薄壁金屬家具管管面抖紋形成機(jī)理及其預(yù)防

曹國(guó)富，曹 笈

（浙江嘉興夏禹科技有限公司，浙江 嘉興 314305）

表面質(zhì)量是薄壁金屬家具管的“臉面”，做好表面質(zhì)量，薄壁金屬家具管的生產(chǎn)就成功了一半。然而，像抖紋這種對(duì)金屬家具管而言無(wú)疑屬于致命質(zhì)量問(wèn)題的表面缺陷，卻常常因?yàn)橥绞置坏健⒋致钥床坏揭约半y定性、難定量而在諸多焊管標(biāo)準(zhǔn)、包括金屬家具管標(biāo)準(zhǔn)中難覓蹤影［1-14］。但是大多數(shù)金屬家具制造企業(yè)對(duì)管面抖紋還是很在意的；因?yàn)榧词拱l(fā)現(xiàn)了抖紋缺陷并進(jìn)行電鍍、噴塑、電泳和噴漆等表面處理，仍然不能掩蓋其缺陷。因此，找出抖紋形成機(jī)理，從源頭上預(yù)防抖紋缺陷的產(chǎn)生，很有必要。

1 抖紋類型與共性

所謂抖紋，是指金屬家具管管面上存在的形似木紋形、魚(yú)鱗形或月牙形等紋路，具體如圖1 所示。因這些紋路在光線照射下若隱若現(xiàn)，有抖動(dòng)的視覺(jué)效果，故稱其為抖紋。不管哪種抖紋，它們?cè)谇逦取⒓y路、部位、周期性和產(chǎn)生的焊管規(guī)格等方面具有共性。

（1） 清晰度。管面上的抖紋通常若隱若現(xiàn)，徒手摸不到，粗略看不到，只有采用特殊方法才能觸摸到，在特殊入射角度光線和視角下才能看到，要憑借專門(mén)檢測(cè)工具才能檢測(cè)出來(lái)。

（2） 紋路。不論是木紋、魚(yú)鱗紋或是月牙紋，均沿管面縱向分布，與焊縫平行。

（3） 出現(xiàn)部位。抖紋主要集中在焊管底部、距焊縫60°～90°和焊縫兩側(cè)，而且這些部位分別與木紋形、魚(yú)鱗形和月牙形抖紋對(duì)應(yīng)。2016—2019 年某企業(yè)抖紋缺陷出現(xiàn)部位見(jiàn)表1。

圖1 抖紋種類示意

表1 2016—2019 年某企業(yè)抖紋缺陷出現(xiàn)部位統(tǒng)計(jì)

（4） 周期性。許多抖紋呈周期性出現(xiàn)規(guī)律，尤其是軋輥因素引起的抖紋，如木紋和魚(yú)鱗紋。

（5） 焊管規(guī)格。不是所有的焊管都會(huì)產(chǎn)生抖紋，抖紋出現(xiàn)在薄壁管上的概率最高，這是由抖紋形成機(jī)理決定的。

2 抖紋形成機(jī)理

2.1 木紋形抖紋形成機(jī)理

木紋形抖紋形成機(jī)理與焊管管坯的實(shí)腹軋制和空腹軋制密不可分。

2.1.1 實(shí)腹軋制

（1） 同一孔型面上的速度差異因素。焊管生產(chǎn)中的實(shí)腹軋制主要是指使管坯產(chǎn)生0～300°變形所進(jìn)行的軋制，其中變形角在180°≤θ≤300°的成型平輥?zhàn)羁赡墚a(chǎn)生焊管底部木紋形抖紋。軋輥孔型面前、后滑區(qū)及滾動(dòng)速度如圖2 所示，在軋輥孔型面上，各點(diǎn)線速度均不相同，除了理論上認(rèn)為滾動(dòng)直徑那一點(diǎn)的線速度與管坯運(yùn)行速度一致外，其余各點(diǎn)的線速度不是比滾動(dòng)直徑線速度大，就是比滾動(dòng)直徑線速度小。以滾動(dòng)直徑為界，可以把平輥孔型面分成3 個(gè)區(qū)域：上輥為后滑區(qū)—前滑區(qū)—后滑區(qū)，下輥為前滑區(qū)—后滑區(qū)—前滑區(qū)，速度關(guān)系為：

