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无缝钢管穿孔知识讲座

作者:和记娱乐 发布于:2020-03-15 13:25 点击量:

  穿孔理论讲座 LSL -6σ Cp: 2.0 cpk: 1.5 USL x- +6σ 主责单位: 主讲人: 讲课内容 ? 一、 ? 二、 ? 三、 ? 四、 ? 五、 ? 六、 ? 七、 概述 穿孔设备 斜轧穿孔变形过 程 斜轧穿孔运动学 斜轧穿孔咬入条件 孔腔形成机理 斜轧穿孔时金属的变形 一、概述 1.1 定义 ? 穿孔是热轧管生产中最重要的成型工序,它的任务 是将实心的坯料穿孔成空心坯(毛管)。 1.2 穿孔方法 ? 按照穿孔机的结构和穿孔过程的变形特点,将现有 的穿孔方法归纳如下: 第3页 斜轧穿孔是靠金属的塑性变形加工来形成内孔,因而 没有金属的损耗。 各种斜轧穿孔机的形式不同是由于工具构成 变形区的方式不同,如图4-5所示,这些变化 主要从产品质量、生产能力、工具消耗等几 个方面来考虑的。 斜轧穿孔机不论轧辊形状如何,为了保证管 坯咬入和穿孔过程的实现,都由穿孔锥(轧辊入 口锥)、辗轧锥(轧辊出口锥)和轧辊轧制带 (入口锥与出口锥之间的过度部分)三部分组成 (如图4-1)。目前桶形辊应用最广泛。 ? 二辊式带导盘穿孔机的特点是: 1)生产率高,主动导盘对轧件产生轴向拉力, 导致毛管轴向速度增加。 2)由于主动导盘可以限制轧件在变形区中椭圆 度,所以有利于改善毛管质量。一是坯料中 心不易产生破裂,形成内折缺陷,二是毛管 壁厚精度较高。 3)导盘比导板有较高的耐磨性,从而减少焕工 具时间,并提高工具寿命。 带导辊轧机一般用于穿轧软而粘的有色金属。 二、斜轧穿孔设备 2.1二辊斜轧穿孔机 德国曼乃斯曼兄弟于1883年发明,1886年 用于工业生产→又称曼乃斯曼穿孔法。(目前应 用最广泛) 布置方式:两个主动轧辊相对轧制线倾斜放 置、两个导板(随动导辊)固定不动、中间的随 动顶头(轴向定位)→环形封闭孔型进行轧制。 图4-2 ? 一般二辊斜轧穿孔机,轧辊左右放置、导板上下放 置,称为卧式穿孔机。而较新一代穿孔机采用立式 ? 布置(狄舍尔)。 ? 立式(新):轧辊上下放置、导板换成主动导盘左 右放置 ? 优点: a.解决大送进角穿孔机的主传动布置 b.万向联轴节在小倾斜角下运转,工作平衡、磨损小 c.导盘可采用主动,利于穿孔,且寿命长 d.若采用导板,便于其快速更换。 2.2 穿孔机设备布置及组成 图4-3为100穿孔机设备布置图,它由以下四部分组 成: 2.2.1 主传动 它将电机输出动力传送到轧辊上。 它由主电机主联轴节、联合齿轮座等组成(图中3、 4、5) 2.2.2 穿孔机工作机座 由机座、上盖、轧辊箱、 轧辊倾角调整装置、轧辊侧压进机构、上下导板座 及上导板调整机构等组成。工作机座是使管坯产生 塑性变形,并承受全部轧制力的主要设备。(图中 7、8、14、15) 轧辊倾角调整装置,由转鼓及转鼓旋转机构所组 成。 转鼓主要起调整轧辊轴线倾角的作用,一对轧 辊安装在两个转鼓中,轧辊箱需要在转鼓的开口槽 中侧向移动(侧压进、改变轧辊间距)。有些轧机 转鼓除能旋转轧辊倾角外,还能把轧辊箱转动到垂 直位置,然后从机架上部把轧辊拖出焕辊,这样节 省时间。 ? 2.2.3 穿孔机前台 由受料槽、气动推料器和扣瓦装置等 组成。用来输送并正确的将管坯喂入穿孔机轧辊间轧制。 (图中1、2) ? 2.2.4 穿孔机后台 由顶杆小车、锁闸架、定心辊、升降 辊和翻钢钩等组成。其作用是准确的控制穿孔中心线(轧 制线),并保证顺利将毛管引出轧辊。