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对穿孔工艺认识

一、概要

塑性变形通常来说就是使坯料在一定温度环境下经过专门模具，使金属产生连续顺畅流动使其变形以达成要求几何形状过程。穿孔就是把圆断面坯料穿制成毛管变形过程。
我厂使用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轧辊，左右两个主动导盘和中间一个随动顶头组成。

工艺步骤

不考虑输送及工具更替，有效工艺步骤有 ：
坯料加热—高压水除鳞—热定心—穿孔—吹硼砂。

坯料加热：使坯料达成最好可塑温度，是整个钢管轧制基础。

高压水除鳞：除去热坯料外氧化铁皮，减小穿制阻力。

热定心：提升低塑性钢可塑性，有效减小穿孔时轴向阻力，减轻顶头耗损。

吹硼砂：除去毛管内表面氧化物，为连轧减小阻力

穿孔中金属变形
1.基础变形完全是几何尺寸改变，是直观变形，和材料性质无关，而且基础变形取决于变形区几何形状。

2.附加变形指是材料内部变形，是直观看不到变形，是因为材料中内应力所引发，是增大材料变形应力，引发材料中产生缺点，关键有扭转变形、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，所以在实际生产中怎样来减小附加变形是很关键。

斜轧穿孔整个过程能够分为三个阶段，即不稳定—稳定—不稳定

第一个不稳定过程—管坯前端金属逐步充满变形区阶段，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—这是穿孔过程关键阶段，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—为管坯尾端金属逐步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显著差异，这在生产中很轻易观察到。如一只毛管上头尾尺寸和中间尺寸就有差异，通常是毛管前端直径大，尾端直径小，而中间部分是一致。头尾尺寸偏差大是不稳定过程特征之一。造成头部直径大原因是：前端金属在逐步充满变形区中，金属同轧辊接触面上摩擦力是逐步增加，到完全充满变形区才达成最大值，尤其是当管坯前端和顶头相遇时，因为受到顶头轴向阻力，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，从而造成前端直径大。尾端直径小，是因为管坯尾端被顶头开始穿透时，顶头阻力显著下降，易于延伸变形，同时横向展轧小，因另外径小。

即使三个过程有所区分，但她们全部在同一个变形区内实现。变形区是由轧辊、顶头、导盘组成。整个变形区为一个较复杂几何形状，大致能够认为，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两个锥体，中间插入一个弧形顶头。
变形区形状决定着穿孔变形过程，改变变形区形状（决定于工具设计和轧机调整）将造成穿孔变形过程改变。

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区关键作用是为穿孔作准备和顺利实现二次咬入。这个区段变形特点是：因为轧辊入口锥表面有锥度，沿穿孔方向前进管坯逐步在直径上受到压缩，被压缩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，关键使表层金属发生形变，所以在坯料前端形成一个“喇叭口”状凹陷。此凹陷和定心孔确保了顶头鼻部对准坯料中心，从而可减小毛管前端壁厚不均。

Ⅱ区称为穿孔区，该区作用是穿孔，即由实心坯变成空心毛管，该区长度为从金属和顶头相遇开始到顶头圆锥带为止。这个区段变形特点关键是壁厚压下,因为轧辊表面和顶头表面之间距离是逐步减小,所以毛管壁厚是一边旋转,一边压下，所以是连轧过程,这个区段变形参数以直径相对压下量来表示,直径上被压下金属,一样可向横向流动(扩径)和纵向流动(延伸)但横向变形受到导盘阻止作用,纵向延伸变形是关键。导盘作用不仅能够限制横向变形而且还能够拉动金属向轴向延伸,因为横向变形结果,横截面呈椭圆形。

Ⅲ区称为碾轧区,该区作用是碾轧均整、改善管壁尺寸精度和内外表面质量，因为顶头母线和轧辊母线近似平行，所以压下量是很小，关键起均整作用。轧件横截面在此区段也是椭圆形，并逐步减小。

Ⅳ区称为归圆区。该区作用是把椭圆形毛管，靠旋转轧辊逐步减小直径上压下量到零，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络，而且是同时进行，金属横截面变形过程是由圆变椭圆再归圆过程

二、关键步骤及参数

“孔腔”—中心疏松

穿孔工艺被广泛用于无缝钢管生产始于1884年，两名锻工（曼内斯曼弟兄）在生产中发觉旋转横锻出现“孔腔”这一关键现象。因为高速自转产生离心力，同时因为管坯旋转使其同一部位受到轧辊压应力和导盘拉应力不停转换形成交变应力，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运动趋势，但因为内部复杂应力作用达成平衡，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复杂应力平衡，使内部金属顺利向外运动，这就是穿孔基础。

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，会造成大量内折，恶化钢管内表面质量，甚至形成废品，所以在穿孔工艺中努力争取避免过早形成孔腔。

影响孔腔形成关键原因有：

1.变形不均匀性（顶头前压缩量）
不均匀变形程度关键决定于坯料每半转压缩量（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，造成管坯中心区切应力和拉应力增加，从而轻易促进孔腔形成。通常见临界压缩量来表示最大压缩量值限制，压缩量小于临界压缩量则不轻易或不形成孔腔。

2.椭圆度影响
穿孔过程中在管坯横断面上存在着很大不均匀变形，椭圆度愈大，则不均匀变形也愈大。根据体积不变定律可知，横向变形愈大则纵向变形愈小，将造成管坯中心横向拉应力、切应力和反复应力增加，加剧了孔腔形成趋势