式中 VSH—— 上輥后滑區(qū)線速度，m/s；

VSG—— 上輥滾動(dòng)直徑線速度，m/s；

VSQ—— 上輥前滑區(qū)線速度，m/s；

VXH—— 下輥后滑區(qū)線速度，m/s；

VXG—— 下輥滾動(dòng)直徑線速度，m/s；

VXQ—— 下輥前滑區(qū)線速度，m/s。

圖2 軋輥孔型面前、后滑區(qū)及滾動(dòng)速度示意

軋輥孔型面上的速度差異在剛性管坯作用下，除滾動(dòng)直徑外，其余各區(qū)間相對(duì)管坯都存在滑動(dòng)趨勢(shì)，并引起孔型面上這些區(qū)域內(nèi)的較軟金屬發(fā)生緩慢流動(dòng)，進(jìn)而堆疊；滑動(dòng)速度越大、受力越大的區(qū)域金屬流動(dòng)與堆疊越多。在圖2 中，上輥前滑區(qū)線速度VSQ最快，前滑趨勢(shì)最大，軋制力施力效果最好；下輥后滑區(qū)線速度VXH最低，后滑趨勢(shì)最大，軋制力施力效果亦最好。

（2） 孔型面上軋制力效果的因素。以圖2 所示下輥孔型面為例，雖然各點(diǎn)對(duì)管坯施加的軋制力P相同，但是管坯變形效果即迫使管坯變形的變形力f 卻不同，這是因?yàn)檐堉屏 與變形力f 在圓弧孔型面上的分布規(guī)律遵循公式（2）：

孔型面上金屬流動(dòng)量及軋制力P 與變形力f 的關(guān)系如圖3 所示。顯然，在圖3 的軋輥孔型面上，下輥后滑區(qū)的變形力fH最大，并等同于該區(qū)域的軋制力P；越往孔型邊部變形力越小，孔型邊緣Q處的變形力fQ最小。這樣，當(dāng)大變形力區(qū)域fH與大后滑趨勢(shì)的區(qū)域VXH疊加后，促使下輥后滑區(qū)的金屬流量多于前滑區(qū)的，金屬堆疊量就會(huì)比前滑區(qū)域明顯，如此堆疊的結(jié)果是：在圖3 所示下輥孔型后滑區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一道道木紋形波浪。

在圖3 所示的堆疊區(qū)域中，漸變色較深的下輥底徑部位表示堆疊的金屬多，既說(shuō)明金屬流動(dòng)具有方向性，又說(shuō)明下輥后滑區(qū)內(nèi)的金屬流動(dòng)方向與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反。

圖3 孔型面上金屬流動(dòng)量及軋制力P 與變形力f 的關(guān)系

同理，上輥前滑區(qū)的金屬流量比后滑區(qū)多，流動(dòng)方向與下輥后滑區(qū)內(nèi)的金屬流動(dòng)方向相反。

（3） 孔型面木紋形波浪與管面木紋形抖紋的關(guān)系?？仔兔婺炯y形波浪與管面木紋形抖紋的關(guān)系表現(xiàn)在形狀和深度兩個(gè)方面：就形狀而言，管坯底部木紋形抖紋是孔型面上木紋形波浪隨著軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)拓到管面上形成的；一個(gè)木紋形抖紋的形成過(guò)程是先有木紋形尾（淺色），后有木紋形頭（深色）。形成的管面抖紋具有明顯周期性特征，但是在同一個(gè)周期內(nèi)的抖紋形貌和大小不盡相同。

