CN103736733A - 用于钢管局部增厚的推挤横轧装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于钢管局部增厚的推挤横轧装置和方法，属于金属材料轧制技术领域。该装置由轧机及钢管夹持旋转机构组成；轧机包括四个平行对齐布置的轧辊，机架一侧设置能够沿轧辊的轴向进行位置调整的挡板，机架另一侧设置钢管夹持旋转机构；钢管夹持旋转机构中设有旋转套，液压缸控制钢管夹持旋转机构沿钢管轴向运动。横轧增厚前，将钢管的尾端插入旋转套中，用爪卡夹紧钢管，随后液压缸推动钢管夹持旋转机构将钢管的前端伸入轧辊辊缝，使钢管的前端抵住活动转盘；随后电机驱动旋转套及钢管旋转，液压缸继续推挤钢管，由于增厚段长度缩短，实现钢管径向增厚。本发明具有操作简单、生产成本较低、增厚后的钢管壁厚均匀性得到改善等优点。

Description

用于钢管局部增厚的推挤横轧装置和方法

技术领域：

本发明属于金属材料轧制技术领域，具体涉及一种用于钢管局部增厚的推挤横轧装置和方法。

背景技术：

目前，半挂车车轴普遍采用由无缝钢管制造的整体空心车轴，车轴两端一般通过轧制或挤压使钢管缩径成形为阶梯状。从受力分析来看，车轴两端轴承位承受较大的弯矩和扭矩，因此，车轴两端轴承位是薄弱位置，其壁厚要求较大，这是满足强度要求的重要条件，其余部位受力较小，强度储备较大。而减轻车轴自重对于节约材料、降低燃油消耗具有重要意义。因此，在强度满足的前提下，尽可能降低轴管本体的壁厚，这是降低车轴自重的有效方式。在正常生产工艺下，轴管本体壁厚减小会影响轴承位处的壁厚，使该处的强度降低。因此，采用较薄壁厚的钢管生产车轴时，可预先对车轴两端轴承位的对应位置进行局部增厚，再通过横轧缩径进行管端成形，这样既满足降低车轴自重的要求也保证车轴两端，尤其是轴承位的强度要求。钢管局部增厚的用途比较广泛，其它如石油领域的石油管、钻杆、地质管等连接时，也需要对管端进行增厚处理，以保证连接处的强度。

现有钢管局部增厚的主要方法是将局部加热的钢管放在模具内进行镦锻或挤压。该方法存在以下较为突出的问题：（1）在无芯棒镦锻增厚时，增厚处的壁厚均匀性受镦锻比（变形区长度与厚度之比）影响显著；镦锻比过大容易产生轴向失稳，在管壁内形成环形内凹甚至折叠，薄壁大口径的钢管难以一次镦锻成形。（2）由于钢管外壁与模具之间全接触，摩擦作用强烈。但由于摩擦力的不均匀分布造成镦锻后管壁厚度不均匀，通常壁厚呈正弦波形式分布，这对后继的进一步成形加工产生不利影响。目前在现有“镦锻增厚+横轧缩径”工艺生产半挂车时，镦锻增厚的厚度分布难以准确控制，严重影响使用薄壁管生产半挂车轴的成形质量。（3）采用镦锻法增厚钢管时，对于不同口径尺寸的钢管局部镦厚时需要设计和更换不同尺寸的模具，备件种类和数量较多。

中国专利CN201110144300.3公开了一种小口径钻杆管端增厚方法，该方法采用轴向加压、径向滚压方式：钢管一端被夹持并轴向加压，增厚端抵住活动转盘并利用安装在活动转盘上的碾压辊对管端径向滚压，增厚过程中钢管不转动，碾压辊围绕钢管周向转动。该方法中由于碾压辊安装在可旋转的活动转盘上，碾压辊直径较小，受结构特点限制，碾压辊的刚度难以提高，转盘对中要求极高，对实际操作过程中管端增厚成形精度提高难度较大。此外安装在活动转盘上的碾压辊之间间距难以调整，对不同外径的钢管成形只能通过改变碾压辊直径进行调整，调整幅度小，因此调整外径尺寸时需要换辊或磨削碾压辊。

