CN104259207A - 热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺 - Google Patents
热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，包括轧辊设计、导板设计和顶头设计，通过建立轧辊和导板的空间模型，将轧辊、导板和顶头的特征点关系以函数的方式列出并进行初步计算，得出轧辊、导板和顶头的主要参数，再进一步借助于计算机编程进行复杂的迭代计算，从而快速准确地获得轧辊、导板和顶头的各个特征点，将设计组装好的工模具在现场试用后，大大提高和工模具寿命和产品质量，其实用性得到了生产验证。本发明实现了工模具设计、工艺参数计算和毛管规格预测的功能，可直接用于指导二辊斜轧穿孔机的设计、改造升级和生产，大大提高了工模具寿命和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及热轧无缝钢管领域，具体是一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺。
背景技术
二辊斜轧穿孔机工作的实质是将实心的管坯或钢锭穿孔并轧制成空心的毛管，对其穿孔工艺的要求是：首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；最后是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。
二辊斜轧穿孔机包括轧辊、顶头和导板：轧辊是主传动外变形工具，其特征尺寸为轧辊最大直径和辊身长度；顶头是穿孔机的内变形工具，顶头设计的总原则是合理而均匀地分配变形，并使顶头穿孔阻力为最小；导板是固定不动的外变形工具，不仅起到管坯和毛管的导向作用，使轧制线稳定，而更重要的是封闭孔型外环、限制毛管横向变形，以保证获得较大的延伸系数和得到薄壁毛管。
由于轧管、顶头和导板是空间三维关系，采用三维制图设计的工程量过大。目前，国内普遍将其转换为平面几何进行设计，并采用经验法设计，这样做的原因有两方面：一方面孔型封闭性无法保证，另一方面提供的工艺参数较实际有较大出入，只能靠有经验的调整工验证修正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，用于指导实际生产。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，其特征在于，包括轧辊设计、导板设计和顶头设计，具体流程如下：
1）建立轧辊空间模型：
轧辊为空间绕一定轴的回转体，其母线通常为数条曲线的组合，分别构造每一条曲面的空间方程，建立辊面任一母线的空间坐标系；
设轧辊为上下布置，左右配置导板，轧辊的送进角为α，碾轧角为β，轧辊的辊面绕X轴旋转β形成碾轧角β后，绕Z轴旋转α’形成送进角α，其中α’=arctan(tanα*cos(β))；
设(x, y,z)为轧辊辊面任意一点，则辊面标准锥面方程为
x^2+ z^2=[r辊/tan(θ)+y]^2 *tan(θ)^2 Ⅰ
其中r辊为孔喉处辊面的半径；
将标准辊面绕X轴旋转β后，在原坐标系中坐标值变化为 (x’， y’， z’)，且有
x’=xcosβ-ysinβ； ①
y’=xsinβ+ycosβ； ②
z’=z； ③
接着绕Z轴旋转α’角，在原坐标系中坐标变为(x’’， y’’， z’ ’)，且有
x’’ =x’； ④
y’’= y’cosα’-z’sinα’； ⑤
z’’= y’sinα’-z’cosα’； ⑥
沿着Z轴平移h，坐标变化为
x’’’=x’’ ⑦
y’’’=y’’ ⑧
z’’’=z’’-h ⑨
将式①-⑨，代入方程Ⅰ得到此时锥面在原坐标系中的方程：
k1*x^2+ k2*y^2+ k3*z^2+k4xy+k5xz+k6yz+k7x+k8y+k9z+k10=0 Ⅱ
k1-k10为轧辊锥面特征表达式；
根据上述关系式，建立辊面的空间数学模型；
作一平面y=t，轧辊辊面被该平面所截，截面方程为：k1*x^2+ k2*t^2+ k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10=0；在此截线上必然存在一点Mt（x,t,z）其到轧制线y轴的距离最短，而接触迹线是对应不同t的点Mt的集合；
