直緣成型高頻焊管機(jī)組軋輥孔型設(shè)計(jì)*

胡日榮，王金飛，李殿杰，韓寶云，張啟富

（1.北京鋼研新冶工程技術(shù)中心有限公司，北京100081；2.天津市焊接鋼管企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津301606）

直緣成型高頻焊管機(jī)組軋輥孔型設(shè)計(jì)*

胡日榮1,2，王金飛1,2，李殿杰1,2，韓寶云1,2，張啟富1

（1.北京鋼研新冶工程技術(shù)中心有限公司，北京100081；2.天津市焊接鋼管企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津301606）

為了提高直緣成型高頻焊管成型質(zhì)量，研究并設(shè)計(jì)了一種關(guān)于軋輥孔型的計(jì)算方法，以保證帶鋼成型的均勻與穩(wěn)定，同時(shí)減少成型過(guò)程中的殘余變形。以Φ339.7 mm×（4.8～16）mm規(guī)格產(chǎn)品為例，詳細(xì)計(jì)算了粗預(yù)成型段（BD1、EB、BD2）、精成型（FP1～FP3）、擠壓機(jī)架和定徑機(jī)架軋輥的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并繪制了變形輥花圖。使用該方法設(shè)計(jì)的軋輥經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，帶鋼變形流暢，表明該方法合理可行。

直緣成型；高頻焊管；孔型設(shè)計(jì)；軋輥

Abstract:In order to improve the forming quality of the flexible forming technology,a new calculation method about roll pass was researched and designed to ensure the uniformity and stability of strip steel forming,and to reduce the residual deformation during forming process.Taking Φ339.7 mm×（4.8～16） mm specification products as an example,detailedly calculated the main design parameters of coarse preforming section（BD1,EB,BD2）,finishing forming（FP1～FP3）,extrusion machine frame,and sizing frame roll,and drew the deformation roller figure.After the field test to the roller which designed by using this method,the smooth strip steel deformation showed that the method was feasible.

Key words:flexible forming；HFW pipe；pass design；roller

高頻焊管（HFW）具有尺寸精度高、生產(chǎn)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[1]?？仔褪浅尚凸に嚨募夹g(shù)核心，軋輥是HFW機(jī)組的重要組成部分，也是孔型設(shè)計(jì)的直接體現(xiàn)。HFW機(jī)組成型方式選定后，變形區(qū)長(zhǎng)度也就固定，因而變形量在各成型機(jī)架的合理分配成為孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。最佳孔型和軋輥的設(shè)計(jì)能夠減少帶鋼在成型過(guò)程中殘余變形，確保成型均勻與穩(wěn)定是關(guān)系到焊管成品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 焊管孔型設(shè)計(jì)方法

綜合目前對(duì)HFW成型孔型設(shè)計(jì)的研究分析，常用孔型設(shè)計(jì)方法有邊緣彎曲法、圓周彎曲法、中心彎曲法、雙面彎曲側(cè)彎成型法和綜合彎曲法[2-3]，其變形方法如圖1所示。孔型設(shè)計(jì)方法的選擇與成型原理、機(jī)架布置及產(chǎn)品定位相關(guān)，也并非一成不變。考慮到軋輥共用及孔型的調(diào)整和設(shè)定，同類成型技術(shù)其孔型設(shè)計(jì)方法也不盡相同。

圖1 常用孔型設(shè)計(jì)方法示意圖

1.1 邊緣彎曲法

邊緣彎曲法的成型過(guò)程如圖1（a）所示，是從帶鋼邊緣部分開始彎曲成型，彎曲半徑R恒定，其值等于擠壓輥孔型半徑或第一架成型機(jī)封閉孔孔型半徑，然后逐架增加邊緣彎曲寬度和彎曲角，直至進(jìn)入封閉孔型成為圓管筒。

1.2 圓周彎曲法

圓周彎曲法成型過(guò)程是沿管坯全寬進(jìn)行彎曲變形，彎曲半徑逐架減小，如圖1（b）所示。當(dāng)中心變形角θ＜180°時(shí)，管坯與上下輥沿整個(gè)寬度相接觸；當(dāng) 180°＜θ＜270°時(shí)，管坯與下輥接觸，上輥僅與管中間部分接觸；當(dāng)θ＞270°以后，管坯在上輥帶有導(dǎo)向環(huán)的封閉孔型中成型。