发明内容：

本发明针对现有钢管局部增厚技术存在的不足之处，提供一种用于钢管局部增厚的推挤横轧装置和方法。

本发明所提供的用于钢管局部增厚的推挤横轧装置由轧机1以及钢管夹持旋转机构2两个部分组成；所述轧机1包括四个平行对齐布置的轧辊3，所述轧辊3为平辊，所述轧辊3绕钢管周向对称分布，所述轧辊3通过轧辊辊颈4安装在轴承5中，所述轴承5安装在偏心套6中，所述偏心套6设置在所述轧机1的机架上；所述轧机1的机架一侧设置能够沿所述轧辊3的轴向进行位置调整的挡板7，所述轧机1的机架另一侧设置所述钢管夹持旋转机构2；所述挡板7的前部设有能够自由旋转的活动转盘8，所述活动转盘8通过止推轴承9安装在所述挡板7上；所述钢管夹持旋转机构2中设有旋转套13，所述旋转套13中设有两组爪卡14，所述爪卡14沿钢管周向对称分布，工作时爪卡夹持钢管11；所述旋转套13安装齿轮圈15，所述齿轮圈15与齿轮16啮合，所述齿轮16由电机17驱动；液压缸18控制所述钢管夹持旋转机构2沿钢管轴向运动；所述轧辊3型腔的中心线与所述旋转套13的中心线对齐。

对于钢管11的内型面有特殊要求时，在所述活动转盘8上设置芯棒10；当钢管增厚时，所述芯棒10内置钢管11中，对所述钢管11的内径型面进行控制。

本发明所提供的推挤横轧装置用于钢管局部增厚的方法，该方法具体内容如下：

横轧增厚前，将钢管11的尾端插入所述旋转套13中，用所述爪卡14夹紧所述钢管11，随后所述液压缸18推动所述钢管夹持旋转机构2，将钢管11的前端伸入四个所述轧辊3之间的辊缝，使钢管11的前端抵住所述活动转盘8，随后所述电机17驱动所述旋转套13及钢管11旋转；所述液压缸18继续推挤钢管11，钢管11的增厚段被预先加热，增厚段长度L0必须位于所述轧辊3辊身长度范围内，钢管增厚段在轴向推挤作用下长度缩短，钢管与轧辊接触区外的部分外径增大，使得钢管与轧辊的接触面积进一步增加；由于钢管绕轴线旋转，在接触力作用下轧辊被动旋转，实现轧辊对钢管的横轧；轧制过程中，轧辊辊缝值不变，接触变形区外增大的外径在轧辊作用下被压缩，由于增厚段长度缩短，金属被迫沿钢管径向流动，使增厚段厚度增加，实现钢管径向增厚；钢管增厚量大小由轴向的推挤行程决定，钢管增厚变形过程的关键因素是钢管的推挤转速比，即推挤速度与旋转转速之比，推挤转速比决定了横轧过程轧辊与钢管接触面积的大小，控制钢管的推挤转速比，即推挤速度与旋转转速之比在5～15mm/r范围内，即控制钢管旋转一圈的时间内，钢管后端所推挤的位移量为5～15mm。

