在两辊斜轧机上轧制薄壁荒管用顶头及轧管方法

摘要

本发明为一种在两辊斜轧管机上轧制薄壁荒钢管用的顶头及其轧管方法。该顶头由工作锥和反锥组成，工作锥前段和反锥为圆弧曲线，工作锥后段为多段锥台连起的凹形平滑曲线，该顶头按轧后均匀磨损原则确定其各道次的减壁量而设计出顶头，使顶头各部分减壁量合理分配，该顶头具有较高的减壁、轧薄延伸变形能力并获得较高的使用寿命，其ΔSmax＝8-9mm，Smin≥4.0mm，μmax＝2.19-2.71。

说明书

本发明涉及一种在两辊斜轧管机上轧制薄壁荒管用的顶头及其轧管方法。

现在使用的两辊热轧管机主要是短顶头型自动轧管机和长芯棒型连轧管机两种纵轧机。长期以来人们一直想用一台设备简单而又能轧出高精度荒管的斜轧机来取代自动轧管机与均整机，为此人们研制出阿塞尔(Assel)、特朗斯瓦尔(Transval)两种斜轧机，但由于存在产品规格范围窄，轧制薄壁管困难，小时生产能力低、金属消耗大等缺点，故无法取代自动轧管机。为了轧制薄壁管人们又研制出长芯棒带主动导盘的狄塞尔(Diescher)和限动芯棒带主动导盘的阿克—罗尔(Accu-Roll)两辊斜轧机。可是由于长芯棒不减壁只靠大直径轧辊外减壁很困难，难以发挥出其多道次连轧的减壁能力，故其实际减壁能力较小，并有着小时生产能力低、工具磨损严重等缺点仍无法取代自动轧管机。短顶头型两辊斜轧机几十年来一直被广泛用作将实心圆管坯穿轧成空心毛管的穿孔机，有时也被用作将水压穿孔的杯状空心坯或大口径穿孔毛管进行延伸或二次穿孔，但却从未被当作轧管机使用过，这是因为其顶头由顶尖、凸形穿孔锥和反锥等组成，但由于两辊斜轧机要在轴向位置固定条件下对每根毛管都要进行长达10多秒约3-5百次的高压减壁轧制，工作条件恶劣，顶头表面摩擦升温很快，很容易造成顶头局部损坏严重而报废。

本发明的目的之一是得到一种在两辊斜轧管机上轧制薄壁荒管用的短顶头，该顶头具有较高的减壁、轧薄延伸变形能力，并具有较高的使用寿命。

本发明的另一个目的是得到一种能在短顶头型两辊斜轧机上轧出薄壁荒管的方法。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种在两辊斜轧机上轧制薄壁荒管用的顶头，由工作锥和圆弧形反锥组成，工作锥形状为：前段曲线为圆弧，后段为多段锥台连起的凹形平滑曲线。

该顶头工作锥曲线是这样得到的：通过将该轧管过程假设为当轧件每旋转1/2转即为进行一次多道次连轧，并根据多道次连轧的最大减壁量公式ΔSim＝ΔS₁mK^1-i，其中ΔSim为第i次最大减壁量，ΔS₁m为第一道最大减壁量，K为采数取1.6-2.0i为连轧道次序数，计算出轧件每旋转1/2转时轧件的减壁量及孔型间隙，从而得到顶头从前到后各横截面的半径值，即可得到顶头工作锥的曲线。

用该顶头在两辊斜轧机上轧制薄壁钢管的方法为：首先校准顶头的轴向位置，调整孔型，在轧制前向钢管内加入润滑剂，然后在两辊斜轧管机上用该顶头轧制薄壁荒管。

下面详述本发明。

本发明根据两辊斜轧机的连轧特征：即毛管每转半转、前进半个螺距即被减壁轧薄一道，及连轧变形规律：各道次减壁量呈递减分布，具体地说，即为参照轧管实践得出的短顶头型两辊斜轧机的各道次实际最大减壁量呈指数函数ΔSim＝ΔS₁mK^1-i的分布曲线(其中i为连轧道次序数，K＝1.6-2.0，薄壁管时取上限，ΔS_1m≤4mm且ΔSim/S≤30％)确定出各道次的预给减壁量和有效连轧道次，该预给减壁量均小于各道次的实际最大减壁量；再按半螺距长管的体积不变常量求出各道次的半螺距，作出短顶头型两辊斜轧机的高精度多道次连轧减壁孔型间隙，并按轧后均匀磨损原则设计并经轧管试验修正顶头，由此确定出所需的顶头尺寸形状，以确保其一定的使用寿命并能轧出截面均匀内外表面质量良好的所需规格薄壁荒管。

