基于三維建模方式優(yōu)化Assel機(jī)組輥型設(shè)計(jì)

鄭　臻，劉廣華，王國富，許才斌，許　東，霍　建，蘇鄭卿

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213000；2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇常州213200）

?

基于三維建模方式優(yōu)化Assel機(jī)組輥型設(shè)計(jì)

鄭臻1，劉廣華2，王國富2，許才斌1，許東2，霍建2，蘇鄭卿2

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213000；2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇常州213200）

摘要：采用三維建模的方式對穿孔輥輾軋帶的均壁過程和Assel軋管機(jī)輥型減壁段、輾軋帶進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；并通過生產(chǎn)實(shí)踐，確定最佳孔型參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：以2.2°為最佳穿孔出口錐角，通過將Assel軋管機(jī)輥型減壁段修改為多段線方案，輾軋帶優(yōu)化為雙曲線設(shè)計(jì)，并調(diào)整軋管機(jī)出口錐角到1.5°；可有效地提高穿孔與軋管工序的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量，降低內(nèi)螺紋的深度，使Φ219 mm×8 mm薄壁蓄能器管達(dá)到了±8%壁厚精度的質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：Assel機(jī)組；蓄能器管；中直徑薄壁；高精度管；三維建模；輥型設(shè)計(jì)；壁厚精度

鄭臻（1981-），男，工程師，主任工程師，長期從事高壓鍋爐管、油井管的生產(chǎn)工藝研究和質(zhì)量控制等工作。

蓄能器是高壓容器中的一種，液壓系統(tǒng)中的蓄能器主要用于吸收液流振動(dòng)，增加系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，通常有彈簧式、活塞式、皮囊式等幾種類型［1-2］。

高壓容器采用無縫鋼管，較結(jié)構(gòu)管、流體管有更嚴(yán)格的特殊要求，主要表現(xiàn)在：鋼質(zhì)純凈，成分均勻，偏析小，S、P、H、O含量低，非金屬夾雜物少，嚴(yán)格控制C、Mn含量和屈強(qiáng)比，管材無缺陷并能保證強(qiáng)度、塑性和韌性，尺寸精度要求高，表面質(zhì)量好，鋼種具有廣泛的適用性［1］。壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量是控制大直徑高壓氣瓶管質(zhì)量的關(guān)鍵［3-4］。

本研究通過三維建模方式優(yōu)化Assel機(jī)組輥型設(shè)計(jì)，研制了在GB 18248—2000《氣瓶用無縫鋼管》［5］標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對尺寸精度及內(nèi)表面質(zhì)量方面要求嚴(yán)格的35CrMo中直徑薄壁蓄能器管。

1　生產(chǎn)薄壁蓄能器管難點(diǎn)分析

試制的薄壁蓄能器管目標(biāo)鋼種及規(guī)格要求見表1。

經(jīng)過分析，Φ219 mm×8 mm薄壁蓄能器管的生產(chǎn)有以下難點(diǎn)。

（1）Φ219 mm×8 mm規(guī)格薄壁蓄能器管屬于薄壁管系列，其D/S=27.4，接近三輥軋管機(jī)生產(chǎn)薄壁管的極限規(guī)格。

（2）用戶對該產(chǎn)品的壁厚精度及內(nèi)表面質(zhì)量要求高，雖然三輥軋管機(jī)屬于高精度軋管機(jī)，但該規(guī)格壁厚薄，荒管容易產(chǎn)生內(nèi)螺紋，常規(guī)內(nèi)螺紋深度為0.3～0.4 mm，對最終成品壁厚精度控制會(huì)產(chǎn)生約5%的偏差，普通壁厚偏差只能夠滿足±12.5%的要求，若要達(dá)到±8%的偏差相對困難。

（3）該規(guī)格產(chǎn)品外徑較大，達(dá)到江蘇常寶普萊森鋼管有限公司（簡稱常寶普萊森）Φ140 mm Assel機(jī)組技術(shù)改造后可批量生產(chǎn)的最大外徑，荒管軋制過程中孔型封閉性差，荒管頭部擴(kuò)徑量大，易形成大的“喇叭口”，影響下一道工序張力減徑機(jī)的咬入。

為解決上述難題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少軋制過程中的軋制缺陷［6-9］，本研究采用三維建模與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的方式，從穿孔機(jī)輥型和軋管機(jī)輥型設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析和探討。

