異型管管面凹凸成因分析與調(diào)整

曹國(guó)富

（廣東省江門市儉美實(shí)業(yè)有限公司，廣東江門529100）

異型管管面凹凸成因分析與調(diào)整

曹國(guó)富

（廣東省江門市儉美實(shí)業(yè)有限公司，廣東江門529100）

將圓變異型管管面不平整分為凹面、凸面和凹凸面3種類型，分析其各自的產(chǎn)生原因：形成凸面的主要原因是管坯邊長(zhǎng)短于對(duì)應(yīng)孔型邊長(zhǎng)，凹面的形成原因與凸面的則完全相反，形成凹凸面的主要原因是焊管在成型、焊接、定徑過程中產(chǎn)生的各類壓痕、孔型錯(cuò)位、“噘嘴”和“轉(zhuǎn)角”等缺陷。針對(duì)管面各不平整類型，提出了一系列調(diào)整措施。

異型管；圓變異；凹面；凸面；凹凸面；成因分析；調(diào)整措施；孔型調(diào)整

隨著人們審美觀的提高，對(duì)金屬家具用管的品相要求越來越嚴(yán)格，比以往任何時(shí)候都更注重金屬家具用管的表面質(zhì)量［1-3］?？墒牵谝詧A變異工藝生產(chǎn)異型管時(shí)，成品管的平面或圓弧面上極易發(fā)生凹凸［4-6］。這些凹凸，有的雖然經(jīng)過酸洗、拋光、噴粉或電鍍等一系列表面處理來消除，但是經(jīng)過光的折射后，管面上的凹凸痕跡依然清晰可見，影響美觀。

異型管管面凹凸不平有3種基本形態(tài)：凸面、凹面和凹凸面。本文以最具代表性的圓變矩形管為例，剖析形成異型管管面凹凸的原因，并在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的調(diào)整措施。

1　凸面

異型管管面凸，使其公差尺寸、管形正方等失去測(cè)量基準(zhǔn)和調(diào)整基準(zhǔn)，無法判斷焊管尺寸的真實(shí)狀況。就這個(gè)意義上講，消除凸面是控制方矩管基本尺寸的前提。方矩管凸面有單面凸、兩面凸、三面凸和四面凸4種。

1.1四面凸

1.1.1成因分析

形成四面凸的原因大致有以下7個(gè)。

（1）開料寬度不夠大，導(dǎo)致管坯不能充滿孔型。方矩管開料寬度C可由公式（1）確定：

公式（1）中，在各類工藝余量Δ和r角不變的前提下，開料寬度C小意味著方矩管邊長(zhǎng)要相應(yīng)減小，在孔型邊長(zhǎng)未減小的情況下，就只能依賴管坯另兩個(gè)面上的弓形高進(jìn)行補(bǔ)償，造成名義邊長(zhǎng)A、B足尺而實(shí)際邊長(zhǎng)A′、B′不足的狀況，發(fā)揮不了平直孔型面壓迫弧形管面并迫使弧形管面變直的作用。在平面孔型中的凸面矩形管如圖1所示。

圖1　在平面孔型中的凸面矩形管示意

（2）進(jìn)入定徑段的管料不夠大?；蛟S開料夠大，但由于前期操作過程中成型余量、焊接余量消耗超額，導(dǎo)致定徑余量變小，結(jié)果與（1）相似。

（3）定徑余量分配不當(dāng)。待整形焊管尺寸夠大，但是前幾道壓得過多，導(dǎo)致大部分定徑余量被前幾道孔型“吃掉”，以致后續(xù)變形時(shí)無料可用。需要注意，這種情況容易引起誤判，以為開料寬度不夠，擾亂生產(chǎn)節(jié)奏［7］。

（4）管材偏硬。方矩管管面在末道孔型中是平的，離開孔型強(qiáng)制后，管面便在回彈力作用下回彈成凸面。

（5）管壁薄。生產(chǎn)公稱尺寸相同但壁厚不同的方矩管，薄壁管更易出現(xiàn)凸面，這與薄壁管的中性層效應(yīng)不明顯不無關(guān)系。當(dāng)厚壁管從圓弧變?yōu)橹本€時(shí)，管外壁被壓縮，內(nèi)壁被延伸，管面容易在這種壓縮與延伸應(yīng)變中被定型；而薄壁管的這種外壁壓縮與內(nèi)壁延伸均不顯著，由此產(chǎn)生的定型效果不明顯，管面易回彈成凸面。

