“直接成方”矩形管生產(chǎn)工藝及設備的研究

仝江濤

（天水鍛壓機床（集團）有限公司，甘肅 天水 741020）

“直接成方”矩形管生產(chǎn)工藝及設備的研究

仝江濤

（天水鍛壓機床（集團）有限公司，甘肅 天水 741020）

為降低大直徑矩形管的生產(chǎn)成本，滿足建筑行業(yè)市場需求，對“直接成方”矩形管生產(chǎn)工藝流程和關鍵工序進行了研究。指出，“直接成方”成型過程中要保證成型角均大于90°，成型角的圓弧半徑大于成品的圓弧半徑，并且需要設計專用鵝頸上模；合縫（預焊）工序必須增加內(nèi)撐輥裝置；精整（軋制）工序上輥必須加工出焊縫余高通過槽，防止焊縫余高在精整過程中造成上板面塌陷。同時，對銑邊機、成型機、合縫機、精整機、龍門移動矯直機等大直徑矩形管主要生產(chǎn)設備的要求進行了闡述。對比研究表明，“直接成方”工藝較“先圓后方”工藝具有明顯優(yōu)勢，能夠節(jié)省設備、減少工序，從而降低生產(chǎn)成本。

矩形管；先圓后方；直接成方；成型

Abstract:In order to reduce the production cost of the large diameter rectangular pipe and meet the market demand of the construction industry,in the paper,it studied the production process and key process precautions of the"direct square"rectangular pipe.It pointed that should ensure the forming angle is greater than 90°during forming process,the arc radius of the forming angle is greater than that of the finished product,and it needs to design the special goose neck upper mould;the pre-welding process must increase the inner brace;during the finishing process,the upper roller must process the groove used for weld reinforcement through,preventing the weld reinforcement cause the surface collapse in the finishing process in finishing process.At the same time,the requirements for large diameter rectangular tube main production equipment were introduced,such as edge milling machine,forming machine,linking machine,finishing machine,Longmen mobile straightening machine etc.The comparison and research result showed that the“direct forming” process is with obvious advantages compared with the“first round then square” process,which can save the equipment and reduce the process,thus to reduce the production cost.

Key words:rectangular pipe;first round then square;direct square;forming

1 大直徑矩形管“直接成方”工藝流程

目前，國際上生產(chǎn)大直徑埋弧焊矩形管的工藝有2種：一種為“先圓后方”，另一種為“直接成方”?！爸苯映煞健陛^“先圓后方”工藝效率高，節(jié)約成本?！爸苯映煞健钡墓に嚵鞒虨椋簜淞稀暡z查鋼板質(zhì)量→銑邊（加工出焊接坡口）→成型（折制4角，制作開口矩形管胚）→預焊 （合縫）→內(nèi)焊→外焊→軋制（精整）→矯正（矯扭）→矯直→矩形管成品。其中，關鍵工序是成型、合縫和精整。

2 主要生產(chǎn)工序

2.1 成型

在“直接成方”的工藝流程中，成型是用成型機（折彎機）將經(jīng)過銑邊的鋼板折成4個矩形角，使其成為開口的矩形管胚，如圖1所示。4個角及圓弧半徑應一致，誤差必須在規(guī)定范圍內(nèi)；開口管胚合縫后4個邊長也應在規(guī)定范圍內(nèi)。成型機使用的上模是特殊模具鵝頸模，屬于尖模，與V形下模相配。成型一根矩形管只需壓制4次，效率非常高。但是，如果采用“先圓后方”工藝，成型一根圓管需要壓制幾十次，要想減少壓制次數(shù)，就需要使用圓弧上模，使用圓弧上模具必然會使成型機的壓制力成倍增加，成型機壓力的增加直接引起機器本身造價的升高。

圖1 “直接成方”開口管胚的截面形狀

“直接成方”成型工序需要注意幾個問題：一是成型角均大于90°；二是成型角的圓弧半徑大于成品的圓弧半徑；三是設計專用鵝頸上模。

（1）成型角均大于90°。折彎機壓制的4個角并不是越接近90°越好，經(jīng)過多次試驗證明，4個角為95°～100°較好。一旦出現(xiàn)某個角度小于90°，精整機將無法擴大這一角。

（2）成型角的圓弧半徑大于成品的圓弧半徑。矩形管4個角的圓弧半徑大小與折彎模具尖端的圓弧半徑有直接關系，根據(jù)矩形管國標，矩形管4個角的圓弧半徑是根據(jù)矩形管壁厚給定，與矩形管的邊長無關，設計上模時需特別注意4個角圓弧半徑的數(shù)值，原則是寧大勿小。成型時如果4個角圓弧半徑偏大，軋制（精整）工序可以進行糾正；如果4個角圓弧半徑偏小，軋制（精整）工序無法糾正，就會引起鋼管畸形，造成廢品。