(图中9、10、11、 12、13) 2.3 二辊斜轧穿孔机的工具 (1)轧辊 主传动外变形工具,如图4-4(辊型、尺寸) 辊身: 入口锥(长L1、入口锥角β1):曳入管坯并穿孔 出口锥(长L2、入口锥角β2 ):减壁、平整表面、 均匀壁厚、归圆 轧制带(压缩带:宽L3):过渡作用 (2)导板 固定不动的外变形工具,不仅对毛管和管坯起 导向作用,使轧制线稳定,更重要的是封闭孔型外 环、限制毛管横向变形(扩径)→控制外径。按照 金属塑性流动的最小阻力定律,如果没有导板限制 作用,毛管(特别是薄壁管)的扩经量将是很大的, 这种情况下,穿孔过程难于实现。 导板形状和尺寸如图4-5所示,通常导板的 纵断面形状与轧辊辊型相类似,分为: 入口斜面(Lb1):导入管坯 出口斜面(Lb2):导出毛管、限制扩径 过渡带(Lb3):过渡作用,厚壁管轧制可用 随动导辊代替导板。 1972年国外投产了第一台用主动导盘代替导板的 二辊立式斜轧穿孔机→狄舍尔穿孔机 (3)顶头(图4-6) 穿孔机内变形重要工具。 工作时靠顶杆支撑在变形区内轴向位置固 定不变。实践证明,管坯由实心变成空心毛 管过程中,轧件外径变化不大,而内径由零 扩大到要求值的变形主要靠顶头的穿轧锥来 完成。由于顶头担负着重要的变形任务,又 处于受热金属包围的恶劣工作条件,因此顶 头直接影响毛管质量、穿孔生产率。 ? 水冷式顶头:内水冷、外水冷 ? 非水冷式顶头:更换式、非更换式 ? 部分: 1)顶尖l0(鼻部):对准管坯定心孔→穿正; 施加轴向力→防止预先形成孔腔 2)穿孔锥l1:穿孔+减壁 3)平整段l2:其锥角=轧辊出口锥锥角β 2 ,均 整壁厚、平整内外表面 4)反锥l3:防止脱管时内划伤(更换式:平衡 作用) 三、斜轧穿孔的变形过程 4.1 穿孔变形区组成(图4-7) 轧辊+导板+顶头→横断面呈椭环形、纵断面是小底相 接的两个锥体形 按在穿孔过程中作用分类:穿孔准备区、穿孔区、平整 区(辗轧区)、归圆区(转圆区)。 back A、穿孔准备区Ⅰ:管坯开始接触轧辊→管坯 在轧辊摩擦力带动下螺旋运动进入变形区→管 坯前端与顶头鼻部相遇之间的区域。 作用: a.实现一次咬入;b.克服顶头阻力,实现二 次咬入(积累足够大的剩余摩擦力);c.使管 坯形成利于顶头切入的特殊应力状态;d.使管 坯前端形成漏斗状的凹穴,便于顶头对中定心。 ?B 穿孔区Ⅱ:顶头鼻部和穿孔锥部分的区域: 管坯穿孔、毛管减壁。穿孔变形主要在此区 域内完成。工作条件最恶劣。 ?C 平整区Ⅲ:顶头平整段所对应的变形区部 分:平整毛管内外表面、均匀毛管壁厚(轧 辊出口锥母线 ) ?D 归圆区Ⅳ:毛管脱离顶头后仅与轧辊接触 的部分:将椭圆形断面毛管螺旋加工成圆形。 4.2 斜轧穿孔过程 轧制过程是一个独特的连轧过程,管坯-毛管咬入后,由轧辊带动获得螺旋运动,一边 旋转一边前进,经受穿孔准备、二次咬入及穿 孔、毛管减壁、平整内外表面和均匀壁厚、归 圆等轧制变形,而获得要求尺寸的毛管。 ?三个阶段: ? 第一个不稳定过程:管坯接触轧辊始→前端 金属穿出变形区; ? 稳定过程:主要阶段,管坯前端充满变形区 →尾端离开变形区; ? 第二个不稳定过程:管坯尾端开始离开变形 区→完全离开轧辊。 稳定过程与不稳定过程有明显的区别,如一根毛管的头、 中、尾尺寸不同,一般是毛管毛管前端直径大、尾端直径 小,而中部尺寸一致→轴向阻力相关。 其原因是穿孔过程逐步建立,而顶头的轴向阻力逐渐增加, 金属纵向延伸受阻,延伸变形减小,(最小阻力定律)而 使横向变形(扩经)增加,加上无变形外区金属的限制, 结果前端直径大。尾部直径小的原因是管坯尾部被顶透时, 顶头轴向阻力显著减小,使延伸变形容易,同时横向辗轧 小,所以尾端直径小。另外生产中常见的前卡、后卡现象 也是不稳定过程的特征之一。 为了使穿孔时能顺利咬入管坯和顺利抛出毛管, 在进行工具设计和轧机调整时,要保证: (1)管坯在穿孔准备区内不与导板接触,或者至 少管坯先与轧辊接触形成一定的的变形区长度 (约30--70mm)后再与导板接触,以保证二次咬 入的实现。 (2)毛管离开变形区的程序为毛管先脱离顶头, 再脱离导板,最后离开轧辊。 4.3斜轧穿孔变形区几何调整参数(图4-7) 1.轧制线:穿孔机顶杆的轴线/管坯-毛管中心运 行轨迹 →可通过调整定心辊来实现。 2.送进角/前进角α:最积极的工艺参数(图4- 8)。 ? 卧式:轧辊轴线与轧制线在垂直平面上投影的 夹角 ? 立式:轧辊轴线与轧制线在水平面上投影的夹 角 3.机器中心线:穿孔机中心线(有的机组为使穿 孔稳定,以及考虑到下导板更换方便等因素, 7.管坯总直径压下量△Dp和总压下率ε: △Dp=Dp- Bck ε= △Dp/Dp×100% 8.顶头前压下量△Ddq和顶头前压缩率εdq: 9.顶头前伸量C和顶杆位置y: C-顶头鼻部伸出轧辊轧制带中线的距离,为正 值; y-顶头后端面与轧辊后端面之间距 ?调整y来保证需要的C值。 ?工具形状及相互位置(Bck、Lck、α、C或y)→ 决定变形区的形状、大小 ?ε、 △Dp、 △Ddq等:实现穿孔、计算穿孔机调 整参数时所需的变形量。 四、斜轧穿孔运动学 4.1 二辊斜轧运动参数 斜轧穿孔机的轧辊同向旋转,且轧辊轴线相 对于轧制线倾斜前进角α,当管坯送入轧辊间, 靠金属与轧辊间的摩擦力作用,带动管坯--毛管 反向转动,同时由于前进角α的存在,因此管坯-毛管在旋转的同时向其轴向移动。变形区中管坯 --毛管表面上每点都是螺旋运动,这是斜轧过程 的运动学条件。 back 表示螺旋运动的基本参数有切向速度 Vy ,轴向速 度 Vx 和轧件每1 /n旋转前进的距离Zx(单位螺距 或1/n螺距、n为轧辊数目)。 4.2轧制带处速度分析 轧制带处轧辊圆周线速度V为: 将V沿轧制线和垂直轧制线得轴 向分量Vx和切向分量Vy分别为: 前进动力 旋转动力 显然轧辊的Vx和Vy将传给管坯,带动管坯前进和旋转。 由于实际上金属和轧辊接触面间的相对滑动,两者存在 差异。因此引进表示两者速度的轴向滑移系数 ?和xx切 向滑移系数 Vxy为: ,?x则y 管坯在该处轴向速度Vxx和切向速度 4.3 变形区内任一点运动参数 研究变形区任一点金属的速度要复杂些,因为 还有复杂的几何关系的影响,即管坯与轧辊接触角 影响(图3.6)。变形区内任一点x金属的两 个速度的近似解为: 3-10 3-11 3-12 3-13 则任一点金属的速度为: 由于接触点的ωgx和ωpx变化的,因此在分析变形区速度关系 时,通常以管离开轧辊的接触点(ωgx=0、ωpx=0)速度来代表 该截面的速度: 3.14 式中 Sx-----------速度系数 变形区内任一截面上管坯------毛管转速npx 为: ? 在变形区内管坯---毛管每转1/n转的半径压下量 (又称为单位压下量),由图3.7按下式确定 4.4 毛管出口截面处的运动参数 实际生产中,确定毛管离开轧辊处得出口速度很重要。将毛 管出口截面处得有关数值代入式3-12、3-13、3-15和式3-16得: 4.5 变形区内任一截面运动参数确定 五、斜轧穿孔的咬入条件 5.1 一次咬入条件 第53页 第54页 第55页 5.2 二次咬入条件 六、 孔腔形成机理 6.1 曼氏效应 6.1.1 二辊斜轧时的应力与曼氏效应分析 二辊系统的斜轧穿孔,其轧辊形状由最初的曼氏孔型,逐渐演 变为桶形、盘形和锥形。为限制金属从辊缝挤出(横向流动),引 导金属向纵向延伸,在辊缝处安装了导板或导盘。 前面已指出,无论采用何种形状的轧辊,斜轧穿孔变形区都是 由以轧辊为分界的入口和出口两个反向锥和内部变形工具-----顶 头组成的。斜轧穿孔工艺的实质是管坯被倾斜布置的轧辊一次咬入, 然后旋转前进到与顶头接触的二次咬入。