鋼管穿孔， 在無縫鋼管生產(chǎn)過程中,穿孔工藝被廣泛應(yīng)用。1886 年德國的曼內(nèi)斯申請(qǐng)了用斜輥穿孔機(jī)生產(chǎn)管狀斷面產(chǎn)品的專利。 專利中描述了金屬變形時(shí)內(nèi)部力的作 用和使用兩個(gè)或多個(gè)呈錐形的軋輥進(jìn)行穿孔，因此被稱作曼內(nèi)斯曼穿孔過程。 由 R.C 斯蒂菲爾發(fā)明的導(dǎo)板使得穿孔后的毛管長度得到增加。 后來狄舍爾發(fā)明了導(dǎo)盤， 使穿孔效率得到更大提高。 1970 年出現(xiàn)了錐形輥的穿孔機(jī) ， 在 它比以前的穿孔機(jī)在金屬的 變形上有明顯的改進(jìn)。 在無縫鋼管生產(chǎn)中,穿孔工序的作用是將實(shí)心的管坯穿成空心的毛管。穿孔作為金屬變 形的第一道工序，穿出的管子壁厚較厚、長度較短、內(nèi)外表面質(zhì)量較差，因此叫做毛管。如 果在毛管上存在一些缺陷， 經(jīng)過后面的工序也很難消除或減輕。 所以在鋼管生產(chǎn)中穿孔工序 起著重要作用。 當(dāng)今無縫鋼管生產(chǎn)中穿孔工藝更加合理,穿孔過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。 斜軋穿孔整個(gè)過程可以分為三個(gè)階段 第一個(gè)不穩(wěn)定過程--管坯前端金屬逐漸充滿變形區(qū)階段，即管坯同軋輥開始接觸（一次 咬入）到前端金屬出變形區(qū)，這個(gè)階段存在一次咬入和二次咬入。 穩(wěn)定過程--這是穿孔過程主要階段，從管坯前端金屬充滿變形區(qū)到管坯尾端金屬開始離 開變形區(qū)為止。 第二個(gè)不穩(wěn)定過程—為管坯尾端金屬逐漸離開變形區(qū)到金屬全部離開軋輥為止。 穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程有著明顯的差別， 這在生產(chǎn)中很容易觀察到的。 如一只毛管上頭 尾尺寸和中間尺寸就有差別，一般是毛管前端直徑大，尾端直徑小，而中間部分是一致的。 頭尾尺寸偏差大是不穩(wěn)定過程特征之一。 造成頭部直徑大的原因是： 前端金屬在逐漸充滿變 形區(qū)中，金屬同軋輥接觸面上的摩擦力是逐漸增加的，到完全充滿變形區(qū)才達(dá)到最大值，特 別是當(dāng)管坯前端與頂頭相遇時(shí)，由于受到頂頭的軸向阻力，金屬向軸向延伸受到阻力，使得 軸向延伸變形減小，而橫向變形增加，加上沒有外端限制，從而導(dǎo)致前端直徑大。尾端直徑 小，是因?yàn)楣芘魑捕吮豁旑^開始穿透時(shí)，頂頭阻力明顯下降，易于延伸變形，同時(shí)橫向展軋 小，所以外徑小。 生產(chǎn)中出現(xiàn)的前卡、后卡也是不穩(wěn)定特征之一，雖然三個(gè)過程有所區(qū)別，但他們都在同 一個(gè)變形區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。變形區(qū)是由軋輥、頂頭、導(dǎo)盤（導(dǎo)板）構(gòu)成。整個(gè)變形區(qū)為一個(gè)較復(fù)雜的幾何形狀，大致可以認(rèn)為，橫斷面是橢圓 形，到中間有頂頭階段為一環(huán)形變形區(qū)�？v截面上是小底相接的兩個(gè)錐體，中間插入一個(gè)弧 形頂頭。 變形區(qū)形狀決定著穿孔的變形過程，改變變形區(qū)形狀（決定與工具設(shè)計(jì)和軋機(jī)調(diào)整）將 導(dǎo)致穿孔變形過程的變化。
二輥斜軋穿孔機(jī)及鋼管穿孔過程
8
利實(shí)現(xiàn)二次咬入。這個(gè)區(qū)段的變形特點(diǎn)是：由于軋輥入口錐表面有錐度，沿穿孔方向前進(jìn)的 管坯逐漸在直徑上受到壓縮， 被壓縮的部分金屬一部分向橫向流動(dòng)， 其坯料波面有圓形變成 橢圓形，一部分金屬軸向延伸，主要使表層金屬發(fā)生形變，因此在坯料前端形成一個(gè)“喇叭 口”狀的凹陷。此凹陷和定心孔保證了頂頭鼻部對(duì)準(zhǔn)坯料的中心，從而可減小毛管前端的壁 厚不均。
