建立二輥斜軋穿孔機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)整理論體系

潘 峰

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管事業(yè)部，上海 201900）

斜軋穿孔是熱軋無縫鋼管軋制的第一道變形工序，其任務(wù)是將實(shí)心圓管坯穿出空心毛管，顯然這樣的變形任務(wù)是最艱巨的。與縱軋相比，斜軋穿孔的軋制方式能使實(shí)心管坯在頂頭前先產(chǎn)生疏松，使穿孔阻力減小，采用斜軋，是完成穿孔任務(wù)的最普遍合理的方式［1-3］。

在變形過程中，鋼鐵材料缺陷產(chǎn)生的因素，一是拉應(yīng)力（擴(kuò)徑是原因），二是交變應(yīng)力（斜軋是原因）［4］，而斜軋穿孔則同時(shí)具備這兩個(gè)不利因素，是整個(gè)軋制工序中變形條件最惡劣的瓶頸工序；穿孔工序產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)影響后續(xù)變形工序；因此，在熱軋變形工序中要首先保障穿孔的條件，材料的最佳塑性變形溫度要放在穿孔工序，管坯質(zhì)量除通用條件外，應(yīng)要求低倍組織達(dá)到一級(jí)［5］。

斜軋穿孔的孔型設(shè)計(jì)和軋機(jī)調(diào)整目前基本屬于經(jīng)驗(yàn)型。穿孔工藝設(shè)計(jì)需要由經(jīng)驗(yàn)向理論、定性到

定量方向發(fā)展，在理論上需要確定設(shè)計(jì)及調(diào)整的基本原則［6-8］。本文以穿孔質(zhì)量為基本原則［9-10］，對(duì)各設(shè)計(jì)調(diào)整參數(shù)和原則的相關(guān)性拓展成理論邏輯體系，實(shí)現(xiàn)提高穿孔質(zhì)量的實(shí)際效果。理論體系的建立并不是要一蹴而就，而是一個(gè)逐漸積累的過程，這需要加強(qiáng)業(yè)內(nèi)技術(shù)交流，共同推進(jìn)理論體系建設(shè)。中國(guó)已是鋼管大國(guó)，但要成為鋼管強(qiáng)國(guó)，重要的標(biāo)志就是開創(chuàng)并建立自己的理論體系和設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)踐。在此本文做出嘗試，擬建立初步理論框架。

穿孔送進(jìn)角γ=0時(shí)二輥斜軋穿孔機(jī)變形區(qū)平面投影如圖1所示。

圖1 穿孔送進(jìn)角γ=0時(shí)二輥斜軋穿孔機(jī)變形區(qū)示意

1 理論原則

穿孔工序的工藝目標(biāo)有2個(gè)：首先是實(shí)現(xiàn)毛管尺寸，包括外徑Dh和壁厚S；同時(shí)要確保穿孔質(zhì)量。在此提出兩大原則。

（1）原則一：減徑量最小原則，即保證正常咬入的前提下，管坯直徑方向壓縮率最小。

（2）原則二：自由變形區(qū)長(zhǎng)度最小原則，即在實(shí)現(xiàn)正常二次咬入的前提下，自由變形區(qū)長(zhǎng)度最小。自由變形區(qū)長(zhǎng)度是指一次咬入和二次咬入之間的距離，即圖1中準(zhǔn)備區(qū)。自由變形區(qū)長(zhǎng)度為一個(gè)螺距或稍大［11］。

減徑量最小原則更多地靠穿孔輥形的合理設(shè)計(jì)來保證。原則二在此基礎(chǔ)上可以通過調(diào)整穿孔機(jī)軋輥距離和頂頭前伸量來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可作為二次咬入條件。

原則一要求軋輥距離盡量大，顯然不利于二次咬入，反過來說加大咬入是前提條件，二次咬入是關(guān)鍵。也可以說，咬入條件的改善就是穿孔質(zhì)量的改善。穿孔質(zhì)量的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在二次咬入條件的改善設(shè)計(jì)。在保證咬入的前提下，軋輥距離能達(dá)到更大，設(shè)計(jì)就是更優(yōu)的。

穿孔輥形后半部形狀保證原則一，主要是頂頭前伸，使變形區(qū)前移；穿孔輥形前半部形狀確保二次咬入，主要是使軋輥和管坯的接觸面積大，并使原則二能在生產(chǎn)中通過調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

