穿孔工艺认识.doc

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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经过专门的模具, 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, 因此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, 因另外径小。

虽然三个过程有所区别, 但她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。

Ⅱ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,纵向延伸变形是主要的。导盘的作用不但能够限制横向变形而且还能够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。

Ⅲ区称为碾轧区,该区的作用是碾轧均整、 改进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, 因此压下量是很小的, 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。

Ⅳ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

二、 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。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应力、 切应力以及重复应力增加, 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( 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, 不但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, 这时如果还使用常见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, 同时能够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: 由于轧辊是倾斜放置的, 因此在轧辊与坯料接触点的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, 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: 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( 经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。
调整的方法能够参考下表( 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
－
－
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、 壁厚都太大
－( 增加或减小)
－
多增加
外径、 壁厚都太小
－( 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。顶头使用的好不但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, 被压入钢管内壁。
3) 硼砂过积成块

外折: 在钢管外表面呈现螺旋状的层状折叠。
产生原因:
1) 管坯表面有折叠或裂缝。
2) 管坯的皮下气孔, 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的基体上, 形成外折等。

拉凹: 钢管内表面呈现有规律或无规律地凹坑且外表面无损伤。

产生原因:
1) 连轧调整不当, 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, 钢管与连轧后辊道碰撞产生等

孙健
轧管热轧穿孔
.03.13