旋转套13由齿轮圈15旋转驱动，旋转套13的转动带动钢管11转动，液压缸18控制钢管夹持旋转机构2沿钢管11轴向运动，将钢管11推向轧辊方向。轧辊间距可以调整，以适应对不同外径钢管的增厚。轧辊间距离调整是通过机架上偏心套6的旋转来实现。轧辊辊缝中心线位置也可通过偏心套6调整。钢管局部加热后，钢管尾部被夹持并驱动旋转，增厚段前端抵住活动转盘8。液压缸推动夹持旋转机构对钢管进行轴向挤压，钢管加热段在轧辊辊缝中轴向压缩并带动轧辊旋转，实现径向轧制，强迫金属径向流动，实现钢管的增厚目的。钢管增厚过程活动转盘与钢管前端没有相对滑动。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1、钢管推挤横轧增厚时，与轧辊接触区内金属除了轴向和径向受到压力外，在钢管圆周方向还受到周向剪应力作用。相对于钢管镦锻增厚法，变形区内的额外周向剪应力的作用使得变形区金属更加容易屈服，变形所需的外加载荷减小。再者，推挤横轧增厚时整个钢管的轴向摩擦力显著小于模具镦厚法。所以钢管推挤横轧增厚所需的轴向推挤力显著小于模具镦厚法。实例仿真计算：在变形温度1200℃对φ178×10mm钢管内增厚2.5mm，使用无芯棒模锻需要最大锻压力为80.5t，而使用推挤横轧方法，轴向推力只需27.8t。推挤载荷的减小对设备投资和维护要求及生产能耗降低，使得生产成本降低。

2、在原有的使用模具无芯棒镦锻方法中，钢管外壁与外模之间的强烈轴向摩擦作用，导致增厚后的钢管壁厚沿轴向分布有较大波动。而在本发明提供的推挤横轧增厚时，钢管外壁与轧辊间的接触面积较小，轴向摩擦作用较小；加之轧辊被动旋转，轧辊对钢管的径向摩擦作用极小，因此该方法增厚后的钢管壁厚均匀性得到改善。

3、对于不同外径的钢管增厚，本发明提供的方法中，只需通过调整轧机机架上的偏心套就可以改变轧辊轴线间的距离，从而通过改变4个轧辊间的辊缝值的大小来灵活适应多种外径钢管的增厚。调整方便灵活，工具备用量少，操作简单。

4、相对于中国专利CN201110144300.3（用于小口径钻杆端部增厚）公开的方法而言，本发明中轧辊安装在固定机架中，轧机及轧辊刚度高，成形精度高，可增厚的钢管尺寸范围更广。此外，通过调整机架上的偏心套可以精确调整4个轧辊间辊缝中心线对准钢管轴线，可以有效避免壁厚偏心。

5、中国专利CN201110144300.3公开的方法中，钢管被夹持而不能旋转，靠活动转盘驱动带动轧辊绕钢管旋转，这样钢管前端与活动转盘之间及芯棒与钢管内壁之间发生高速高压滑动摩擦，容易造成管端形状变化（如椭圆化），活动转盘和芯棒也容易磨损。而在本发明中，钢管增厚过程中钢管转动，钢管前端顶住自由活动转盘带动活动转盘的转动，活动转盘与钢管前端及芯棒与钢管内壁之间没有相对滑动，管端质量得到保证，且减小了活动转盘和芯棒的磨损。

附图说明：

图1为本发明推挤横轧装置的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图1中的B-B剖视图。

图中：1、轧机；2、钢管夹持旋转机构；3、轧辊；4、轧辊辊颈；5、轴承；6、偏心套；7、挡板；8、活动转盘；9、止推轴承；10、芯棒；11、钢管；12、轴承；13、旋转套；14、爪卡；15、齿轮圈；16、齿轮；17、电机；18、液压缸。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，推挤横轧增厚钢管的主要装置分为两个部分：轧机1和钢管夹持旋转机构2。轧机1中安装四个轧辊3，平行对齐且沿钢管周向对称布置。轧辊间距离和轧辊间辊缝中心线位置通过偏心套6旋转调整。机架一侧安装一个可沿轧辊轴向移动的挡板7和可自由旋转的活动转盘8，机架另一侧设置钢管夹持旋转机构2。根据钢管增厚对内径型面的要求，活动转盘8可安装芯棒10。钢管夹持旋转机构2中的旋转套13内设置两组沿钢管周向对称分布的爪卡14。电机17驱动齿轮16转动，进而带动齿圈15和旋转套13旋转。钢管的轴向推挤由液压缸18实现。