筆者對(duì)孔型面木紋形波浪和相應(yīng)焊管上木紋形抖紋進(jìn)行了數(shù)十次測(cè)量，結(jié)果顯示孔型面木紋形波浪峰谷值一般不會(huì)超過(guò)0.02 mm，管面木紋形抖紋波動(dòng)值均小于孔型面上木紋形波浪的峰谷值，且沒(méi)有尖棱與突兀，手感都不明顯。

需要指出的是：軋輥孔型面金屬的這種緩慢流動(dòng)不僅會(huì)發(fā)生在下輥孔型面上，上輥孔型面也會(huì)產(chǎn)生；成型管筒內(nèi)壁底部也會(huì)產(chǎn)生抖紋，只不過(guò)內(nèi)壁抖紋不影響觀瞻，更不易察覺(jué)，從而易被忽視。

此外，根據(jù)金屬壓力加工原理，與厚壁管比，在相同軋制力情況下，薄壁管更容易被軋輥孔型面上的木紋形波浪軋出痕跡，所以存在抖紋缺陷的焊管以薄壁管居多。

2.1.2 空腹軋制

空腹軋制平輥如定徑平輥致使焊管底部形成木紋形抖紋的機(jī)理除了與實(shí)腹軋制類似外，還有以下兩個(gè)重要成因。

（1） 非工藝因素的不同步。工藝因素的不同步是指，根據(jù)高頻直縫焊管的軋制要求，必須使定徑平輥滾動(dòng)直徑處的線速度略大于管坯運(yùn)行速度，以確保運(yùn)行管坯在縱向保持微張力。一般認(rèn)為，在這樣的軋制工藝下，既能保證焊管軋制順利進(jìn)行，又不會(huì)在軋制過(guò)程中發(fā)生焊管擁堵或拉細(xì)，更不會(huì)造成定徑平輥孔型面出現(xiàn)波浪。但是，如果沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行軋輥修復(fù)工藝，導(dǎo)致成型平輥與定徑平輥的速度差超出工藝規(guī)定要求；加之成型平輥至少有4 道軋輥對(duì)管坯進(jìn)行實(shí)腹軋制，而實(shí)腹軋制的摩擦力比空腹軋制的定徑平輥（一般也是4 道）大，驅(qū)動(dòng)管坯運(yùn)行效果也好于空腹軋制的定徑平輥，這樣定徑平輥相較管坯更容易發(fā)生打滑，引起定徑平輥孔型面金屬流動(dòng)。同理，對(duì)雙拖動(dòng)機(jī)組而言，如果成型機(jī)與定徑機(jī)之間的速度控制不當(dāng)，那么打滑的首先是定徑平輥，隨后是孔型面上金屬流動(dòng)與堆疊，產(chǎn)生木紋形波浪，繼而在軋制力作用下拓到管面上形成木紋形抖紋。

（2） 定徑下輥孔型面溫度高于上輥。定徑平輥的冷卻方式通常是冷卻液先淋到上輥孔型，然后流經(jīng)管面，最后只有少部分流到下輥孔型面。因此，下輥孔型面的溫度比上輥高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的結(jié)果是：下輥孔型面上的低溫回火效應(yīng)比上輥明顯（實(shí)腹成型下輥的冷卻與之比較有過(guò)之無(wú)不及），下輥表面硬度丟失快；另一方面，下輥孔型底徑部位受到焊管的反作用力最大，下輥孔型底部就在最大作用力、表面硬度丟失速度快以及滑動(dòng)趨勢(shì)等因素共同作用下發(fā)生金屬流動(dòng)與堆疊，進(jìn)而形成焊管底部木紋形抖紋。

2.2 魚(yú)鱗形抖紋形成機(jī)理

2.2.1 魚(yú)鱗形抖紋特征

魚(yú)鱗形抖紋具有寬度窄小、縱向密集、位置對(duì)稱以及輕微減薄等特征。解剖魚(yú)鱗形抖紋所在部位，隱約看見(jiàn)距焊縫60°～90°的管內(nèi)（焊管外壁經(jīng)多道軋輥的軋制更加模糊）兩側(cè)各有一道光亮地帶，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為這種光亮地帶是冷軋留下的痕跡；進(jìn)一步檢測(cè)證明，與光亮地帶附近的壁厚相比，光亮地帶的平均壁厚均存在不同程度減薄，具體見(jiàn)表2。