需要指出，國(guó)內(nèi)常用頂前壓縮率指標(biāo)，而國(guó)外用自由變形區(qū)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，顯然國(guó)外采用的參數(shù)更合理。壓縮變形不會(huì)造成孔腔，孔腔是在管坯旋轉(zhuǎn)軋制、反復(fù)拉伸和壓縮中產(chǎn)生的；因此，必須控制穿孔前管坯的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。二輥斜軋穿孔機(jī)計(jì)算參數(shù)符號(hào)見表1。

表1 二輥斜軋穿孔機(jī)計(jì)算參數(shù)符號(hào)

2 設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法

2.1 頂 頭

2.1.1 頂頭直徑

頂頭直徑是影響毛管外徑最大的因素。必須掌握穿孔擴(kuò)徑率，目前經(jīng)驗(yàn)的擴(kuò)徑曲線或經(jīng)驗(yàn)公式，都是以毛管壁厚為影響因素，這是不正確的。如在生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)穿孔機(jī)由桶形置換為錐形，顯然后者有更大的擴(kuò)徑率，而軋制線上管坯和毛管規(guī)格不宜改變，這樣穿出的毛管外徑比原定的規(guī)格大7 mm左右，車間技術(shù)人員進(jìn)行了多次改進(jìn)，但只能減小1～2 mm。筆者認(rèn)為，毛管外徑改變超過3 mm時(shí)，必須通過改變頂頭直徑來實(shí)現(xiàn)；因此，選用了直徑小6 mm的頂頭進(jìn)行生產(chǎn)，毛管外徑降到了設(shè)定值。另外，通過對(duì)照外方提供的軋制表和原來桶形穿孔機(jī)軋制表，筆者發(fā)現(xiàn)外方對(duì)同樣毛管壁厚規(guī)格產(chǎn)品又將頂頭直徑減小了7 mm左右，意味著相對(duì)于桶形穿孔機(jī)，錐形穿孔機(jī)穿孔相同壁厚，頂頭直徑共減小13 mm，即擴(kuò)徑能力增大13 mm。

對(duì)于已經(jīng)確定的頂頭直徑，管坯直徑大和毛管壁厚薄，高位點(diǎn)橢圓度大，短頂頭和前伸量小都能提供更大的擴(kuò)徑率。

分析寶山鋼鐵股份有限公司導(dǎo)盤穿孔軋卡試驗(yàn)可知，在頂頭定壁點(diǎn)（頂頭輾軋段末點(diǎn)）后，延伸即告結(jié)束，此點(diǎn)后毛管面積、周長(zhǎng)不再發(fā)生變化，毛管外徑即為頂頭定壁點(diǎn)處的平均外徑，顯然毛管外徑與頂頭直徑關(guān)系最大。軋輥側(cè)毛管外徑即為頂頭直徑加兩個(gè)壁厚，若為導(dǎo)板穿孔機(jī)，毛管側(cè)方向外徑可以計(jì)算；若是導(dǎo)盤穿孔機(jī)，此位置毛管已脫離導(dǎo)盤，則只能依靠經(jīng)驗(yàn)，假定此點(diǎn)管子橢圓度就能估算導(dǎo)盤側(cè)毛管外徑，通過穿孔生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累可以確定毛管外徑。

2.1.2 頂頭長(zhǎng)度

對(duì)頂頭長(zhǎng)度的計(jì)算，目前還沒有明確的理論指導(dǎo)，一般要求頂頭保持一個(gè)合理的細(xì)長(zhǎng)比，目前是用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。細(xì)長(zhǎng)頂頭更有利于穿孔咬入和穩(wěn)定變形；而粗短頂頭的變形更集中，有利于擴(kuò)徑和毛管脫頂頭。

頂頭工作段可簡(jiǎn)單分成穿孔段和輾軋段。輾軋段的目的是均勻壁厚［12］，可視為穿孔變形區(qū)的精軋段，長(zhǎng)度建議為1.5～2.0個(gè)半轉(zhuǎn)螺距；而穿孔段是建立穿孔過程的，其長(zhǎng)度可靈活調(diào)整，主要應(yīng)考慮與軋輥形狀配合，實(shí)現(xiàn)原則二。

設(shè)計(jì)頂頭時(shí)，也可以考慮新的頂頭形狀，如圖2所示，咬入總是在剛開始的時(shí)候最難，設(shè)想在頂頭穿孔段用直線段（圖2所示虛線）替代原圓弧段，這樣管坯咬入時(shí)，阻力較小。該設(shè)想或可一試。

