動(dòng)方向相同，斜軋則處與縱軋與橫軋之間，變形金屬的流動(dòng)方向與變形工具軋輥的運(yùn)動(dòng)方向成一角度，金屬除了前進(jìn)運(yùn)動(dòng)外，還有繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，作的是螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)中所用的斜軋機(jī)有二輥和三輥兩種系統(tǒng) 。

斜軋成形分3類：

1.無縫鋼管生產(chǎn)中應(yīng)用的斜軋，包括斜軋穿孔、斜軋延伸、均整和斜軋定徑；

2.孔型斜軋，其特點(diǎn)是軋輥表面上帶有變高度、變螺距的軋槽，能軋制出長(zhǎng)度上變斷面的回轉(zhuǎn)體產(chǎn)品，如鋼球軋制，絲杠軋制等；

3.仿形斜軋，它借助于液壓或機(jī)械的仿形板控制三個(gè)旋轉(zhuǎn)的錐形軋輥，作相對(duì)于軋件中心的徑向運(yùn)動(dòng)以完成變斷面軸的軋制。仿形斜軋主要用來生產(chǎn)比較長(zhǎng)的變斷面軸產(chǎn)品，如紡織錠桿、刀剪、手術(shù)器械等毛坯料。

斜軋過程中金屬處于明顯的三向應(yīng)力也三向應(yīng)變狀態(tài)。這種空間應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和簡(jiǎn)化成平面問題或者軸對(duì)稱問題來分析求解，都會(huì)產(chǎn)生很大誤差，按三維為題求解，在數(shù)學(xué)處理上又遇到很大困難。因此斜軋單位壓力的理論計(jì)算方法尚未獲得很好的解決。實(shí)際中廣為應(yīng)用而又接近實(shí)測(cè)值的斜軋穿孔單位壓力理論計(jì)算方法仍然是縱軋公式。

借用縱軋公式計(jì)算斜軋問題看起來是不合理的，但是，如果把斜軋看出成是一種連續(xù)的縱軋過程還是有道理的。利用縱軋公式計(jì)算斜軋穿孔單位壓力，比較由于斜軋時(shí)三向應(yīng)力狀態(tài)所產(chǎn)生的計(jì)算唔哈，可借助于投產(chǎn)期間獲得的一些實(shí)驗(yàn)系數(shù)加以修正。

對(duì)此，可借用此公式進(jìn)行單位壓力運(yùn)算 。

無縫鋼管生產(chǎn)中的穿孔工序是將實(shí)心的管坯穿成空心的毛管。穿孔作為金屬變形的第一道工序，由于穿出的管子壁厚較厚、長(zhǎng)度較短、內(nèi)外表面質(zhì)量較差，因此稱作毛管。如果在毛管上存在一些缺陷，經(jīng)過后面的工序也很難消除或者減輕。所以在無縫鋼管生產(chǎn)中的穿孔工序起著十分重要的作用。

斜軋穿孔過程中，存在兩次咬入，第一次咬入是管坯和軋輥開始接觸瞬間，由軋輥帶動(dòng)管坯運(yùn)動(dòng)而把管坯拽入變形區(qū)，稱為一次咬入。當(dāng)金屬進(jìn)入變形區(qū)到和頂頭相遇，克服頂頭的軸向阻力繼續(xù)進(jìn)入變形區(qū)為二次咬入 。2100433B

鍛造實(shí)心圓毛坯時(shí)，每錘鍛一次，圓毛坯繞本身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，徑向的壓縮量稱為單位壓縮量。因橫向鍛造時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，軋輥與軋件縱向接觸f可為細(xì)長(zhǎng)窄條，因此軋輥對(duì)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(shí)，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?？梢姡瑹o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(dòng)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。

三輥斜軋穿孔機(jī)三輥穿孔機(jī)組由前臺(tái)、三輥穿孔機(jī)、主傳動(dòng)、后臺(tái)一段、后臺(tái)二段、電氣控制系統(tǒng)、流體系統(tǒng)( 包括液壓、潤(rùn)滑、冷卻水等) 等組成。其中穿孔機(jī)主傳動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)化程度有待提高。

在三輥穿孔機(jī)上斜軋實(shí)心管坯時(shí)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(gè)主動(dòng)軋輥和一個(gè)頂頭構(gòu)成“封閉的”環(huán)形孔型。在三輥穿軋實(shí)心管坯時(shí)，由于管坯始終受到三個(gè)方向的壓縮，加上橢圓度小，一般在管坯中心不會(huì)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(shí)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(shí)對(duì)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 。