2.2.2 魚(yú)鱗形抖紋成因

根據(jù)拓?fù)湓?，能夠在管坯上留下如此“冷軋痕跡”的只能是第一道W 成型軋輥。

（1） W 孔型的磨損特點(diǎn)。W 孔型磨損如圖4所示。W 孔型的主要優(yōu)點(diǎn)是在不影響管坯邊部變形效果的前提下，管坯邊緣相對(duì)升起高度低，邊緣延伸少，不易產(chǎn)生成型鼓包，特別有利于薄壁管成型。但是，由于W 孔型存在4 個(gè)拐點(diǎn)C、C′和F、F′，拐點(diǎn)C、C′和F、F′之間的孔型對(duì)管坯進(jìn)行空腹軋制，拐點(diǎn)之外的孔型對(duì)管坯實(shí)施實(shí)腹軋制，孔型實(shí)軋部位的磨損量是空軋部位的數(shù)倍，磨損差異致使上下孔型出現(xiàn)畸形磨損（圖4b）。在圖4（b）中，以孔型左側(cè)為例，下輥孔型段磨損最嚴(yán)重，但是基于類似公式（2）的原因，越接近拐點(diǎn)C 磨損越少，拐點(diǎn)附近變得凸出；同理，上輥孔型段磨損最多，但越接近拐點(diǎn)F 磨損越少，拐點(diǎn)附近也逐漸變凸。

表2 魚(yú)鱗形抖紋寬度與壁厚減薄量、減薄率①

圖4 W 孔型磨損示意

某企業(yè)借助數(shù)控機(jī)床對(duì)Φ25 mm×0.5 mm、Φ32 mm×0.6 mm、Φ60 mm×1.0 mm 和Φ76 mm×1.0 mm 規(guī)格W 孔型下輥進(jìn)行檢測(cè)，具體結(jié)果見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)與上述分析完全吻合，并據(jù)此做出了W 孔型磨損軌跡，如圖5 所示。圖5 的意義有3 個(gè)：①W孔型下輥的磨損量呈現(xiàn)W 形態(tài)，中間磨損量最少，邊部磨損量次之，磨損主要集中在孔型底部與邊部；②孔型磨損并不完全對(duì)稱，說(shuō)明孔型兩邊施加的軋制力不對(duì)等；③孔型拐點(diǎn)處磨損最輕。W 孔型上輥的磨損規(guī)律與下輥基本相同。

表3 不同W 孔型下輥關(guān)鍵點(diǎn)磨損量

磨損后的AC、EF 段孔型間隙比設(shè)計(jì)間隙管坯厚度t大很多，而上下孔型拐點(diǎn)間的間隙只略大于t。當(dāng)管坯進(jìn)入孔型后，若要繼續(xù)對(duì)約B/4 管坯邊部實(shí)施實(shí)軋，即讓磨損后之間孔型間隙仍然等于t，則上下孔型拐點(diǎn)間的間隙CF 必然小于t，此時(shí)拐點(diǎn)附近管坯勢(shì)必處于冷軋壓延狀態(tài)，管坯局部被軋薄延伸（圖4c）?？墒?，金屬秒流量原理和焊管生產(chǎn)工藝并不允許管坯局部被壓延伸長(zhǎng)。

