钢管穿孔工艺认识

1、对穿孔工艺的认识、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 几何形状的过程。穿孔就是把圆断面坯料穿制成毛管的变形 过程。我厂使用的穿孔机为狄舍尔二辊斜轧穿孔机，其封闭孔型由 上下两个相对轧线倾斜的轧辊，左右两个主动导盘以及中间 的一个随动顶头构成。工艺流程 不考虑输送及工具更替，有效工艺环节有：坯料加热一高压水除鳞一热定心一穿孔一吹硼砂坯料加热：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，有效减小穿孔时的轴向阻 力，减轻顶头耗损。吹硼砂：除去

2、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

3、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

4、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 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

5、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。虽 然三个 过 程有所 区 别，但 他们都 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 形状，大 致 可以认 为，横 断 面是 椭 圆 形，到 中 间有 顶头阶 段 为一环 形 变形区。纵 截 面上 是小 底相接 的两 个锥体，中间插入一个弧形顶头。变 形区 形状决 定 着穿孔 的 变形过程 ，改 变 变 形区形 状（ 决 定 于工具设计和轧机调整）将导致穿孔变形过程的变化。穿孔变形区

6、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 形，一 部 分 金属 轴 向延伸 ，主 要 使表层 金 属 发 生形 变，因 此 在坯料 前 端形成一 个“喇 叭 口” 状 的 凹陷 。 此 凹陷 和定心 孔 保证了 顶 头鼻部对 准 坯料 的 中心 ，从 而 可 减 小 毛管 前端的 壁

7、 厚不均 。H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

8、 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

9、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 1884 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。

10、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，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

11、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 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

12、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 钢的化 学 成分、金 属冶 炼质 量以 及金属 组织 状态所决定，而组织状态又由管坯加热温度和时间所影响。 一般来说塑性低的金属，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

13、（ 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 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

14、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 交变应 力 幅度过大 ，容 易造 成孔 腔从而 使金 属 变形 中的金 属 流动产 生 断续、不 连续，造 成毛管头部 局 部 出 现 内 折 等 密 集 的 小 缺 陷 。对 此 情 况 ，应 该 在 轧 制 节 奏 和 实 际条件允许范围内，放轧辊使接触面积减小，减小阻力， 使 交变 应力幅 度 减小，同 时可 以提 高轧 辊转 速或 者适当 减小 导盘转速。具体情况视实际情况而定。各参数的调整在 车型调

15、整 完毕后 ，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

16、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 8 15，角 度增大，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

17、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 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

18、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）原因辊距导距顶前量壁厚稍微厚减小一一壁厚稍微薄增加一一壁厚太厚减小一增加1壁厚太薄增加一减小外径太大增加（减小）增加外径太小减小（增加）减小外径稍微大一减小一外径稍微小一增加一外径、壁厚都 太大（增加或 减小）一多增加外径、壁厚都 太小（增加或 减小）一多减小外径太大、壁 厚太小多增加一（增加）外径太小、壁 厚太大多减小一（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