（6）方矩管基本尺寸較寬。方矩形角部對(duì)平面的影響力隨著寬度增大逐漸變?nèi)?，使得管面中部易凸起。r角對(duì)管面凸度控制力f的影響如圖2所示。

（7）孔型磨損嚴(yán)重。圓變方矩孔型上最先與管料接觸的部位是各段孔型弧線的中點(diǎn)（圖1），孔型各段中部受力較大、磨損多，故管面易凸起。

1.1.2調(diào)整措施

（1）適當(dāng)增大開料寬度。尤其在試生產(chǎn)新的異型管時(shí)，如果不能準(zhǔn)確判斷料寬，可以先少量縱剪一點(diǎn)料試一試，但必須本著寧寬不窄的原則確定試軋用料寬度。

（2）留足定徑余量。在調(diào)整圓變方矩管時(shí)，可以少用成型和焊接余量，以增大實(shí)際定徑余量。

（3）合理分配定徑余量，必須至少確保倒數(shù)3~4道孔型有足夠的定徑余量可用。

（4）末道變形輥應(yīng)用反變形孔型。根據(jù)矯枉必須過正原理，對(duì)由硬料、薄料、寬邊長(zhǎng)等原因引起的凸面，可利用圖3所示反變形孔型對(duì)凸管面進(jìn)行過量軋制，確保管面離開孔型制約后恰好回彈成平面［8］。反變形量沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)凸度、邊長(zhǎng)、厚薄和管坯硬度等具體情況而定，在此給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（2），以供參考。

圖2　r角對(duì)管面凸度控制力f的影響

圖3　方矩管反變形孔型示意

式中

eA——A邊孔型反變形量，mm；

A——方矩管公稱尺寸，mm；

A′——包括凸度在內(nèi)的方矩管實(shí)際寬度，mm；

RA——A邊的孔型變形半徑，“-”表示反變形，mm；%%

k——反變形系數(shù)，k取0.8～1.5，管坯硬、薄、寬時(shí)取較大值；反之，取值要小。

（5）雙平面孔型。將末道立輥和平輥孔型面全部設(shè)計(jì)成平孔型面，此法在變形厚壁方矩管時(shí)效果較為顯著，應(yīng)用最多。

（6）負(fù)差法。對(duì)于已經(jīng)縱剪好的較窄料，在標(biāo)準(zhǔn)允許或客戶接受的前提下，可以按負(fù)公差調(diào)整方矩管，從而相當(dāng)于增加了帶寬。

由于噪聲的不可測(cè)量性，ARMAX模型的參數(shù)估計(jì)實(shí)質(zhì)上是非線性回歸過程，較為復(fù)雜，因此發(fā)展出了大量的參數(shù)估計(jì)方法。因?yàn)殡娏ω?fù)荷的非線性特征，擬合殘差方差存在許多局部極小值，所以傳統(tǒng)的優(yōu)化理論往往容易陷入局部最優(yōu)。本文采用量子進(jìn)化算法在概率意義上以隨機(jī)的方式尋求問題的最優(yōu)值方法，從而提高電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

（7）孔型修復(fù)。在換模具前發(fā)現(xiàn)孔型磨損較大，可對(duì)整套異型輥孔型進(jìn)行修復(fù)；使用過程中發(fā)現(xiàn)孔型磨損變凹，通常僅對(duì)磨損嚴(yán)重的個(gè)別孔型進(jìn)行修復(fù)。一般來說，末道孔型修復(fù)頻率高一點(diǎn)，但修整的量較小。

1.2三面凸

與四面凸的形成原因及調(diào)整措施相似。

1.3兩面凸

異型管兩面凸有兩種：一種是鄰邊凸（4類，如圖4所示），另一種是對(duì)邊凸（2類，如圖5所示）。在進(jìn)行兩面凸的成因分析與調(diào)整之前，首先要明白以下3個(gè)問題。