圖2 設(shè)想頂頭示意

2.2 穿孔輥出口錐

穿孔輥分入口錐和出口錐，出口錐都是一段錐，如圖3所示，其設(shè)計(jì)是要達(dá)到更大的軋輥距離E來保障原則一。根據(jù)出口錐和頂頭的配置關(guān)系，明顯看出使E達(dá)到最大有兩個(gè)參數(shù)，即穿孔輥出口錐角度和頂頭位置。穿孔輥出口錐角度越小越好，但穿孔機(jī)調(diào)整壁厚的能力會(huì)差一些；頂頭靠前，在頂頭輾軋段起始點(diǎn)往前越靠近高位點(diǎn)HP越好。為保證輾軋效果，均勻壁厚，必須在HP之后，保持一個(gè)合適且盡量短的距離，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。確定穿孔輥出口錐角度和頂頭位置后，就完成了穿孔輥出口錐的設(shè)計(jì)。

圖3 穿孔出口錐

2.3 穿孔輥入口錐

穿孔輥入口錐如圖4所示，其任務(wù)是實(shí)現(xiàn)咬入。如何衡量穿孔輥的二次咬入能力，筆者認(rèn)為，應(yīng)該是穿孔輥和管坯在穿孔準(zhǔn)備區(qū)的接觸面積除以管坯質(zhì)量，因?yàn)榇颂幨潜容^，接觸面積可簡(jiǎn)易計(jì)算，若管坯比重變化不大，就以接觸面積除以管坯體積為特征參數(shù)，接觸面積越大越有利于二次咬入，這主要靠更好的入口錐設(shè)計(jì)。

圖4 穿孔輥入口錐

穿孔輥入口錐有一段錐設(shè)計(jì)和二段錐設(shè)計(jì)，以前國(guó)內(nèi)多為一段錐，國(guó)外為二段錐。一段錐當(dāng)然是最自然的，那么二段錐的設(shè)計(jì)一定是有考慮的。首先，為滿足一次咬入，入口錐角度不能過大，取2°以下為合適，不宜超過2.5°，由于國(guó)外有原則二的要求，X可稍大于1個(gè)螺距，這樣根據(jù)最大頂頭前伸量加上X，即可繪制出圖4，然后一次咬入點(diǎn)和HP連線，如果角度大于2.5°，則只能分為二段，而國(guó)內(nèi)沒有這個(gè)要求，即一次咬入點(diǎn)可向來料方向前移，當(dāng)然就采用一段錐了。

筆者推出的設(shè)計(jì)理論和方法，情況又有所變化，因?yàn)槠浜诵氖琼旑^前伸量加大，穿孔變形區(qū)前移，則一次咬入點(diǎn)也大大前移，其和高位點(diǎn)連線如果仍大于2.5°，則仍采用二段錐。很大可能性是小于2.5°的，就可以采用一段錐，如果很小，如1.5°，也可考慮高位點(diǎn)前加一平輥段［2］。另外還想改善二次咬入條件，α2取小有利，或可設(shè)計(jì)α2∧ɑ1。在設(shè)計(jì)入口錐時(shí)，如前述，為協(xié)調(diào)保證原則二，頂頭長(zhǎng)度可適當(dāng)調(diào)整。至此，一段錐的設(shè)計(jì)就基本完成。

對(duì)于二段錐的設(shè)計(jì)，與一段錐相比，有多個(gè)參數(shù)，如兩個(gè)角度α1和α2，DL及L2，這就需要協(xié)調(diào)。從接觸面積指標(biāo)來看，角度α2以偏小為好，咬入阻力小，α1和L2偏大為好，二段錐連接過渡更平緩。這兩個(gè)角度取值范圍屬于經(jīng)驗(yàn)值，分別取1.2°～2°和 3°～4°為宜。一次咬入點(diǎn)不能在 L2段，這會(huì)惡化一次咬入條件，使二段錐的設(shè)計(jì)沒有意義，一次咬入要保持一段距離，穩(wěn)定進(jìn)入二段，頂頭不能前伸至L1，即 b ∧L2。

每個(gè)壁厚規(guī)格做完，有多個(gè)輥形，再統(tǒng)一為一個(gè)輥形，使其適合每個(gè)壁厚規(guī)格。至此，穿孔輥形的設(shè)計(jì)完成。