圓周彎曲法的特點(diǎn)是孔型彎曲半徑在封閉孔前按正比例逐架減小，均勻分配在各開口孔機(jī)架上，半徑和架次呈線性關(guān)系。

1.3 綜合彎曲法

綜合彎曲法或稱雙半徑孔型設(shè)計(jì)法，首先以擠壓輥孔型半徑作為管坯邊緣的彎曲半徑，將管坯邊緣先彎曲到某一變形角，并在以后各成型架次中保持不變，這時(shí)管坯中間部分再按圓周變形法進(jìn)行變形分配，彎曲成型過(guò)程如圖1（c）所示。雙半徑孔型設(shè)計(jì)方法吸取了邊緣變形法和圓周變形法二者的優(yōu)點(diǎn)，變形均勻，成型過(guò)程較穩(wěn)定，邊緣相對(duì)伸長(zhǎng)率較小，成型質(zhì)量較好。

1.4 雙面彎曲側(cè)彎成型法

雙面彎曲側(cè)彎成型法簡(jiǎn)稱W成型法，它是先將管坯中間部分反向彎曲，同時(shí)成型管坯邊緣，第二架水平輥采用雙半徑彎曲變形，以后幾架開口水平輥采用中間變形輥，再進(jìn)入導(dǎo)向片的封閉孔型而成為圓管筒，彎曲成型過(guò)程如圖1（d）所示，可視為雙半徑孔型設(shè)計(jì)法的發(fā)展。

2 直緣成型工藝的孔型設(shè)計(jì)

HFW成型技術(shù)從早期用于生產(chǎn)小直徑焊管的平輥和立輥交替配置的輥式成型，最終發(fā)展為現(xiàn)在可用于大直徑焊管生產(chǎn)的柔性成型技術(shù)[4-6]。具有代表性的是奧鋼聯(lián)的CTA（central tool adjustment）成型技術(shù)、德國(guó)SMS MEER公司的直緣成型技術(shù)、日本中田制作所（NAKATA）的FFX成型技術(shù)、 美國(guó) AI（Abbey International）公司的TBS成型技術(shù)以及韓國(guó)MILLTECH公司的籠式成型技術(shù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)建設(shè)了多條先進(jìn)成型技術(shù)的HFW機(jī)組，一般隨機(jī)提供了多套軋輥圖紙。涉及核心利益，成型技術(shù)的核心即孔型設(shè)計(jì)方法并未提供，由此給企業(yè)在拓展產(chǎn)品規(guī)格時(shí)造成技術(shù)壁壘。因而只能通過(guò)孔型研究和自主創(chuàng)新，形成自有的HFW孔型設(shè)計(jì)技術(shù)。

直緣成型技術(shù)具有孔型計(jì)算機(jī)快速設(shè)定和軋輥快速更換的特點(diǎn)，先后被國(guó)內(nèi)多家大型知名鋼管企業(yè)引進(jìn)。根據(jù)成型順序，其成型段可分為粗成型、彎邊、直緣成型、精成型、擠壓和定徑，如圖2所示。根據(jù)成型孔型形狀，前三部分為開口孔型，后三部分為閉口孔型。筆者以某企業(yè)Φ340 mm HFW機(jī)組為實(shí)例進(jìn)行孔型研究，產(chǎn)品規(guī)格為Φ339.7 mm×（4.8～16）mm，按照軋輥設(shè)計(jì)的邏輯順序，闡述各機(jī)架孔型特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。

圖2 直緣成型過(guò)程示意圖

2.1 閉口孔型設(shè)計(jì)

如前所述，直緣成型中閉口孔型機(jī)架由精成型機(jī)架（finpass，F(xiàn)P）、 擠壓機(jī)架（squeezing Stand，SQ）和定徑機(jī)架（sizing stand，SZ）組成。閉口孔型采用逆序法設(shè)計(jì)，即由成品外徑根據(jù)成型順序逆序依次設(shè)計(jì)各機(jī)架孔型。