圖4　鄰邊凸起的方矩管示意

圖5　對(duì)邊凸起的方矩管示意

1.3.1關(guān)于圓變異型管“分料”的概念

所謂分料，是指在圓變異工藝中，第一道圓變異孔型輥對(duì)異型管各段用料起初步分配的作用，一旦分料后，由于角的阻礙，使得各段料較難在隨后的變形中進(jìn)行再分配。由此可見，第一道圓變異孔型輥對(duì)整個(gè)變異過程具有“一軋定終生”的功能，異型管存在的諸多問題都與分料不當(dāng)相關(guān)，必須嚴(yán)格按照工藝要求調(diào)整第一道異型輥孔型。

1.3.2實(shí)際凸度

式中EA、EB——A、B單面的實(shí)際凸度，mm；

a、b——長(zhǎng)、短邊切點(diǎn)到對(duì)面點(diǎn)（圖6所示中黑色三角）的距離，它們可能大于、等于、小于公稱尺寸，mm。

圖6　方矩管凸度的測(cè)定

只有知道真實(shí)的凸度，才可能作相應(yīng)調(diào)整以及給予孔型恰當(dāng)?shù)姆醋冃瘟俊Ｇ悬c(diǎn)對(duì)面點(diǎn)的位置約在管壁厚度處。

1.3.3凸面尺寸A′、B′與公稱尺寸A、B的關(guān)系

A′、B′與A、B的關(guān)系可用公式（4）表示：

凸面尺寸A′、B′與公稱尺寸A、B的關(guān)系有24種排列組合類型，公式（4）僅列出了其中一部分，若將A、B面按孔型方位再細(xì)分成A1、A2、B1、B2面，則可以排列組合成更多關(guān)系。不同的組合類型又可演繹出若干不同的調(diào)整措施，如鄰邊凸起，當(dāng)實(shí)測(cè)尺寸與公稱尺寸的組合類型為A′∧A，B′∧B時(shí)，調(diào)整措施首選壓下末道平輥；同樣是A′∧A，B′∧B尺寸組合，若A′略大于A，B′大于B較多，則調(diào)整措施除了首先壓下末道平輥外，還必須將圖4（a）所示的上輥向左適當(dāng)移動(dòng)，或者將倒數(shù)第一道左側(cè)立輥適當(dāng)抬升，亦可將右側(cè)立輥略微降低。當(dāng)實(shí)測(cè)尺寸A′、B′與公稱尺寸A、B的關(guān)系為A′∧A，B′∧B時(shí)，調(diào)整時(shí)首先要查看那一道或那幾道軋輥是否收得過緊，減徑是否過多，并按工藝要求適當(dāng)放松軋輥，放大變形管坯，確保后續(xù)變形有充足的定徑余量。

1.3.4成因分析與調(diào)整措施

由于兩面凸的類型較多，產(chǎn)生原因復(fù)雜，調(diào)整措施多種多樣，部分管面凸起的主要成因和調(diào)整措施見表1。

表1　管面凸起的主要成因和調(diào)整措施

表1所列的管面凸起基本調(diào)整措施各不相同，但也有相似性：①利用孔型軋制力和由不同孔型位置所形成的力系相互作用；②在一定程度上，力系作用越大，運(yùn)用越靈活，在單面凸上反映尤為明顯。

1.4單面凸

1.4.1成因分析

通常，單面凸的形成與第一道和后三道異型輥間的相對(duì)位置有關(guān)。以圖1所示孔形方位和左上長(zhǎng)邊凸起為例，分析形成單面凸的可能原因。

（1）圓變異分料輥上輥偏左且左低右高，導(dǎo)致該邊實(shí)際分料較少，其形成凸面的原理與1.1.1節(jié)的第（1）點(diǎn)類似。

（2）末道立輥（與末道平輥孔型參數(shù)不同）偏右，致使管坯各邊在末道平輥平直孔型中受力不同，管料下長(zhǎng)邊受到的徑向軋制力大于上長(zhǎng)邊，上邊長(zhǎng)易凸起。

