減徑機生產中空六角鋼的工藝方法

武建兵，張凌燕

（1.太原通澤重工有限公司，山西太原030032；2.太重煤機有限公司，山西太原030032）

減徑機生產中空六角鋼的工藝方法

武建兵1，張凌燕2

（1.太原通澤重工有限公司，山西太原030032；2.太重煤機有限公司，山西太原030032）

介紹了生產中空六角鋼的工藝方法，提出了一種新方法——穿軋減徑成型法，并采用模擬軟件重點模擬了減徑成型過程的成型階段。結果表明：利用減徑機直接生產中空六角鋼的工藝是可行的，即穿軋減徑成型工藝可行。采用穿孔減徑成型法生產中空六角鋼時，減徑機成型機架須采用合適的孔型尺寸，成型機架單機架延伸系數及孔型尺寸須滿足金屬合理流動的要求；成型機架單機架延伸系數取1.15～1.25較合適。

中空六角鋼；減徑機；穿軋減徑法；軋制工藝；模擬

中空六角鋼——釬鋼是一種專門用于鑿巖、鑿礦的專用材料，是現代工程采掘與工程施工中開鑿爆眼的重要工具［1］。由于中空六角鋼外形為正六邊形，中間為圓孔，所以在成型過程中，既要有穿孔成型，也要有外六角成型。

目前，中空六角鋼的傳統(tǒng)生產工藝主要有鉆孔法、熱穿熱拔法、鑄管法和熱穿熱軋法4種［2-4］。鉆孔法是最傳統(tǒng)的一種生產方式，其產品力學性能好，產品外觀質量及尺寸精度高，但生產工藝復雜、成本高。與鉆孔法相比，熱穿熱拔法生產節(jié)奏快，但產品力學性能及內孔質量略遜于鉆孔法生產的產品。采用熱穿熱軋法時，首先將實心棒料定尺，再經加熱爐加熱，加熱后的坯料經穿孔機穿孔，穿孔后毛管經軋管機軋制，軋制后荒管經過六輥軋管機軋制，將圓截面軋制為六邊形；與鉆孔和熱穿熱拔法相比，熱穿熱軋法生產節(jié)奏最快，但產品質量最差。

受無縫鋼管生產過程的啟發(fā)，提出了一種中空六角鋼生產新工藝——穿軋減徑成型法，即用穿孔機將實心棒料穿制為空心毛管，再經軋管機軋制為荒管，最后通過減徑機將荒管直接減徑、成型，軋制成內圓外方的中空六角鋼。在文獻［1］中試驗采用Y180三輥連軋管機生產中空六角鋼，即采用已經基本成型的圓鋼管通過Y180三輥連軋管機成型中空六角鋼。與文獻［1］中的生產方法相比，穿軋減徑成型法的最終成型過程是采用減徑機將大直徑鋼管先減徑后成型，這一過程是在同一臺設備上連續(xù)完成減徑與成型過程的。本文將對該穿軋減徑成型法進行介紹，并采用有限元軟件進行模擬。

1 穿軋減徑成型法

穿軋減徑成型法的成型過程為：實心坯定尺后加熱；經過穿孔機穿孔，將實心坯穿制成空心毛管；空心毛管經過軋管機軋制為外徑及壁厚均勻的荒管；荒管經過減徑機直接成型為中空六角鋼?；墓茉跍p徑機中經歷了2個連續(xù)軋制階段：減徑階段與成型階段。中空六角鋼減徑成型孔型布置如圖1所示。其中，減徑階段用于荒管減徑，采用傳統(tǒng)的圓孔型（圖2a）；成型階段（最后2～3機架）用于中空六角鋼的成型，采用六角形孔型（圖2b）。

圖1 中空六角鋼減徑成型孔型布置示意

圖2 圓孔型和六角形孔型示意

采用穿軋減徑成型法生產中空六角鋼時所需的設備主要有：帶鋸、加熱爐、穿孔機、軋機、三輥減徑機。其工藝流程為：實心坯→定尺→加熱→穿孔→軋制→減徑成型→切頭切尾→成品。

