斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件的開發(fā)

王久剛

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

頂頭是斜軋穿孔生產(chǎn)的主要軋制工具之一，將實心的坯料穿制成空心毛管的過程中，金屬的主要變形是由頂頭參與變形的，它的形狀決定了金屬在變形區(qū)的流動。頂頭設(shè)計合理與否，直接影響鋼管生產(chǎn)的產(chǎn)量、表面質(zhì)量、壁厚精度和成本消耗。因此，穿孔機頂頭外形幾何尺寸的設(shè)計極其重要。

目前，穿孔機頂頭的設(shè)計一般采用“計算法”，先根據(jù)頂頭各段的長度、頂頭直徑、平整段角度等基本參數(shù)，計算出穿孔錐的圓弧半徑，然后再手工制圖，或者借助CAD繪圖軟件繪制頂頭輪廓圖，最后再測量相關(guān)參數(shù)［1］。上述方法具有不直觀或容易出錯的缺點，在選用頂頭的輾軋錐角時，未經(jīng)縝密計算的賦值也存在局限性，尤其在頂頭按系列化、規(guī)格化方式進行設(shè)計時；因此有必要開發(fā)專用的設(shè)計工具來完成頂頭的快速、精確、合理的設(shè)計。本文針對穿孔機頂頭的特點，利用開源軟件Lazarus，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法，開發(fā)了面向穿孔機頂頭主要參數(shù)的、可視化的頂頭設(shè)計軟件。

1 穿孔變形區(qū)

合理的頂頭設(shè)計必須與穿孔變形區(qū)的特點相適應(yīng)。穿孔變形區(qū)的組成如圖1所示，一般由穿孔準(zhǔn)備區(qū)（Ⅰ）、穿孔區(qū)（Ⅱ）、輾軋區(qū)（Ⅲ）、規(guī)圓區(qū)（Ⅳ）4部分組成。穿孔準(zhǔn)備區(qū)將實心管坯在反復(fù)交變應(yīng)力下形成疏松區(qū)但不至于形成孔腔，為穿孔做好準(zhǔn)備；穿孔區(qū)將實心的管坯穿制成空心毛管，承受主要變形——減壁、延伸；輾軋區(qū)輾軋壁厚，改善管壁尺寸精度和內(nèi)外表面質(zhì)量；規(guī)圓區(qū)將橢圓形的毛管圓化［2］。

圖1 穿孔變形區(qū)的組成示意

2 典型的頂頭外形和各錐段作用

合理的頂頭外形和尺寸不僅能降低斜軋過程中的能耗，還可以提高工具的使用壽命［3］，并且毛管壁厚精度較好，頂頭外形可分為穿孔錐Ⅰ、擴徑錐Ⅲ、輾軋錐（一段Ⅱ、二段Ⅳ）和反錐Ⅴ。穿孔頂頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穿孔頂頭結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)擴徑率的大小，頂頭可分為兩段、三段和四段式。三段和四段式頂頭用于大擴徑率穿孔，由穿孔錐、擴徑錐、輾軋錐、反錐組成；兩段式頂頭不需要大擴徑率，由穿孔錐、輾軋錐、反錐組成。

頂頭鼻部的作用是對正管坯中心、改善金屬流動、防止管坯最初形成的孔腔暴露，其直徑略大于疏松區(qū)直徑（疏松區(qū)直徑為0.25DB，DB為管坯直徑）。若鼻部過小，管材易形成內(nèi)折；過大則會增大穿孔阻力［4］。

頂頭的穿孔錐為一球面體，母線為一段圓弧，作用是完成毛管管壁成型。它的長度對穿孔時變形量有很大影響，過長或過短都不利于穿孔變形。目前廣泛運用的穿孔錐母線為圓弧形，圓弧兩端與鼻部和輾軋錐（或擴徑錐）平滑連接。