（2） 金屬秒流量原理。根據(jù)金屬秒流量相等原理，有：

式中 ti—— 進(jìn)第i 道成型平輥時(shí)的管坯厚度，mm；

Bi—— 進(jìn)第i 道成型平輥時(shí)的管坯寬度，mm；

Li—— 第i 道成型平輥與第i+1 道成型平輥中心距之間的距離，mm；

圖5 不同規(guī)格W 孔型下輥的磨損量

L —— 管坯在成型區(qū)的長(zhǎng)度，mm。

在成型工藝正常的情況下，考慮成型余量因素后，認(rèn)為管坯橫截面積不變，即管坯厚度和寬度均不變化。如果管坯縱向局部連續(xù)被軋薄，可得：

式中 Δt —— 成型管坯厚度減薄量，mm；

b —— 被軋薄部位寬度，mm；

L′ —— 厚度為（t-Δt）、寬度為b 的管坯長(zhǎng)度，mm；

ΔL —— 由減薄量轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)度，mm。

可是，整個(gè)成型管坯是一個(gè)剛性體，受減薄部位兩側(cè)金屬的制約，由減薄量轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)度不可能體現(xiàn)在焊管橫斷面上，于是其只能以“委曲求全”的方式藏身于焊管縱向長(zhǎng)度內(nèi)。ΔL 小于彈性延伸極限值時(shí)，ΔL 會(huì)隨著成型的結(jié)束回復(fù)為0，管面也不會(huì)有任何痕跡，這說(shuō)明孔型導(dǎo)致的減薄量Δt 小到可以忽略不計(jì)；反之，Δt 較大時(shí)，因管坯局部減薄而轉(zhuǎn)化的長(zhǎng)度ΔL 中勢(shì)必有部分為塑性延伸；特別是塑性延伸較多時(shí)，ΔL 中的部分縱向塑性延伸量便顯性化，最終以抖紋的形態(tài)出現(xiàn)在管面上。以成型Φ76 mm×1.0 mm 薄壁焊管為例，已知成型機(jī)組道次中心距Li為600 mm，成型區(qū)長(zhǎng)度L 為600 mm×6 mm，管坯彈性延伸極限為0.1%，則ΔL 在成型區(qū)間內(nèi)的彈性延伸極限值為3.6 mm，由公式（4）可知，管坯局部減薄量Δt≤0.001 mm；倘若減薄量Δt∧0.001 mm，那么ΔL 中除了有彈性延伸外，還有塑性延伸，在成型結(jié)束后，這部分塑性延伸只能以波浪的形態(tài)求得與管面其他部位等長(zhǎng)，管面就會(huì)出現(xiàn)魚(yú)鱗形抖紋。

魚(yú)鱗形抖紋的密集程度由孔型間隙CF 決定：CF 愈小，魚(yú)鱗形抖紋愈密集；反之，稀疏。

2.3 月牙形抖紋形成機(jī)理

月牙形抖紋，有時(shí)焊縫兩側(cè)都有，有時(shí)只在焊縫的某一側(cè)存在，其形成機(jī)理源于成型過(guò)程中管坯邊緣縱向被過(guò)度延伸。

粗成型段管坯斷面減薄規(guī)律如圖6 所示。在焊管成型過(guò)程中，根據(jù)焊管成型工藝，成型管坯邊緣軌跡長(zhǎng)度l′只是過(guò)渡性地大于成型區(qū)長(zhǎng)度L，成型結(jié)束時(shí)，l′發(fā)生彈性回復(fù)并與L 自然等長(zhǎng)，同時(shí)要求l′以下管面上所有的縱向纖維都自然等長(zhǎng)。但是，受孔型、材料、設(shè)備、工藝和操作等因素影響，成型管坯邊緣會(huì)或多或少地產(chǎn)生縱向塑性延伸Δl′；當(dāng)Δl′超過(guò)一定極限值后就不能實(shí)現(xiàn)自然等長(zhǎng)，只能被強(qiáng)制等長(zhǎng)。月牙形抖紋正是這種強(qiáng)制等長(zhǎng)的后果之一。

圖6 粗成型段管坯斷面減薄規(guī)律示意

3 抖紋識(shí)別方式

不管哪種抖紋，從形態(tài)上看都比較隱蔽，不易察覺(jué)。但是，只要加強(qiáng)質(zhì)量控制，借助專用檢測(cè)工具，輔之特殊的觸摸方法和恰當(dāng)角度的入射光線與視角，還是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)抖紋缺陷的。

