顶头穿锥形状对二次穿孔毛管壁厚不均的影响

12 蠡if验与研究 顶头穿轧锥形状对二次穿孔毛管壁厚不均的影响 关小军，周家娟 (L【l东大学，山东 济南 250061) 摘 要：采用三种不同穿轧锥形状的顶头，通过二次穿孔试验研究了毛管壁厚变化。结果明：基于一定 变形条件的公式所设计的顶头穿轧锥具有较好的减小毛管壁厚不均的作用，这与穿轧区后半程内穿轧管坯的单位 压下量和轴向延伸较小且均匀有关。 关键词：无缝钢管；二次穿孔；顶头；壁厚不均 中图分类号：TG335．1 文献标识码：B 文章编号：1001—2311(2002)05—0012—04 Effect of Cone Shape of Piercing Plug on Shell Wall Thickness Nonuniformity during Secondary Piercing Process Guan Xiaojun， Zhou Ji~uan (Shandong University，Jinan 25006 1，China) Abstract： Tests are made with three different piercing plug cone shapes to identify shell gauge changes during sec— onda~ piercing process． The result shows that the plug cone shape designed according to the formula related to specific deformation conditions acts well in reducing the shell wall thickness nonuniform ity，which is in close connection with the fact that in the second section of the piercing zone the unit screw —down amount imposed on the shell being pierced and the shell axial elongation are smaller and rnore uniform． Key words： Seamless steel tube； Secondm7 piercing； Piercing plug； Wall thickness nonuniform ity 0 前 言 近些年来，我国陆续引进多条连轧管机组生 产线 ，无缝钢管的壁厚精度有 了很大提高。但 是，自动轧管机组仍是我国无缝钢管生产的主体 设备之一。在自动轧管机组生产线上，斜轧穿孔 的特点使得所生产的毛管壁厚不均客观存在，以 致影响到随后的轧管、均整等工序的毛管壁厚质 量，成品钢管的壁厚精度较低 ，成为一个老大难 的问题。 导致无缝钢管壁厚不均的因素很多，本文仅 针对二次穿孑L工序顶头穿轧锥形状对毛管壁厚不 均的影响进行研究。 关小军(1952一)，男 ，湖南湘阳人，教授 ，主要从 事轧制生产 、薄板成型技术的研究 ，已发表学术论文 60余篇，出版专著 1部。 STEEL PlPE Oct．2002，Vo1．31．No．5 1 顶头设计 1．1顶头穿轧锥设计方法 按照通常的设计原则，二次穿孔顶头的穿轧 锥为圆锥体 I¨。显然，这一原则只是从满足基本变 形条件 、结构简单、加工方便的角度考虑的，而 未能兼顾到毛管壁厚均匀性的要求 ，穿轧区管坯 轴向各横截面之间的变形无规律可循。 Kupper—Grunner和 Shvikin方法所设计的二次 穿孔顶头的穿轧锥形状为非圆锥体，可保证管坯 轴向各横截面之间的变形满足一定的规律 。 1．1．1 Kupper—Grunner方法 假设条件：管坯和顶头总是在孔喉相遇，且 满足体积不变条件。 变形规律 ：管坯轴向相邻横截面面积比为常 数 ，即管坯轴向变形均匀分布。由此可推出顶头 设计公式(简称 K—G公式)为 钢 管 2002年 10月 第 31卷第 5期 维普资讯 http://www.cqvip.com ifc验与研究 1 3 r =l(月0+／， ‘tg !) 一 ( !一r：。)