对于沿轧制方向给定的截面y=t，在辊面的截线上的点到y轴的距离为R(t)=sqrt(x^2+z^2)；而在这些距离中的最小值就是该截面辊面上接触迹点到轧制线的距离，此距离即为孔型开度，对于给定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此构造函数：
G（x,t,z）=x^2+z^2+λ(k1*x^2+ k2*t^2+k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10)；
对R(t)有最小值，则有： =0；=0；
联立以上方程，解出接触点Mt的坐标；
2)建立导板空间模型
与轧辊类似，建立导板工作面的空间曲面方程：
k11*x^2+ k22*y^2+ k33*z^2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k99z+k100=0 Ⅲ
k11-k100为导板锥面特征表达式
将方程Ⅱ和Ⅲ进行联立求解方程组，则得导板的关键特征点OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、ODb、Cr；
3)顶头设计
顶头直径Dd=Dm-2*δm-CH ，其中Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚，CH为毛管与顶头的间隙值，由经验公式得，CH=(0.09+0.076*Dp)-(0.007+0.0013*Dp)*δm；平滑段长度LGT2=SF*π*Dm/2*TAN（α），其中SF为平滑系数1.5-1.7，α为送进角；顶头平整段锥角βGT2=arctan{[R(y2)-R(y1)]/( y2-y1)}，其中y1、y2为空间求开度值的截面纵坐标，R(y2)和R(y1)为对应坐标的开度值；毛管壁厚δm= R(LD-LD1)-Dd，计算出LD值；LR=LD-LGT2；顶头穿孔段末端直径DR=Dd-2* LGT2*tan(βGT2)；顶头位置LD1通过迭代公式[Dp-R(LD1)]/ Dp=0.06±0.005而得，其中R(LD1)为y=LD1的开度值；平整段长度LZ取经验数值20；反锥段长度Lround取经验数值30；通过上述计算，顶头关键参数确定；
4）采用计算机编程进行求解，然后组装工模具，投入生产
根据步骤1）-步骤3）的算式，采用计算机编程来对整个过程进行求解，借助于计算机进行迭代计算，快速准确地获得轧辊、导板和顶头的各个特征点，使毛管规格达到目标规格；根据计算结果，将设计好的轧辊、导板和顶头组装好，投入生产。
作为本发明进一步的方案：根据经验直径压下率曲线，拟合轧辊轧制不同规格毛管的直径压下率函数：
y=p1+p2*x+p3/x+p4*x^2+p5/x^2+p6*x^3+p7/x^3+p8*x^4+p9/x^4+p10*x^5 ⑩
P1-P10为轧辊辊面坐标拟合后的曲线常量，y代表实际直径压下率，x代表目标毛管的径厚比，即Dm/δm，Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚，管坯直径压下率通过式⑩确定。
作为本发明进一步的方案：管坯直径压下率还通过人工修正y值得到，辊距E=Dp*（1-y），Dp为坯料直径，y值视毛管材质而定，碳钢毛管的y=0.84-0.9；低合金钢毛管的y=0.85-0.9；高合金钢毛管的y=0.88-0.91。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了工模具设计、工艺参数计算和毛管规格预测的功能，可直接用于指导二辊斜轧穿孔机的设计、改造升级和生产，大大提高了工模具寿命和产品质量。
附图说明
图1是轧辊曲面整体空间坐标系；
图2是轧辊的任一母线空间坐标；
图3是轧辊设计图；
图4是经验直径压下率曲线；
图5是拟合直径压下率曲线；
图6是导板主视图；
图7是导板俯视图；
图8是顶头设计图；
图9是二辊斜轧穿孔机工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，包括轧辊设计、导板设计和顶头设计，具体流程如下：
1）建立轧辊空间模型：
请参阅图1-3，轧辊为空间绕一定轴的回转体，如图1所示，其母线通常为数条曲线的组合，分别构造每一条曲面的空间方程，建立辊面任一母线的空间坐标系，如图2所示；
