[发明专利]一种四辊斜轧穿孔机

说明书

技术领域

本发明属于无缝钢管斜轧穿孔技术领域，具体涉及四辊斜轧穿孔机。

背景技术

目前在无缝钢管生产领域广泛采用的生产设备是二辊斜轧穿孔机和三辊斜轧穿孔机。

二辊斜轧穿孔机按其辊形不同可分为桶形辊（辊式）穿孔机、锥形辊（菌式）穿孔机和盘形辊（盘式）穿孔机三种（参看图1）。二辊斜轧穿孔机一般在辊缝之间配置导板或导盘，形成封闭的变形区。但不管采用哪种形式的轧辊，在穿孔过程中轧件的中心部位都可能出现孔腔现象。孔腔的出现和继续扩展是产生内部缺陷的主要原因。这些缺陷在后续的工序中不但难以消除，而且还会进一步扩大，甚至导致金属完全破坏,致使一些薄壁管、低塑性钢管和合金管难以在二辊穿孔机上穿孔。

通过对轧件在这三种辊形系统中的受力状态分析，都是在两个方向相反的径向压力和顶头轴向力作用下，其直径方向受到反复压缩和扩张，中心部分材料受到反复拉、压和剪切应力作用，当达到剪切屈服极限时便产生塑性变形，当超过剪切强度极限时，便引起破裂而产生孔腔。

三辊斜轧穿孔机与二辊斜轧机穿孔的区别是在顶头前管坯中心部分只承受三向压应力而不存在交变的拉应力和压应力，因此消除了管坯中心被撕裂的趋势。在三辊穿轧机上，轧辊形成一个近似封闭的圆孔型（参看图2)，不需要像在二辊穿孔轧机上为保持管坯在中心线上和限制金属切向流动，必须装设导板或导盘。因此采用三辊穿孔机穿孔就消除了现有二辊穿孔机存在的缺点，不仅消除了不利的金属应力状态，而且还取消了阻止管坯旋转所引起轴向滑移增加和过大能量消耗的导板与导盘。

三辊轧制过程中，轧件变形实际上是从圆到圆三角形再规圆的过程。三辊轧机不像二辊安装有导板，因此它不具有封闭的变形区。在坯料通过轧辊进行轧制的过程中，要产生交变的弯曲应力。这个弯曲应力使金属在各轧辊之辊缝间产生凸胀，使坯料断面周期性地形成三角形。根据分析，在轧制力作用下，辊缝间管壁的弯曲力与壁厚的平方成反比，与管子的平均直径成正比。在相同的压力作用下，直径与壁厚比值D/S大的，也就是相对壁厚较薄的管子，在辊缝处的管壁弯曲应力值要比厚壁管大，因此易于达到塑性弯曲值。另外，在相同的轧制力作用下，比值越大，单位压力也越大。因此， D/S比值越大，管尾三角形效应也越显著。实践证明，当D/S比值超过11～12时，便会形成严重的管尾三角（参看图3）。三角形的管尾会引起轧卡、管壁层裂和环状层裂。严重时卡在辊缝间造成轧卡。三辊穿孔机由于轧件在中心部分不存在交变的拉应力和压应力，轧件中心不会产生疏松区，不利于提高穿孔速度、减少力能消耗和工具磨损。

综上所述，斜轧穿孔技术是利用了轧辊通过碾轧揉搓对轧件施加交变的拉压应力，使轧件中心出现组织结构疏松状态，顶杆顺势顶穿实心管坯完成穿孔工作。但如何既能合理利用这一成形原理，又能有效抑制孔腔和有效避免分层，提高毛管质量和成材率是多年来一直困扰该领域的主要技术难题之一。曾经也有不少通过控制送进角或轧辊转速来避免孔腔和分层发生的成功案例，但带来的问题是要么规圆不足，毛管内外表面出现严重的螺纹缺陷，要么轧速过低，不能适应热成形温区窄的材料对轧速的要求。实践证明，二辊斜轧穿孔机不能抑制孔腔和分层，三辊斜轧穿孔机能避免孔腔，但问题是轧件中心材料无疏松区容易造成顶头过快磨损，而且薄壁毛管容易产生管尾三角形甚至造成轧卡，外表面折叠也时有发生。

二辊、三辊斜轧穿孔机主要缺陷分析：

1、咬入困难——二辊斜轧穿孔机由于咬入角过大，咬入条件不好，当管坯接触到顶头时轧件与轧辊打滑，造成轧卡。三辊斜轧穿孔机由于轧件只承受三向压应力，中心组织不会出现疏松状态，当管坯接触到顶头时，过大的轴向压力也会使轧件与轧辊产生打滑，造成顶头磨损过快。

2、孔腔——二辊斜轧穿孔机由于是两个轧辊对轧件进行辗轧穿孔，交变拉压应力使轧件中心疏松，由于材料扭转变形过大，不能对产生的裂纹及时焊合，中心组织撕裂，形成孔腔。

3、内折——孔腔形成后，由于材料扭转变形过大，不能对产生的裂纹及时焊合，穿孔毛管孔内表面材料产生折叠。

4、内分层——是由二辊斜轧穿孔机穿孔时，穿孔毛管与顶头接触的内表面和与轧辊接触的外表面的材料密度不同而产生扭转变形量严重不一致，又不能对其剪切界面及时焊合，穿孔毛管产生内表面部分或全部与基体分离。

5、外折——是由三辊斜轧穿孔机穿孔时，穿孔毛管受周期性三个轧辊施加交变的弯曲应力作用，产生环状孔腔，又不能对其进行及时焊合，穿孔毛管孔外表面材料产生折叠。