三輥斜軋機(jī)軋制外螺紋管件工藝分析

張海龍，楊曉明，陳 端

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引言

外螺紋管件主要包括絲杠、錨桿、螺旋翅片管等，這些產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山、護(hù)坡、隧道、冶金等行業(yè)。其主要生產(chǎn)方式為車削、冷滾壓、鑄鍛、模鍛等，生產(chǎn)周期長且成本較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求。隨著需求的增加，采用專用軋制設(shè)備熱軋外螺紋管件有著廣闊的前景。本文在研究外螺紋管斜軋工藝和設(shè)備的基礎(chǔ)上，分析了外螺紋管件熱軋成型的新工藝。

1 軋制外螺紋管件設(shè)備的特點(diǎn)和工藝分析

1.1 三輥軋管機(jī)的特點(diǎn)

外螺紋管件采用三輥斜軋機(jī)軋制，三輥軋管機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）可軋制各種型號(hào)的鋼材，包括碳素鋼、低合金鋼、合金鋼和軸承鋼等。

（2）所軋荒管的精度非常高，外徑公差為±0.5mm，壁厚公差為±2%。

（3）材料利用率達(dá)到80%以上，材料節(jié)約顯著。

（4）斜軋產(chǎn)品金屬流線沿產(chǎn)品軸線保持連續(xù)和軋后晶粒細(xì)化，產(chǎn)品強(qiáng)度明顯提高。

（5）由于是局部連續(xù)成形，其工作載荷小，因此設(shè)備小、投資少。

1.2 外螺紋管件的生產(chǎn)工藝流程

外螺紋管件的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。坯料經(jīng)鋸床定尺鋸料，由鏈床將坯料送入加熱爐加熱，將加熱合格的坯料進(jìn)行一次穿孔，穿孔后的荒管進(jìn)入均熱爐以達(dá)到荒管溫度均勻的目的，然后進(jìn)入三輥軋管機(jī)進(jìn)行外螺紋管件的軋制，在軋管機(jī)的出口側(cè)對(duì)管件進(jìn)行熱處理，熱處理后的管件放在冷床上冷卻，之后矯直并打包入庫。

1.3 外螺紋軋制過程中金屬變形區(qū)域劃分

外螺紋軋制過程中整個(gè)金屬變形區(qū)分為入口錐部分、減徑段部分、螺紋軋制部分，如圖2所示。入口錐部分方便坯料的咬入；減徑段能夠大幅度減小荒管的外徑；螺紋軋制部分使坯料成型。

1.4 工藝參數(shù)分析

在進(jìn)行外螺紋管軋制過程中，壓下量、送進(jìn)角及軋制溫度是最重要的工藝參數(shù)。壓下量對(duì)軋制管螺紋影響很大，當(dāng)壓下量過小時(shí)，軋件表面形成的螺紋牙高度很小，不能滿足使用要求；但壓下量過大時(shí)，由于一次減徑量過大，金屬變形量過大，變形情況復(fù)雜，容易軋方或軋卡。軋輥螺旋升角β0必須和送進(jìn)角α保持一定的關(guān)系，否則容易造成凸棱切軋件前端或后端的現(xiàn)象。溫度的影響也是顯而易見的，溫度過低，容易造成軋卡、悶車等；而溫度過高時(shí)，則會(huì)造成粘輥、軋方等情況，所以合適的軋制溫度是軋制合格產(chǎn)品的必要條件。

圖1 外螺紋管件的生產(chǎn)工藝流程

圖2 外螺紋軋制過程中金屬變形區(qū)

1.5 軋制過程運(yùn)動(dòng)分析

管坯上一點(diǎn)的速度分解如圖3所示。軋輥在任意點(diǎn)的圓周速度v為：

其中：n0為軋輥的轉(zhuǎn)速；Dk為軋輥在任一點(diǎn)的直徑。

將速度v分解為平行和垂直于軋件軸線的分速度，可得到軋輥的軸向分速度u和旋轉(zhuǎn)分速度w：

可見，由于有送進(jìn)角α，沿軋制方向的速度u不等于零，而且隨α角的增大而增加。斜軋時(shí)，在u和w的共同作用下，管坯在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還產(chǎn)生一向前的軸向運(yùn)動(dòng)，使得管坯做螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 速度分解圖