设轧辊为上下布置，左右配置导板，轧辊的送进角为α，碾轧角为β，轧辊的辊面绕X轴旋转β形成碾轧角β后，绕Z轴旋转α’形成送进角α，其中α’=arctan(tanα*cos(β))；
设(x, y,z)为轧辊辊面任意一点，则辊面标准锥面方程为
x^2+ z^2=[r辊/tan(θ)+y]^2 *tan(θ)^2 Ⅰ
其中r辊为孔喉处辊面的半径；
将标准辊面绕X轴旋转β后，在原坐标系中坐标值变化为 (x’， y’， z’)，且有
x’=xcosβ-ysinβ； ①
y’=xsinβ+ycosβ； ②
z’=z； ③
接着绕Z轴旋转α’角，在原坐标系中坐标变为(x’’， y’’， z’ ’)，且有
x’’ =x’； ④
y’’= y’cosα’-z’sinα’； ⑤
z’’= y’sinα’-z’cosα’； ⑥
沿着Z轴平移h，坐标变化为
x’’’=x’’ ⑦
y’’’=y’’ ⑧
z’’’=z’’-h ⑨
将式①-⑨，代入方程Ⅰ可得到此时锥面在原坐标系中的方程：
k1*x^2+ k2*y^2+ k3*z^2+k4xy+k5xz+k6yz+k7x+k8y+k9z+k10=0 Ⅱ
k1-k10为轧辊锥面特征表达式；
根据上述关系式，可建立辊面的空间数学模型，如图3所示；
作一平面y=t，轧辊辊面被该平面所截，截面方程为：k1*x^2+k2*t^2+ k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10=0；在此截线上必然存在一点Mt（x,t,z）其到轧制线y轴的距离最短，而接触迹线是对应不同t的点Mt的集合；
对于沿轧制方向给定的截面y=t在辊面的截线上的点到y轴的距离为R(t)=sqrt(x^2+z^2)；而在这些距离中的最小值就是该截面辊面上接触迹点到轧制线的距离，此距离即为孔型开度。对于给定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此构造函数：
G（x,t,z）=x^2+z^2+λ(k1*x^2+ k2*t^2+k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10)；
对R(t)有最小值，则有：=0；=0；
联立以上方程，解出接触点Mt的坐标。
根据图4所示的经验直径压下率曲线,拟合轧辊轧制不同规格毛管的直径压下率函数：
y=p1+p2*x+p3/x+p4*x^2+p5/x^2+p6*x^3+p7/x^3+p8*x^4+p9/x^4+p10*x^5 ⑩
P1-P10为轧辊辊面坐标拟合后的曲线常量，y代表实际直径压下率，x代表目标毛管的径厚比，即Dm/δm，Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚；
管坯直径压下率可通过式⑩确定，也可通过人工修正y值：假设坯料直径为Dp，辊距E=Dp*（1-y），y值视毛管材质而定，碳钢毛管的y=0.84-0.9；低合金钢毛管的y=0.85-0.9；高合金钢毛管的y=0.88-0.91。
2)建立导板空间模型
与轧辊类似，导板的工作面空间曲面也为锥面，根据上述一般锥面方程和转轴移轴公式，建立导板工作面的空间曲面方程：
K11*x^2+ K22*y^2+ K33*z^2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k99z+k100=0 Ⅲ
k11-k100为导板锥面特征表达式
将方程Ⅱ和Ⅲ进行联立求解方程组，则可得导板的关键特征点，如图6-7所示，参数OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、ODb、Cr确定，即导板主要参数确定。
3)顶头设计
顶头直径Dd=Dm-2*δm-CH，其中Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚，CH为毛管与顶头的间隙值，经验公式为CH=(0.09+0.076*Dp)-(0.007+0.0013* Dp)*δm；
平滑段长度LGT2=SF*π*Dm/2*TAN（α），其中SF为平滑系数1.5-1.7，α为送进角；
顶头平整段锥角βGT2=arctan{[R(y2)-R(y1)]/( y2-y1)}，其中y1、y2为空间求开度值的截面纵坐标，R(y2)和R(y1)为对应坐标的开度值；
δm=R(LD-LD1)-Dd，迭代计算LD值；
LR=LD-LGT2；