（3）與該凸邊對(duì)應(yīng)的孔型磨損嚴(yán)重有關(guān)。

1.4.2調(diào)整措施

（1）按工藝要求糾偏相應(yīng)軋輥孔型位置。

（2）檢查修整末道軋輥孔型并修復(fù)。

（3）應(yīng)用反變形孔型，作為最后的調(diào)整手段。

2　凹面

與凸面管相似，方矩管凹面也分為四面凹、三面凹、兩面凹、單面凹和對(duì)面凹，方矩管管面凹陷種類如圖7所示。如果結(jié)合到孔型方位與凹面，凹面的種類更多，如單面凹，除了圖7所示的上長(zhǎng)邊凹外，還有下長(zhǎng)邊凹、上短邊凹和下短邊凹。凹面位置不同，形成原因各異，消除凹陷的措施也不同，甚至完全相反。因此，消除凹面的前提是必須正確判斷凹面在定徑機(jī)中的位置與發(fā)生機(jī)理。

圖7　方矩管管面凹陷種類

2.1發(fā)生機(jī)理

首先進(jìn)行試驗(yàn)分析，取一段厚度為2 mm、長(zhǎng)度約80 mm的平直薄板水平放置于平口鉗內(nèi)，并在該薄板的中點(diǎn)40 mm處加一個(gè)支點(diǎn)，使該支點(diǎn)恰好碰到板面，但作用力f=0，逐漸加大壓力P，當(dāng)壓力P增大到某一值時(shí)，鋼板開始向沒有支點(diǎn)的一側(cè)失穩(wěn)彎曲［9］。鋼板受壓變凹試驗(yàn)裝置如圖8所示。在這個(gè)試驗(yàn)裝置中，鉗口、支點(diǎn)以及逐漸變小的鉗口間距類似于末道軋輥孔型，鋼板相當(dāng)于變形方矩管。在試驗(yàn)過程中，剛開始鋼板也許會(huì)產(chǎn)生向支點(diǎn)彎曲的趨勢(shì)，增大f，但由于支點(diǎn)的作用最終只能向沒有支點(diǎn)的一側(cè)失穩(wěn)彎曲，f重新為0。這個(gè)試驗(yàn)說明，當(dāng)邊長(zhǎng)較長(zhǎng)的方矩管進(jìn)入較小的末道平直孔型后，管坯外側(cè)受到孔型軋制力制約，比孔型長(zhǎng)出的那一段在失穩(wěn)時(shí)只能向空腹管腔內(nèi)移動(dòng)，因而形成管面凹陷?？梢?，管坯邊長(zhǎng)超過孔型所能容納的長(zhǎng)度是方矩管管面凹陷的根本原因。

圖8　鋼板受壓變凹試驗(yàn)裝置

2.2調(diào)整措施

由于凹面發(fā)生機(jī)理與凸面發(fā)生機(jī)理剛好相反，因此所有處理凹面的調(diào)整措施都要圍繞縮短凹面邊用料進(jìn)行。這樣，只要將調(diào)節(jié)凸面管的措施反過來應(yīng)用即可消除管面凹陷，如斜出方矩管左鄰面凹陷，如圖7（c）所示和表1中的左鄰面凸。首先檢查分料上平輥是否偏右以及左高右低，也可以采取以下4個(gè)調(diào)整措施。

（1）壓下第一道圓變異上輥，并讓左側(cè)壓下多于右側(cè)，這樣既能縮短上長(zhǎng)邊，又能縮短下短邊，預(yù)防上短邊變短。

（2）左移變異第一道上輥加適量壓左升右（壓下上輥?zhàn)髠?cè)，抬升上輥右側(cè)），這樣可以直接縮短上長(zhǎng)邊和下短邊，又兼顧了因孔型右移帶來下長(zhǎng)邊縮短的問題。

（3）降低第一道變異左側(cè)立輥或者抬升右側(cè)立輥，同時(shí)收緊該立輥上部，既能縮短下短邊，又能縮短上長(zhǎng)邊。

（4）如果上鄰面凹陷比較輕微，那么上述3種調(diào)整措施可以運(yùn)用到變異末道平/立輥上。

3　凹凸面

方矩管凹凸面的調(diào)整難度遠(yuǎn)大于單純凹面或單純凸面，因?yàn)樵谕黄矫嫔霞扔邪家灿型?。最好采用直尺判斷方矩管凹凸面。矩形管凹凸面檢查方法如圖9所示，將直尺的一個(gè)棱邊緊靠在管面上，對(duì)著光線觀看漏光情況。

