張力減徑機雙圓弧孔型設(shè)計與實踐

王文強，成海濤，肖永忠，王 銳，李靜敏

（1.林州鳳寶管業(yè)有限公司，河南 林州 456592；2.中國金屬學會軋鋼分會，北京 100711；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

熱軋鋼管生產(chǎn)由3 個基本工序組成：穿孔—延伸—定（減）徑。定（減）徑是鋼管生產(chǎn)中最后一道熱軋工序，是決定成品管外徑精度的最重要工序，也是影響壁厚精度的重要工序之一。鋼管定徑、減徑和張力減徑過程均是空心荒管不帶芯棒的連軋過程。定徑的任務(wù)是在較小的總減徑率和單機架減徑率條件下將鋼管軋成具有要求的尺寸精度和圓度的成品管，其工作機架數(shù)量較少，一般為3～12 機架。張力減徑的任務(wù)除了起定徑作用外，還要求有較大的減徑率，以實現(xiàn)用大直徑毛管生產(chǎn)小直徑鋼管的目的，因而其工作機架較多，一般為12～28機架。目前，在熱軋領(lǐng)域使用最多的是三輥式定（減）徑機?，F(xiàn)實生產(chǎn)中盡管在孔型設(shè)計、變形量分配、速度制定、張力控制等方面采取了許多措施，但在使用三輥式定（減）徑機時，當減徑率較大、壁厚值較大（徑壁比 ∧8）或張力減徑率大于60%即使在壁厚值較?。◤奖诒?∧10）的情況下，還是會因軋件在各機架中的橫向壁厚不均勻變形而使鋼管橫截面上出現(xiàn)不同程度的“內(nèi)六方”缺陷。

1 “內(nèi)六方”形成的機理

“內(nèi)六方”是指鋼管在三輥定（減）徑機減徑后，其橫斷面的內(nèi)孔呈六方形的現(xiàn)象［1-3］，“內(nèi)六方”程度可用P 值表示（%），用公式（1）計算?！皟?nèi)六方”如圖1 所示。

圖1 “內(nèi)六方”示意

式中 Sa——對應(yīng)孔型頂部或輥縫處的6 個壁厚的平均值，mm；

Sb——對應(yīng)孔型頂部到輥縫中點處的6 個壁厚的平均值，mm。

P 值的絕對值愈大，表示“內(nèi)六方”的程度愈嚴重。當P∧0，為正內(nèi)六方；當P=0，無內(nèi)六方；當P ∧0，為負內(nèi)六方。

荒管經(jīng)定（減）徑機減徑時，外徑受到徑縮而減小（其減少量可以用鋼管平均直徑的減少量表示），外徑減小意味著管子切向周長的減小。按照金屬流動規(guī)律，出現(xiàn)一向壓縮、兩向延伸的變形，這樣金屬必然向另外兩個方向流動——在縱向產(chǎn)生延伸、在徑向（即壁厚方向的自由內(nèi)表面）產(chǎn)生增厚，但是減徑時，如具有較大軸向張力，也可能產(chǎn)生壁厚的減薄。實際上由于三輥定（減）徑機（除最后一架）孔型是橢圓的。三輥定徑機孔型如圖2 所示。

圖2 三輥定徑機孔型

管壁增厚沿1/6 周長的分布如圖3 所示。沿孔型周邊上的管壁增厚分布以輥縫處為最大，頂部最小。單機軋制后沿孔型1/6 周長上的管壁增厚如圖3（a）所示，ΔSmax為最大增厚量，ΔSmin為最小增厚量。由于軋管機孔型輥縫互相呈60°。因此，第二機架輥縫相當于第一機架孔型頂部的位置。這樣，第二機架軋制后鋼管的壁厚分布如圖3（b）所示，處于30°方向的壁厚最薄，在頂部與輥縫方向的壁厚最厚，結(jié)果鋼管斷面上形成“內(nèi)六方”。