顶头穿孔段末端直径DR=Dd-2* LGT2*tan(βGT2)；
顶头位置LD1通过迭代公式[Dp-R(LD1)]/ Dp=0.06±0.005而得，其中R(LD1)为y= LD1的开度值；
平整段长度LZ取经验数值20；
反锥段长度Lround取经验数值30；
通过上述计算，顶头关键参数确定，如图8所示。
4）采用计算机编程进行求解，然后组装工模具，投入生产
根据步骤1）-步骤3）的算式，采用计算机编程来对整个过程进行求解，借助于计算机进行迭代计算，可以快速准确地获得轧辊、导板和顶头的各个特征点，使毛管规格达到目标规格；将设计好的轧辊、导板和顶头组装好即可进行生产，如图9所示。
将本发明设计组装好的工模具在现场试用后，大大提高和工模具寿命和产品质量，其实用性得到了生产验证。本发明实现了工模具设计、工艺参数计算和毛管规格预测的功能，可直接用于指导二辊斜轧穿孔机的设计、改造升级和生产，大大提高了工模具寿命和产品质量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，其特征在于，包括轧辊设计、导板设计和顶头设计，具体流程如下：
1）建立轧辊空间模型：
轧辊为空间绕一定轴的回转体，其母线通常为数条曲线的组合，分别构造每一条曲面的空间方程，建立辊面任一母线的空间坐标系；
设轧辊为上下布置，左右配置导板，轧辊的送进角为α，碾轧角为β，轧辊的辊面绕X轴旋转β形成碾轧角β后，绕Z轴旋转α’形成送进角α，其中α’=arctan(tanα*cos(β))；
设(x, y,z)为轧辊辊面任意一点，则辊面标准锥面方程为
x^2+ z^2=[r辊/tan(θ)+y]^2 *tan(θ)^2 Ⅰ
其中r辊为孔喉处辊面的半径；
将标准辊面绕X轴旋转β后，在原坐标系中坐标值变化为 (x’， y’， z’)，且有
x’=xcosβ-ysinβ； ①
y’=xsinβ+ycosβ； ②
z’=z； ③
接着绕Z轴旋转α’角，在原坐标系中坐标变为(x’’， y’’， z’ ’)，且有
x’’ =x’； ④
y’’= y’cosα’-z’sinα’； ⑤
z’’= y’sinα’-z’cosα’； ⑥
沿着Z轴平移h，坐标变化为
x’’’=x’’ ⑦
y’’’=y’’ ⑧
z’’’=z’’-h ⑨
将式①-⑨，代入方程Ⅰ得到此时锥面在原坐标系中的方程：
k1*x^2+ k2*y^2+ k3*z^2+k4xy+k5xz+k6yz+k7x+k8y+k9z+k10=0 Ⅱ
k1-k10为轧辊锥面特征表达式；
根据上述关系式，建立辊面的空间数学模型；
作一平面y=t，轧辊辊面被该平面所截，截面方程为：k1*x^2+ k2*t^2+ k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10=0；在此截线上必然存在一点Mt（x,t,z）其到轧制线y轴的距离最短，而接触迹线是对应不同t的点Mt的集合；
对于沿轧制方向给定的截面y=t，在辊面的截线上的点到y轴的距离为R(t)=sqrt(x^2+z^2)；而在这些距离中的最小值就是该截面辊面上接触迹点到轧制线的距离，此距离即为孔型开度，对于给定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此构造函数：
G（x,t,z）=x^2+z^2+λ(k1*x^2+ k2*t^2+k3*z^2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+k10)；
对R(t)有最小值，则有： =0；=0；
联立以上方程，解出接触点Mt的坐标；
2)建立导板空间模型
与轧辊类似，建立导板工作面的空间曲面方程：
k11*x^2+ k22*y^2+ k33*z^2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k99z+k100=0 Ⅲ
k11-k100为导板锥面特征表达式
将方程Ⅱ和Ⅲ进行联立求解方程组，则得导板的关键特征点OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、ODb、Cr；
3)顶头设计