2 模擬分析

穿軋減徑成型法中，管坯穿孔、毛管軋制屬于生產無縫鋼管的通用方法，生產工藝成熟可靠；而生產中空六角鋼的主要難點是減徑成型過程。減徑階段是傳統(tǒng)的減徑工藝，即將大直徑荒管通過1組外徑逐漸縮小的橢圓孔型或圓孔型，減徑軋制成所需要的成品管，減徑階段也已經很成熟；而采用三輥減徑機將鋼管從圓形成型為六角形，目前還沒有實際應用，僅做了相關試驗［1］；因此，下面重點模擬減徑成型過程的成型階段，以便為實際生產提供理論依據。

2.1 模擬過程主要參數

坯料直徑 50 mm

毛管規(guī)格 Φ51 mm×10 mm

荒管規(guī)格Φ37 mm×9 mm

減徑后規(guī)格Φ26.5 mm×9.5 mm

成型后規(guī)格H22（規(guī)格代號）

材質 55SiMnMo

軋制溫度 950℃

軋輥轉速 70 r/min（成型階段第1機架）

83 r/min（成型階段第2機架）

荒管入口速度0.55 m/s

成型階段采用的六角形孔型尺寸如圖3所示。

2.2 有限元模擬

采用有限元軟件進行計算分析，用三維CAD軟件將軋輥及軋件建模，并將三維模型再導入有限元分析軟件內進行分析處理。

2.2.1 材料屬性定義

在有限元模擬過程中，視軋輥為剛體，忽略軋輥的變形，認為軋件為彈塑性變形。軋件采用分段線性塑性模型，并利用Cowper-Symonds來考慮應變率對軋件屈服應力的影響，應變率ε′與屈服應力σY的關系表示如下［5］：

其中，C和P是應變率參數，取C=40，P=5［5］；σ0為常應變率處的屈服應力，取σ0=75（MPa）；而）是基于有效塑性變形的硬化函數。

軋輥材質為球墨鑄鐵，密度為7 300 kg/m3，彈性模量為1.74×105MPa，泊松比為0.27［6］。軋件材料的應力-應變關系利用文獻［7］中的數據，950℃時軋件材料應力-應變關系曲線如圖4所示。

圖3 成型階段采用的六角形孔型的尺寸示意

圖4950 ℃時軋件材料的應力-應變關系曲線

2.2.2 單元格選取及網格劃分

采用8節(jié)點SOLID164單元，利用映射方法對軋輥進行網格劃分；利用體掃略方法對軋件進行網格劃分。軋輥及軋件網格劃分如圖5所示。

2.2.3 接觸類型選定

軋輥與軋件表面之間存在復雜的相互作用，選用自動接觸類型（該接觸類型主要用于金屬成型工藝）。在接觸實體的定義中，將軋輥定義為主面，軋件定義為從面。采用庫侖摩擦，設軋輥與軋件的摩擦因數為0.3。

2.3 模擬結果

成型階段第1機架軋制后的鋼管如圖6所示。軋件經第1機架軋制變形后，在軋件與軋輥接觸處，塑性變形最大，輥縫處塑性變形最小。金屬以軋輥中心面對稱向兩側輥縫處流動，軋件斷面呈多邊形。

圖5 軋輥及軋件網格劃分

圖6 成型階段第1機架軋制后鋼管有效塑性應變云圖

成型階段第2機架軋制后的鋼管如圖7所示。軋件經第2機架軋制變形后，同樣是在軋件與軋輥接觸處，塑性變形最大，輥縫處塑性變形最小。金屬以軋輥中心面對稱向兩側輥縫處流動，軋件斷面為六角形，與中空六角鋼斷面一致。

