钢管穿孔工艺认识

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1、几何形状的过程 过程。我厂使用的穿孔 上下两个相对轧 的一个随动顶头对穿孔工艺的认识一、概要塑性变形一般来说就是使坯料在一定温度环境下通过专门 的模具，使 金属产生连 续顺畅的流 动使其变形以 达到要求的。穿孔 就是把圆断 面坯料穿制成 毛管的变形 机为狄舍尔 二辊斜轧穿 孔机，其 封闭孔型由 线倾斜的轧 辊，左 右两个主动导 盘以及中间 构成。工艺流程不考虑输送及工具更替，有 效工艺环节 有 ：坯料加热 高压水除 鳞热定心穿 孔吹硼 砂。坯料加热：使坯料达 到最佳可塑 温度，是整个钢 管轧制的基 础。高压水除鳞：除 去热坯料的 外氧化铁皮 ，减小穿制 的阻力。热定心：提高低塑性 钢的可塑性，

2、有效减小穿孔 时的轴向阻 力，减轻顶头耗 损。吹硼砂：除去毛 管的内表面 氧化物，为 连轧减小阻 力穿 孔中的金 属变形1. 基本变形完全是几何尺 寸的变化，是 直观的变形，与 材 料的性质无关， 而且基本变 形取决于变 形区的几何 形状。2. 附加变形指的是材料内部的变形， 是直观 看不到的 变 形，是由于 材料中内应 力所引起的 ，是增大 材料的变形 应力， 引起材料中产生 的缺陷 ，主要有扭 转变形、 纵向剪切变 形等， 这种变形会降低 产品质量并 增加能量消 耗，所以 在实际生产 中如何来减小附 加变形是很 重要的。斜轧穿孔整个过 程可以分为 三个阶段 ，即不稳定稳定 不稳定第一个不稳

3、定过程管坯前端金属逐渐充满变形区阶 段，即管坯同轧 辊开始接触（一次咬 入）到前端 金属出变形 区，这个阶段存 在一次咬入 和二次咬入 。稳定过程这是 穿孔过程主 要阶段 ，从管坯前端 金属充满变 形区到管坯尾端 金属开始离 开变形区为 止。 第二个不稳定过程为管坯尾端金属逐渐离开变形区到金 属全部离开轧辊 为止稳定过程和不稳 定过程有着 明显的差别 ，这在生 产中很 容易观察到的。如一只毛管上头尾尺寸和中间尺寸就有差 别，一般是毛管 前端直径大 ，尾端直 径小，而中 间部分是一 致的。头尾尺寸偏差 大是不稳定 过程特征之 一。造成头部直 径大的原因是：前端 金属在逐渐 充满变形区 中，金属同

4、轧辊 接触面上的摩擦 力是逐渐增 加的，到完全充满变 形区才达到 最大值，特别是当管 坯前端与顶 头相遇时，由于 受到顶头的 轴向阻力，金属向轴 向延伸受到 阻力，使得轴向 延伸变形减 小，而横向变形 增加，加 上没有外端 限制，从而 导致前端直 径大。尾端直径 小，是因 为管坯尾端 被顶头开始 穿透时，顶 头阻力明显下降 ，易于延伸 变形，同 时横向展轧 小，所以外 径小。形状，大致 为一环形变 入一个弧形 着穿孔的变 机调整）将可以认为 ，横断面是 椭圆形，到 形区。纵截面上是小 底相接的两 顶头。形过程，改变变 形区形状（决定 导致穿孔变 形过程的变 化。虽然三个过程有 所区别，但他们都

5、在 同一个变形 区内实 现的。变形 区是由轧辊 、顶头 、导盘构 成。整个 变形区为一 个较复杂的几何 中间有顶头阶段 个锥体，中间插 变形区形状决定 于工具设计和轧穿孔变形区大致 可分为四个 区段（摘文 ）I区称之为穿孔准备区。I区的主要作用是为穿孔作准 备和顺利实现二 次咬入。这个区 段的变形特 点是：由于轧辊 入口锥表面有锥 度，沿 穿孔方向前 进的管坯逐渐 在直径上受 到压缩，被压缩的部 分金属一部 分向横向流 动，其坯料波面有圆形变成椭圆 发生形变，因此 此凹陷和定心孔形，一部分金属 轴向延伸，主要 使表层金属 在坯料前端 形成一个“ 喇叭口”状 的凹陷。 保证了顶头 鼻部对准坯 料