擴徑錐為一斜錐體，母線為一條斜向線段，線段與穿孔輥的出口段在空間上形成的角度呈逐漸減小的趨勢。擴徑段的作用是增加頂頭的擴徑量，與穿孔錐、輾軋錐相連接。

輾軋錐為一斜錐體，母線為一條斜向線段，線段與穿孔輥的出口段在空間上等間隙。輾軋錐的作用是均勻毛管壁厚、均整毛管內(nèi)外表面，與穿孔錐（三段式頂頭為擴徑錐）、反錐相連接。

反錐為球面體，作用是防止劃傷毛管并保證毛管尾部自由離開頂頭。

3 頂頭設(shè)計步驟

3.1 設(shè)定現(xiàn)場工況條件

不同的穿孔機組有不同的現(xiàn)場客觀條件，主要涉及管坯直徑和鋼種、穿孔輥類型和尺寸、導(dǎo)衛(wèi)裝置（導(dǎo)板或?qū)ПP）尺寸和毛管尺寸。不同的現(xiàn)場客觀條件選定的頂頭參數(shù)也是不同的，所以頂頭設(shè)計前必須先確定現(xiàn)場的客觀條件，以便根據(jù)這些前提條件進行頂頭設(shè)計。

（1）確定管坯直徑和鋼種。軋輥間距、導(dǎo)板間距、前伸量等參數(shù)的確定都和管坯直徑有密切關(guān)系。元素含量差別較大的鋼種，其軋輥間距也有所不同。

（2）確定穿孔輥的參數(shù)，包含入口和出口輥身長度及其錐角。穿孔輥入口輥面錐角和管坯的兩次咬入、孔腔形成、頂前壓下率有密切關(guān)系；穿孔輥出口錐角影響軋輥的開度和毛管擴徑能力。

（3）確定毛管外徑和壁厚。毛管外徑和壁厚是確定頂頭直徑的前提，也影響頂頭擴徑量的大小。

（4）根據(jù)擴徑率確定頂頭類型。根據(jù)擴徑率選擇二段、三段或四段式頂頭：擴徑率小于20%可以采用二段式頂頭，大于20%采用三段或者四段式頂頭。

（5）導(dǎo)衛(wèi)裝置（導(dǎo)板或?qū)ПP）尺寸。導(dǎo)衛(wèi)裝置主要起限制毛管橫向?qū)捳沟淖饔?，?dǎo)衛(wèi)裝置的尺寸影響管坯的咬入、毛管的外徑。

3.2 設(shè)定經(jīng)驗參數(shù)

3.2.1 選擇合適的壓下率

在選定了管坯的鋼種和直徑后，根據(jù)理論及現(xiàn)場經(jīng)驗，選擇合適的壓下率，即選定軋輥間距E。E可以根據(jù)經(jīng)驗直接給定，也可以參考以下選?。?］：碳鋼（0.84～0.90）DB，通常為（0.86～0.89）DB；低合金鋼（0.85～0.90）DB，通常為（0.87～0.90）DB；高合金鋼（0.88～0.91）DB，通常為（0.88～0.90）DB；且厚壁毛管取大值，薄壁毛管取小值［6］。

3.2.2 確定送進角和輾軋角

送進角 α 在 8°～15°之間，通常為 8°～12°。送進角越大，毛管出口速度越大，軋制時間越短，穿軋節(jié)奏越快，頂頭消耗越低；送進角越小，管坯咬入條件越好。若在同一個軋輥上軋制不同直徑管坯，送進角隨管坯直徑的增大而減小。

輾軋角越大，荒管的延伸率及斷面收縮率越大，旋轉(zhuǎn)橫鍛效應(yīng)越大，周向剪應(yīng)力越小，產(chǎn)品質(zhì)量越好。錐形穿孔機的輾軋角一般取8°～15°。