在该过程中,管坯的径向 受到反复压缩和扩张,管坯心部则受到反复拉压和剪切,导致在顶 头前端的金属形成孔腔,即所谓的曼氏效应。 关于曼氏效应最初的基础研究工作是1927年发表的。指出曼 氏裂纹是由于管坯中心在剪切力的反复作用下产生的一种韧性断 裂,也就是所谓的“切应力理论”。该理论认为,二辊穿孔时, 当管坯每转一周,顶头前斜轧区中的金属,在直径方向受到两次 横向压缩,产生了一个从外表面到中心的垂直压缩应力 和一个从管坯圆周上为零变到管坯中心为最大值得拉伸应力 。随着外加负荷的增加,应力差 也增大,因此在管坯中心与外力成45度的方向上产生很大的 切应力,当达到剪切屈服极限时便产生塑性变形,当超过剪切 强度极限时,便引起破裂而产生孔腔。 6.2 孔腔形成理论 孔腔是指旋转横鍛、横轧和斜轧实心工件时产生的纵向内撕裂 (图4-19),也称旋转横鍛效应,工件中心产生的纵向撕裂称为中 心孔腔,工件中呈环状的纵向撕裂称为环形孔腔。二辊斜轧、横 轧和横锻时产生的多为中心孔腔,三辊斜轧时产生的多为环形孔 腔。 孔腔的形成(或内撕裂)与金属的应力-应变状态有关。因此要 掌握孔腔形成机理必须研究实心管坯斜轧时的应力-应变状态。在 这方面,国内外学者进行了长期大量的研究工作。但由于斜轧过 程较复杂,往往用一般轧制理论和旋转横鍛效应还不能说明这一 过程本质。因此尚无统一认识,一般归纳起来有三种观点: 1)切应力理论:管坯中心受交变剪应力作用,属于 韧性断裂。二三十年代,德国的E.Siebel(图4-20a: 横轧工件中心应力状态),欧美各国。 2)正应力理论:中心金属拉应力的作用,属脆性 断裂。 四十年代前苏联,B.C.Cmnphob的三向拉应力理论 →外作用力为集中载荷,故塑变只集中在管坯表层, 中心为发生弹变的弹性核:附加轴向拉应力σx、附 加横向拉应力σy(以残余应力形式保留)→使中心 在外压力作用下产生很大的拉压力σz → 孔腔(图4 -20b) ? 不足:外压力下产生拉应力(不符实际) 直径压缩率达10%时中心仍不塑变(不符 实际) 未考虑高温残余应力的消失 3)综合应力理论(图4-20c):管坯中心受交变 切应力+大的横向拉应力综合作用的结果。 a.开始单位压下量小,只表层塑变→ 向中心深入, 也产生大的塑变,但不均匀。(塑变:表层>中 心) b.外压力作用产生的压应力σ z 、横向拉应力σ y, 无顶头作用时轴向σ x为拉应力、有顶头时可能 为压应力。 c.交变切应力→金属滑移塑变→微裂纹 ↓横向拉应力作用 扩展成裂缝 ↓ 裂缝进一步扩大、相互连接成孔腔 ? 中心金属韧性-脆性断裂的过程。表4-3:两个 阶段 ? 图4-21:晶粒度证实中心塑变 ? 图4-22:附加横向拉应力的产生 1.剪应力→塑变→微裂纹→拉应力作用下扩大→未 相接的裂缝→中心金属“疏松”(可压合) 2.裂纹在大横向拉应力作用下→继续扩大、互相连 接→孔腔(不可焊合) ?切应力:必要条件;拉应力:充分条件 1.首先:外层晶粒细化,中心及过渡层晶粒不变; 2.ε =1.1%:中心细化 3.ε=5.7%:过渡层才细化 b/Dp≤0.6: ?外力作用方向上为压应力 ?横向为拉应力σy:瞬时接触变形区塑变时,强迫两侧非 接触区横向移动,对中心产生很大的附加横向拉应力。 防止过早产生孔腔的措施 ? 改变斜轧穿孔的应力状态条件→例如PPM推 扎穿孔 ? 二辊斜轧穿孔机:不均匀变形↓、限制金属 横向变形、发展纵向变形、 ↓穿孔区准备内 的被压缩次数、管坯质量↑ ? 主要措施如下: 1.大送进角(15 -17°图4-23)→ ↑临界压 缩率ε li并↑穿孔速度,原因:变形不均匀↓ (α >12°); ↓轧件在顶头前受反复应力 的循环次数,使不均匀变形引起的拉应力↓。 2.小的孔型椭圆度系数ξ:采用导板/导辊的穿孔 3.