3.1成因分析

通過觀察大量實(shí)物發(fā)現(xiàn)：大部分存在凹凸的異型管面，都是由長(zhǎng)短不等的直線（或極大曲率半徑的弧線）段與大小不等的凹弧線段構(gòu)成，所謂的凸面其實(shí)并不凸，只是相對(duì)于凹陷而言。

3.1.1各類壓痕

（1）成型壓痕，如W孔型下輥造成的壓痕。由于下輥孔型邊部圓弧易磨損，中段圓弧磨損較?。╓孔型由兩段邊部圓弧和一段中部圓弧組成），當(dāng)不均等磨損達(dá)到一定程度后，就會(huì)在原來的兩圓弧切點(diǎn)O附近形成尖角，在軋制過程中管坯面將出現(xiàn)如圖10所示的凹弧。

圖9　矩形管凹凸面檢查方法示意

圖10　W孔型磨損后呈現(xiàn)尖角及管坯被軋凹示意

（2）焊接段壓痕。當(dāng)擠壓力過大或擠壓輥偏小時(shí)，管坯在擠壓力作用下必然往輥縫處移動(dòng)，形成上下“噘嘴”小凸弧；在“噘嘴”拐點(diǎn)附近則形成小凹弧，焊管被擠出的上下“噘嘴”如圖11所示。在空腹軋制過程中，孔型將“噘嘴”凸弧軋平，同時(shí)“噘嘴”兩側(cè)的小凹弧也被同步壓下，在異型管管面上形成壓痕［10］。這樣的“噘嘴”在定徑平/立輥、成型立輥和閉口孔型平輥中都有可能產(chǎn)生，只是程度不等而已。

圖11　焊管被擠出的上下“噘嘴”示意

（3）異型管在定徑過程中的“轉(zhuǎn)角”。方矩管“轉(zhuǎn)角”引起的管面凹弧如圖12所示。根據(jù)圓變異型管的基本理論［11］，在第一道異型孔型將管坯分料后，焊管上各個(gè)角的雛形已經(jīng)形成，角與角相對(duì)空間位置已固定，如圖12（a）所示；角部在后續(xù)變形中僅曲率半徑發(fā)生變化，相互位置不能發(fā)生改變（各段微量減徑除外）。也就是說，由變形管坯內(nèi)接四邊形所決定的對(duì)稱軸與水平面的夾角不能隨軋制道次的改變而發(fā)生變動(dòng)。但是，當(dāng)焊管變異過程不穩(wěn)定時(shí)，之前管料上所變形出的角相對(duì)于后面孔型角的位置就會(huì)發(fā)生變動(dòng)［12］，由于4個(gè)角同時(shí)向一個(gè)方向變動(dòng)，俗稱“轉(zhuǎn)角”，如圖12（b）所示?！稗D(zhuǎn)角”產(chǎn)生后，原管坯上的角部凸弧轉(zhuǎn)到了孔型平面上，形成小凸弧，在凸弧被壓“平”的過程中，受凸弧變形慣性力f作用，凸弧兩則附近b、c點(diǎn)隨a點(diǎn)同步下壓，當(dāng)凸弧在孔型軋制力F作用下被軋平時(shí)，凸弧兩側(cè)b′、c′必然低于a′形成下凹弧，在原雛形角附近形成凹凸管面，如圖12（c）所示。通常，該凹弧比壓痕形成的凹弧深、寬許多。

圖12　方矩管“轉(zhuǎn)角”引起的管面凹弧示意

（4）孔型錯(cuò)位形成的壓痕。如閉口孔型平輥錯(cuò)位，輥縫處的管坯就會(huì)被軋出凹凸痕，如圖13所示，在隨后的圓變異過程中極易形成凹凸面；錯(cuò)位愈大，凹凸愈明顯；管坯愈薄，愈易形成凹凸。