送進角和輾軋角影響穿孔輥的開度，進而直接影響頂頭輾軋錐的角度。

3.2.3 確定頂前壓下率

頂前壓下率ρ決定了頂頭前伸量的大小，與咬入、軸向滑移、穿孔速度、毛管尺寸和質(zhì)量有關(guān)。頂頭前伸量Ld1決定了頂頭壓下率的大小。若Ld1≤Le2， ρ=（DB-E-2Ld1tan α2）/DB； 如 果 Ld1∧Le2， ρ=［DB-E-2Ld1tan α2-2（Ld1-Le2）tan α1］/DB。其中，α1和α2分別為軋輥入口一段、二段角度，（°）；Le2為穿孔輥入口二段長度，mm。

3.2.4 確定頂頭擴展值

根據(jù)經(jīng)驗給定頂頭擴展值C，三段和四段式頂頭由于存在擴徑錐，擴徑率大，根據(jù)毛管尺寸和擴徑率確定頂頭直徑。為了便于生產(chǎn)管理和降低成本，一般對頂頭直徑規(guī)格進行簡化，并形成頂頭系列。頂頭直徑DD與頂頭擴展值C的關(guān)系為：

式中DH——毛管外徑，mm；

SH——毛管壁厚，mm。

3.2.5 確定輾軋錐長度和角度

3.2.5.1 輾軋錐長度

輾軋錐一段長度根據(jù)經(jīng)驗選取。頂頭輾軋錐二段長度設(shè)計為大于毛管1/2螺距，使毛管任意截面在變形區(qū)頂頭輾軋段軋制至少兩次，保證毛管的壁厚均勻和內(nèi)表面平整［7］。輾軋錐二段長度LGT2?。?.50～0.75）Pu。其中，Pu為毛管螺距，。

3.2.5.2 輾軋錐角度

為保證毛管壁厚均勻，頂頭輾軋錐角度應(yīng)與穿孔輥形成的空間角度合理匹配，以保證毛管壁厚均勻。輾軋錐角度過大或過小都會引起毛管壁厚精度變差，內(nèi)螺旋加重，以致影響成品管的內(nèi)表面質(zhì)量和壁厚精度。雖然數(shù)學(xué)方法求解斜軋孔型開度值推導(dǎo)過程復(fù)雜（主要體現(xiàn)在空間解析、坐標(biāo)變換復(fù)雜），但是使用已有成熟的公式進行編程，利用計算機計算速度快的優(yōu)勢進行求解，則相對于三維模型軟件建模求解具有簡便快捷、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點。

橫坐標(biāo)x=t截面處軋輥開度R（t）如圖3所示，其計算公式為［9］：

式中y0，z0——橢圓中心坐標(biāo)，mm；

t——計算截面到輥喉截面的距離，mm；

β——穿孔輥出口錐角，（°）；

DHP——穿孔輥軋制帶處直徑，mm；

BHP——穿孔輥軋制帶間距，mm；

φ——穿孔輥輾軋角，（°）；

φ′——穿孔輥軸線與其在主垂直平面上投影的夾角，（°）；

A，B，C，K1～K10——中間參數(shù)。

圖3 橫坐標(biāo)x=t截面處軋輥開度示意

設(shè)頂頭輾軋錐入口和出口端對應(yīng)的截面與輥喉截面距離為t1、t2，該兩處截面頂頭半徑分別為R1（t1）和 R1（t2），相應(yīng)截面上對應(yīng)的軋輥開度分別為 R（t1）和R（t2）。為了獲得最佳的均壁效果，應(yīng)使入口和出口端截面對應(yīng)的壁厚相等，頂頭輾軋錐錐角βplug為：

3.2.6確定擴徑錐長度和角度

為保證頂頭有大的擴徑率，一般選用三段或者四段式頂頭，增加擴徑錐?？招墓芘髟诖┛纵伜蛿U徑錐的共同作用下，壁厚逐漸減薄，外徑逐漸擴大。擴徑錐角度根據(jù)經(jīng)驗選取，一般取5°～12°，擴徑錐長度 LA?。?.65～1.10）Pu。

3.2.7 確定鼻部直徑

鼻部直徑F應(yīng)近似等于穿孔準(zhǔn)備區(qū)中管坯疏松區(qū)直徑，防止最初形成的孔腔暴露，并與管坯定心孔尺寸相對應(yīng)（略小于定心孔直徑）。鼻部直徑過小，管坯中心疏松區(qū)得不到很好的加工，容易形成內(nèi)折；直徑過大則頂頭阻力增大。F取0.25DB較合適。