在螺旋體軋制過程中，軋件的螺旋成形速度u1不只是軋輥圓周速度在水平方向有一個(gè)分速度u帶動(dòng)軋件向前運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，還由于軋輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，因軋件和軋輥的螺旋方向相反，軋輥的螺旋孔型有一個(gè)向后推動(dòng)速度u0推動(dòng)軋件，那么軋輥與軋件就有相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)，若忽略軋件的軸向延伸及軸向滑移系數(shù)，可建立軋件的運(yùn)動(dòng)方程。軋件的螺旋成形速度u1等于軋件相對(duì)于機(jī)架的速度和軋輥螺旋推動(dòng)速度u0在軋件軸線方向上的差值，即：

由軋件的螺旋成形原理可知，軋件的螺旋成形速度u1為：

其中：n1為軋件轉(zhuǎn)速；S1為軋件的螺距。

軋輥的螺旋移動(dòng)速度u0為：

其中：S0為軋輥螺距。

在軋輥和軋件螺旋線交叉點(diǎn)中徑處軋輥與軋件為純滾動(dòng)，軋輥與軋件的旋轉(zhuǎn)線速度應(yīng)相等。即：

其中：d1為軋件的螺紋中徑。

因?yàn)镾0＝πDktanβ0，S1＝πd1tanβ1（β1為軋件的螺旋升角），整理得tanβ1－tanβ0＝tanα。由此便可得到斜軋錨桿時(shí)送進(jìn)角的調(diào)整公式。

2 軋制試驗(yàn)分析

2.1 軋制設(shè)備主要參數(shù)

軋制設(shè)備主要為Assel新型開式機(jī)架軋管機(jī)，由機(jī)械升降機(jī)及液壓系統(tǒng)作為調(diào)整機(jī)構(gòu)，由PLC實(shí)現(xiàn)壓下量和送進(jìn)角的自動(dòng)調(diào)整；前臺(tái)有推料機(jī)構(gòu)，后臺(tái)安裝夾送輥道裝置。軋制設(shè)備工藝參數(shù)如下：

軋制溫度（℃）： 820；

軋輥轉(zhuǎn)速（r/min）：120；

送進(jìn)角α（°）：4.5；

壓下量（mm）：5；

軋輥直徑（mm）：140；

螺紋牙高（mm）：1.5。

2.2 產(chǎn)品基本參數(shù)

原料為穿孔設(shè)備穿出的荒管，終軋溫度為800℃～850℃，非常適合軋制。坯料和產(chǎn)品的具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 坯料參數(shù)

表2 產(chǎn)品參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

從200根成品管中隨機(jī)抽出20根進(jìn)行檢測，外徑公差在0.3mm以內(nèi)，壁厚公差在0.2mm以內(nèi)，螺距公差小于±0.1mm，頭尾鋸切量分別為5mm。通過對(duì)錨桿產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能測試，其產(chǎn)品達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度和延伸率，不用進(jìn)行后續(xù)的熱處理即可滿足使用要求。成品錨桿如圖4所示。

圖4 成品錨桿

3 結(jié)論

通過對(duì)螺紋管軋制工藝的分析和工業(yè)試驗(yàn)研究，證明這種工藝是先進(jìn)的、可行的。開式機(jī)架換輥方便，由于PLC的介入，其壓下量、送進(jìn)角及相位角都可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且精度較高。軋制螺紋管使用的是穿孔機(jī)穿出的荒管，不用二次加熱，可降低能耗，節(jié)約成本。軋制出的螺紋管精度較高，且晶粒得到細(xì)化，產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度大大增強(qiáng)。

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