圖13　閉口孔型平輥錯(cuò)位

3.1.2孔型磨損

以閉口孔型平輥磨損為例，出閉口孔型輥的成型管坯會(huì)失圓而造成“菱形”管筒，如圖14所示。當(dāng)“菱形”管筒上的3個(gè)角與孔型上的角不能互相映射時(shí)，形成方矩管管面凹凸，其結(jié)果與圖12所示“轉(zhuǎn)角”缺陷類似。

圖14　“菱形”管筒

3.1.3壁徑比

在厚度一定的情況下，管面越寬越易失穩(wěn)，失穩(wěn)總是向管內(nèi)凹陷，形成管面凹凸［13］。另外，管壁越薄，操作調(diào)整時(shí)稍不注意就容易使管面產(chǎn)生各類凹陷；對(duì)空腹管而言，管面一旦出現(xiàn)凹陷，便無法回復(fù)到平整。

3.1.4待整形焊管偏大

整形余量越大，各段受到周向擠壓就越多，從而加劇管面上的凹弧深度（圖8）；整形余量適中，各凹弧能在孔型中“自由”伸展，不會(huì)加深凹弧。

3.2調(diào)整措施

從預(yù)防孔型錯(cuò)位、壓痕、“噘嘴”和“轉(zhuǎn)縫-轉(zhuǎn)角”來消除異型管管面凹凸，具體包括以下4個(gè)方面。

（1）精心調(diào)整成型、焊接和定徑軋輥，確?？仔蛯?duì)稱、管形圓滑與平滑，管坯越薄越需要精細(xì)調(diào)整。

（2）恰當(dāng)施加軋制力，確保管面不出現(xiàn)“噘嘴”、壓痕等表面缺陷。

（3）協(xié)調(diào)整機(jī)縱向張力和橫向軋制力，確保焊管穩(wěn)定運(yùn)行，以便基本固定焊縫位置，避免出現(xiàn)“轉(zhuǎn)縫”。

（4）適時(shí)修復(fù)磨損嚴(yán)重的軋輥孔型。

4　結(jié)語(yǔ)

圓變異工藝生產(chǎn)異型管時(shí)管面凹凸種類較多，結(jié)合孔型方位與管面凹凸，導(dǎo)致產(chǎn)生凹凸的成因更加復(fù)雜。這就要求焊管調(diào)整工不斷積累經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)形成每一個(gè)凹凸面的原因，靈活機(jī)動(dòng)地采取相應(yīng)調(diào)整措施。如凹凸表現(xiàn)在整形段，但問題可能出現(xiàn)在成型段或焊接段；調(diào)整異型管面凹凸比調(diào)整單純的凹陷或凸起更難，應(yīng)將調(diào)整重點(diǎn)放在預(yù)防各類壓痕、孔型錯(cuò)位、“噘嘴”和“轉(zhuǎn)縫-轉(zhuǎn)角”等方面，以消除引起異型管管面凹凸的誘因。

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Investigation of Causes for Development of Surface Concave and Convex Defects of Shaped Tube and Relevant Adjustment Measures

CAO Guofu
（Guangdong Jiangmen Jianmei Industrial Co.，Ltd.，Jiangmen 529100，China）

When the round tube as the blank is processed into a shaped one，three different concave and convex surface defects are developed to form the unevenness of the tube，including concave defect，convex defect and concave-% convex defect.Causes for these type of surface defects are investigated.As a result，it is revealed that the major cause for the convex defect is the blank tube’s side length is shorter than that of the correspondent groove，whereas the cause for the concave defect is completely on the contrary to that for the convex one，and that formation of the concave-convex defect is mainly due to various defects like different impresses，groove dislocation，“wry mouth”and“cornering”etc.which occur during the weld pipe manufacturing processes like forming，welding and sizing.According to the above mentioned tube surface unevenness defect types，a number of adjustment measurements are proposed.

shaped tube；turning the round tube into a shaped one；concave surface；convex surface；concave-% convex surface；cause analysis；adjustment measures；groove adjustment

TG335.7搖搖

B搖

1001-2311（2016）02-0033-07

曹國(guó)富（1957-），男，工程師，副總經(jīng)理，長(zhǎng)期從事焊管生產(chǎn)工藝、孔型設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管理工作。

2015-12-13）