CN106132578B - 基于三点弯曲冲压成形的钢管的成形方法及成形装置 - Google Patents
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Abstract
一种钢管的成形方法,通过从坯材钢板的一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的前半成形、从另一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的后半成形、和对板宽中央部进行三点弯曲冲压的最终成形来将坯材钢板成形为大致圆筒形状,在该钢管的成形方法中,将上述前半成形分成在后半成形前进行的前阶段成形和在后半成形后进行的后阶段成形,且使上述前阶段成形中的成形范围为大于钢板宽度的0.17、小于钢板宽度的0.46的范围,由此,在不对现有的冲压机进行设备改造的情况下扩大能够制造的钢管的最大直径。
Description
技术领域
本发明涉及在管线管(line pipe)等中使用的钢管的成形方法,尤其涉及对坯材钢板使用多次三点弯曲冲压成形来成形钢管的方法及其成形装置。
背景技术
作为在管线管等中使用的钢管,广泛普及有如下的钢管、即所谓的UOE钢管:将具有规定的宽度、长度、板厚的坯材钢板冲压成形为U字状,接着,在冲压成形为O字状后,将对接部焊接而成为坯材钢管,并进一步将该坯材钢管的直径扩大(所谓扩管)来提高圆度。但是,近年来,对于在管线管等中使用的钢管,使用高强度且大径、壁厚的钢管。因此,在上述UOE钢管的制造方法中,为了将坯材钢板冲压成形成U字状、O字状而需要很大的冲压力,因此在以往的制造设备中制造范围受到限制,或制造性大幅降低。
因此,作为能够减小制造高强度且大径、壁厚的钢管时的冲压力的方法,如下的冲压弯曲方式的钢管制造方法被实用化:在对坯材钢板的两个宽度端部付与弯曲(所谓端部弯曲)后,进行多次弯曲冲压来将钢板成形为大致圆筒形,在将对接部焊接后,进行扩管来矫正形状而成为钢管。
对于该冲压弯曲方式的钢管制造技术,提出有几种方法。例如,在专利文献1中公开有如下的方法:作为前阶段,在对一个板宽端部进行了冲压后,对其板宽中央侧的部分进行冲压,作为后阶段在对另一个板宽端部进行了冲压后,对其板宽中央侧的部分进行冲压。另外,在专利文献2中公开有如下的方法:在从坯材钢板的一个端部朝向中央进行了三次冲压成形后,使钢板向另一方侧大幅移动, 并从其另一端部朝向中央进行三次冲压成形,而成形为留存了中央部分的状态下的近似圆形状,并对留存的中央部分进行冲压成形。另外,在专利文献3中公开有如下的方法:在进行了基于上下的模具的三点的弯曲成形后,通过定尺寸进给装置将板材沿宽度方向进给,依次重复对与先成形的部位不同的部位施加弯曲的操作,来得到管半成品。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2005-324255号公报
专利文献2:日本特开2007-090406号公报
专利文献3:日本特开2011-056524号公报
发明内容
上述专利文献1~3所公开的方法均采用了如下的方法:留下最后进行弯曲冲压的部分,在从坯材钢板的一个板宽端部朝向中央进行弯曲冲压而将坯材钢板的半片成形为大致半圆状后,从另一个板宽端部进行弯曲冲压成形。但是,在该方法中,当从上述另一个板宽端部开始弯曲冲压成形时,之前成形为大致半圆形的半片的已成形部分会大幅翘起,而存在其高度甚至达到产品钢管尺寸(外径)的大约1.5倍的情况。
在这样的情况下,在冲压机的大小相对于弯曲冲压成形的钢管的外径相对较小的情况、或由于设置在冲压机上的附属设备等而导致能够用于钢管制造的空间没有余裕那样的情况下,存在上述翘起的已成形部的钢板和冲压机或其附属设备发生干涉的情况,从而会导致设备损伤、或能够制造的最大外径尺寸受到大幅制约。为了应对所述问题点,而需要提高冲压机的高度或改变附属设备的安装位置等、在设计上下工夫以避免钢板和冲压机接触,而且,在不得不更新设备那样的情况下,需要巨大的设备投资。