6、的中心 ，从而可减 小毛管前端的壁 厚不均。II区称为穿孔区，该区的作用是穿孔，即由实心 坯变成 空心的毛管 ，该区的长 度为从金属 与顶头相遇开 始到顶头圆 锥带为止。这个区段变 形特点主要 是壁厚压下 ,由 于轧辊表面 与顶头表面之间距离是逐渐减小的,因此毛管壁厚是一边旋 转,一边压下 ，因此是连轧过程,这个区段的变形 参数以直径 相对压 下量来表示,直径上被压下的金 属,同样可 向横向流动 （扩径）和纵向流动（延伸）但横向变形受到导盘的阻 止作用 ,纵 向延伸变形是主 要的。导盘的作用 不仅可以限制 横向变形而 且还可 以拉 动金 属向 轴向延 伸,由于横 向变 形的 结果 ,横截面 呈

7、椭圆形。皿区称为碾轧区，该区的作用是碾轧均整、改善管壁尺寸 精度和内外表面 质量，由于 顶头母线与 轧辊母线近 似平行， 所以压下量是很 小的，主要起均 整作用。轧件横 截面在此区 段也是椭圆形， 并逐渐减小 。W区称为归圆区。该区的作用是把椭圆形的 毛管，靠旋 转的轧辊逐渐减 小直径上的 压下量到零，而 把毛管转圆，该 区长度很短 ，在这个区 变形实际上 是无顶头空心 毛管塑性弯 曲变形，变形力 也很小。变形过程中四个区段是相互联系的， 而且是同时进行 的，金属横截面 变形过程是 由圆变椭圆 再归圆的过 程、重要环 节及参数“ 孔腔” 中心疏松穿孔工艺被广泛 用于无缝钢 管的生产始 于 18

8、84 年，两 名锻工（曼内斯曼兄 弟）在生产中发 现旋转横锻出 现“孔腔” 这一重要现象。由于 高速的自转 产生离心力，同 时由于管坯 旋转使其同一部位受到轧辊的压应力和导盘的拉应力不断 转换形成的 交变应力 ，管状断面轧件在中心会形 成一个中心 疏松区域， 形成孔腔 。区域内 金属产生一个 向外的运动 趋势， 但由于内部复杂 的应力作用 达到平衡 ，并没有产 生动作或产 生局部较小破裂 现象。当有外力作 用于中心时就 打破了内部 的复杂应力平衡，使 内部金属顺 利的向外运 动，这就是穿孔 的基础。斜轧实心管坯时 ，在顶头 接触管坯前 常易出现金 属中心 破裂现象，当大 量裂口发展 成相互连接

9、 ，扩大成 片以后，金 属连续性破坏，形成 中心空洞即 孔腔。在顶头前 过早形成孔 腔，会造成大量 的内折，恶化钢管内 表面质量，甚至形成废 品，因此在穿孔 工艺中力求 避免过早形 成孔腔。影响孔腔形成的 主要因素 有：1. 变形的不均匀性（顶头 前压缩量）不均匀变形程度 主要决定于 坯料每半转 的压缩量（称为单位 压缩 量），生 产中指 顶头 前压 缩量 。顶 头前 压缩 量愈 大则变 形不均匀程度也 愈大，导致管坯中 心区的切应力 和拉应力增 加，从而容易促进孔 腔的形成。一 般用临界压缩 量来表示最 大压缩量值的限 制，压 缩量小于临 界压缩量则不 容易或不形 成孔腔。2.椭圆度的影响穿

