不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析

不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析 本文从焊管机座刚度 焊管机设备制造精度 以及定径量 定径道次 等因素入手 通过理论分析与仿真计算 得到设备与工艺等因素对不锈钢 焊管外径尺寸精度影响的结果 通过分析结果可以看出影响因素的主次 本文结论对提高不锈钢焊管产品质量具有一定的实用价值和指导意义 关键词 不锈钢焊管 尺寸精度 仿真 0 引 言 在仪器仪表 医疗器械 精密设备 电子电器 航空航天 薄壁供水 管线以及换热器等领域中 要求所使用的焊管具有较高的外径尺寸精度 普通焊管机组无法满足这方面的要求 本文将分析焊管设备和生产工艺因 素如何影响不锈钢焊管外径尺寸精度 1 高精度不锈钢焊管的尺寸精度要求 从 GB T 3639 2000 冷拔或冷轧精密无缝钢管 以及 ASTM A 1016 GB T 12770 2002 机械结构用不锈钢焊接钢管 等标准 看出相 关标准对高精度不锈钢焊管的外径允许偏差 表 1 和壁厚偏差 表 2 的要求 焊管内径公差主要受外径公差及壁厚公差影响 本文不讨论内径 公差的问题 表 1 相关标准对高精度不锈钢焊管外径允许偏差的要求 mm 钢管外 径 ASTM A 1016 GB T 3639 GB T 12770 13 0 10 4 30 0 10 25 0 10 13 2 5 0 13 32 40 0 15 25 4 0 0 15 0 25 40 6 3 0 30 42 50 0 20 40 5 0 0 20 55 60 0 25 50 65 0 25 63 70 0 30 76 80 0 35 65 75 0 30 63 90 0 51 75 100 0 38 表 2 相关标准对高精度不锈钢焊管壁厚偏差的要求 mm 钢管壁 厚t ASTM A1016 GB T 3639 GB T 12770 0 5 0 05 0 5 1 0 0 11 1 0 2 0 0 17 2 0 3 0 7 t 3 0 4 0 6 t 4 0 5 0 18 t 10 t 5 t 2 不锈钢焊管外径尺寸精度的影响因素分析 2 1 钢带厚度和宽度精度的影响 钢带宽度W的计算可用下式表示 1 btDW 式中 D 成品管直径 mm t 钢带厚度 mm b 补偿参数 mm 由式 1 可以得出 2 b t W D 分别对式 2 中的W及t求偏导数得出 3 1 W D 4 1 t D 由式 3 4 可以看出 钢带宽度偏差对焊管直径精度的影响为 钢带厚度偏差对焊 1 1 管直径精度的影响为 1 1 表 3 表 3 钢带厚度和宽度偏差对焊管外径尺寸精度的影响 mm 普通精度较高精度 项目 钢带偏差焊管外径公差钢带偏差焊管外径公差 钢带宽度 1 00 3180 7000 223 钢带厚度 0 040 080 0 0350 070 焊管外径 差值合计 0 3980 293 注 以 31 8 mm 2 0 mm 不锈钢焊管为例 钢带厚度偏差数据来自 GB T 3280 2007 标准 2 2 定径前焊管外径公差及定径量的影响 1 定径前的焊管外径尺寸公差 定径前焊管外径公差受钢带公差 焊接辊尺寸精度及其间隙等多种因素的叠加影响 选表 3 中的较高精度外径公差 0 293 mm 加上焊接辊跳动引起的焊管外径公差 0 420 mm 合计约为 0 71 mm 2 定径量对焊管外径尺寸精度的影响 高精度焊管的定径量应比普通焊管的稍大 定径量的确定原则是 定径量要大于定径前焊管 外径公差 足够的定径量和定道次 2 3 定径机的机座刚度及设备尺寸的影响 2 3 1 机座刚度 焊管定径机机座的弹性变形量等于机座中一系列受力零件弹性变形量的总和 1 即 5 54321 ffffff 式中 机座弹性变形量 mm f 机座立柱的弹性变形量 mm 1 f 压下螺丝的弹性变形量 mm 2 f 上下横梁的弹性变形量 mm 3 f 轧辊轴的弹性变形量 mm 4 f 其他零件 包括轴承 轴承座等 的弹性变形量 mm 5 f 焊管定径机机座的刚度系数k按下式计算 6 f P k 式中 定径轧制力 N P 机座的弹性变形量 mm f 2 3 2 定径轧制力 1 平均单位压力的计算 定径时 焊管的应力分析如图 1 所示 图 焊管定径时微单元体上应力分析图 单元体切向应力 单元体径向应力 r 一般而言 薄壁焊管中的 