軋管工藝技術(shù)（Ⅳ）
——《熱軋無縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

2 二輥斜軋管工藝技術(shù)

二輥斜軋管是指在軋輥的作用下，毛管一邊旋轉(zhuǎn)，一邊前進(jìn)，通過由兩個(gè)軋輥、兩個(gè)導(dǎo)盤（或?qū)О澹┖托景艚M成的環(huán)狀孔型，實(shí)現(xiàn)減徑、減壁，軋制成符合質(zhì)量要求的荒管的一種軋管方法。

2.1 二輥斜軋管機(jī)概況

二輥斜軋管機(jī)包括曼式軋管機(jī)、狄塞爾軋管機(jī)和精密軋管機(jī)等。目前，最具代表且應(yīng)用最為廣泛的二輥斜軋管機(jī)是精密軋管機(jī)。

2.1.1 二輥斜軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）二輥曼式軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。二輥曼式軋管機(jī)由左、右布置的兩個(gè)桶形軋輥，上、下布置的兩個(gè)導(dǎo)板和短芯棒（或頂頭）構(gòu)成環(huán)狀封閉孔型。軋輥軸線與軋制中心線傾斜，并構(gòu)成喂入角α。芯棒主要采用固定操作方式。

（2）狄塞爾軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。狄塞爾軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與二輥曼式軋管機(jī)基本相同，只是不再采用上、下導(dǎo)板而改用兩個(gè)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的大導(dǎo)盤（導(dǎo)盤直徑一般為軋輥直徑的2倍左右）。導(dǎo)盤可垂直布置，亦可水平布置。導(dǎo)盤的線速度大于荒管的出口速度（一般為1.5～3.0倍）。芯棒大多采用全浮動(dòng)操作方式。

（3）精密軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。精密軋管機(jī)是將狄塞爾軋管機(jī)的桶形軋輥改成錐形軋輥，軋輥軸線與軋制中心線在空間上構(gòu)成喂入角α和輾軋角β。芯棒可采用固定操作方式、浮動(dòng)操作方式或限動(dòng)操作方式。其中，限動(dòng)芯棒操作方式（包括前進(jìn)式限動(dòng)和回退式限動(dòng)）最為普遍。

2.1.2 限動(dòng)芯棒精密軋管機(jī)的工藝特點(diǎn)

（1） 由于采用了較大的輾軋角（一般為10°~15°）和錐形軋輥，軋輥的圓周速度從入口到出口呈單調(diào)增大，沿軋制線上的軋輥縱向分速度亦為單調(diào)增大。這與金屬縱向流動(dòng)速度遞增是相適應(yīng)的，它有利于提高軋制速度和促進(jìn)金屬的縱向延伸。軋輥切向分速度同樣是單調(diào)增大的，避免了桶形輥斜軋管機(jī)帶來的軋件正、反雙向扭轉(zhuǎn)，有利于抑制金屬的附加變形。

（2）軋輥的均壁段較長，重軋系數(shù)提高到2以上，有利于提高荒管的壁厚精度，可獲得壁厚偏差在±5%以內(nèi)的荒管。

（3）芯棒速度小于毛管入口的軋制速度，形成差速軋制并縮短了芯棒工作段的長度。

（4）大直徑導(dǎo)盤可作三向調(diào)整：沿軋制線上下調(diào)整，可改變孔型橢圓度；沿軋制線左右調(diào)整，可根據(jù)軋制規(guī)格，改變左側(cè)或右側(cè)輥縫值；沿軋制線前后調(diào)整，可改變導(dǎo)盤對荒管縱向的支撐位置。

（5）使用一種直徑的芯棒，通過調(diào)整軋輥間距、導(dǎo)盤間距等工藝參數(shù)，可以軋制幾個(gè)相鄰壁厚的荒管。芯棒成組循環(huán)使用，改善了芯棒的冷卻和潤滑條件，有利于提高其使用壽命、降低限動(dòng)力和軋制力。

（6）管體在軋制過程中高速旋轉(zhuǎn)，限制軋制的荒管長度。荒管出變形區(qū)后，容易扭曲變形。

（7）荒管表面存在螺旋道。

2.2 精密軋管機(jī)組工藝流程

精密軋管機(jī)組工藝流程如圖8所示。

2.3 精密軋管機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 精密軋管機(jī)的孔型特點(diǎn)和金屬變形過程

2.3.1.1 精密軋管機(jī)的孔型特點(diǎn)