顶头直径Dd=Dm-2*δm-CH ，其中Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚，CH为毛管与顶头的间隙值，由经验公式得，CH=(0.09+0.076*Dp)-(0.007+0.0013*Dp)*δm；平滑段长度LGT2=SF*π*Dm/2*TAN（α），其中SF为平滑系数1.5-1.7，α为送进角；顶头平整段锥角βGT2=arctan{[R(y2)-R(y1)]/( y2-y1)}，其中y1、y2为空间求开度值的截面纵坐标，R(y2)和R(y1)为对应坐标的开度值；毛管壁厚δm= R(LD-LD1)-Dd，计算出LD值；LR=LD-LGT2；顶头穿孔段末端直径DR=Dd-2* LGT2*tan(βGT2)；顶头位置LD1通过迭代公式[Dp-R(LD1)]/ Dp=0.06±0.005而得，其中R(LD1)为y=LD1的开度值；平整段长度LZ取经验数值20；反锥段长度Lround取经验数值30；通过上述计算，顶头关键参数确定；
4）采用计算机编程进行求解，然后组装工模具，投入生产
根据步骤1）-步骤3）的算式，采用计算机编程来对整个过程进行求解，借助于计算机进行迭代计算，快速准确地获得轧辊、导板和顶头的各个特征点，使毛管规格达到目标规格；根据计算结果，将设计好的轧辊、导板和顶头组装好，投入生产。
2.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，其特征在于，根据经验直径压下率曲线，拟合轧辊轧制不同规格毛管的直径压下率函数：
y=p1+p2*x+p3/x+p4*x^2+p5/x^2+p6*x^3+p7/x^3+p8*x^4+p9/x^4+p10*x^5 ⑩
P1-P10为轧辊辊面坐标拟合后的曲线常量，y代表实际直径压下率，x代表目标毛管的径厚比，即Dm/δm，Dm为毛管外径，δm为毛管壁厚，管坯直径压下率通过式⑩确定。
3.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺，其特征在于，管坯直径压下率还通过人工修正y值得到，辊距E=Dp*（1-y），Dp为坯料直径，y值视毛管材质而定，碳钢毛管的y=0.84-0.9；低合金钢毛管的y=0.85-0.9；高合金钢毛管的y=0.88-0.91。
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| CN201410482579.XA CN104259207A (zh) | 2014-09-22 | 2014-09-22 | 热轧无缝钢管二辊斜轧穿孔工艺 |
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|---|---|
| CN (1) | CN104259207A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105234179A (zh) * | 2015-11-02 | 2016-01-13 | 浙江格洛斯无缝钢管有限公司 | 利用二辊斜轧机进行厚壁无缝钢管的定径工艺及轧制工艺 |
| CN107999540A (zh) * | 2017-08-09 | 2018-05-08 | 鑫鹏源智能装备集团有限公司 | 一种特厚壁用穿孔机轧辊 |
| CN112439787A (zh) * | 2019-08-30 | 2021-03-05 | 鑫鹏源智能装备集团有限公司 | 一种毛管大扩径轧制方法 |
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2014
- 2014-09-22 CN CN201410482579.XA patent/CN104259207A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李胜祗等: "狄舍尔穿孔工具设计的改进", 《热加工工艺》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105234179A (zh) * | 2015-11-02 | 2016-01-13 | 浙江格洛斯无缝钢管有限公司 | 利用二辊斜轧机进行厚壁无缝钢管的定径工艺及轧制工艺 |
| CN107999540A (zh) * | 2017-08-09 | 2018-05-08 | 鑫鹏源智能装备集团有限公司 | 一种特厚壁用穿孔机轧辊 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150107 |