圖3 管壁增厚沿1/6 周長的分布

孔型不同部位的增厚亦不同，其原因是鋼管在孔型寬度上高度壓縮量不均，在頂部高度壓下量最大，變形時接觸弧長、單位壓力也比輥縫處大，這樣軸向摩擦力也大，促使金屬軸向流動，這樣就導(dǎo)致頂部壁厚增厚較小。

2 影響內(nèi)多邊形的因素

（1）孔型橢圓度。橢圓度越大，則孔型中的高度壓縮量分布愈不均勻，減徑后橫向壁厚不均愈大。

（2）單機架減徑率和總減徑率。單機架減徑率大，意味著頂部和輥縫處的高度壓下量不均性和金屬流動差異愈大，加劇“內(nèi)六方”；總減徑率越大，這種不均勻增加量增加，“內(nèi)六方”越嚴重（總減徑率只與成品管的外徑有關(guān)，Φ89 mm 三輥連軋管機組定徑機來料尺寸外徑都為120 mm。

（3）鋼管的幾何尺寸——徑壁比系數(shù)。徑壁比越小，即相對直徑而言管壁較厚，則金屬的變形和應(yīng)力分布不均勻性增加，導(dǎo)致內(nèi)多邊形越嚴重。

（4）張力系數(shù)。軸向張力促進金屬軸向流動，因而利于減小沿孔型周向增壁不均的程度，從而可以降低壁厚不均。實際上，“內(nèi)六方”的控制主要通過優(yōu)化調(diào)整平均張力系數(shù)、縱向（各機架）張應(yīng)力分布以及合理的孔型設(shè)計等來實現(xiàn)的。

李群等提出了用增加定（減）徑機機座工位、改變機架的布置方式和傳動方位、減小相鄰機架輥縫相位角的想法［4］，以期達到將“內(nèi)六方”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)十二方”，從而提高鋼管壁厚精度的目的。但是該方案經(jīng)濟投資較大，目前無法實現(xiàn)。

3 關(guān)于橢圓度的思索

張力減徑過程中，金屬在孔型中的流動狀態(tài)和接觸弧長有關(guān)。在大橢圓度孔型內(nèi)，鋼管延軋輥軸向各點與軋輥接觸弧長度是不相等的，因而金屬在孔型內(nèi)各截面的包覆角也不相同，金屬沿孔型圓周方向的受力狀態(tài)、壓下量、切向變形阻力等不同，造成變形不均勻，形成內(nèi)多邊形。因此，必須力求在圓周均勻壓力狀態(tài)下進行變形，使孔型接觸形狀與無芯棒拉拔相類似。上述分析為張力減徑機圓孔型設(shè)計方法提供了理論依據(jù)。

所謂圓孔型，是指以沿孔型寬度方向鋼管與軋輥接觸弧長度L 差值（ΔL=Lmax-Lmin）最小為原則設(shè)計的孔型［5-13］。圓孔型系的設(shè)計思想是：

（1）在減徑量一定的條件下，所設(shè)計的孔型必須使得變形區(qū)接觸面積最接近矩形。

（2）工作機架各架孔型的橢圓度值隨著減徑率的減小而逐漸減小，并使相鄰機架橢圓度值的波動幅度盡可能小。

德國西馬克梅爾公司研究發(fā)現(xiàn)，橢圓孔型的橢圓度αo和圓孔型的橢圓度αr都與單機架減徑率ρi存在如下近似關(guān)系：

4 雙圓弧孔型設(shè)計方案

為了避免厚壁管“內(nèi)六方”，在降低孔型橢圓度的同時，又增加了部分規(guī)格“青線”的風險。雙圓弧孔型在孔型橢圓度降低的同時，輥縫處寬展量增加，既可以避免“內(nèi)六方”，又可以避免“青線”。目前，寶山鋼鐵股份有限公司利用多功能車床實現(xiàn)了多邊形孔型的加工，但是在普通內(nèi)傳動張力減徑機軋輥加工車床上無法實現(xiàn)。通過二次加工的方式，在普通內(nèi)傳動張力減徑機軋輥加工車床上加工成雙圓弧孔型，模擬多邊形孔型的效果，屬行業(yè)首創(chuàng)。