本申请发明是鉴于现有技术所具有的上述问题点而研发的,其 目的在于提出一种在通过三点弯曲冲压法(冲压弯曲法)来制造钢管时能够不对现有的冲压机进行设备改造地扩大可制造的钢管的最大直径的钢管的成形方法。
发明人为了解决上述技术课题,着眼于因钢管的成形顺序而产生的成形中途的钢板形状的变化,并进行了锐意研究。其结果为,发现在现有技术中,通过将从坯材钢板的一个板宽端部朝向中央进行的弯曲冲压成形(前半成形)分为前阶段成形和后阶段成形这两个阶段,且将上述前阶段成形中的成形范围设定成恰当范围,能够降低已成形部分的翘起高度,能够扩大可制造的钢管的最大直径,从而开发出本发明。
即,本发明为一种钢管的成形方法,通过从坯材钢板的一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的前半成形、从另一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的后半成形、和对板宽中央部进行三点弯曲冲压的最终成形来将坯材钢板成形为大致圆筒形状,上述钢管的成形方法的特征在于,将上述前半成形分成在后半成形前进行的前阶段成形和在后半成形后进行的后阶段成形,且使上述前阶段成形中的成形范围相对于钢板宽度的比为大于0.17、小于0.46的范围。
本发明的钢管的成形方法的特征在于,使上述前半成形的前阶段成形中的成形范围相对于钢板宽度的比为0.21~0.42的范围。
另外,本发明的钢管的成形方法的特征在于,上述坯材钢板为对板宽两端部付与端部弯曲而形成的钢板。
另外,本发明为用于上述任一项所记载的钢管的成形方法的钢管的成形装置,其特征在于,冲压时冲头最大程度地下降时的冲头支承体的最上部与下模具最上部之间的距离为要制造的钢管外径的1.4倍以下。
发明效果
根据本发明,能够在冲压成形中将钢板翘起的最高到达位置抑制得低,因此能够不对现有的冲压机施加改进地扩大可制造的钢管 的最大外径。
另外,根据本发明,能够在冲压成形中将钢板翘起的最高到达位置抑制得低,因此除能够将用于成形的冲压机的高度抑制得低、能够增加设计的自由度以外,还具有能够降低配置冲压机的建筑物的高度、能够减小深挖地面的深度等能够减少设备投资等的优点。
另外,根据本发明,钢板翘起的最高到达位置被抑制得低、且在每次弯曲冲压后释放冲压力时的钢板落下量变小,因此钢板落下时的冲击力减小,从而也能够期待防止产生钢板缺陷或防止冲压机破损、降低冲击音等效果。
附图说明
图1是示意地说明基于冲压弯曲法的钢管的成形方法的图。
图2是说明以往的冲压弯曲法中的每次冲压中的钢板形状的变化的示意图。
图3是说明将前半成形中的五次冲压分成前阶段实施一次和后阶段实施四次来进行时的钢板形状的变化的示意图。
图4是说明将前半成形中的五次冲压分成前阶段实施两次和后阶段实施三次来进行时的钢板形状的变化的示意图。
图5是说明将前半成形中的五次冲压分成前阶段实施三次和后阶段实施两次来进行时的钢板形状的变化的示意图。
图6是说明将前半成形中的五次冲压分成前阶段实施四次和后阶段实施一次来进行时的钢板形状的变化的示意图。
图7是将图2~6所示的成形中途中的钢板的翘起最高高度位置的变化汇总地示出的示意图。
图8是表示升降引导件的间隔及上部构造体的位置、与钢板形状之间的关系的示意图。
图9是表示前半前阶段成形中的弯曲范围与钢板的前端边最大高度之间的关系的图。
图10是示意地表示实施例的成形方法中的钢板有无向禁止侵入 区域侵入的示意图。
具体实施方式
