采用熱軋減徑工藝軋制螺紋管

郭正陽 秦建平

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 030024)

螺紋管斜軋工藝是金屬塑性成形加工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一，并在軋鋼和零件制造行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。小直徑外螺紋管一般是以冷軋的方法軋制，本文中所提到的螺紋管是采用熱軋減徑的新工藝進(jìn)行軋制的，即在一個(gè)軋輥上大幅減徑軋制出螺紋管。在研究這種新工藝的過程中，發(fā)現(xiàn)在批量生產(chǎn)時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)頭部四方軋卡現(xiàn)象，即使不軋卡，60%的產(chǎn)品也會(huì)在頭部200 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)外四方的現(xiàn)象。

1 四方形斷面形成的原因分析

小直徑無縫鋼管斜軋時(shí)出現(xiàn)四方形斷面(圖1)的概率并不高，因此在軋制螺紋管時(shí)出現(xiàn)大量四方形斷面是個(gè)新的現(xiàn)象。在大直徑無縫鋼管張力減徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)六方的現(xiàn)象，研究證明，內(nèi)六方的出現(xiàn)張力大小有關(guān)。雖然在減徑軋制外螺紋管的新工藝中有時(shí)也存在張力，但是根據(jù)理論計(jì)算，送進(jìn)角在5.6°以下時(shí)是不存在張力的。新工藝穩(wěn)定軋制時(shí)送進(jìn)角為6°，理論分析認(rèn)為四方形斷面與張力的關(guān)系不大。

新工藝軋制螺紋管的直徑比較小，多為?40 mm 以下。四邊形多出現(xiàn)在減徑段后期或者剛接觸螺紋段時(shí)，大多是由內(nèi)到外，而此時(shí)軋件頭部處于軋制中心和送進(jìn)角回轉(zhuǎn)中心處，輥縫值最小時(shí)低于2 mm，幾乎貼在一起。這說明輥縫并非最主要的原因，但卻是出現(xiàn)四方形斷面的必要條件之一。

圖1 軋制試驗(yàn)中軋卡時(shí)的金屬斷面Figure 1 The metal section in the rolling stop during rolling test

根據(jù)現(xiàn)場情況，四邊形一般出現(xiàn)在大減徑量和接觸區(qū)域大于50 mm 的軋制條件下，并且是從內(nèi)到外。減徑量是新工藝所必須達(dá)到的技術(shù)參數(shù)之一，是不能改變的。根據(jù)金屬流動(dòng)和應(yīng)力狀態(tài)分析，在一般軋制時(shí)，輥縫大的情況下，軋件內(nèi)表面受力為軸向拉應(yīng)力、徑向拉應(yīng)力和外壓力，即一壓兩拉，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)三角形狀的斷面。在外螺紋管軋制時(shí)，長的減徑段已經(jīng)積累很多附加應(yīng)力，軸向拉應(yīng)力會(huì)不斷變大，從而減弱橫向應(yīng)力，同時(shí)由于近似的密閉孔型，金屬無法進(jìn)行徑向擴(kuò)展，此時(shí)軋件內(nèi)表面金屬應(yīng)力狀態(tài)為兩壓一拉，近似二輥軋制的受力狀態(tài)(圖2)，因此出現(xiàn)二輥軋機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的內(nèi)外四方。但是二者是有區(qū)別的，后者的孔型密閉性比試驗(yàn)軋機(jī)要好的多，并且金屬的徑向延伸由導(dǎo)板控制［1］。在三輥軋機(jī)中，金屬在徑向除了軋輥外沒有限制金屬徑向延伸的工具，所以在三向壓力(圖3)的作用下，小輥縫很難出現(xiàn)徑向大的延展，這樣就導(dǎo)致金屬的軸向流動(dòng)增加，徑向流動(dòng)減弱，加上螺紋段的咬入受力非常不均勻，導(dǎo)致徑向壁厚不均。在正壓力和切向力不斷變換的作用下，一定程度上消弱了金屬的強(qiáng)度，開始積累這種類似二輥軋制時(shí)的四方變形。在試驗(yàn)時(shí)，由于加工精度和設(shè)備精度都不高，三個(gè)軋輥的壓下量也不相等，同時(shí)軋輥在裝配時(shí)的回轉(zhuǎn)中心也不一致，使軋件在軋制過程中形成橢圓度并受力不均，從而產(chǎn)生壁厚不均，這也是內(nèi)四方出現(xiàn)的原因之一。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

為了消除設(shè)備精度不足及參數(shù)誤差的影響，深入分析四方形斷面形成的的原因，避免在大批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)大量的切頭和軋卡事件，下面建立與現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)一致的軋制模型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。坯料尺寸如圖4 所示。