（1） 光線法。將焊管表面與光線呈150°左右?jiàn)A角，視線與焊管表面呈30°～45°，一邊專注于管面，一邊慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)焊管，就能發(fā)現(xiàn)焊管表面是否存在抖紋缺陷。

（2） 觸摸法。首先擦干管面上的油和水，其次在管面上墊一層薄布，然后握住焊管并沿著焊管慢慢反復(fù)移動(dòng)，若焊管存在抖紋，就能觸摸到。在焊管與手之間墊薄布，是因?yàn)檫@樣能讓人皮膚變得“柔軟”些，使皮膚中感知靜態(tài)壓力的“默克爾細(xì)胞”更加靈敏［15］。

（3） 測(cè)量法。制作圖7 所示專用檢測(cè)臺(tái)，檢查時(shí)首先要選擇與焊管規(guī)格相應(yīng)的墊塊，將待檢焊管放入V 形口中，移動(dòng)千分表至焊管表面，確保測(cè)量桿至少有±0.02 mm 的壓縮量，然后移動(dòng)游標(biāo)，觀察千分表表針變化值，該值就是抖紋的峰谷值。

圖7 抖紋檢測(cè)臺(tái)示意

4 抖紋預(yù)防措施

（1） 換輥前對(duì)照孔型樣板檢查軋輥孔型，局部磨損量超過(guò)0.1 mm 的薄壁管用W 孔型必須進(jìn)行修復(fù)。

（2） 換輥前和生產(chǎn)過(guò)程中要注意觀察平輥孔型面，尤其是下輥孔型面，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)金屬堆疊跡象的要及時(shí)拋光修磨予以消除，同時(shí)增加抖紋缺陷的檢查頻次。

（3） 改進(jìn)軋輥冷卻方式，使下平輥也能得到充分冷卻。

（4） 在調(diào)整方面要統(tǒng)籌平輥與立輥的軋制力，要避免包括平輥或立輥在內(nèi)的某一道次軋制力過(guò)大，要均衡平輥兩側(cè)軋制力，確保焊管在機(jī)組中平順運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1） 抖紋在清晰度、紋路、出現(xiàn)部位、周期性和管種等方面具有共性，但是不同類型抖紋的表觀形態(tài)不同，形成機(jī)理差異大。①同為木紋形抖紋的實(shí)腹軋制與空腹軋制形成機(jī)理不盡相同：前者由同一軋輥孔型面上的速度差異因素和軋制力效果差異因素形成，后者除了這兩個(gè)因素外，還與非工藝因素的不同步和下輥孔型面冷卻效果不好有關(guān)。②魚(yú)鱗形抖紋由W 孔型磨損特點(diǎn)導(dǎo)致的成型管坯局部彈塑性延伸與受金屬秒流量原理制約不允許管坯局部塑性伸長(zhǎng)而“委曲求全”。③月牙形抖紋的形成機(jī)理則與“鼓包”缺陷形成機(jī)理相似，是一種隱性“鼓包”，本質(zhì)是成型管坯邊緣過(guò)度延伸。

（2） 薄壁金屬家具管上的抖紋是嚴(yán)重的表面質(zhì)量缺陷，絕不能因徒手摸不到、粗略看不到而被忽視；金屬家具管常用的表面處理方法無(wú)法掩蓋抖紋缺陷，只有進(jìn)行深度拋光，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，必須引起業(yè)者高度重視。

（3） 通過(guò)及時(shí)修復(fù)薄壁管用W 孔型，及時(shí)對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)金屬堆疊跡象的軋輥進(jìn)行拋光修復(fù)，改進(jìn)下輥冷卻方式和精確調(diào)整等，能有效預(yù)防抖紋缺陷的產(chǎn)生。

（4） 建議在修訂相關(guān)焊管標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將抖紋缺陷納入其中，并進(jìn)行定性與定量描述。