圖 4 中，若 α2=α1，為一段錐；若 α2∧α1，為二段錐。

2.4 大綱規(guī)格軋制表

每個(gè)壁厚規(guī)格獨(dú)用一個(gè)直徑規(guī)格的頂頭，生產(chǎn)效率低；因此，需要一個(gè)規(guī)格的頂頭可生產(chǎn)若干壁厚的毛管，即頂頭代用。頂頭直徑規(guī)格極差在4～6 mm為好，因?yàn)樵O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頂頭時(shí)，頂頭前伸量達(dá)到最大，因此更換頂頭，應(yīng)換用直徑規(guī)格較大的頂頭，為保證壁厚不變，則代用頂頭需后移，E會(huì)增大，在保證原則二的前提下，調(diào)整參數(shù)變化如下。

代用頂頭直徑變化量ΔDd產(chǎn)生的調(diào)整參數(shù)變化：原來的調(diào)整參數(shù)加上其變化量就是新的調(diào)整參數(shù)，在代用頂頭時(shí)就能確保毛管壁厚和原則二不變化。

如前述，原則二是在設(shè)計(jì)完成后，由軋機(jī)調(diào)整來達(dá)到的，調(diào)整參數(shù)計(jì)算公式如下。

這樣在完成輥形及頂頭設(shè)計(jì)后，再完成軋制表的編制。

顯然上述公式中壁厚是近似的，還需要兩個(gè)補(bǔ)充，一是穿孔輥送進(jìn)角γ的補(bǔ)償，再一個(gè)是軋機(jī)彈跳，均造成實(shí)際壁厚更厚。而穿孔壁厚的控制在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更主要的是靠控制毛管長(zhǎng)度，需滿足下道工序?qū)荛L(zhǎng)的要求。生產(chǎn)線上如有管坯實(shí)時(shí)稱重，建議在操作顯示屏上提供每根管坯的毛管理論長(zhǎng)度；抽查穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的毛管外徑，由目標(biāo)壁厚則可計(jì)算監(jiān)控該毛管長(zhǎng)度。

3 設(shè)計(jì)效果驗(yàn)證

以管坯Φ175 mm，穿孔毛管規(guī)格Φ184 mm×11 mm為例，按照筆者提出的上述設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)，并與已有的穿孔工藝進(jìn)行對(duì)比。

3.1 頂頭設(shè)計(jì)

以原有擴(kuò)徑曲線為依據(jù)，頂頭直徑選150 mm，頂頭規(guī)圓段長(zhǎng)度30 mm，考慮細(xì)長(zhǎng)比，頂頭總長(zhǎng)度初定為325 mm。頂頭輾軋段長(zhǎng)度為1.75倍的螺距，即 DTL2=1.75×184××tanα3=107.5 mm；則穿孔段長(zhǎng)度為DTL1=325-30-107.5=187.5 mm。

3.2 穿孔輥出口錐

選α3=2.5°。理論上頂頭前伸量b越大越好，b最大時(shí)頂頭輾軋段起始點(diǎn)位于HP，要留有余地，使該頂頭輾軋段起始點(diǎn)和HP有50 mm的距離，則b=187.5-50=137.5 mm。

根據(jù) S可計(jì)算 E，E=Dd+2S-2（DTL2+50）tan α3=158.25 mm；而原設(shè)計(jì)中E為154.67 mm，b為114.6 mm，顯然原設(shè)計(jì)的E小很多。如果新設(shè)計(jì)的穿孔出口錐能實(shí)現(xiàn)正常二次咬入，那肯定更優(yōu)。

3.3 穿孔輥入口錐

如果X為1個(gè)螺距（圖4），根據(jù)一次咬入點(diǎn)和HP連線角度 α 的計(jì)算公式tanα=0.5×（Db-E）（/X+b）=0.5×（176.75-158.25）（/118+137.5），可計(jì)算出α=2.07°，可選一段錐。至此，一段錐設(shè)計(jì)完成。

如果想設(shè)計(jì)二段錐，先選定α1=1.2°，一次咬入必須保證在第一段錐，考慮到頂頭代用，根據(jù)頂頭直徑的變化范圍能算出前伸量的后退距離，L2選大有利咬入，加入余量40 mm，即L2=b+X-Δb-40，就可以算出L2=185 mm，α2=2.4°。