小的轧辊入口锥角β 1 : ?α <15°: ? β 1的↑,单位压缩率<6%,不利于变形的均匀 化,反而使单位压缩率增加横向拉应力的趋势增 大。一般单位压缩率<3.8%。 ? β 1小,可↓咬入所需的ε min,为采用小的ε 创 dq 造条件 ?α ≥15°(图4-25): ? β 1的↑使ε li ↑→单位压缩率已>6%,此时利 于减小不均匀变形 ? β 1过大使变形区太短,破坏过程连续性。 4.采用主动导盘(狄舍尔穿孔机) ? α <15°:可ε li ↑,因为: a.导盘压缩直径,拉应力↓ b.导盘抑制椭圆度,利于金属纵向变形 c.轴向滑移系数↑、 穿孔速度↑、管坯在顶头前 的反复压缩次数↓ ?故可穿连铸坯。 ? α >21°:ε li 相同(表4-4) 5.顶推力穿孔:管坯尾端施加P0,可穿孔η ↑、 管坯在顶头前的压缩次数↓、轴向压应力↑、 ↓咬入所需ε min→ ε li ↑;但过大发展横向变 6.采用主动顶杆与轧辊辊面压花:轴向滑动系数↑, 发展 纵向变形→ ε li ↑ 7.提高管坯质量:影响ε li。电渣重熔比普通电炉冶 炼高。 七、斜轧穿孔时金属的变形 和其他轧制方法一样,斜轧穿孔时也有两种变形。 一种是基本变形,它是需要的变形,故称有用变形; 另一种是附加变形,它是有害的,故又称无用变形。 7.1 基本变形 由实心坯穿轧成空心毛管时轧件几何形状和尺寸的变化, 是直观的变形。与变形区的几何形状尺寸(工具形状尺寸和轧 机调整)有关,与轧件材质无关。由实心坯穿轧毛管时的基本 变形量如图4-26和表4-5所示,如求变形区某截面的基本变形 量,则将有关公式中的毛管尺寸改为该截面的有关尺寸即可。 7.2 附加变形 ? 定义:由于变形不均在金属内部产生,质量↓、 能耗↑,应尽量减小。 ? 有:扭转变形、纵向剪切变形、横向剪切变形、 管壁塑性弯曲变形等。 1、扭转变形 ? 变形区中,管坯-毛管各截面间产生的相对角 位移:纵向裂纹穿孔后变为螺旋形的外折叠。 ? 原因:各截面角速度不一致:轧辊轧制带处轧 件转速快,变形出入口区转速最小→先正向扭 转,再反向 ? 影响: ε ↑、壁薄、轧件刚度↓(转速差不易 被辊件间的相对切向滑动抵消)、横向变形↑ 观察截面相对于原始位置的转角Φ /表面扭转螺旋线 的倾角 :只反映结果,不反映过程。 2、纵向剪切变形(图4-28): ? 毛管管壁内外层金属沿纵向产生附加的相互 剪切→外层流动快于内层,外层拉内层,内 层阻滞外层。 ? 表示:β -管壁金属纤维某点的切线与管壁 垂线(纤维的原始位置)的夹角(平均倾斜 度) ? 产生原因:顶头轴向阻力 辊带动外层纵向流动,顶头阻碍内层纵向流 动→各层流动差→相互剪切变形、附加剪切 应力 ? 影响:低塑性合金管的横裂缺陷 3 横(切)向剪切变形(图4-29) ? 定义:毛管管壁内外层金属沿切向产生附加的相 互剪切变形。 ? 表示:γ -0.5壁厚处某纤维的切线与径向线之 间夹角 ? 原因: a.穿孔准备区:外层切向流动角速度>内层→金属 纤维歪扭 b.顶头轧制区:内外层金属变形都大,切向角速度 >过渡层→金属纤维弯曲成C形 ? 影响:纵裂、折迭、分层(离内外表面1/5Sm处) (厚壁管分层出现在内层附近:变形在内表面) ? 措施:见表:顶头阻力↓、横向变形↓。 4 管壁反复塑性弯曲: ? 定义:孔型、毛管的椭圆度使毛管每旋转一 转将产生2n次反复塑性弯曲。 ? 管壁愈厚,弯曲变形阻力愈大,弯曲应力愈 大→内表面出现裂纹或折迭 ? 措施:小的孔型椭圆度系数ξ 、加大送进角α、 改进工具设计来→↓毛管在Smx/Dmx≥0.22- 0.35(较严重)区间的受压缩次数。

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