（3）設計專用的鵝頸上模。用一般的折彎機上模壓制不出矩形管的4個圓弧角，必須用一種特殊形狀上模與V形下模配合才能壓制出矩形管的4個圓弧角，這種具有特殊形狀的上模稱為鵝頸上模。所以，矩形管的成型機都安裝有鵝頸上模，而且一種鵝頸上模只能適用于幾種規(guī)格的方管，這和圓管成型機使用圓弧上模的情形一樣。所以，在設計鵝頸上模時要根據(jù)機器的使用范圍統(tǒng)一考慮，盡可能減少模具套數(shù)，并充分考慮鵝頸上模對設備總高的影響。圖2為用鵝頸上模壓制矩形管示意圖。

圖2 鵝頸上模壓制矩形管示意圖

2.2 合縫（預焊）

在“直接成方”的工藝流程中，合縫（預焊）是關鍵工序，是將開口管胚進行合縫預焊，為內(nèi)焊和外焊作準備。合攏輥布置如圖3所示，圖3中主機合攏頭上的一組上壓輥和兩組側(cè)合攏輥聯(lián)合對管坯開口施加壓力，使管坯開口合攏，當合攏的管縫行進到焊槍的下方位置時，焊機對管縫進行焊接。

圖3 合攏輥布置示意圖

由于開口兩側(cè)的鋼板平面內(nèi)應力小，出現(xiàn)錯邊傾向比圓管要大，所以，必須增加內(nèi)撐輥裝置。

設計合縫機時應注意的幾個問題：

（1）支撐輥必須為平輥，應支撐在管坯底面的兩側(cè)，中間留出推板通道，支撐輥兩端應超出矩形管外表面，至少應平齊。目的是為了防止底面中部受力過大引起底面中間位置塌陷（見圖3）。

（2）側(cè)合攏輥必須支撐在側(cè)面上方，且應有一定的擺動功能。這樣一方面可以減小合縫力，另一方面可保證合攏輥母線與管胚表面相切。如果合攏輥母線不能與管坯表面相切，合攏輥母線與管坯表面必然相交，形成點接觸，合攏力比較大時會傷害工件表面。

（3）合攏頭上增加內(nèi)撐輥，可防止錯邊。

（4）矩形鋼管在生產(chǎn)過程中只有4個圓角處的材質(zhì)發(fā)生塑性變形，內(nèi)應力較大；4邊板面的變形全是彈性變形，精整后彈性變形消除，內(nèi)應力消失，板面塌陷難于消除。

2.3 精整（軋制）

在“直接成方”工藝流程中，精整（軋制）工序?qū)芘鬟M行精整，使矩形鋼管的形狀符合相關標準要求。該工序相當于“圓變方”連續(xù)軋制工序的最后一個工序。

精整輥布置如圖4所示，由2個水平主動平輥與左、右布置的2個被動立輥組成。為了防止焊縫余高在精整過程中造成上板面塌陷，上輥必須加工出焊縫余高通過槽。精整原理是：當矩形鋼管通過精整輥時，精整輥對矩形管側(cè)面的作用力迫使鋼管4個圓角的材質(zhì)發(fā)生變形，使鋼管4個角趨近或等于90°，4個圓角的圓弧半徑減小、邊長增加。

圖4 精整輥布置示意圖

為了提高方管的精整質(zhì)量，應做好以下工作：①保證銑邊后鋼板的寬度尺寸準確；②成型時壓制4個圓角的分段尺寸要一致；③成型時壓制的4個管角一定大于90°；④成型時壓制的4個管角的圓角半徑一定大于規(guī)定值；⑤方管的4個表面，無論是在輸送、成型、合縫、內(nèi)焊、外焊等工藝過程中不允許受力，嚴防表面塌陷。

3 “直接成方”生產(chǎn)線對主要設備的要求

矩形管生產(chǎn)線所需設備很多，包括生產(chǎn)、焊接、檢驗、物流運輸?shù)仍O備。其中，主要生產(chǎn)設備包括鋼板銑邊機、矩形管成型機、合縫（預焊）機、精整機（軋機）、龍門移動矯直機等。下面就“直接成方”矩形鋼管生產(chǎn)線對幾大主機的要求介紹如下。

3.1 鋼板銑邊機

“直接成方”矩形管生產(chǎn)線配置的鋼板銑邊機和油氣輸送管生產(chǎn)線或結(jié)構(gòu)圓管生產(chǎn)線配置的鋼板銑邊機一樣，都屬于成熟產(chǎn)品，已經(jīng)開始從全數(shù)控向智能化方向轉(zhuǎn)變。

3.2 成型機

“直接成方”矩形管生產(chǎn)線配置的成型機實際就是普通折彎機配上鵝頸上模。矩形管成型機對自動送料裝置的送料精度要求很高，它比圓管成型機對自動送料裝置的送料精度要求高得多。所以，在設計矩形管成型機時，對送料裝置的送料精度要特別關注。

3.3 預焊（合縫）機

“直接成方”矩形鋼管生產(chǎn)線配置的預焊機是根據(jù)設備的使用范圍計算上壓輥和側(cè)合攏輥的最大受力，然后按照圓管合縫機的結(jié)構(gòu)進行設計。建議設計過程中使用ANSYS Worbench 12.0 Release軟件進行受力分析和計算。