轴向应力 假设焊管壁厚无变化 此时单元体的0 r 0 径向变形量 当焊管的外表面压力为时 可按下式 2 计算出单元体切向应力 即 0 r c p 7 c c p t D 2 式中 平均单位压力 N c p 焊管平均直径 mm c D 焊管壁厚 mm t 按来塞斯屈服条件 3 材料开始产生塑性变形时 8 s 2 式中 材料屈服极限 304 不锈钢的 s MPa s 205 将式 8 代入式 7 中 得 9 s c c D t p 2 2 2 接触面积的计算 定径时 焊管除了塑性变形外 还存在弹性变形和弹性恢复 相应地 其塑性变形区 弹性变 形区和弹性恢复区 如图 2 所示 4 塑性区 弹性区 弹复区 图2 定径变形时弹性变形区 塑性变形区和恢复区示意图 R 轧辊半径 u2 入口前焊管半径 u1 弹性变形后焊管半径 为了计算简便 假设弹性区与弹复区的弹性变形量u u2 u1 从图 2 可看出 弹性变形区长度 为 10 dudD min 2 1 弹性恢复区长度为 11 uDmin 2 1 塑性变形区长度为 12 dD min 2 1 式中 轧辊最小底径 mm min D 定径量 mm d 根据薄壁管的力学特征 不锈钢焊管的弹性变形量u可按下式 2 计算 13 2 1 4 2 Et PD u c 式中 E 金属弹性模量 MPaE 3 10206 金属泊桑系数 不锈钢材质的 283 0 3 定径轧制力的计算 设弹性区和弹复区的单位压力为线性变化 则其平均单位压力为塑性变形区平均单位压力的一 半 故 定径时的轧制力为 P 14 ududDdDBpP cminmin 2 1 2 1 2 1 式中 孔型宽度 mm B 将 代入式mmD100 min mmd4 0 mmDc32 mmt0 2 mmB 8 31 9 14 中得 平均单位压力pc 36 24 MN 焊管弹性变形量u 0 019 mm 定径轧制力 P 5 811 N 2 3 3 定径机机座的弹性变形 1 机座立柱的弹性变形 机座立柱的弹性变形量f1可近似用虎克定律 5 来表示 即 15 1 1 1 2EF pl f 式中 机座立柱长度 mm 1l F1 机座立柱的截面积 mm2 将 代入式mml3181 2 112003040mmF NMPa PE92 466710206 3 15 中 得 mmf004 0 1200102062 3185811 3 1 增大机座刚度肯定可以提高焊管成品外径尺寸精度 因此 通过增大焊管定径机的牌坊尺寸 来提高焊管成品外径尺寸精度 将牌坊横截面尺寸改为 代入式 15 中得 2 1 16803056 mmF mmf003 0 1680102062 3185811 3 1 2 机座压下螺丝的弹性变形 机座压下螺丝的弹性变形量f2可按下式计算 16 2 2 2 2 f EF pl 式中 螺丝长度 mm 2 l F2 螺丝的有效截面积 mm2 原用压下螺丝 M16 的有效直径为截面积为代入式mm 1402 14 100 2 mml 154 2 mm 16 中得 mmf009 0 154102062 1005811 3 2 后来改用的压下螺丝 M20 的有效直径为螺丝长度为 则 代 3 17 mmmm100 2 2 235 mmF 入式 16 中得 mmf006 0 2 3 机座横梁的弹性变形 机座横梁的弹性变形量f3可按下式计算 17 3 3 3 3 EJ pl f 式中为截面惯性矩 mm4 3J 18 12 J 3 3 bh 式中 b h 分别表示横梁截面的宽 高尺寸 mm 上横梁的 代入式 17 18 中得 mmlmmhmmb72 42 42 3 mm4 5 3 3 1059 2 12 4242 J mmf041 0 1059 2 10206 725811 53 3 3 上 下横梁的 代入式 17 18 中得 mmlmmhmmb72 52 42 3 mmf021 0 3 下 因此 机架横梁的弹性变形量 mmfff062 0 333 下上 将焊管定径机机座的上横梁尺寸改为 代入式 17 mmlmmhmmb72 46 52 3 18 中得 下横梁尺寸改为 代入式 17 mmf014 0 3 上 mmlmmhmmb72 57 52 3 18 中得 因此 改造后焊管定径机机座横梁的弹性变形量为 mmf032 0 3 下 mmfff046 0 333 下上 4 轧辊轴的弹性变形 轧辊尺寸及受力分析如图 3 所示 轧辊挠度的变化将直接影响焊管尺寸 轧辊轴的弹性变形量 