钢管增厚步骤如下：

（1）确定钢管增厚部位和增厚量，根据增厚量和增厚区长度按体积不变定律计算钢管推挤行程。

（2）根据钢管局部增厚要求调整轧辊轴线间距及挡板和转盘轴向位置。

（3）通过感应加热将增厚部位加热至变形要求温度，增厚段长度L0需小于轧辊辊身长度。

（4）将钢管尾端插入钢管夹持旋转机构中的旋转套，爪卡夹紧钢管。

（5）液压缸工作，将钢管前端伸入辊缝直至钢管前端抵住活动转盘并保证钢管轴线对准转盘中心。

（6）电机驱动旋转套旋转，带动钢管旋转，同时液压缸继续将对钢管轴向推挤。

（7）钢管加热段金属在轴向推挤的作用下，与轧辊非接触区面积增加，接触作用增强，钢管的旋转带动轧辊旋转，强迫轴向压缩的金属沿径向流动，实现对钢管的推挤横轧增厚目的。

推挤横轧中，增厚部分的钢管外径由四个轧辊之间的辊缝值决定。对内壁形状有特殊要求时，通过使用芯棒实现。推挤横轧增厚时，芯棒与钢管之间不发生相对滑动。

Claims (3)

1.一种用于钢管局部增厚的推挤横轧装置，其特征在于该推挤横轧装置由轧机（1）以及钢管夹持旋转机构（2）两个部分组成；所述轧机（1）包括四个平行对齐布置的轧辊（3），所述轧辊（3）为平辊，所述轧辊（3）绕钢管周向对称分布，所述轧辊（3）通过轧辊辊颈（4）安装在轴承（5）中，所述轴承（5）安装在偏心套（6）中，所述偏心套（6）设置在所述轧机（1）的机架上；所述轧机（1）的机架一侧设置能够沿所述轧辊（3）的轴向进行位置调整的挡板（7），所述轧机（1）的机架另一侧设置所述钢管夹持旋转机构（2）；所述挡板（7）的前部设有能够自由旋转的活动转盘（8），所述活动转盘（8）通过止推轴承（9）安装在所述挡板（7）上；所述钢管夹持旋转机构（2）中设有旋转套（13），所述旋转套（13）中设有两组爪卡（14），所述爪卡（14）沿钢管周向对称分布；所述旋转套（13）安装齿轮圈15，所述齿轮圈（15）与齿轮（16）啮合，所述齿轮（16）由电机（17）驱动；液压缸（18）控制所述钢管夹持旋转机构（2）沿钢管轴向运动；所述轧辊（3）型腔的中心线与所述旋转套（13）的中心线对齐。

2.根据权利要求1所述的推挤横轧装置，其特征在于所述活动转盘（8）上设有芯棒（10）；当钢管增厚时，所述芯棒（10）内置钢管（11）中，对所述钢管（11）的内径型面进行控制。

3.权利要求1所述推挤横轧装置用于钢管局部增厚的方法，其特征在于该方法具体内容如下：

横轧增厚前，将所述钢管（11）的尾端插入所述旋转套（13）中，用所述爪卡（14）夹紧所述钢管（11），随后所述液压缸（18）推动所述钢管夹持旋转机构（2），将所述钢管（11）的前端伸入四个所述轧辊（3）之间的辊缝，使所述钢管（11）的前端抵住所述活动转盘（8），随后所述电机（17）驱动所述旋转套（13）及所述钢管（11）旋转；所述液压缸（18）继续推挤所述钢管（11），所述钢管（11）的增厚段被预先加热，增厚段长度L0必须位于所述轧辊（3）辊身长度范围内，由于增厚段长度缩短，金属被迫沿钢管径向流动，使增厚段厚度增加，实现钢管径向增厚，控制钢管的推挤转速比，即推挤速度与旋转转速之比在5～15mm/r范围内。

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