2.1.1 SZ孔型

SZ孔型決定成品外徑，總減徑量及其在各架次的分配是孔型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)成型技術(shù)特點(diǎn)，本機(jī)組設(shè)置4組SZ機(jī)架，每架均為四輥孔型，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，參數(shù)見表1。四輥孔型相較兩輥孔型，更能保證成品的圓度和外徑公差。

圖3 SZ孔型結(jié)構(gòu)

表1 SZ孔型參數(shù)

總減徑量的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：Δ3-總減徑量；

D-成品管直徑。根據(jù)公式（1）計(jì)算得出，Φ339.7 mm成品鋼管總減徑量為3.2 mm，設(shè)定每架次減徑量為0.8 mm。圓心角α和β每架次均不同，這樣以免輥縫集中于鋼管截面某一點(diǎn)而造成變形不均勻甚至劃傷。輥縫δ的取值與管徑有關(guān)，一般管徑越大，δ越大。輥縫過(guò)大對(duì)管體表面質(zhì)量不利，過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致設(shè)備調(diào)整精度要求高，此處取δ=4 mm。為避免軋輥邊緣劃傷鋼管，在軋輥孔型兩側(cè)設(shè)置切角θ，SZ 軋輥設(shè)定θ=5°，SQ 和 FP軋輥設(shè)定θ=7°。

2.1.2 SQ孔型

SQ孔型與SZ孔型不同，為五輥式，如圖4所示。在實(shí)際成型過(guò)程中，由于帶鋼邊部變形不充分，在進(jìn)入擠壓機(jī)架前帶鋼斷面呈立桃形。通過(guò)將上輥孔型半徑加大（一般為下輥孔型半徑的1.2倍左右），使其圓心下移，可以加大對(duì)帶鋼邊部的壓力，杜絕焊接后“桃形”的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。為了便于焊瘤的擠壓排出，兩上輥間輥縫取最大壁厚值μ=16 mm，其他輥縫取值δ=6 mm。根據(jù)上述倍數(shù)關(guān)系，上輥孔型半徑Ru=RW×1.2=206 mm，λ=Ru-RW=34.55 mm。

圖4 SQ孔型結(jié)構(gòu)

2.1.3 FP孔型

FP孔型作為HFW成型孔型中的重點(diǎn)，負(fù)責(zé)將開口孔型的帶鋼成型為筒狀，具有承上啟下的作用。根據(jù)成型理念的不同，一般FP機(jī)架設(shè)置2～3架，直緣成型技術(shù)中FP為三架四輥式孔型。FP1和FP2軋輥為雙半徑孔型，上輥和下輥孔型半徑相同，兩側(cè)輥孔型半徑相同，帶鋼在孔型呈立橢圓形狀。FP3為單半徑設(shè)計(jì)，從而減小SQ機(jī)架成型負(fù)擔(dān)。FP孔型結(jié)構(gòu)如圖5所示，孔型參數(shù)見表2。

圖5 FP孔型結(jié)構(gòu)

表2 FP孔型參數(shù)

式中：ρ-孔型橢圓度；

A-側(cè)輥孔型寬度；B-上下輥孔型高度。

FP1和FP2橢圓度分別定為ρ1=6%，ρ2=3%。

為保證焊縫質(zhì)量，一般采取較大擠壓量Δ2，取擠壓量為同一外徑規(guī)格鋼管平均壁厚的1/2，即5.2 mm。由式（3）可以求出FP3孔型圓周長(zhǎng)，每架FP孔型的縮減量為2 mm，由式（4）可得出FP2和FP1孔型圓周長(zhǎng)。

式中：L3-FP3機(jī)架孔型圓周長(zhǎng)；

RW-上輥孔型半徑；

Δ2—焊接擠壓量，mm；

Li-1-第i-1架精成型機(jī)架孔型圓周長(zhǎng)；Li-第i架精成型 機(jī)架孔型圓周長(zhǎng)。

為防止帶鋼在FP孔型中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在FP上輥中間增設(shè)了翅片，翅片的作用是既可保證經(jīng)過(guò)FP孔型成型后的管坯縱向中心始終處于12點(diǎn)位置，同時(shí)FP3翅片和SQ機(jī)架形成如圖6所示的焊接角VW，對(duì)于某一特定機(jī)組，焊接角是