图1示意地示出基于冲压弯曲法的钢管的成形方法,与纸面垂直 的方向对应于坯材钢板的长度方向、即钢管的长度方向。钢管的成形 通过如下步骤来进行:将作为坯材的钢板设在隔开间隔地配置的一对 下模具上,通过未图示的驱动装置使冲头下降并对钢板进行弯曲冲 压,在使冲头上升后,使用未图示的进给装置等将钢板沿板宽方向进 给,然后,重复下一次弯曲冲压。此外,冲头具有与钢板接触的冲头 前端部、及将冲头前端部和驱动装置连结的冲头支承体。冲头前端部 和冲头支承体可以直接连接、或者也可以在中间隔着间隔件(spacer) 地连接。另外,冲头支承体的宽度可以与冲头前端部的宽度同等,但 优选比冲头前端部的宽度窄。
首先,作为前半的成形,从坯材钢板的板宽端部朝向板宽中央(图 1中的从A部朝向C部)重复多次(a次)弯曲冲压和钢板进给,将 坯材钢板的单侧半片(但是钢板的板宽中央部C除外)成形为大致半 圆形状。在本发明中,以后将该成形工序称为“前半成形”。此外,在图1中示出使用了对坯材钢板的两个宽度端部付与了端部弯曲的钢 板的例子。从抑制缝焊部锐角化、提高圆度的观点考虑优选付与该端 部弯曲,但也可以不付与。此外,在付与端部弯曲的情况下,能够适 于使用在日本特开平08-294727号公报或日本特开昭51-76158号公报 等中公开的卷边冲压法。
接着,从坯材钢板的另一个板宽端部朝向板宽中央(图1中的从 B部朝向C部)重复多次(b次)弯曲冲压和钢板进给,将坯材钢板 的单侧半片(但是钢板的板宽中央部C除外)成形为大致半圆形状。 在本发明中,以后将该成形工序成为“后半成形”。此时,为了使其成为与在前半成形中成形的大致半圆形部相同的形状,而通常使冲压 次数b、弯曲角度、钢板进给量等成形条件与前半成形相同。
完成了前半成形和后半成形的被成形材(钢板)在板宽中央部C的部分上留存有平坦的部分,而为钢板的两侧端部的对接部打开的大写字母C那样的形状。并且,最后,通过一次弯曲冲压将板宽中心部的平坦部C成形,将对接部的开度闭合至比冲头支承体的宽度稍宽的程度。在本发明中,以后将该成形工序称为“最终成形”。然后,使成形后的钢板沿长度方向移动并向冲压机外搬出,在按压上述成形后的开口部分使其闭合而进行了焊接后,进行扩管而使其成为产品钢管。
图2通过实线和虚线示出在上述图1所示的基于以往的冲压弯曲法的钢管的成形方法中,前半成形、后半成形的冲压次数a、b均五次的情况下的各冲压的钢板形状随着冲压的进行而发生的变化,另外,以虚线表示的箭头示出在各冲压中翘起的钢板的最高高度位置的变化。
从该图可知,在图2的(a)所示的前半成形中,钢板翘起的最高高度位置并不那么大,但在图2的(b)所示的后半成形中,在第一次冲压成形中钢板翘起至最高的位置,随着成形的进行,该高度降低,但钢板位置逐渐接近冲压机主体,而有可能发生接触。
通常,用于钢管成形的冲压机通过设置在冲压机上部的缸机构并经由冲头从上方对被成形材(钢板)施加成形力,因此在具有冲头的冲压机的上部作为附属设备而设置有液压缸、液压泵、液压油箱等驱动机构。但是,钢板的强度越高、板厚越厚,则钢管成形所需的成形力越大,上述附属设备也会与其成比例地大型化。因此,在制造高强度且壁厚的钢管的冲压机中,配置在冲压机上部的驱动机构等附属设备等必然会变大,而容易与钢板发生干涉。在每次的冲压中,当冲头下降到最低的位置时,在冲头支承体的上端部连接的驱动装置也下降到最低的位置,同时钢板的翘起程度成为最大,因此,重要的是,在冲头下降到最低的位置的情况下也能避免钢板与配置在冲压机上部的驱动机构等发生干涉。
因此,发明人针对将前半成形分成前阶段成形和后阶段成形这 两阶段的情况下的冲压成形的顺序与钢板形状、翘起高度之间的关系,研究了前半成形、后半成形的冲压次数a、b均为五次的情况。