10、孔过程中在管 坯横断面上 存在着很大 的不均匀变 形，椭圆 度愈大，则不均 匀变形也愈 大。按照 体积不变定 律可知，横 向变形愈大则纵向变形愈小，将导致管坯中心的横向拉应 力、切应力以及 反复应力增 加，加剧了 孔腔的形成 趋势3. 单位压缩次数的影响 在生产中主要指管坯从一次咬入到二次咬入过程中管坯的 旋转次数，次数 的增多就容 易形成孔腔 。4. 钢种本身塑性钢的自然塑性由 状态所决定，而 一般来说塑性低钢的化学成 分、金 属冶炼质量以 及金属组织 组织状态又 由管坯加热 温度和时间 所影响。 的金属，穿 孔性能差， 容易产生孔 腔封闭孔型我厂使用的是狄 舍尔二辊斜 轧穿孔机 ，穿孔轧制

11、 是由上 下两个相对轧线倾斜的轧辊和左右两个主动旋转导盘形成 外封闭圆，再由中间 的一个随动 顶头形成内 封闭圆，这样就 形成了一个环状 封闭孔型。封闭孔型的调整 椭圆度（包括轧辊 上压下和下 压上和 导盘）以及顶头 前压下要使金属在穿孔 过程中能连 续顺畅的流 动变形，适宜的 椭圆度是很重要的，对应不同钢级的钢种调整不同的椭圆 度，也就是我 们常说的“车 型”。高钢 级的钢种，其塑性较 低不易穿制，椭 圆度小点 ，顶头前压 下小点；低 钢级的椭圆 度稍大，顶头前 压下大点。其中需要注意的 是轧辊和导 盘速度的匹 配，不仅 要考虑 轴向前进速度，还要顾及两者对坯料产生的交变应力的匹 配，这主要

12、 是在经验数 据的基础上 多加考虑轧辊 和导盘的大 小，如果使用的轧辊 和导盘磨损 过大也就是 尺寸过小了，要 在经验数据的基础上另加调整。例如，使用的轧辊直径在1000 以下了 ，比经常使用 的要小不少 ，这时如果 还使用常用参数就可能导致 属变形中的金属 出现内折等密集 际条件允许范围 使交变应力幅度 导盘转速。具体交变应力幅 度过大 ，容易造成孔 腔从而使金 流动产生断 续、不连续，造成毛 管头部局部 的小缺陷。对此 情况，应该在轧 制节奏和实 内，放轧辊 使 接触面积减 小，减小阻 力， 减小，同时可以提 高轧辊转速或 者适当减小 情况视实际 情况而定。各 参数的调 整在车型调整完毕

13、后，一般 会因各种情 况对设备进 行相应 的微调，使轧制 更顺利进行 。坯 料温度 ：温度在整个钢管轧制过程中是 最关键的参 数，因 为它是钢管轧制 的基础。适 宜的温度代 表的是良 好的塑性， 更能 抵消部分因 为工具的自 身缺陷或 是调整不佳带来 的弊端。简 单说，良好 的温度环 境是金属连续顺 畅流动变形 的基础轧辊转速 ：由于轧辊是倾斜放置的，所以在轧辊 与坯料接触 点的速度可以分 解为轴向和 周向（垂直 于轧线 ）。 转速增大毛管前 进速度增大 ，旋转速度 也增大， 一般是在设备负荷能力范围内配合出料节奏进 行调整。需要注 意与导盘转 速配合。轧 辊角度 ：一般在 815，角度增大，

14、毛 管轴向速度 增大， 周向（旋转 方向）速 度减小 。一般节奏 快的角度 大，节奏慢 的角度小 ；高钢级角 度小，低钢级角 度大。轧辊上下 ：分为上压下和下压上，配 合导盘形成 外封闭圆， 注意椭圆度 。主要影响 壁厚，放 大则壁厚大 ，压 小则壁厚小，用 于壁厚微调 。在本工序 正常调整 范围内可考虑连 轧负荷进行 调整。导盘丝杠 ：配合轧辊形成外封闭圆，主要影响外 径，放大则 外径 大，缩 小则外 径小， 注意椭 圆度。 同样在 本工序正常前提 下，配合连 轧进行微调 。导盘转速 ：两个主动导盘在轴向起导向作 用，在轴向上产生 拉力，与轧辊同 时作用使坯 料产生交变 应力从而 产生中心疏