下面结合附图介绍本发明的实施例。

图1为毛管半螺距mi与顶头轮廊及轧件关系图。

图2为mi与孔型间隙Si的关系曲线。

该实施例穿孔毛管尺寸Do×So＝108×13，轧成荒管尺寸Dn×Sn＝115×5

具体计算步骤与计算内容如下：

参见图1，a为顶头，b为拉杆，c为菌式上辊，d为下辊，孔型中的螺旋轧制示意图是半螺距长的φ108×13的毛管AoBo段，经1.2.3.4.5.6.且减壁及1道(第7道)定壁轧制从壁厚So＝13.0轧成S7＝5.0，其中在顶头与下辊的孔型间隙中被轧制4道(1.3.5.7)，在顶头与上轧辊的孔型间隙中被轧制3道(2.4.6.)，即毛管经7道轧制(6道减壁与1道定壁)由So＝13轧成S7＝5

1、计算(或测量出)轧后荒管或轧前毛管的半螺距与半螺距长的体积常量。荒管出口的半螺距 $>>>m>>n>+>1>>>=>>\pi Dn>2>>>s>$

半螺距长荒管的体积常量Vc＝(Dn－Sn)Sn.m_n＋1＝(115－5)×5×15.4＝13970

轧前毛管的半螺距m_o＝Vc/(Do－So)So＝13970/(108－13)×13＝11.31

2、假设出轧辊承担的外减壁量及其分配(如与计算后数差值异较大时再修改计算一次)。

因为只有轧辊的前锥才能减壁，为此取轧辊的前锥角α₁＝2，并假设前三道的半螺距分别为13.0；16.05；20.5，而且轧辊前锥的减壁区长正好等于前三道的三个半螺距之和，故前三道的轧辊外减壁量分别为ΔS_外2＝16.5×tg2°＝0.58，ΔS_外3＝20.5×tg2°＝0.72，即轧辊共承担了的外减壁量，占总减壁量 $>\underset{}{\overset{}{}}$

3、给定顶头各道次所承担的内减壁量：

取顶头的第一道内减壁量为总减壁量的40％，即ΔS_内1＝0.4×8＝3.2，并取其余各道次的顶头内减壁量分别按K＝2.0的ΔSi＝ΔS_内1K^1-n的指数函数递减分布，K取2.0：

则则

则而顶头的6道减壁量之和∑ΔS_内1＝6.3比需要承担的内减壁量大了0.05，为此将前三道的顶头内减壁量修改为ΔS_内1＝3.17，ΔS_内2＝1.59，ΔS_内3＝0.79，使其

4、计算出各道次的减壁量与孔型间隙：由于各道次的减壁量为：ΔS₁＝ΔS_外1＋ΔS_内1＝0.45＋3.17＝3.62ΔS₂＝ΔS_外2＋ΔS_内2＝1.59＋0.58＝2.17ΔS₃＝ΔS_外3＋ΔS_内3＝0.72＋0.79＝1.51ΔS₄＝ΔS_内4＝0.4

ΔS₅＝ΔS_内5＝0.2

ΔS₆＝ΔS_内6＝0.1

ΔS₇＝0(增加一道定壁轧制)。

则其各道次的孔型间隙为：

S₁＝S_o－ΔS₁＝13－3.62＝9.38

S₂＝S₁－ΔS₂＝9.38－2.17＝7.21

S₃＝S₂－ΔS₃＝7.21－1.51＝5.7

S₄＝S₃－ΔS₄＝5.7－0.4＝5.3

S₅＝S₄－ΔS₅＝5.3－0.2＝5.1

S₆＝S₅－ΔS₆＝5.1－0.1＝5.0

S₇＝S₆－ΔS₇＝5.0－0＝5.0(在道减壁后面增加一道定壁轧制)。

5、假设出各道次的管外径Di并计算出Di-Si值

由于随减壁道次增加管外也从D_o＝108逐渐增大到D₇＝115，为此假定其各道次的Di如表1示：

表1

   i    0    1    2    3    4    5   6    7   Di    108    108.88    110.21    111.7    113.3    114.1   115    115   Si    13    9.38    7.21    5.7    5.3    5.1   5    5   Di-Si    95    99.5    103    106    108    109   110    110