·a～] (1) 式中 —— 顶头穿轧锥横截面半径； n — — 穿轧锥横截面编号(n=l，2，⋯i)； z， —— 顶头穿轧锥横截面至穿轧锥始点之距； — — 孑L喉半径 ； — — 轧辊出口锥角； ro—— 对应穿轧锥始点的顶头横截面半径； n—— 管坯各相邻横截面面积比。 可见，i值越大，即顶头穿轧锥横截面的数量 越多，穿轧锥形状越能精确地满足假设的金属变形 要求 。 1．1．2 Shvikin方法 假设条件：同 1．1．1节。 变形规律：管坯轴向相邻横截面壁厚比为常 数，即管坯径向变形按照等比数列分布。 由此可推出顶头设计公式(简称 s公式) r， =Ro+2 ‘tgy2／cos —h (2) 式中 —— 送进角； h， —— 穿轧区管坯横截面壁厚。 1．2 顶头设计 因管坯内壁和顶头在孔喉处相接触，据此分别 采用 1．1节中介绍的三种方法，设计出顶头的穿轧 锥形状。在采用后两种方法时，为便于加工，取 3 个横截面且所对应的各截面之间的穿轧锥轮廓曲线 分别用折线或同半径的圆弧近似取代。顶头其余部 分设计均按照常规方法，其具体形状和尺寸如图 1 所示 2 试验材料和方法 2．1 材 料 鉴于仅研究二次穿孔毛管壁厚不均，所选管坯 应具有一次穿孔后螺旋状和偏心状壁厚不均特征。 因此，选用长 400mm、直径 36ram的 20钢棒料， 经车床加工成带有偏心和螺旋状壁厚不均的管坯 ， 其外径为 33．5ram、内径 l6ram、平均壁厚 6．84mm、 相对壁厚不均率 45．32％、长 102mm。 2．2 方 法 穿孑L试验在 ~30mm二辊式斜轧穿孑L机上进 行。具体试验过程为：先将坯料放入硅碳棒电炉 中，加热至 l 200 ，保温 10min后取出；待温度 降至 l 150~C时，再送入穿孑L机进行轧制；穿孑L后 毛管在车床上切除头尾，并在铣床上将毛管沿纵向 关小军等：顶头穿轧锥形状对二次穿孑L毛管壁厚不均的影响 (a)常规 (b)K—G公式 (c)S公式 图 1采用三种方法设计的试验用顶头形状及尺寸示意 剖开，以测量轴向各横截面的壁厚及其分布。为保 证试验结果的可靠性，对应每一顶头的每组试验均 穿轧 4根坯料。 为了准确反映毛管壁厚的分布规律，本文采用 了相对壁厚不均率 6和平均壁厚 沿毛管轴向变 化图进行描述。分别在轴向间距为 5mm的每一横 截面上，测量两条相互垂直线的4个端点处的壁厚。 根据概率统计理论，认为穿孑L后毛管壁厚( ) 呈正态分布，即 ～Ⅳ(／i, )。鉴于样本总体的 肛 和 未知 ，可采用样本平均值 和标准差 s来估 计。因此，以 为中心，壁厚值在[ 一3 s， +3 s1区 钢 管 2002年 lO月 第 31卷第 5期 维普资讯 http://www.cqvip.com 14 描 研究 间内样本数量应达到样本容量的99％，即 Pl( 一 3 s)< <( +3 s)]=0．99。所以，可由公式 6= [( +3 s)一( 一3 s)]／ =6 s／ 求得相对壁厚不 均率 ，实际上是穿孑L后毛管的最大相对壁厚不均 率。对于不同的样本总体，6和 的样本容量不 同。当以毛管为样本总体时，样本容量为 16i，其 中 i为包括两端面在内的横截面数量；当以毛管任 一 横截面为样本总体时，样本容量为 16。 3 试验结果与分析 三组毛管横截面壁厚的测试结果如图2所示。 可见，它们的横截面平均壁厚的轴向变化规律基本 相似。在毛管的前半部，平均壁厚 相对较大且 随着至毛管前端距离增加而逐渐增加，直至相对稳 定；在毛管的后半部，平均壁厚 相对较小且随 着至毛管前端距离增加而逐渐减少，不存在 的 相对稳定区域。由此可见，在穿孑L过程中管料前部 运行较稳定且变形相对较小。 尽管三组毛管横截面平均壁厚的轴向变化规律 基本相似，它们的平均壁厚的相对稳定区长度及其 变化范围是不同的。 由图 2可见，s公式设计的顶头所对应的 相 对稳定区最长且变化范围最小；常规顶头所对应的 相对稳定区最短且变化范围最大；K—G公式设 计的顶头所对应的 相对稳定区及其变化范围居 中。这表明，三种顶头所对应的毛管横截面平均壁 厚的轴 向不均程度为：s公式K—G公式>常规 ；在穿轧区偏向坯 料出u的后半程，单位压下量和轴向延伸的比较结 果为：s公式合同

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