要分析一下L2長(zhǎng)度是否對(duì)每個(gè)毛管壁厚規(guī)格都適合，條件是一次咬入點(diǎn)不能在L2以內(nèi)既可。

對(duì)每個(gè)壁厚規(guī)格計(jì)算E和b，就完成了穿孔軋制表，設(shè)計(jì)完成。

3.4 二次咬入驗(yàn)證

一段輥和二段輥的設(shè)計(jì)都采用了原則二，X為1個(gè)螺距，初步認(rèn)為二次咬入能力相當(dāng)，若要更準(zhǔn)確地判斷，可以看接觸面積的大小。

接觸面積近似計(jì)算，即γ=0，原設(shè)計(jì)是3 150 mm2，新設(shè)計(jì)的二段錐是3 269 mm2，而一段錐是4 018 mm2。可見，新設(shè)計(jì)的二次咬入條件更好，且一段錐比二段錐更好，因此沒必要設(shè)計(jì)二段錐。二次咬入應(yīng)該還有富裕，還可以繼續(xù)加大E，提高穿孔質(zhì)量。當(dāng)然這個(gè)接觸面積計(jì)算的較粗略，如果要精確，需要采用編程進(jìn)行計(jì)算。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可以在二次咬入處于臨界狀態(tài)下，算出接觸面積/管坯體積，掌握了這個(gè)特征參數(shù)臨界值，就能事先掌控二次咬入的實(shí)現(xiàn)。有穿孔實(shí)驗(yàn)軋機(jī)的廠家，可以先通過理論的推進(jìn)，設(shè)計(jì)新型穿孔輥和頂頭，然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，再不斷改進(jìn)，從而達(dá)到最佳效果。

很明顯，以此理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)，E能達(dá)到更大，二次咬入也有特征參數(shù)保證。

按計(jì)算公式（3）和（4），完成穿孔軋制表，在11～25 mm壁厚范圍，E/Db平均值為0.934，而原來的穿孔輥E/Db為0.876，得到了更大的E。減徑量范圍原屬于經(jīng)驗(yàn)值，E/Db值碳鋼一般在0.84～0.90；而高合金鋼范圍更小，0.88～0.91。采用上述設(shè)計(jì)方法，二段錐時(shí)E/Db值為0.91，超過傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上限，可見一段錐二次咬入情況會(huì)更好。

筆者提出的設(shè)計(jì)，對(duì)桶形和錐形穿孔機(jī)同樣適用，導(dǎo)盤形狀設(shè)計(jì)是按實(shí)際磨損形狀考慮的，屬于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）穿孔變形是軋管生產(chǎn)線最困難的軋制變形工序，前道工序要為其提供最好的條件，軋制線變形分配以穿孔為核心分配，后道變形工序也可適當(dāng)負(fù)擔(dān)變形壓力。

（2）穿孔輥形設(shè)計(jì)和調(diào)整的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)就是E達(dá)到最大，其方法就是頂頭盡量前伸，而限制條件則是能實(shí)現(xiàn)二次咬入。

（3）提高二次咬入能力就是提高穿孔質(zhì)量，主要是在穿孔輥入口錐自由變形區(qū)內(nèi)，加大穿孔輥與管坯的接觸面積。

（4）如果能達(dá)到同樣的E，在同樣送進(jìn)角條件下，接觸面積更大為更優(yōu)設(shè)計(jì)。E不變時(shí)，增加送進(jìn)角能提高軸向前進(jìn)分力，但減小了接觸面積，故對(duì)二次咬入的影響有待探討。

（5）生產(chǎn)中要通過軋機(jī)調(diào)整滿足原則二，當(dāng)然對(duì)易軋?zhí)间搧碚f，條件可適當(dāng)放寬。

（6）頂頭直徑是決定毛管外徑的主要因素，目前是靠經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（7）生產(chǎn)廠和擁有實(shí)驗(yàn)穿孔機(jī)的單位可用試驗(yàn)手段積累關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如接觸面積/管坯體積和二次咬入、頂頭直徑和擴(kuò)徑的相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣生產(chǎn)質(zhì)量就能實(shí)現(xiàn)預(yù)期可控，在生產(chǎn)難軋鋼種時(shí)，更有用武之地。大減徑變形更易產(chǎn)生軋制缺陷，增加能耗，不利于環(huán)保。

筆者嘗試提出了穿孔工藝設(shè)計(jì)理論設(shè)想，并建立初步框架，但有賴生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證及業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員交流推動(dòng)，使其進(jìn)一步擴(kuò)展完善，以期推出中國(guó)自己的穿孔工藝技術(shù)體系。