穿孔變形區(qū)中四個(gè)區(qū)段
Ⅱ區(qū)稱為穿孔區(qū)，該區(qū)的作用是穿孔，即由實(shí)心坯變成空心的毛管，該區(qū)的長度為從金 屬與頂頭相遇開始到頂頭圓錐帶為止。這個(gè)區(qū)段變形特點(diǎn)主要是壁厚壓下,由于軋輥表面與 頂頭表面之間距離是逐漸減小的,因此毛管壁厚是一邊旋轉(zhuǎn),一邊壓下，因此是連軋過程,這個(gè) 區(qū)段的變形參數(shù)以直徑相對(duì)壓下量來表示,直徑上被壓下的金屬,同樣可向橫向流動(dòng)(擴(kuò)徑)和 縱向流動(dòng)(延伸)但橫向變形受到導(dǎo)盤的阻止作用,縱向延伸變形是主要的。 導(dǎo)盤的作用不僅可
第四章
穿孔
9
以限制橫向變形而且還可以拉動(dòng)金屬向軸向延伸,由于橫向變形的結(jié)果,橫截面呈橢圓形。 Ⅲ區(qū)稱為碾軋區(qū),該區(qū)的作用是碾軋均整、改善管壁尺寸精度和內(nèi)外表面質(zhì)量，由于頂 頭母線與軋輥母線近似平行，所以壓下量是很小的，主要起均整作用。軋件橫截面在此區(qū)段 也是橢圓形，并逐漸減小。 Ⅳ區(qū)稱為歸圓區(qū)。 該區(qū)的作用是把橢圓形的毛管， 靠旋轉(zhuǎn)的軋輥逐漸減小直徑上的壓下 量到零，而把毛管轉(zhuǎn)圓，該區(qū)長度很短，在這個(gè)區(qū)變形實(shí)際上是無頂頭空心毛管塑性彎曲變 形，變形力也很小。 變形過程中四個(gè)區(qū)段是相互聯(lián)系的， 而且是同時(shí)進(jìn)行的， 金屬橫截面變形過程是由圓變 橢圓再歸圓的過程，
4-3 軋件橫截面變化圖
4.2
4.2.1
斜軋穿孔運(yùn)動(dòng)學(xué)
兩輥穿孔機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)
4.2.1.1 螺旋軋制的速度分析 穿孔機(jī)軋輥是同一方向旋轉(zhuǎn),且軋輥軸相對(duì)軋制軸線傾斜,相交一個(gè)角度稱作前進(jìn)角。當(dāng) 圓管坯送入軋輥中,靠軋輥和金屬之間的摩擦力作用,軋輥帶動(dòng)圓管坯—毛管反向旋轉(zhuǎn),由于 前進(jìn)角的存在,管坯—毛管在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向軸向移動(dòng),在變形區(qū)中管坯—毛管表面上每一點(diǎn)都 是螺旋運(yùn)動(dòng),即一邊旋轉(zhuǎn),一邊前進(jìn)。 表現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)的基本參數(shù)是： 切向運(yùn)動(dòng)速度、 軸向運(yùn)動(dòng)速度、 和軋輥每半轉(zhuǎn)的位移值 （螺 距）。 首先來討論軋輥上任意一點(diǎn)的速度，如果軋輥圓周速度為 VR，則可以分解為兩個(gè)分量 （切向分量和軸向分量）。
10
VaR=VRCOSβ=πD Nb/60×COSβ切向旋轉(zhuǎn)速度 （1） VtR＝VR sinβ=πD Nb/60×Sinβ軸向速度 （2） 式中 D所討論截面的軋輥直徑，mm; Nb軋輥轉(zhuǎn)速， rpm;v β咬入角。 在軋制過程中由于坯料靠軋輥帶動(dòng)，軋輥將相應(yīng)的速度傳遞給管坯，則管坯速度為： VB=πD Nb/60×COSβ （3） 但實(shí)際上軋輥速度和金屬速度并非完全相等。 一般金屬運(yùn)動(dòng)速度小于軋輥速度， 即兩者 之間產(chǎn)生滑移，可用滑移系數(shù)來表示兩者速度，這樣 VaR =πD Nb/60×COSβ×ητ (4) VtR＝πD Nb/60×sinβ×η0 (5) 式中：ητ 切向滑移系數(shù), η0 軸向滑移系數(shù),兩者小于 1。 不同的材料有不同的滑移系數(shù)，參考如下： 碳鋼 η0 = 0.8~1.0 低合金鋼 η0 = 0.7 ~ 0.8 高合金鋼 η0 = 0.5 ~ 0.7 在生產(chǎn)中最有實(shí)際意義的是毛管離開軋輥時(shí)的那一點(diǎn)速度，眾所周知，出口速度愈大， 即生產(chǎn)率也愈高。