圖2 二輥軋制時(shí)力相互作用示意圖Figure 2 The schematic drawing of interaction by two rollers rolling

圖3 三輥軋制時(shí)力相互作用示意圖Figure 3 The schematic drawing of interaction by three rollers rolling

圖4 坯料尺寸Figure 4 The blank size

表1 軋制技術(shù)參數(shù)Table 1 The technical parameters of rolling

2.2 有限元模擬結(jié)果分析

經(jīng)過多次模擬，并未出現(xiàn)四方形斷面，只是出現(xiàn)類似扇形的內(nèi)孔形狀。圖5 為軋制時(shí)的等效應(yīng)力與應(yīng)變分布圖。此時(shí)坯料已經(jīng)開始穩(wěn)定軋制螺紋了，但是并未出現(xiàn)四方形斷面，只是壁厚不均勻。在分析模擬每一步變形之后發(fā)現(xiàn)，軋輥橫截面各處的壓下量和金屬流動(dòng)并不均勻，在螺紋成形段這種情況更嚴(yán)重，導(dǎo)致本來該歸圓的均整段內(nèi)金屬的變形不均勻性加重，從而可能產(chǎn)生由內(nèi)到外的四方形斷面?？傊?，金屬變形的不均勻性越大，四方形斷面產(chǎn)生的可能性就越大。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，金屬變形不均勻性的增加，與其變形抗力的變化是有關(guān)系的。一般大直徑無縫鋼管的軋制是個(gè)升溫的過程，而小直徑無縫鋼管軋制是個(gè)降溫的過程，并且溫度的下降速度很快。根據(jù)變形溫度對變形抗力的影響［3］，當(dāng)45 鋼變形溫度為850℃、變形速率為0.5 s－1及真應(yīng)變?yōu)?.4 時(shí)，變形抗力約為200 MPa;而當(dāng)變形速率和真應(yīng)變不變，變形溫度升高到1 100℃時(shí)，變形抗力僅約為90 MPa。因此，在整個(gè)軋制過程中，為了能達(dá)到變形穩(wěn)定，金屬流動(dòng)均勻，就必須保證軋制溫度，減少在整個(gè)接觸區(qū)域內(nèi)的碾軋次數(shù)，以便減少變形的不均勻性。

3 優(yōu)化輥形和調(diào)整工藝參數(shù)

現(xiàn)場使用的是大幅度減徑的軋輥，整個(gè)參與變形的區(qū)域在200 mm 左右，輥形有兩個(gè)角度，軋制溫度大概為900～1 000°C?，F(xiàn)做如下調(diào)整:整個(gè)變形區(qū)域調(diào)整為130 mm 左右，減少金屬的碾軋次數(shù)，減少附加應(yīng)力的累積;輥形由兩個(gè)角度變成四個(gè)角度，使大減徑量下金屬的流動(dòng)與金屬的延伸不致相差太多;軋制溫度提高到1 100°C;采用內(nèi)冷軋輥，外部噴霧，取消外部噴水冷卻;低速咬入，高速軋制，控制金屬的變形抗力，使金屬在整個(gè)區(qū)域前后的變形抗力不致相差太多。其他軋制工藝參數(shù)不變。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

采用新的工藝參數(shù)和輥形進(jìn)行軋制后，出現(xiàn)四方形斷面的概率已經(jīng)從60%下降到15%左右，并且在連續(xù)生產(chǎn)18 h 之內(nèi)沒有出現(xiàn)軋卡事故。圖6 是工藝調(diào)整前后軋制出的頭部端面形狀。從圖6 可以看出，內(nèi)四方取決于軋制時(shí)的力學(xué)條件，通過調(diào)整參數(shù)是可以避免的。

圖5 軋制時(shí)的等效應(yīng)力與應(yīng)變圖Figure 5 The drawing of equivalent stress and strain during rolling

圖6 工藝參數(shù)調(diào)整前后軋件頭部的端面形狀Figure 6 The section shapes of rolled piece head before and after adjusting process parameters

5 結(jié)束語

四方形斷面的出現(xiàn)嚴(yán)重影響螺紋管的成材率和軋制穩(wěn)定性，不僅容易導(dǎo)致軋卡，而且端部切除量過多。通過調(diào)整軋制工藝參數(shù)，控制軋制溫度，預(yù)先齊頭，調(diào)整咬入段長度，改變送進(jìn)角大小，控制咬入速度，可大大降低產(chǎn)品出現(xiàn)四方形斷面的概率。

［1］張慶生.螺旋孔型斜軋工藝(M).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［2］吳建華.Simufact 仿真軟件在塑性加工中的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2010，(02).

［3］曲克.軋鋼工藝學(xué)(M).北京:冶金工業(yè)出版社，2008.1:445－446.