表1　試制的薄壁蓄能器管目標(biāo)鋼種及規(guī)格要求

2　通過三維建模優(yōu)化穿孔機(jī)出口錐角

在穿孔過程中，常寶普萊森的穿孔機(jī)頂頭均壁段錐角為3.2°，穿孔輥出口錐角（在均壁段）為3.0°。在平面視圖中，不考慮穿孔輥前進(jìn)角的條件下，管坯在穿孔作業(yè)過程中，毛管壁厚經(jīng)過輾軋帶后進(jìn)入均壁段，壁厚逐漸由大減小到毛管設(shè)計(jì)壁厚，從均壁段起始點(diǎn)10.93 mm減小到終止點(diǎn)10.61 mm。但實(shí)際情況并非如此。穿孔區(qū)軋制及局部（均壁段）放大如圖1～2所示。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于存在前進(jìn)角，壁厚變化趨勢與平面視圖并不相同；因此，現(xiàn)利用更接近實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)的三維視圖進(jìn)行分析。在Auto CAD軟件中按1∶1的比例建立穿孔機(jī)實(shí)際輥型和管坯三維模型，并將穿孔輥按照正常生產(chǎn)使用的輾軋角14°、送進(jìn)角10°進(jìn)行模型調(diào)整，穿孔區(qū)三維模型如圖3所示（穿孔輥上下對稱布置，這里省略下輥，頂頭包裹在管坯中心，不可見）。

圖1　穿孔區(qū)軋制示意

圖2　穿孔區(qū)局部放大示意

圖3　穿孔區(qū)三維模型示意

將三維模型的穿孔變形區(qū)管坯視圖剖切后，測量均壁段的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)壁厚，穿孔區(qū)工件變形區(qū)剖面如圖4所示。

由圖4可知，穿孔區(qū)均壁段起點(diǎn)壁厚11.32 mm、中點(diǎn)壁厚11.58 mm、終點(diǎn)壁厚11.97 mm。即毛管在均壁段起點(diǎn)壁厚已經(jīng)達(dá)到了最小值，壁厚已經(jīng)不再減小，因而均壁段達(dá)不到均壁效果。為了提高毛管的壁厚均勻性，必須在穿孔過程中盡量減小毛管的壁厚不均及其影響，除了提高穿孔機(jī)調(diào)整水平外，充分發(fā)揮頂頭均壁段的作用也可起到提高毛管壁厚均勻性的重要作用［10-11］。

為了能夠盡快發(fā)揮穿孔輥均壁的效果，減少頂頭批量更換帶來的生產(chǎn)成本，需要對穿孔輥的出口錐角進(jìn)行優(yōu)化。表2為在三維模型中不同穿孔輥出口錐角均壁效果對比。生產(chǎn)實(shí)踐表明：穿孔輥出口錐角為2.2°時(shí)，能實(shí)現(xiàn)最佳的均壁效果。

圖4　穿孔區(qū)工件變形區(qū)剖面

表2　在三維模型中不同穿孔輥出口錐角均壁效果對比

3　 Assel軋管機(jī)輥型優(yōu)化

常規(guī)的三輥軋管機(jī)軋輥輥型設(shè)計(jì)曲線如圖5所示，主要由線段和圓弧連接而成，減壁段為兩個(gè)相切的圓弧組成。這種設(shè)計(jì)方式既可以有效提高軋輥的減壁能力［12-14］，又能降低軋制過程中軋機(jī)負(fù)荷，但不利于提高產(chǎn)品壁厚精度和改善內(nèi)表面質(zhì)量。

對三輥軋制過程進(jìn)行三維建模研究，除穿孔機(jī)之外，影響荒管壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量的主要因素為軋管機(jī)減壁段的設(shè)計(jì)。為了提高軋管機(jī)的軋制壁厚精度和改善荒管內(nèi)表面質(zhì)量，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)軋管機(jī)孔型，將原兩個(gè)相切圓弧組成的減壁段優(yōu)化為等減壁率的多段線，降低了單位長度的減壁量，提高了單位長度內(nèi)的壁厚均勻性。另外，延長輾軋帶長度，將直線型輾軋帶改進(jìn)為類似矯直機(jī)輥型的雙曲線型，提高輾軋帶范圍內(nèi)軋輥對荒管壁厚的均整效果，從而提高荒管的壁厚均勻性。為了改善荒管軋制過程中頭部出現(xiàn)的“喇叭口”現(xiàn)象，優(yōu)化調(diào)整軋管機(jī)出口錐角，由原來的3.0°調(diào)整到1.5°，更加有利于薄壁管的軋制穩(wěn)定性。改進(jìn)后的三輥軋管機(jī)軋輥輥型設(shè)計(jì)曲線如圖6所示。

圖5　常規(guī)的三輥軋管機(jī)軋輥輥型設(shè)計(jì)曲線

圖6　改進(jìn)后的三輥軋管機(jī)軋輥輥型設(shè)計(jì)曲線

4　試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用優(yōu)化后的穿孔及軋管孔型，生產(chǎn)了Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管，使用手持式超聲波測厚儀對管體頭、中、尾各測量1個(gè)圓周，每個(gè)圓周采集4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測量結(jié)果見表3。

從表3可以看出：Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量得到了明顯地提高，其壁厚公差控制在用戶要求的范圍之內(nèi)。在Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管的實(shí)際生產(chǎn)過程中，有效地控制了荒管頭部“喇叭口”，張力減徑機(jī)實(shí)現(xiàn)順利咬入，成品管的內(nèi)螺紋深度控制在0.2 mm以內(nèi)。Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管的內(nèi)螺紋情況如圖7所示。