橢圓度ρ定義為固定的。由于存在帶鋼擠壓量，帶鋼兩邊緣的實(shí)際接觸點(diǎn)在SQ機(jī)架之前。前面提到過(guò)，擠壓量是隨管徑和壁厚變化的不確定量，因此帶鋼兩邊緣的實(shí)際接觸點(diǎn)與SQ機(jī)架的距離是一個(gè)變量，為計(jì)算方便，引入理論焊接角V。

圖6 實(shí)際焊接角VW和理論焊接角V示意圖

令翅片對(duì)應(yīng)的圓心角為ωi，則

式中：ωi-第i個(gè)機(jī)架翅片對(duì)應(yīng)圓心角；

Wi-第i個(gè)機(jī)架翅片寬度；

R3-第3架精成型側(cè)輥孔型半徑；

ω3-第3架精成型翅片對(duì)應(yīng)圓心角；

αi-第i架機(jī)架上下輥圓心角；

ri-第i個(gè)機(jī)架上下孔型半徑；

βi-第i架機(jī)架側(cè)輥圓心角；

Ri-第i架精成型側(cè)輥孔型半徑。

Φ340HFW機(jī)組理論焊接角為0.8°～1.5°，與成品管徑D變化呈線性關(guān)系，則經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：V-理論焊接角（弧度值）；

W3-FP3翅片寬度；

S-SQ機(jī)架與FP3機(jī)架中心距，S=1900mm。

通常情況下，W2=2W3，W1=3W3，由幾何關(guān)系可推出

式中：ρi-第i架精成型孔型橢圓度；

Bi-第i架精成型上下輥孔型高度；

Ai-第i架精成型側(cè)輥孔型高度。

通過(guò)以上各式，即可求出各未知參數(shù)。

此外，翅片的斜角ε≠ω，而是比ω小6°。如此設(shè)計(jì)的目的是適應(yīng)帶鋼銑邊后形成的斜邊，更有效防止帶鋼在孔型內(nèi)扭轉(zhuǎn)。

2.2 開口孔型設(shè)計(jì)

開口孔型由粗成型機(jī)架（breakdown，BD）、彎邊機(jī)架（edge bending，EB）和直緣成型（straightedge forming，SF）機(jī)架組成（圖 2）。 開口孔型是帶鋼成型的初期，是HFW成型中實(shí)現(xiàn)軋輥共用的部分。開口孔型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定帶鋼寬度和共用軋輥設(shè)計(jì)。

2.2.1帶鋼寬度確定

首先由機(jī)組最大規(guī)格確定最大帶鋼寬度，計(jì)算公式[7]為

式中：K—帶鋼寬度，mm；

D—成品外徑，mm；

t—帶鋼最大厚度，mm；

Δ1—成型余量，mm，根據(jù)D/t選取，此處選 2/3t；

Δ2—焊接擠壓量，mm；

Δ3—定徑減徑量，mm。

經(jīng)計(jì)算，本機(jī)組最大帶鋼寬度為1 043 mm。

2.2.2 BD1孔型

BD1的作用是將帶鋼按一定曲率半徑進(jìn)行粗彎成型，該軋輥為全部規(guī)格共用，故孔型半徑由最大規(guī)格焊管的尺寸決定。為滿足共用兼容，設(shè)計(jì)生產(chǎn)最大規(guī)格焊管的帶鋼BD1成型圓心角θ約為90°，則可求得下輥孔型半徑Rb=670 mm，進(jìn)而可知上輥孔型半徑為654 mm。由于BD1軋輥尺寸較大，通常會(huì)設(shè)計(jì)成分體式，如圖7所示，上下輥均被分為3部分。下輥的邊部輥可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而解決了帶鋼邊部和中心部位的速度差過(guò)大問(wèn)題。

圖7 BD1軋輥孔型

2.2.3 EB孔型

EB是在BD1變形的基礎(chǔ)上，將帶鋼的邊緣部分彎曲，而中間部分為自由彎曲，EB機(jī)架的目的是解決邊部變形量不足的問(wèn)題。如果邊部變形不足，會(huì)引起FP上輥的磨損量較大，嚴(yán)重地還會(huì)影響焊接質(zhì)量。EB機(jī)架帶鋼變形如圖8所示。