图3示出在前半的前阶段成形中进行了一次冲压、在后半成形中进行了五次冲压后,在前半后阶段成形中进行剩余的四次冲压的情况下的、后半成形和前半后阶段成形的各冲压中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化,图4示出在前半的前阶段成形中进行了两次冲压、在后半成形中进行了五次冲压后,在前半后阶段成形中进行剩余的三次冲压的情况下的、后半成形和前半后阶段成形的各冲压中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化,图5示出在前半的前阶段成形中进行了三次冲压、在后半成形中进行了五次冲压后,在前半后阶段成形中进行剩余的两次冲压的情况下的、后半成形和前半后阶段成形的各冲压中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化,图6示出在前半的前阶段成形中进行了四次冲压、在后半成形中进行了五次冲压后,在前半后阶段成形中进行剩余的一次冲压的情况下的、后半成形和前半后阶段成形的各冲压中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化。此外,在各图中,(a)均表示后半成形中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化,(b)均表示前半后阶段成形中的钢板形状的变化和钢板翘起的最高高度位置的变化,关于前半前阶段成形,由于与图2的(a)相同,所以省略了说明。另外,在各图中,实线和虚线均表示钢板形状的变化,虚线箭头均表示钢板翘起的最高高度位置。例如,图3的(a)、图4的(a)、图5的(a)及图6的(a)的实线示出实施后半成形的第一次冲压时的钢板形状。另外,图3的(b)、图4的(b)、图5的(b)及图6的(b)的实线示出实施前半成形中的后阶段成形的第一次冲压时的钢板形状。
从图2~6可知,通过改变前半前阶段成形中的冲压次数,钢板翘起的最高高度位置会发生变化。因此,将该图2~6中的钢板的翘起最高高度位置的变化汇总成一个图,即图7,(a)表示后半成形, (b)表示前半后阶段成形。
从图7的(a)可知,在后半成形中的冲压中,钢板翘起得最高的是前半前阶段成形的冲压为四次而前半后阶段成形的冲压为一次的情况(表示为前半成形:4+1),接着是前半前阶段成形的冲压为三次而前半后阶段成形的冲压为两次的情况(表示为前半成形:3+2),接着是不将前半成形分割成两次而是一次性进行五次冲压的情况(表示为前半成形:5+0),接着是前半前阶段成形的冲压为两次而前半后阶段成形的冲压为三次的情况(表示为前半成形:2+3),最低的是前半前阶段成形的冲压为一次而前半后阶段成形的冲压为四次的情况(表示为前半成形:1+4)。
另外,虽然前半成形:4+1、前半成形:3+2及前半成形:2+3的情况下的钢板的翘起最高高度为与前半成形:5+0的情况大致相同的等级,但在前半成形:4+1的情况下,由于钢板的最高高度位置与冲压机最接近,所以被成形材(钢板)与冲压机和/或附属设备发生干涉的可能性大。因此,在后半成形中,被成形材(钢板)与冲压机发生干涉的可能性较小的是前半成形:3+2、前半成形:2+3及前半成形:1+4的情况。
另外,从图7的(b)可知,通过前半后阶段成形中的冲压而钢板翘起得最高的是在图7的(a)中钢板的翘起高度最低的前半成形:1+4的情况,接着是前半成形:2+3的情况,接着是前半成形:3+2的情况,钢板的翘起高度最低的是前半成形:4+1的情况,前阶段成形的冲压次数越少则钢板的翘起高度越高。
因此,若将图7的(a)及图7的(b)综合,则可以想到:在通过冲压弯曲法来成形钢管的情况下,被加工材与冲压机接触的可能性最低的是前半前阶段成形的冲压为三次而前半后阶段成形的冲压为两次的情况(前半成形:3+2)、前半前阶段成形的冲压为两次而前半后阶段成形的冲压为三次的情况(前半成形:2+3)、和前阶段成形的冲压为四次而前半后阶段成形的冲压为一次的情况(前半成形:4+1)。