3.单位压缩次数影响
在生产中关键指管坯从一次咬入到二次咬入过程中管坯旋转次数，次数增多就轻易形成孔腔。

4.钢种本身塑性
钢自然塑性由钢化学成份、金属冶炼质量和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。通常来说塑性低金属，穿孔性能差，轻易产生孔腔

封闭孔型

我厂使用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轧辊和左右两个主动旋转导盘形成外封闭圆，再由中间一个随动顶头形成内封闭圆，这么就形成了一个环状封闭孔型。

封闭孔型调整—椭圆度（包含轧辊上压下和下压上和导盘）和顶头前压下

要使金属在穿孔过程中能连续顺畅流动变形，适宜椭圆度是很关键，对应不一样钢级钢种调整不一样椭圆度，也就是我们常说“车型”。高钢级钢种，其塑性较低不易穿制，椭圆度小点，顶头前压下小点；低钢级椭圆度稍大，顶头前压下大点。

其中需要注意是轧辊和导盘速度匹配，不仅要考虑轴向前进速度，还要顾及二者对坯料产生交变应力匹配，这关键是在经验数据基础上多加考虑轧辊和导盘大小，假如使用轧辊和导盘磨损过大也就是尺寸过小了，要在经验数据基础上另加调整。比如，使用轧辊直径在1000以下了，比常常使用要小不少，这时假如还使用常见参数就可能造成交变应力幅度过大，轻易造成孔腔从而使金属变形中金属流动产生断续、不连续，造成毛管头部局部出现内折等密集小缺点。对此情况，应该在轧制节奏和实际条件许可范围内，放轧辊—使接触面积减小，减小阻力，使交变应力幅度减小，同时能够提升轧辊转速或合适减小导盘转速。具体情况视实际情况而定。

各参数调整

在车型调整完成后，通常会因多种情况对设备进行对应微调，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参数，因为它是钢管轧制基础。适宜温度代表是良好塑性，更能抵消部分因为工具本身缺点或是调整不佳带来弊端。简单说，良好温度环境是金属连续顺畅流动变形基础

轧辊转速：因为轧辊是倾斜放置，所以在轧辊和坯料接触点速度能够分解为轴向和周向（垂直于轧线）。转速增大毛管前进速度增大，旋转速度也增大，通常是在设备负荷能力范围内配合出料节奏进行调整。需要注意和导盘转速配合。

轧辊角度：通常在8—15°，角度增大，毛管轴向速度增大，周向（旋转方向）速度减小。通常节奏快角度大，节奏慢角度小；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。关键影响壁厚，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，关键影响外径，放大则外径大，缩小则外径小，注意椭圆度。一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，和轧辊同时作用使坯料产生交变应力从而产生中心疏松，需要注意和轧辊转速匹配，以免使金属流动不顺畅产生缺点。

顶头前压下：顶头伸过轧制带长度，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：因为顶杆过长而且其刚度不够，在旋转过程中会出现抖动，假如抖动过大则可影响壁厚，所以需要三辊限制。配合节奏调好三辊延时，使顶杆抖动限制在最小。

托辊延时：依据毛管长度，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，放置带不走或跳顶杆。

硼砂参数：硼砂量，压力，时间三个参数依据毛管内表面积确定（经过毛管长度和壁厚大约估算，无须严格计算）。可观察尾焰和前焰和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。

调整基础标准是毛管几何尺寸满足轧管机组要求，壁厚均匀且内外表面良好。
调整方法能够参考下表（表中没有包含到前进角调整）

原 因
辊 距
导 距
顶 前 量
壁厚稍微厚
减小
－
－
壁厚稍微薄
增加
－
－
壁厚太厚
减小
－
增加
壁厚太薄
增加
－
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
－
减小
－
外径稍微小
－
增加
－
外径、壁厚全部太大
－（增加或减小）
－
多增加
外径、壁厚全部太小
－（增加或减小）
－
多减小
外径太大、壁厚太小
多增加
－
（增加）
外径太小、壁厚太大
多减小
－
（减小）

三、顶头消耗及质量缺点

顶头是穿孔工艺中关键工具也是消耗最多工具，同时也是能引发多种质量缺点工具。顶头使用好不仅能降低成本消耗更能避免质量事故发生。

影响顶头寿命原因：

1、顶头在穿孔过程中，顶头承受着交变热应力、摩擦力及机械力作用，力大小影响顶头寿命。
2、顶头本身化学成份和热处理工艺，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，顶头越轻易变形和损坏。

质量缺点简明

内折：在钢管内表面上展现直线或螺旋、半螺旋形锯齿状缺点。
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；穿孔机参数调整不妥；穿孔辊老化等。
。
内结疤：钢管内表面展现斑疤，通常不生根易剥落。
产生原因：
1) 石墨润滑剂中带有杂质。
2) 管后端铁耳，被压入钢管内壁。
3） 硼砂过积成块

外折：在钢管外表面展现螺旋状层状折叠。
产生原因：
1) 管坯表面有折叠或裂缝。
2) 管坯皮下气孔，皮下夹杂较严重。
3) 管坯表面清理不良或有耳子、错面等。
4) 轧制过程中，钢管表面被掀起划伤，经过轧制又被压合到钢管基体上，形成外折等。

拉凹：钢管内表面展现有规律或无规律地凹坑且外表面无损伤。

产生原因：
1）连轧调整不妥，各架辊轧速不匹配。
2）管坯加热不均匀或温度过低。
3）轧制中心线偏离，钢管和连轧后辊道碰撞产生等

孙健
轧管热轧穿孔
.03.13