无缝钢管穿孔知识讲座.ppt

1、穿孔理论讲座,主责单位： 主讲人：,讲课内容,一、 概述 二、 穿孔设备 三、 斜轧穿孔变形过 程 四、 斜轧穿孔运动学 五、 斜轧穿孔咬入条件 六、 孔腔形成机理 七、 斜轧穿孔时金属的变形,第3页,一、概述,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）。 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：,1.1 定义,1.2 穿孔方法,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

2、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

3、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42,一般二辊斜轧穿孔机，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

4、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.

5、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44（辊型、尺寸） 辊身： 入口锥（长L1、入口锥角1）：曳入管坯并穿孔 出口锥（长L2、入口锥角2 ）：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

6、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46） 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

7、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47） 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

8、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：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：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：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（轧辊出口锥母线与平整段母线平行2 ） D 归圆区：毛管脱离顶

9、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

10、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

11、后离开轧辊。,4.3斜轧穿孔变形区几何调整参数（图47） 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：最积极的工艺参数（图48）。 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，将轧制线调整得比机器中心线低36mm使管坯紧贴下轧板）。 4.轧辊间距Bck：两轧辊轧制带间距。 5.导板间距Lck：两导板过渡带工作面间距。 6.穿孔机孔型椭圆度系数 Lck/ Bck,7.管坯总直径压下量Dp和总压下率： DpDp Bc

12、k Dp/Dp100 8.顶头前压下量Ddq和顶头前压缩率dq： 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。 10.毛管外扩径量Dk和内扩径量dk：,工具形状及相互位置（Bck、Lck、C或y）决定变形区的形状、大小 、 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,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，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

13、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。,4.1 二辊斜轧运动参数,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方向分解，如图3-5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 和切向滑移系数 ，则管坯在该处轴向速度Vxx和切向速度Vxy为：,4.3

14、 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gx和px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（gx=0、px=0）速度来代表该截面的速度：,式中 Sx-速度系数,3.14,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

15、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

16、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

17、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

18、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420a：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x、附加横向拉应力y（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z 孔腔（图420b）,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420

19、c）：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z 、横向拉应力y，无顶头作用时轴向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43：两个阶段 图421：晶粒度证实中心塑变 图422：附加横向拉应力的产生 该理论的不足：塑性变形规律、顶头对轴向应力的影响,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

20、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； 2.1.1：中心细化 3.5.7：过渡层才细化,b/Dp0.6： 外力作用方向上为压应力 横向为拉应力y：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423） 临界压缩率li并穿孔速度，原因：变形不均匀（12）； 轧件在顶头前受

21、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：采用导板/导辊的穿孔机， 可横向变形和横向拉应力 li ,3.小的轧辊入口锥角1 ： 15： 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。 1小，可咬入所需的min，为采用小的dq创造条件 15（图425）： 1的使li 单位压缩率已6，此时利于减小不均匀变形 1过大使变形区太短，破坏过程连续性。 综合考虑仍应采用较小的1 值,4.采用主动导盘（狄舍尔穿孔机） 15：可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

22、、 穿孔速度、管坯在顶头前的反复压缩次数 故可穿连铸坯。 21：li 相同（表44） 5.顶推力穿孔：管坯尾端施加P0，可穿孔、管坯在顶头前的压缩次数、轴向压应力、 咬入所需min li ；但过大发展横向变形，形成孔腔。,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 li 7.提高管坯质量：影响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45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、