像这样,在本发明的冲压成形中,优选将前半成形中的多次冲压分成前阶段成形和后阶段成形来实施并将前阶段成形中的冲压次数恰当化。但是,冲压次数是能够任意设定的事项。因此,在本发明中,以通过前半前阶段成形中的冲压而受到弯曲变形的范围(以后称为“前阶段成形范围”)来规定优选的冲压条件。
最终冲压成形后的大致圆筒形状的钢板向冲压机外的搬出通过使上述大致圆筒形状的钢板沿其长度方向移动来进行。在该情况下,冲压机的支承上部构造体的柱(也被称为“升降引导件”)的间隔需要比大致圆筒形状的成形体的宽度足够宽。在此,在图8的(a)及图8的(b)中示出为了成形外径1219.2mm的钢管而使升降引导件的间隔为产品钢管外径的1.4倍+300mm(接缝的最大打开宽度)的情况下的升降引导件间隔及上部构造体的位置和钢板形状。在图9中示出此时的钢板前端边的最大高度与前阶段成形范围之间的关系。此外,在前半前阶段成形为三次以下时(前阶段成形范围/钢板宽度为0.3以下的范围)的后半成形中,从图8的(a)可以明确,钢板不会与上部构造体发生干涉,因此省略标绘(plot)。另外,成形范围的尺寸和钢板前端边的最大高度的绝对值根据要制造的钢管的外径而不同,因此前阶段成形范围以相对于钢板宽度的比来表示,另外钢板前端边的最大高度以相对于产品钢管的外径的比来表示。
在此,图9中的●标记的点为实施后半成形时的前阶段成形部的前端边的最大高度,与图8的(a)的前端边位置相对应。前阶段成形范围相对于钢板宽度的比为0.46的点为不将前半成形分成前阶段和后阶段而成形的情况(图8的(a)中的前半成形:5+0),最大高度达到产品钢管外径的1.4倍。但是,前阶段成形范围相对于钢板宽度的比越小于0.46,则该最大高度越小。由此,需要使前阶段成形范围相对于钢板宽度的比小于0.46,优选为0.42以下。若该比为0.38以下,则与不将前半成形分成前阶段和后阶段的情况相比能够将最大高度抑制为低10%以上,因此更为优选。
另一方面,图9中的○标记的点为实施前半后阶段成形时的后 半成形部的前端边的最大高度,与图8的(b)的前端边位置相对应。前阶段成形范围相对于钢板宽度的比越大则最大高度越小,若前阶段成形范围相对于钢板宽度的比大于0.17,则与不将前半成形分成前阶段和后阶段而成形的情况、即与前阶段成形范围相对于钢板宽度的比为0.46的情况下的后半成形的点相比,最大高度减小。由此,需要使前阶段成形范围相对于钢板宽度的比大于0.17,优选为0.21以上。若该比为0.29以上,则与不将前半成形分成前阶段和后阶段的情况相比能够将最大高度抑制为低10%以上,因此更为优选。
此外,如上所述,在上述说明中,列举三点弯曲冲压次数为前半成形实施五次、后半成形实施五次、最终成形实施一次(合计十一次)的情况为例进行了说明,但本发明的钢管的制造方法并不限定于十一次的冲压次数,也可以增减。但是,若减少次数,则每次的弯曲角度会增大,与之相随地钢板的翘起高度也会增高,成形后的圆度也会变差。另一方面,若增多次数,则钢板的翘起高度会降低,成形后的圆度也会提高,但生产率会降低。因此,优选考虑两者的得失来决定冲压次数。
另外,在上述说明中,如上述那样,从使前半成形后的钢板形状和后半成形后的钢板形状相同的观点考虑,使前半成形和后半成形的冲压次数、钢板的进给量相同,但若能够确保圆度则也可以改变。
实施例
进行了如下实验:使用冲压力为100MN的冲压机,通过弯曲冲压法,由在板宽:4428mm的两个宽度端部为210mm的范围内付与了17度的端部弯曲的厚钢板(强度:X100)来制造外径:1422.4mm×长度:12.8m×管厚:12.7mm的钢管。
此外,用于上述实验的弯曲冲压机的冲头支承体的上端部所连接的驱动装置的钢板宽度方向上的尺寸为2300mm(距冲头的中心单侧为1150mm)。另外,该冲压机在冲压成形中,冲头最大程度地下降时的冲头支承体上端部所连接的驱动装置的最下表面与下模具上表面之间的距离为1890mm。