3.3.1 開口方鋼合攏狀態(tài)的受力分析

合縫時管坯截面受力狀態(tài)如圖5所示。從管坯截取一段作為研究對象，由于左、右兩側(cè)的受力對稱，所以只對管坯左側(cè)進行受力分析。圖5中管坯左側(cè)上方圓角處受到一個向管坯中心方向的作用力F1，管坯開口的板邊平面上受到一個向下的力F2。在F1和F2同時（或分別）作用下，管坯左側(cè)的兩個圓角發(fā)生變形，開口板邊A1點向右擺動；右側(cè)的狀態(tài)與左側(cè)的情況正好相反，開口板邊A2點向左擺動，當A1與A2點重合時，開口合攏。

圖5 合攏時管胚截面受力示意圖

3.3.2 合攏輥和上壓輥計算公式

假設方管的邊長為a，4個圓角的外圓弧半徑為R，鋼板的厚度為h，當量合攏長度為b，σ為最大許用應力，則截面C－C的慣性矩為

截面C－C的抗彎模量為

合攏輥的作用力F1對圓角2“C點”的轉(zhuǎn)矩為

上壓輥左側(cè)壓力F2對圓角1“C點”的轉(zhuǎn)矩為

合攏輥的作用力F1滿足

上壓輥左側(cè)壓力F2滿足

需要注意的是：①當量合攏長度b是指真正合攏長度與合攏影響長度一半之和；②F1和F2能夠滿足關系式的數(shù)值僅僅是理論值，與實際數(shù)值相差甚遠，以上敘述只是說明根據(jù)實際情況建模的過程。

3.4 精整機

設計精整機的第一步是根據(jù)設備的使用范圍計算出其應該具備的最大軋制力，這是設計精整機最基礎工作之一。

圖6為精整機工作時管坯的受力情況示意圖。四邊的作用力是由軋輥提供的，作用點在軋輥與管坯相接觸的母線上，作用力沿全長分布。由于管坯在軋制前四邊為中間凸起的弧面（這是由于板面的彈性變形引起的），在軋制狀態(tài)下，軋輥使管坯的弧線變成直線，說明軋輥提供了消除板面彈性變形的作用力。

圖6 精整時管坯的受力情況示意圖

由于此作用力較管坯塑性變形力小很多，可忽略不計。由此，精整過程中管體受力情況可簡化為圖7所示情況。

圖7 精整時管坯的受力情況示意圖

如將圖7左上圓角的圓弧部分作為研究對象，圓角受力情況如圖8所示。

圖8 圓角受力情況示意圖

圖9 水平作用力失效后圓角受力情況示意圖

如果將圖8的水平作用力的平面固定，水平作用力自然失效，圓角的受力狀態(tài)如圖9所示。這樣的狀態(tài)與機械設計手冊介紹的“曲桿彎曲”受力模型完全一樣，該手冊提供的計算公式，只要條件符合，可以直接使用。

假設一個軋輥對管坯一側(cè)的圓角施加的壓制力為P，軋輥對管坯的作用長度為b，鋼板厚度為h，圓角的外圓半徑為R1，圓角的內(nèi)圓半徑為R2，m－n截面的面積A=bh，圓角在任意截面m－n上法向力N=Psinθ，彎矩M=PR0sinθ，則圓角內(nèi)外邊緣的正應力分別為

外邊：

內(nèi)邊：

發(fā)生塑性變形的條件為 σ1＞[σs]， σ2＞[σs]。

上述公式中，中性軸的圓弧半徑r可以查表求出；此公式在R0/h≦5的情況下使用；根據(jù)[σs]計算F1的值為理論數(shù)值，實際數(shù)值比理論數(shù)值大很多，最可靠的方法是類比法；軋輥的作用力為 2 F1。

3.5 龍門移動矯直機

“直接成方”矩形管生產(chǎn)線配置的龍門移動矯直機和鋼管（圓管）生產(chǎn)線配備的是同類產(chǎn)品。龍門移動矯直機是由龍門移動壓力機發(fā)展來的，主要用于大型板材的矯平和超長軸類零件的矯直。21世紀初，龍門移動壓力機開始應用于鋼管生產(chǎn)企業(yè)，目前已成為矯直鋼管的通用設備。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對“直接成方”矩形管生產(chǎn)工藝及設備的研究，并與“先圓后方”的生產(chǎn)工藝和設備進行比較，可以清楚看出，生產(chǎn)矩形鋼管采用“直接成方”生產(chǎn)工藝要比采用“先圓后方”生產(chǎn)工藝有明顯優(yōu)勢，能夠節(jié)省設備，減少工序，降低矩形鋼管的生產(chǎn)成本，而且技術成熟，建議開發(fā)更先進的“直接成方”生產(chǎn)工藝，滿足對矩形鋼管日益增長的需求。

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編輯：李紅麗

Research on the Production Process and Equipment of“Direct Square”Rectangular Pipe

TONG Jiangtao
（Tianshui Metalforming Machine Tool(Group)Co.,Ltd.,Tianshui 741020,Gansu,China）

TG335.75

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.011

仝江濤（1975—），男，工程師，主要從事設備維修、生產(chǎn)管理、銷售等工作。

2017－04－11