6、计算出各道次的半螺距值： $>>Vc>=>>(>Dn>->Sn>)>>Sn>·>>m>>n>+>1>>>=>>>>(>Di>->Si>)>>+>>(>Dj>->Sj>)>>>2>>·>>>Si>+>Sj>>2>>·>mi>>s>则：$ >>m>1>>$ >>>4>Vc>>>[>>(>Di>->Si>)>>+>>(>Dj>->Sj>)>>]>>(>Si>+>Sj>)>>>>s>将数值代入，得到：$$$

m₁＝12.84    m₂＝16.63    m₃＝20.71    m₄＝23.74

m₅＝24.76    m₆＝25.26    m₇＝25.4

7、作出各道次的孔型间隙及减壁量分配图：

分别以各道次的半螺距m_i与孔型间隙Si为横、纵坐标作出Si＝F₁(m_i)孔型间隙图，将Si＝F(m_i)曲线向右平移半个螺距即得到Sj＝F₂(m_i)曲线，两曲线间图形为各道次的减壁量分布图(如图2)。

8、确定变形工具的几何形状作出孔型图：

1)轧辊：取菌形轧辊的前锥长l₁＝140，压轧带长K＝23.74，后锥长l₂＝196.26，前后锥锥角为α₁＝2°，α₂＝2.5°。2)顶头：取最大直径δ＝98，顶头全长＋149.41＋9.28＝180，取前面的m₀＋m₁＋m₂长R＝118的圆弧段，后反锥圆弧半径r＝25，沿轧辊辊型取Si作出孔型图，按r_i＝ρi－Si作出顶头工作锥部分的形状图，(ρi为截面轧辊到管轴的最小距离，r_i为各截面顶头半径)，即得到工作锥为凹形多段锥台的顶头。

本发明得到的高精度顶头由于形状特殊，必须采用靠磨法加工，在使用时应严格校准顶头的轴向位置，正确调整孔型。轧前要吹净已加热好毛管内氧化铁皮，并向内加入粉状石墨等润滑剂，然后平稳地将毛管推入两主动辊间，在两辊斜轧机上用该凹形工作锥顶头轧成所需规格的薄壁荒管，轧后对顶头喷水冷却。

现有技术中，人们根据经验设计孔型使用穿孔机却从未去考虑其连轧特征及变形工具，只获得偏低的变形能力。本发明则充分利用其短顶头能与轧辊合理分担毛管内外的减壁量，能够承担其中的大部分减壁量(70-80％)，轧辊只承担约20％，又能较好发挥出其多道次连轧的高变形能力(ΔSm≥8，Smin≤4-5，μ_m≥3.28)，较高的顶头使用寿命，本发明得到的顶头每个轧管250根后磨损仍较均匀，表面光滑，而按经验设计的顶头每个只轧管3-5根已局部严重损坏而报废，可轧出内外表面良好的合格薄壁荒管，其变形能力超过自动轧管机，可取代自动轧管机。

表2为本发明与现有技术中阿克一罗尔(φ114)，斜轧管机和自动轧管机(φ100-140)，最大减壁、轧薄延伸变表能力的对比表。

表2

轧薄Smin(mm) 延伸μmax    减壁量ΔSmax(mm)本发明≥4.0-3.0≤2.19-2.178-9(其中轧辊外减壁量为3.17mm顶头内减壁量为5.83mmAccu-Rocl轧机φ114≥5.0≤1.5≤2.5(全由轧辊外减壁)自动轧管机φ100-140≥3.5-4.0≤2.0-3.0≤5.0(大部分为顶头内减壁)其中本发明采用φ120两辊斜轧延伸机上使用凹型工作锥的165mm长的φ96-98轧管顶头，可将三辊穿孔机用φ110mm管坯穿出的φ108×13毛管，轧成φ118×5.0，4.5，4.0mm的内外表面质量良好的荒管。其中ΔS＝8－9，ΔS/S＝61.54－69.23％，D/S＝23.6－29.5，μ＝2.19－2.71