雙圓弧孔型設(shè)計方案如下：在各個機架孔型直徑不變的條件下，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)格的需要設(shè)計兩套橢圓度加工曲線，雙圓弧孔型如圖4 所示，一次加工曲線AMBNF 旨在避免“青線”，二次加工曲線DMENF 旨在降低橢圓度。AMBNF 一次加工曲線加工方式：根據(jù)孔型長半軸a1和短半軸b1計算出刀具直徑和刀具距離，可以加工出AMBNF 曲線。二次加工曲線DMENF 的加工方式：根據(jù)孔型長半軸a2和短半軸b2計算出刀具直徑和刀具距離，然后重新對刀加工，直到將MENBM 區(qū)域加工掉，可以加工出DMENF 曲線。

圖4 雙圓弧孔型示意

林州鳳寶管業(yè)有限公司Φ89 mm 三輥連軋管機組中的28 機架張力減徑機采用三輥式軋輥機架，每個軋輥機架由單獨電機傳動，在三輥機架上，裝有互呈120°布置的3 個軋輥。生產(chǎn)的無縫鋼管的外徑范圍為32～114 mm，壁厚范圍為3.0～12.0 mm。針對壁厚范圍為6.0～12.0 mm 的圓孔形，設(shè)計了雙圓弧孔型，一次加工曲線參數(shù)和二次加工曲線參數(shù)見表1～2。按照以上方案加工的實際孔型如圖5 所示，M、N 點處過渡平滑，沒有明顯的突兀。

圖5 實際加工的雙圓弧孔型

表1 一次加工曲線參數(shù)

續(xù)表1

表2 二次加工曲線參數(shù)

5 有限元模擬

5.1 分 析

在同樣工況條件下，使用MSC.Marc 非線性有限元軟件模擬一段圓弧孔型和二段圓滑孔型軋制同一規(guī)格的“內(nèi)六方”“青線”等情況，荒管規(guī)格Φ120 mm×12.1 mm，成品管Φ60 mm×12 mm，平均張力系數(shù)0.427。模擬結(jié)果顯示Φ60 mm×12 mm 成品管輥底至輥縫處的壁厚分布曲線，如圖6 所示。在同樣的張力條件下，一段圓弧孔型呈正內(nèi)六方，而兩段圓弧孔型呈負內(nèi)六方，壁厚極差分別為0.27，0.45 mm，壁厚不均度分別為3.71%、2.25%，P 值分別為17.1%、-10.8%。模型顯示兩種孔型均不會產(chǎn)生“青線”，兩段圓弧孔型可以明顯降低“內(nèi)六方”程度，提高壁厚精度。

圖6 有限元模擬不用孔型軋制Φ60 mm×12 mm成品管壁厚變化

5.2 試驗結(jié)果

傳統(tǒng)單圓弧孔型生產(chǎn)的厚壁管斷面如圖7（a）所示，一次加工孔型生產(chǎn)Φ89 mm×11 mm 流體管，“內(nèi)六方”比較明顯；而雙圓弧孔型生產(chǎn)Φ88.9 mm×12.5 mm 接箍料如圖7（b）所示，內(nèi)孔圓滑，“內(nèi)六方”改善明顯。

圖7 不同孔型生產(chǎn)的厚壁管斷面

5.3 小 結(jié)

由于孔型底部的加深，曲率半徑變大，減低了孔型底部的應(yīng)力分布；同時，由于輥底變形加寬，降低了下一機架輥縫出現(xiàn)“青線”的概率。

6 結(jié)語

（1）采用合理的雙圓弧孔型設(shè)計，二次加工方式形成的三輥張力減徑機孔型，可有效緩解“內(nèi)六方”缺陷的形成，并且可以在常規(guī)三輥加工車床上實現(xiàn)，具有較強的實用價值，是三輥張力減徑機孔型設(shè)計方法的一種新的嘗試。

（2）該方法的加工效率有所降低，延長了孔型加工時間，對擴大雙圓弧孔型方案的使用帶來一定的局限性，建議在“內(nèi)六方”比較嚴重的情況下使用。