圖8 EB機(jī)架帶鋼變形圖

EB輥為分段共用，即幾個(gè)相近規(guī)格進(jìn)行共用，在孔型半徑一定的情況下，大規(guī)格的鋼管其彎曲角度θ較大，小規(guī)格鋼管其彎曲角度較小。彎曲角度θ最大為45°，最小為25°。EB輥孔型半徑的確定主要考慮帶鋼的彈性模量，一般等于SQ孔型半徑RW。對(duì)于彈性模量較大的材質(zhì)，帶鋼回彈量較大，則還應(yīng)預(yù)設(shè)一定的過(guò)彎量。此處下輥孔型半徑RW=171.45 mm，則上輥孔型半徑為155.45 mm。

2.2.4 BD2孔型

BD2的作用是對(duì)帶鋼中心區(qū)域（指除帶鋼彎邊區(qū)域之外的部分）進(jìn)行成型，將中心角θ彎制成90°，與BD1不同，BD2的變形為近似三點(diǎn)彎曲。在一對(duì)側(cè)輥的推力作用下，帶鋼與上輥孔型完全接觸進(jìn)行彎曲成型，經(jīng)計(jì)算上輥孔型半徑Rk=465 mm。上輥寬度設(shè)計(jì)需考慮帶鋼在EB孔型完成的邊緣變形區(qū)域，避免干涉。BD2帶鋼變形如圖9所示。

圖9 BD2帶鋼變形圖

2.2.5 SF孔型

直緣成型（SF）是連續(xù)漸進(jìn)式成型，通過(guò)外側(cè)兩排小輥（數(shù)量取決于機(jī)組系列，本文Φ340 HFW機(jī)組單側(cè)排輥數(shù)量為20）和中心內(nèi)支撐輥將帶鋼中心區(qū)域進(jìn)一步彎曲，逐步成型為開口管坯，為進(jìn)入閉口FP孔型創(chuàng)造條件。SF孔型除少量?jī)?nèi)支撐輥需要更換，主要靠機(jī)架的多維度機(jī)械調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)孔型的變化。對(duì)于線性成型的孔型調(diào)整，已有多位學(xué)者進(jìn)行了研究[6,8-10]，此處不再詳述。

2.3 輥花圖

通過(guò)對(duì)孔型進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，結(jié)合本機(jī)組的下山法成型，可以得到本規(guī)格鋼管成型的變形輥花圖，如圖10所示?？梢钥闯稣麄€(gè)變形過(guò)程流暢，變形道次分布合理。

圖10 HFW成型變形輥花圖

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了HFW成型常用孔型設(shè)計(jì)方法，分析了直緣成型技術(shù)的孔型特點(diǎn)。以國(guó)內(nèi)某企業(yè)引進(jìn)建設(shè)的Φ340HFW直緣成型機(jī)組為實(shí)例進(jìn)行了孔型研究，并以 Φ339.7 mm×（4.8～16）mm 規(guī)格產(chǎn)品為例詳細(xì)闡述了各成型道次的孔型原理和設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)研究提出了直緣成型孔型的設(shè)計(jì)方法，使用該方法設(shè)計(jì)的軋輥經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)證，焊管成品各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足要求。因而，該孔型設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)證是合理可行的，對(duì)于同類成型機(jī)組新產(chǎn)品的孔型設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價(jià)值。

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Roll Pass Design of Flexible Forming HFW Pipe Mill

HU Rirong1,2，WANG Jinfei1,2，LI Dianjie1,2，HAN Baoyun1,2，ZHANG Qifu1
（1.Beijing Cisri-nmt Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing 100081，China；2.Tianjin Key Laboratory of Welded Steel Pipe Enterprise，Tianjin 301606，China）

TG332

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.007

2017－02－07

編輯：李紅麗

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目“精密缸體管研發(fā)與應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)”（項(xiàng)目號(hào)15PTSYJC00140）。

胡日榮（1985—），男，博士，主要從事鋼管成型工藝研究。