15、松，需要注意与 轧辊转速匹 配，以免 使金属流动不顺 畅产生缺陷 。顶 头前压下 ：顶头伸过轧制带 的长度 ，配合轧辊 导盘形成封 闭孔型，即能 影响壁厚也 能影响外径 。前伸量 大，扩径小，壁 厚减小；前 伸量小，扩 径大， 壁厚增大。三辊定心：由于顶杆 过长而且其刚度不够，在 旋转过程中 会出现抖动，如果抖 动过大则可 影响壁厚，因 此需要三辊的限 制。配合节 奏调好三辊 延时， 使顶杆抖动限制 在最小。托 辊延时 ：根据毛管的长 度，调 好托辊延 时，使 其过 V05 检测，以免带不出 ，最好 调到毛管能过脱棒前 辊，放置带不走 或者跳顶杆 。硼砂参数：硼砂量， 压力，时间三个参数根据

16、毛管内表面 积确定（通过毛管 长度和 壁厚大概估算，不必 严格计算）。可 观察尾焰和 前焰以及连 轧预穿时 是否 顶金属 液来确 定：尾 焰吹出半 米后向 上， 且尾焰旺盛，前焰 有即可 ，连轧预穿顶出金属 液为佳。调整的基本原则 是毛管几何 尺寸满足轧 管机组的要 求， 壁厚均匀且内外 表面良好。调整的方法可以 参考下表（ 表中没有涉 及到前进角 的调整）因-辊距距顶前量壁厚稍微厚减小壁厚稍微薄加壁厚太厚减小加壁厚太薄r 、, r减小外径太大加（减小）加外径太小M小（增加）M小外径稍微大减小外径稍微小加外径、壁厚都太大（增加或 减小）多增加外径、壁厚都太小（增加或 减小）多减小外径太大、壁

17、厚太小多增加（增加）外径太小、壁 厚太大多减小（减小）三 、顶头消 耗及质量 缺陷顶头是穿孔工艺 中关键工具 也是消耗最 多的工具 ，同时 也是能引发各种 质量缺陷的 工具。顶头使用的好 不仅能减少 成本消耗更能避 免质量事故 的发生。影 响顶头寿 命的因素 ：1、顶头在 穿孔过程中， 顶头承受着交变热应力、 摩擦 力及机械力的作 用，力的大 小影响顶头 的寿命。2、顶头自 身化学成分和热处 理工艺 ，热处理工艺 决定 顶头寿命。3、管坯材 质，合金含量越高 ，变形 抗力越大，顶 头寿 命越低；4、穿孔时 间和管坯长度，穿 孔时间 越长，顶头温 度越 高，顶头越容易 变形和损坏 。质 量缺陷简

18、 要内折：在钢管的内 表面上呈现直线 或螺旋、半螺旋 形 的锯齿状缺陷。产生原因：1) 管坯加热不均、温度过高或过低、 加热时间过长或 过短。 管坯：。2) 中心 疏松、偏析 ；缩孔残余严 重；非金属 夹杂物超标3) 穿孔区域：顶 头磨损严重 ；穿孔机 参数调整不 当；穿孔 辊老化等。内结疤 ：钢管内表面呈现斑疤，一般 不生根易剥 落。 产生原因：1) 石墨 润滑剂中带 有杂质。2) 管后 端铁耳，被 压入钢管内壁 。3) 硼砂过 积成块外折 ：在钢管外表面呈现螺 旋状的层状 折叠。 产生原因：1) 管坯 表面有折叠 或裂缝。2) 管坯 的皮下气孔 ，皮下夹杂 较严重。3) 管坯 表面清理不 良或有耳子 、错面等。4) 轧制过程中，钢管表面 被掀起划伤，通过轧制又被压合 到钢管的基体上 ，形成外折 等。拉凹：钢管 内表面呈现 有规律或无规律 地凹坑 且外表 面无损伤。产生原因：1) 连轧调 整不当，各 架辊轧速不 匹配。2) 管坯加 热不均匀或 温度过低。3) 轧制中 心线偏离， 钢管与连轧 后辊道碰撞 产生等