為了簡化計(jì)算，一般假設(shè)軋輥出口速度等于 VtR，實(shí)際誤差包含在滑移系 數(shù)中。 毛管離開軋輥一點(diǎn)的軸向滑移系數(shù)可用公式(2)求出軸向速度,除以毛管長度得出理論的 穿孔時(shí)間,再和實(shí)測時(shí)間相比,即η0=T 理/T 實(shí).這樣確定η0 后,則可計(jì)算出毛管離開軋輥的軸 向速度。 螺距在變形中是個(gè)可變值，并且隨著管坯進(jìn)入變形區(qū)程度增加而增加，這是由于管坯-
第四章
穿孔
11
毛管斷面積不斷減小而軸向流動(dòng)速度不斷增加所致。 毛管離開軋輥一點(diǎn)的螺距值計(jì)算公式為: T=π/2×η0/ητ×d×tgβ 式中：d毛管直徑
4.3
穿孔的咬入條件
斜軋穿孔過程存在著兩次咬入， 第一次咬入是管坯和軋輥開始接觸瞬間， 由軋輥帶動(dòng)管 坯運(yùn)動(dòng)而把管坯曳入變形區(qū)中，稱為一次咬入。當(dāng)金屬進(jìn)入變形區(qū)到和頂頭相遇，克服頂頭 的軸向阻力繼續(xù)進(jìn)入變形區(qū)為二次咬入。 一般滿足了一次咬入的條件并
不見得就能滿足二次咬入條件。在生產(chǎn)中我們常常看到， 二次咬入時(shí)由于軸向阻力作用，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)停止而旋轉(zhuǎn)繼續(xù)著即打滑。
4.3.1
一次咬入條件
一次咬入既要滿足管坯旋轉(zhuǎn)條件又要滿足軸向前進(jìn)條件。 管坯咬入的力能條件由下式確定： Mt ≥ Mp + Mq + Mi 式中：Mt - 使管坯旋轉(zhuǎn)的總力矩; Mp—由于壓力產(chǎn)生的阻止坯料旋轉(zhuǎn)力矩 Mq—由于推料機(jī)推力而在管坯后端產(chǎn)生的摩擦力矩 Mi—管坯旋轉(zhuǎn)的慣性矩 如果忽略 Mq、 Mi（值很小）則一般的表達(dá)式為： n (Mt + Mp) ≥ 0 (n—軋輥數(shù))
(6)
前進(jìn)咬入條件是指管坯軸向力平衡條件， 也就是， 曳入管坯的軸向力應(yīng)大于或等于軸向 阻力，其表達(dá)式為： n (Tx-Px) + P′ ≥ 0 (7) 式中：Tx—每個(gè)軋輥?zhàn)饔迷诠芘魃系妮S向摩擦力 Px--每個(gè)軋輥?zhàn)饔迷诠芘魃险龎毫S向分量 P′—后推力 (一般為零) 一次咬入所需旋轉(zhuǎn)條件 下面的公式表明在管坯咬入時(shí)力的平衡， 兩個(gè)重要參數(shù)， 摩擦系數(shù)和角速度可以通過下 面公式計(jì)算。
(8) 式中： ——軋輥入口錐角 ——咬入角 ——輥喉處的直徑減徑值
12
若想管坯咬入順利些，可以將咬入角變大些、軋輥的入口錐角小些，或者通過施加管坯 的推入力和加大軋輥表面的輥花深度。
4.3.2
二次咬入條件
二次咬入的力能條件 二次咬入中旋轉(zhuǎn)條件比一次咬入增加了一項(xiàng)頂頭／頂桿系統(tǒng)的慣性阻力矩,其值很小。 因此二次咬入旋轉(zhuǎn)條件,基本和一次咬入相同。二次咬入的關(guān)鍵是前進(jìn)條件。 二次咬入時(shí)軸向力的平衡條件： n (Tx-Px) -Q′ ≥ 0 (9) 式中：Q′—頂頭鼻部的軸向阻力 二次咬入所需旋轉(zhuǎn)條件 二次咬入的條件在軸向管坯的推入力要大于頂頭和管坯與軋輥之間的摩擦力， 能實(shí)現(xiàn)二 次咬入的前提是在管坯接觸頂頭前（x=自由長度） 管坯至少要旋轉(zhuǎn)一周。
式中：d B——管坯直徑
4.4
孔腔形成機(jī)理
斜軋實(shí)心管坯時(shí)， 在頂頭接觸管坯前常易出現(xiàn)金屬中心破裂現(xiàn)象， 當(dāng)大量裂口發(fā)展成相 互連接，擴(kuò)大成片以后，金屬連續(xù)性破壞，形成中心空洞即孔腔。。在頂頭前過早 形成孔腔，會(huì)造成大量的內(nèi)折缺陷，惡化鋼管內(nèi)表面質(zhì)量，甚至形成廢品，因此在穿孔工藝 中力求避免過早形成孔腔。