5　結(jié)　論

（1）使用三維建模分析了二輥錐形輥穿孔機(jī)輾軋帶的均壁過程，對穿孔輥輥型及頂頭配合尺寸進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。通過生產(chǎn)實(shí)踐，確定最佳穿孔出口錐角為2.2°，提高了穿孔工序的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量，軋制成品的Φ219 mm×8 mm蓄能器管達(dá)到了客戶±8%壁厚精度的尺寸公差要求。

（2）將Assel軋管機(jī)輥型減壁段改進(jìn)為多段線，延長輾軋帶長度，將直線型輾軋帶優(yōu)化為雙曲線型，并調(diào)整軋管機(jī)出口錐角為1.5°。生產(chǎn)結(jié)果表明：該方案顯著提高了軋管的壁厚精度和內(nèi)表面質(zhì)量，可有效降低內(nèi)螺紋深度。

（3）技術(shù)改造后的Φ140 mm Assel軋管機(jī)組完全能高效生產(chǎn)壁厚允許偏差±8%的薄壁高精度蓄能器管。

表3　同批次Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管的壁厚檢驗(yàn)結(jié)果

圖7　Φ219 mm×8 mm薄壁高精度蓄能器管的內(nèi)螺紋情況

6　參考文獻(xiàn)

［1］張路軍，李繼志，顧心懌，等.蓄能器類型及應(yīng)用綜述［J］.機(jī)床與液壓，2001（6）：5-7.

［2］孔祥東，權(quán)凌霄.蓄能器的研究歷史、現(xiàn)狀和展望［J］.機(jī)床與液壓，2004（10）：4-6，19.

［3］羅先登.高壓容器用無縫鋼管的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.鋼管，2004，33（4）：1-6.

［4］張?zhí)m江，黃重國，靳舜堯，等.大直徑高壓氣瓶管壁厚精度的質(zhì)量特征［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32（9）：1012-1017.

［5］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 18248—2000氣瓶用無縫鋼管［S］. 2008.

［6］莊鋼，尹溪泉.連軋無縫鋼管產(chǎn)品缺陷（欠）分析［J］.鋼管，2006，35（5）：26-28.

［7］元琳琳，雙遠(yuǎn)華，劉江林，等. Assel斜軋生產(chǎn)線鋼管主要缺陷及分析［J］.重型機(jī)械，2011（1）：53-57.

［8］鐘錫弟.阿塞爾軋管機(jī)軋制荒管時(shí)的內(nèi)螺紋缺陷分析［J］.天津冶金，2002（3）：8-10.

［9］李陽華.三輥軋管機(jī)軋制的鋼管表面裂紋缺陷分析［J］.軋鋼，2002，19（2）：28-30.

［10］孫士秀.合理的穿孔機(jī)頂頭設(shè)計(jì)［J］.鋼管，1989，18 （4）：26-31.

［11］詹才俊.穿孔頂頭輾軋段錐角的計(jì)算及合理設(shè)計(jì)［J］.鋼管，1990，19（4）：22-25.

［12］金如崧.三輥軋管工藝技術(shù)的發(fā)展［J］.鋼管，2005，34（3）：1-5.

［13］龍功名，李陽華，周敏.三輥軋管機(jī)輥型對鋼管表面質(zhì)量的影響［J］.軋鋼，2005，22（3）：25-28.

［14］李超額.三輥軋管工藝與技術(shù)對鋼管質(zhì)量的影響研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2005.

Optimization of Roll Profile Design of Assel Pipe Mill with 3D Model

ZHENG Zhen1，LIU Guanghua2，WANG Guofu2，XU Caibin1，XU Dong2，HUO Jian2，SU Zhengqing2
（1. Jiangsu Changbao Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213000，China；2. Jiangsu Changbao Pulaisen Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213200，China）

Abstract：Analyzed with relevant 3D model are the wall-evening process of the piercing roll rolling zone，and the reduction zone and rolling zone of the roll of the Assel mill. And accordingly optimization design is performed. The optimized groove parameters are determined via production practice. The actual operation of the mill shows that 2.2° is the best piercing outlet cone. The wall thickness accuracy and inner surface quality of the workpiece during piercing and rolling processes can be enhanced，and the inner spiral defect depth can be reduced by means of taking such actions as changing the reduction zone of the Assel mill’s roll profile into a multi-section line，getting the rolling zone optimized as a dual-curve design，and setting the mill’s inlet cone as 1.5°. As a result，the wall thickness accuracy of the Φ219 mm×8 mm steel tube for accumulator service has been enhanced up to±8%.

Key words：Assel mill；accumulator；medium-sized light-wall tube；high prevision tube；3D model；roll profile design；wall thickness accuracy

收稿日期：（2015-11-10）

中圖分類號：TG333.17；TP391.9搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0051-04