精密軋管機(jī)孔型如圖9所示。軋輥分為4段，對應(yīng)變形區(qū)分4個(gè)區(qū)，分別為壓扁減徑段（Ⅰ區(qū)）、減徑減壁段（Ⅱ區(qū)）、均壁段（Ⅲ區(qū)）和轉(zhuǎn)圓段（Ⅳ區(qū)）。

2.3.1.2 金屬的變形過程

（1）壓扁減徑段（Ⅰ區(qū)）。毛管被軋輥咬入后進(jìn)入Ⅰ區(qū)，由于孔型存在橢圓度，在Ⅰ區(qū)的前半段，毛管產(chǎn)生壓扁變形，橫截面由圓變成了橢圓。隨著軋輥曳入力的不斷增大，毛管不斷地向Ⅰ區(qū)深入，在孔型的限制下，毛管的外徑和內(nèi)徑不斷減?。諟p徑），直至其內(nèi)壁與芯棒接觸。Ⅰ區(qū)的主要作用是使軋輥對毛管產(chǎn)生足夠大的曳入力，并通過壓扁及減徑變形，消除毛管內(nèi)徑和芯棒表面在孔型短軸方向上的間隙，為毛管的減壁變形創(chuàng)造條件。

（2）減徑減壁段（Ⅱ區(qū)）。一旦毛管內(nèi)壁與芯棒發(fā)生接觸，毛管進(jìn)入Ⅱ區(qū)。Ⅱ區(qū)為主要變形區(qū)，受到軋輥和芯棒的輾軋，毛管同時(shí)發(fā)生減徑、減壁變形，并逐步形成荒管的基礎(chǔ)壁厚。在此區(qū)，通常將軋輥設(shè)計(jì)成帶輥肩的“雙減輥型”，如圖10所示。與傳統(tǒng)的軋輥輥型相比，“雙減輥型”縮短了軋輥Ⅱ區(qū)的長度，可實(shí)現(xiàn)金屬的集中變形。在相同的軋輥長度條件下，軋輥均壁段（Ⅲ區(qū)）得以增長，有利于改善荒管的表面質(zhì)量，提高其壁厚精度。

圖8 精密軋管機(jī)組工藝流程

圖9 精密軋管機(jī)孔型示意

圖10“雙減輥型”軋輥示意

（3）均壁段（Ⅲ區(qū)）。荒管基礎(chǔ)壁厚形成之后，毛管進(jìn)入Ⅲ區(qū)。Ⅲ區(qū)的軋輥表面與芯棒表面之間的法線距離相等，且輥身較長（一般為2～4個(gè)螺距，由軋輥長度決定），荒管經(jīng)過Ⅲ區(qū)輾軋后，其壁厚偏差和表面質(zhì)量均得到了良好的改善。

（4）轉(zhuǎn)圓段（Ⅳ區(qū)）。當(dāng)荒管進(jìn)入Ⅳ區(qū)后，軋輥間距逐漸增大，隨著荒管內(nèi)壁與芯棒表面之間的間隙不斷增加，芯棒脫離與荒管內(nèi)表面的接觸，軋輥只輾軋荒管的外表面?；墓軝M截面由橢圓規(guī)整成圓，并逐漸脫離變形區(qū)。

2.3.2 精密軋管機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

精密軋管機(jī)工藝參數(shù)包括軋輥間距、導(dǎo)盤間距、橢圓度系數(shù)、芯棒直徑、減徑率、減壁率、延伸系數(shù)和軋制速度等。

（1）軋輥間距。軋輥間距E為：

式中Dg——壓縮帶處軋輥直徑，mm；

DE——壓縮帶處孔型直徑，DE=Dm-ΔD，mm；

Dm——毛管直徑，mm；

ΔD——毛管減徑量，mm，取15～35 mm。

（2）減徑率。減徑率ε為：

一般ε取8%～18%，軋制碳鋼管時(shí)取大值，軋制合金鋼管時(shí)取小值。

（3）導(dǎo)盤間距。導(dǎo)盤間距A為：

式中ξ——橢圓度系數(shù)，取1.05～1.15，軋制合金鋼管或厚壁鋼管時(shí)取小值。

（4）芯棒直徑。芯棒直徑d為：

式中S0——荒管壁厚，mm；

T——軋輥彈跳值，mm；一般取0.5～1.0 mm。

（5）毛管內(nèi)壁與芯棒表面的間隙。毛管內(nèi)壁與芯棒表面的間隙δ為：

式中Sm——毛管壁厚，mm。

一般δ取3～10 mm。

（6）減壁量。減壁量ΔS為：

一般減壁量ΔS取2～10 mm。

（7）減壁率。減壁率ω為：

一般減壁率ω取15%～55%。

（8）延伸系數(shù)。延伸系數(shù)μ為：

一般延伸系數(shù)μ取1.2～2.5。

（9）軋制速度。軋制速度V為：

式中n——軋輥轉(zhuǎn)速，r/min；

η——軸向滑移系數(shù)，取0.65～0.95；

Dc——荒管脫離軋輥處的軋輥直徑，mm。

2.4 精密軋管機(jī)工具設(shè)計(jì)