f4可按下式 5 计算 19 w PKf 4 其中 轧辊轴的抗弯柔度可按下式进行计算 w K 20 bggbgbjgg g w LLDLLLLLL ED K 215483232 6 1 222 4 式中 轧辊轴直径 mm g D 1 2 辊身长度 mm g L 1 2 辊颈长度 mm j L 1 2 孔型宽度 mm b L 图3轧辊轴受力图 将 代入式mmDg30 mmLg 3 82 mmLb28 mmLj 5 55 NP92 4667 19 20 中得 5 1 10284 2 w Kmmf133 0 4 将焊管定径机的轧辊轴改为 mmDg40 mmLg 3 82 mmLb28 mmLj 5 55 代入式 19 20 中得 NP92 4667 5 2 10935 9 w Kmmf042 0 4 5 设备尺寸对定径机机座弹性变形的影响 以焊管定径机为例 当定径量为 0 4 mm 时 定径机机座各零件尺寸改变后对mmmm232 定径机机座弹性变形的影响列于表 4 表 4 定径机机座各零件尺寸改变后对定径机机座弹性变形的影响 弹性变形量 mm 零件名称 改造前改造后 降低程度 影响程度 机架立柱 1 f0 0040 00325 002 30 压下螺丝 2 f0 0090 00633 334 61 机架横梁 3 f 0 0620 04625 8035 38 轧辊轴 4 f0 1330 04268 4232 30 其他 5 f 0 0700 03352 8625 38 合计f 0 2780 13053 24 注 表中 为轴承座 压下螺母等零件的弹性变形量 约为总变形量的25 54321 ffffff 5 f 从表 4 可以看出 对机座弹性变形影响最大的是机座横梁和轧辊轴尺寸 提高机座横梁尺寸和 轧辊尺寸 则可以明显减小机座的弹性变形 2 4 定径机设备制造精度的影响 定径机的设备制造精度直接影响焊管外径公差 焊管定径机改造前后的设备尺寸精度见表 5 表 5 焊管定径机改造前后的设备尺寸精度 mm 项 目改造前改造后 轧辊径向跳动 0 060 020 轧辊轴径向跳动 0 040 010 轴承精度 0 020 002 其 他 0 060 020 合 计 0 180 052 注 焊管定径机改造前采用 G 级滚动轴承 而改造后采用 D 级滚动轴承 其他影响因素包括零件之间的配合间隙等 3 定径设备尺寸对焊管外径尺寸精度影响的仿真计算 以规格 31 8 mm 2 0 mm 材质 304 的焊管生产为例 只考虑机座 轧辊轴弹性变形对焊 管外径尺寸的影响 仿真计算如下 定径后的焊管外径d为 21 k P dod 式中 do 设定外径 mm 由于设定定径值与实际定径值不同 通过多次反复计算 可得到较为精确的结果 计算框图见 图 4 焊管定径机机座改造前后的刚度对焊管外径的影响分别见表 6 输入入口管径 厚度 设定管径 计算轧制力 计算弹性变形 出口管径 是 否 图4出口管径计算流程图 结束 表 6 改造前后焊管定径机机架刚度对焊管外径的影响 mm 设定外径入口外径出口外径外径公差定径量定径 道次改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后 32 1032 10 32 61 31 90 32 61 31 9 0 32 33 31 90 32 23 3 1 90 0 700 330 280 38 32 032 00 32 33 31 90 32 23 31 9 0 32 19 31 90 32 09 3 1 90 0 250 190 140 14 31 6031 70 32 19 31 90 32 09 31 9 0 31 85 31 77 31 81 3 1 78 0 080 030 340 28 由表 6 可以看出 改造前焊管外径公差由定径前的 0 71 mm 减少到 0 08 mm 总定径量为 0 78 mm 改造后焊管外径公差由定径前的 0 71 mm 减少到 0 03 mm 总定径量为 0 80 mm 因此 增大 机座刚度可以提高焊管外径尺寸精度 根据以上分析 钢带厚度和宽度的精度只影响定径前的焊管外径精度 而在定径过程中没有多 大影响 定径道次和定径量主要根据定径前焊管外径公差来定 足够的定径道次和定径量是提高焊 管成品外径精度的基本保证 影响焊管外径精度的因素主要是定径机设备尺寸与设备制造精度 根 据表 5 和表 6 中的数据制成表 7 从中可看出定径机设备制造精度是提高焊管外径精度的关