工艺技术穿孔工艺认识0001

1、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 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

2、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

3、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，即不稳定一稳定 不稳定第一个不稳定过程一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。稳定过程一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。第二个不稳定过程一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

4、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

5、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 小毛管前端的壁厚不均。H区称为穿孔区，该

6、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

7、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 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

8、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

9、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

10、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

11、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（ 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

12、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

13、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 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

14、 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 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

15、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 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。顶头前压下三辊定心：托辊延时：硼砂参数：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。由于顶杆过

16、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。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

17、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）5天距距顶前量壁厚稍微厚减小一一壁厚稍微薄一一壁厚太厚减小一增加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

18、。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