精密軋管機(jī)的工具包括軋輥、導(dǎo)盤和芯棒。工具設(shè)計(jì)遵循的基本原則是：提高軋管機(jī)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，降低金屬消耗和工具消耗，保證軋制負(fù)荷正常和軋制過程穩(wěn)定。

2.4.1 軋 輥

為保證軋輥具有足夠高的強(qiáng)度、良好的孔型封閉性和均壁效果，兼顧到設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和降低軋制負(fù)荷，軋輥直徑和軋輥長度依據(jù)所軋制的毛管直徑而定。軋輥形狀如圖9所示。

（1）軋輥直徑。軋輥直徑Dg為：

式中Dmmax——最大毛管直徑，mm。

（2）軋輥長度。軋輥長度和各段長度為：

式中Lg——軋輥長度，mm；

L1，L2，L3，L4——壓扁減徑、減徑減壁、均壁、轉(zhuǎn)圓段長度，mm，L2可取 20～80；

S——螺距，mm。

為簡便計(jì)算，軋輥長度可按經(jīng)驗(yàn)公式確定：

（3）軋輥輥面角。軋輥壓扁減徑段輥面角α1為 β+（2°～5°），減徑減壁段輥面角 α2為 β+（3°～8°），均壁段輥面角 α3為β+（1.0°～1.5°），轉(zhuǎn)圓段輥面角α4為 β-（0.5°～3.0°）。

（4）軋輥材質(zhì)。軋輥多采用經(jīng)過鍛、鑄的中碳鋼（45～55鋼）或中碳低合金鋼（45Mn～55Mn、45CrMo～55CrMo）制作，并需要進(jìn)行熱處理。

2.4.2 導(dǎo)盤設(shè)計(jì)

導(dǎo)盤是一個(gè)等寬度的圓盤，根據(jù)軋輥直徑Dg確定其直徑的大小。導(dǎo)盤的寬度主要考慮壓縮帶處兩個(gè)軋輥的最小距離和導(dǎo)盤邊緣與軋輥的間隙。導(dǎo)盤圓弧形狀要求對孔型實(shí)施有效封閉，并能保證毛管（荒管）的自由旋轉(zhuǎn)。

（1） 導(dǎo)盤直徑 Db：

（3）導(dǎo)盤圓弧半徑。導(dǎo)盤低邊圓弧半徑R2和高邊圓弧半徑R1：

（4）導(dǎo)盤邊部圓角r。若導(dǎo)盤高邊的圓角r太大，則金屬容易進(jìn)入輥縫，會(huì)引起削鋼和軋制過程劇烈振動(dòng)；若圓角r太小，導(dǎo)盤邊緣太過尖銳，則容易崩裂缺邊，啃傷荒管外表面。導(dǎo)盤高邊圓角r取3～6 mm；導(dǎo)盤低邊圓角可以比高邊圓角略大一些，取5～10 mm。

（5）導(dǎo)盤邊部倒角。導(dǎo)盤邊部倒角的大小與孔型的封閉效果關(guān)系密切。為提高孔型的封閉性，導(dǎo)盤高邊倒角一般取 6°～10°，低邊倒角取 4°～6°。

（6）導(dǎo)盤材質(zhì)。導(dǎo)盤材質(zhì)可選用合金鑄鋼或合金半冷硬鑄鐵，亦可將導(dǎo)盤的工作軋槽和支持圓盤用兩種材料做成復(fù)合型導(dǎo)盤，或用具有紅硬性高、耐磨性好的材料堆焊軋槽工作面。

2.4.3 芯 棒

（1）芯棒長度的計(jì)算。

①固定芯棒操作時(shí)的芯棒長度Lx：

②浮動(dòng)芯棒操作時(shí)的芯棒長度Lx：

③ 限動(dòng)芯棒操作時(shí)的芯棒長度Lx與軋輥長度、軋制速度、限動(dòng)速度、荒管長度等有關(guān)，為：

式中Lm——毛管長度，mm；

ΔLx——芯棒裕量，mm；

Vx/V——芯棒速度與軋制速度之比，計(jì)算時(shí)取最大值；

L0——荒管最大長度，mm。

（2）芯棒材質(zhì)。精密軋管機(jī)芯棒用42CrMo、H11等合金鍛鋼制作。