另外,使用上述弯曲冲压机的冲压方法采用了前半成形、后半成形均从距板宽中央1822mm的位置朝向板宽中央进行五次冲压、最后对宽度中央部进行最终成形(共十一次)的方法,各冲压中的钢板的进给量设定为364mm,弯曲角度设定为29.5度。
此外,关于前半成形的五次冲压,如表1所示,实施了四种成形方法(A~D)和以往的成形方法E,其中,四种成形方法(A~D)是分成前阶段成形和后阶段成形这两个阶段,在前半前阶段成形中进行了五次以内的规定次数的冲压后,进行后半成形的五次冲压,然后在前半后阶段成形中进行剩余的冲压,以往的成形方法E作为参考例一次性地进行前半成形的五次冲压。
另外,如图10所示,各成形方法的评价通过钢板侵入如下区域的程度来评价,该区域为当被成形材(钢板)侵入冲压机的冲头设置部的上部时会与冲压机和/或其附属设备发生接触的区域。
表1
将通过上述A~E这五种冲压方法来成形钢管的结果一并记到表1中。此外,表1中所示的“弯曲范围”是指在前半前阶段成形中冲压成形的部分的到板端部(也包含端部弯曲部)的距离,另外,括号内的数字示出上述部分相对于钢板宽度的比率。另外,将上述各条件中的钢板翘起的最高高度位置的变化与钢板的禁止侵入区域一起图示到图10中。。
如表1及图10所示,在前半成形中成形至相对于钢板宽度的比率为0.46的以往的方法(E方法)的情况下,在后半成形的第2次冲压中,钢板大幅侵入到禁止侵入区域,而有可能使冲压机破损。同样地,在前半前阶段成形中成形至相对于钢板宽度的比率为0.13的A方法(前半成形:1+4)的情况下,在前半后阶段成形的第1冲压(前半成形的第2次冲压)中,钢板还是会大幅侵入到禁止侵入区域,而有可能使冲压机破损。
与此相对,在前半前阶段成形中成形至相对于钢板宽度的比率为0.21的B方法(前半成形:2+3)的情况下,在前半后阶段成形的第1次冲压(前半成形的第3次冲压)中,钢板向禁止侵入区域发生中度侵入,另外,虽然在前半前阶段成形中成形至相对于钢板宽度的比率为0.38的D方法(前半成形:4+1)的情况下,在后半成形的第4次冲压中,钢板向禁止侵入区域发生轻度侵入,但为被加工材(钢板)不会产生塑性变形的范围,不会损害产品形状,另外也不会对冲压机造成损伤。
而且,在前半前阶段成形中成形至相对于钢板宽度的比率为0.29的C方法(前半成形:3+2)的情况下,在所有的冲压中,钢板均不会侵入到禁止侵入区域。
可知通过像这样将前半成形分成前阶段和后阶段且将前阶段中的成形范围设定成恰当范围,而能够避免被成形材(钢板)与冲压机接触或损伤冲压机。因此,通过适用本发明,而能够扩大冲压机的可成形的最大直径。此外,若为外径小的钢管,则不需要适用本发明,当然也能够通过以往方法来充分地成形。
Claims (4)
1.一种钢管的成形方法,通过从坯材钢板的一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的前半成形、从另一个板宽端部朝向板宽中央进行多次三点弯曲冲压的后半成形、和对板宽中央部进行三点弯曲冲压的最终成形来将坯材钢板成形为大致圆筒形状,所述钢管的成形方法的特征在于,
将所述前半成形分成在后半成形前进行的前阶段成形和在后半成形后进行的后阶段成形,且使所述前阶段成形中的成形范围相对于钢板宽度的比为大于0.17、小于0.46的范围。
2.如权利要求1所述的钢管的成形方法,其特征在于,
使所述前半成形的前阶段成形中的成形范围相对于钢板宽度的比为0.21~0.42的范围。
3.如权利要求1或2所述的钢管的成形方法,其特征在于,
所述坯材钢板为对板宽两端部付与端部弯曲而形成的钢板。
4.一种钢管的成形装置,用于权利要求1~3中任一项所述的钢管的成形方法,所述钢管的成形装置的特征在于,冲压时冲头最大程度地下降时的冲头支承体的最上部与下模具最上部之间的距离为要制造的钢管外径的1.4倍以下。
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