3.2.8 確定穿孔錐長度和圓弧半徑

穿孔錐的作用是完成穿孔的主要變形，其長度應(yīng)選擇適當(dāng)。頂頭長度過短會使頂頭軸向阻力增加，穿孔錐長度過長會容易產(chǎn)生軋卡故障。通常穿孔錐長度和圓弧直徑比為1.00～1.25，大直徑頂頭取小值［10］。鼻部直徑和穿孔錐尺寸確定后再倒圓角。穿孔錐長度LR和穿孔錐圓弧半徑RD為：

式中LA——擴徑錐長度，mm；

LGT1——輾軋錐一段長度，mm；

LR——穿孔錐長度，mm；

DR——穿孔錐端部直徑，mm；

βGT2——輾軋錐二段角度，（°）；

βGT1——輾軋錐一段角度，（°）；

βA——擴徑錐角度，（°）。

3.2.9 確定反錐長度

反錐的主要作用是防止頂頭劃傷毛管內(nèi)表面，平衡頂頭前后質(zhì)量，使毛管順利脫離頂頭。反錐長度隨頂頭類型而定，一般非更換式頂頭反錐長度為5～15 mm，更換式頂頭由于要利用反錐起平衡作用，其長度取20～50 mm。反錐末端一般與頂桿平滑連接，以避免刮傷毛管內(nèi)表面。

4 校核參數(shù)及頂頭參數(shù)優(yōu)化

對咬入系數(shù)、一次咬入長度、輥身長度等參數(shù)進行校核，避免頂頭形狀異常。

由于成品管質(zhì)量改善的剛性需求，經(jīng)常需要優(yōu)化頂頭設(shè)計來提高毛管尺寸和質(zhì)量。傳統(tǒng)更改頂頭參數(shù)以后直接生產(chǎn)成本高、見效慢、周期長，結(jié)合有限元模擬分析和優(yōu)化頂頭設(shè)計后，再試生產(chǎn)是一個很好的選擇。

有限元模擬可以精確計算穿孔機負荷、頂頭負荷、壓力分布、應(yīng)力-應(yīng)變分布，獲得金屬流動情況，定量描述和模擬整個工藝過程，對軋制過程進行超前規(guī)劃，評估頂頭設(shè)計合理性。通過有限元模擬可以預(yù)先在計算機上對設(shè)計的頂頭軋制情況進行廣泛試驗，通過優(yōu)化提高所設(shè)計頂頭的生產(chǎn)穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本和質(zhì)量風(fēng)險。

5 頂頭設(shè)計軟件功能簡介

由于頂頭設(shè)計的計算量大、要求精度高，最好借助計算機來完成計算過程。為了更便捷、準(zhǔn)確地設(shè)計斜軋穿孔頂頭，使用開源軟件Lazarus開發(fā)了斜軋穿孔頂頭設(shè)計軟件［11］。

5.1 工況條件

不同的斜軋穿孔機組有不同的管坯、穿孔輥、導(dǎo)衛(wèi)裝置和毛管尺寸，不同毛管外徑也需要選擇合適類型的頂頭。進行頂頭設(shè)計時可以根據(jù)現(xiàn)場條件進行選擇。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件工況條件頁如圖4所示。

圖4 斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件工況條件頁

5.2 經(jīng)驗參數(shù)

經(jīng)驗參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗給定，也可以優(yōu)化現(xiàn)有頂頭經(jīng)驗參數(shù)后確定。數(shù)據(jù)庫中有成熟的經(jīng)驗參數(shù)，可以直接導(dǎo)出至“經(jīng)驗參數(shù)”頁，或進行修改。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件經(jīng)驗參數(shù)頁如圖5所示。

圖5 斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件經(jīng)驗參數(shù)頁

5.3 頂頭參數(shù)