圖7 成型階段第2機架軋制后鋼管有效塑性應變云圖

3 對比分析

模擬產品尺寸測量位置如圖8所示。為了測量模擬后產品的尺寸，將模擬后軋件斷面幾何尺寸以離散點的形式輸出（圖8a），同時將離散點擬合成曲線（圖8b），以便測量產品對邊尺寸。測量時在斷面輥接觸中間位置，受軋輥孔型約束，即此處軋輥孔型大小即是成品管尺寸；因此，模擬結果符合工藝設想，而且模擬結果達到GB/T 1301—2008標準中規(guī)定的Ⅰ級產品的要求。取9個位置點，并將所取測量點與對邊用直線相連，該條線段長度即為測量值（即H22的對邊尺寸），如圖8c所示，測量數據見表1。同時隨機測試1支熱穿熱拔法生產的規(guī)格代號為H22的尺寸（表1），以比較模擬結果與實物差異。圖9所示為模擬后成品與實物照片。

根據GB/T 1301—2008《鑿巖釬桿用中空鋼》標準［8］，規(guī)格代號H22的中空六角鋼對邊距離基本尺寸為22.2 mm，允許偏差Ⅰ級為±0.2 mm。模擬結果中，H22對邊最大值在h處，為22.29 mm；最小值在a、f、g處，為22.22 mm；a、f、g處于軋

圖8 模擬產品尺寸測量位置示意

表1 模擬成品及實物測量尺寸對比mm

圖9 模擬結果與實物對比

從表1可以看出：模擬尺寸略大于實物尺寸，這是因為模擬后所測量的尺寸是熱狀態(tài)下的產品尺寸；在實際生產過程中，產品冷卻到室溫后會收縮，在孔型設計時，已經考慮了熱脹冷縮因素。

4 結語

利用減徑機直接生產中空六角鋼的工藝是可行的，即穿軋減徑成型工藝可行；其產品質量能滿足國家標準要求。在模擬過程中，先后進行了多次不同孔型及速度的試驗，發(fā)現采用這種軋制方式時，減徑機成型機架必須采用合適的孔型尺寸，特別是對成型機架單機架延伸系數及孔型橢圓度的分配，必須要滿足金屬合理流動的要求，否則會出現欠充滿或過充滿現象；成型機架單機架的延伸系數為1.15～1.25比較合適。穿軋減徑成型工藝方法的提出，為生產中空六角鋼提供了一種新的方法，對提高產品生產節(jié)奏、降低生產成本很有利。

［1］鄭寶龍，朱為昌，覃朝華.Y型三輥熱軋中空六角鋼的工藝探討［J］.鋼管，1997，26（2）：32-34.

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［3］肖上工.釬鋼生產新工藝［J］.漣鋼科技與管理，2004（2）：34-36.

［4］葉凌云，馮志勇.鑿巖釬桿用中空鋼熱穿-熱軋法生產工藝介紹［J］.鑿巖機械氣動工具，2008（2）：42-49.

［5］何濤，楊競，金鑫，等.ANSYS 10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［6］《機械工程材料性能數據手冊》編委會.機械工程材料性能數據手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［7］于恩林，趙玉倩，閆濤，等.55SiMnMo鋼熱變形行為實驗研究及數值模擬［C］//全國釬鋼釬具會議論文集，武漢：中國鋼結構協會釬鋼釬具分會，2009：315-320.

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A Process to Produce Hollow Hexagonal Bar Steel with Sizing Mill

WU Jianbing1，ZHANG Lingyan2
（1.Taiyuan Tongze Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China；2.Taizhong Coal Machinery Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China）

Elaborated in the article are the processes to produce hollow hexagonal bar steel.And a new process for this purpose is proposed，i.e.，a piercing-sizing formation process.Relevant simulation software is used to simulate the formation step of the formation-by-sizing process.The simulation result shows that it is a practical method to produce the hollow hexagonal bar steel by means of directly using the sizing mill，i.e.，the piercing-sizing formation process.In case of producing hexagonal hollow bar steel with the said formation process，suitable pass dimensions must be adapted for the formation stands of the sizing mill，while the elongation rate and pass dimensions of each individual formation stand must be in compliance with the requirement for proper metal flow.For the said elongation rate，1.15～1.25 is a satisfactory selection.

hollow hexagonal bar steel；sizing mill；piercing-sizing process；rolling process；simulation

TG306；TG333.8

B

1001-2311（2014）06-0064-04

2014-05-26；修定日期：2014-09-04）

武建兵（1979-），男，工程師，主要從事定（減）徑機設備及工藝設計研究等工作。