頂頭參數(shù)頁包含頂頭外形的各種參數(shù)，包括頂頭總長、穿孔錐長度和圓弧半徑、輾軋錐長度和角度、擴徑錐長度和角度等；此外，還包含了壓下率、頂前壓下率、自由段長度、曳入系數(shù)等，便于對頂頭外形進行核查。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件頂頭參數(shù)頁如圖6所示。

圖6 斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件頂頭參數(shù)頁

5.4 參數(shù)化繪圖

利用參數(shù)化繪圖，可以將圖形尺寸與設(shè)計參數(shù)相聯(lián)系，即將圖形尺寸看作是“設(shè)計參數(shù)”的函數(shù)。當(dāng)設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，圖形尺寸也隨之發(fā)生變化。采用參數(shù)化繪圖進行孔型設(shè)計方便、快捷、準(zhǔn)確，具有實用價值。

選擇縮放比例，點擊“繪頂頭圖”完成該頂頭的輪廓參數(shù)化繪圖，點擊“金屬輪廓”可以繪制管坯和毛管內(nèi)外輪廓，顯示金屬與穿孔輥、導(dǎo)板脫離點，有利于分析、指導(dǎo)生產(chǎn)。點擊“打印”可以完成頂頭圖的打印。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件頂頭輪廓及金屬輪廓頁如圖7所示。

5.5 數(shù)據(jù)庫操作

頂頭系列數(shù)據(jù)量較大，在設(shè)計和改造完善時有很多數(shù)據(jù)需要記錄。采用數(shù)據(jù)庫存儲和管理工況條件、頂頭參數(shù)、生產(chǎn)狀況和質(zhì)量反饋等各種數(shù)據(jù)，可以使數(shù)據(jù)更加安全、有條理、直觀，并節(jié)省資料的存儲空間。

Lazarus控制讀寫小型本地數(shù)據(jù)庫ACCESS，有利于開發(fā)小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫操作頁如圖8所示。斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件可以完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的瀏覽、查詢、插入、添加、刪除、編輯、投寄、刷新等操作。其數(shù)據(jù)庫內(nèi)容也可以通過數(shù)據(jù)庫導(dǎo)航器進行瀏覽和編輯。備注欄顯示當(dāng)前頂頭相關(guān)信息。

圖7 斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件頂頭輪廓及金屬輪廓頁

圖8 斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫操作頁

數(shù)據(jù)庫記錄還可以導(dǎo)出至“工況條件”和“經(jīng)驗參數(shù)”頁，以便參考和修改。

6 計算結(jié)果可靠性驗證

為驗證該軟件設(shè)計頂頭的可靠性，采用實際生產(chǎn)中國外的頂頭設(shè)計參數(shù)與軟件計算結(jié)果進行對比。采用同樣的初始條件和經(jīng)驗參數(shù)［10］，利用頂頭設(shè)計軟件計算頂頭參數(shù)，并與國外數(shù)據(jù)［12］進行比較，具體見表1。

從表2可以看出，用斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件計算的頂頭參數(shù)和國外給定的參數(shù)非常相近。由于國外設(shè)計頂頭已在生產(chǎn)中長期使用并證明可行，因此說明該軟件的孔型設(shè)計算法是可靠合理的，可以作為頂頭設(shè)計、改造及指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)。

表1 軟件運行結(jié)果與國外給定結(jié)果比較

7 結(jié) 語

采用參數(shù)化繪圖，可將設(shè)計人員從繁瑣的計算、繪圖或三維軟件操作中解放出來，實現(xiàn)斜軋穿孔頂頭的快速、便捷、準(zhǔn)確設(shè)計和繪制。

利用該斜軋穿孔機頂頭設(shè)計軟件進行頂頭設(shè)計時，其使用方便快捷、精度高，可針對不同的斜軋穿孔機組現(xiàn)場工況條件進行計算；此外，還可以將頂頭設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)和質(zhì)量情況存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，作為新頂頭設(shè)計的參考和依據(jù)。