CN1061569C - 无缝金属管的穿孔轧制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种无缝金属管的穿孔轧制方法和装置，即使在护管比为1.15以上的穿孔轧制中，也不出现故障，而且能制造出没有外表面缺陷的质量良好的空心毛管。
本发明的穿孔轧制方法的特征在于：用具有锥形主轧辊和盘形辊的穿孔机、以1.15以上的扩管比进行穿孔轧制的场合，在满足下述(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的条件下进行穿孔轧制。
3≤D1/6≤7……(1)
9≤D2/d≤16……(2)
2＜D2/D1≤3……(3)
2.5°≤θ2≤4.5°……(4)
3°≤θ2≤6.5°……(5)
式中，D1为主轧辊的辊腰部直径，D2为盘形辊的槽底部直径，d为坯料的外径，θ1为主轧辊的入口面角，θ2为主轧辊的出口面角。
本发明的装置特征在于：上述D1为510～2000mm，D2为1530～4000mm，而且满足上述(3)、(4)和(5)式。
采用本发明的穿孔轧制方法和装置，可以不出现咬入不良、尾部脱离不良地进行穿孔轧制。另外，获得的空心毛管也不出现内外表面缺陷，在下一道延伸轧制工序可防止成问题的空心毛管尾部的外径增大现象。
Description
〔技术领域〕
本发明涉及一种应用倾斜轧机的无缝金属管穿孔轧制方法及其装置，这种轧制方法及其装置在具有代表性的无缝金属管制造方法即曼内斯曼轧管法等中得到采用。
〔背景技术〕
油井管、干线用管、换热器用管、管道以及轴承用管等钢管是采用无缝金属管。其材质有碳素钢、含Cr、Mo等合金成分的低合金钢、高Cr不锈钢、Ni基合金以及钛等。这些无缝金属管的制造方法一般采用曼内斯曼自动轧管机轧管法或曼内斯曼芯棒轧管法。以这些方法制造无缝金属管时，先将圆棒状的实心钢坯(下面简称为坯料)在加热炉中加热到规定的温度，然后，用穿孔机将其穿孔形成空心毛管，该穿孔机为倾斜轧机。接着，用自动轧管机或芯棒轧管机等对该空心毛管进行延伸轧制，减薄其壁厚。再用定径机或张力减径机等减径机，主要将外径缩小，制造所需尺寸的无缝金属管。
上述穿孔机通常由主轧辊、顶头以及导板或盘形辊构成。该主轧辊为鼓形或锥形，其中心轴相对于坯料和空心毛管的轧制轴线倾斜；顶头为限制内表面的工具；该导板或盘形辊用于对被穿孔轧制材(以下简称被穿孔材)进行导向。
图1为通常的穿孔机结构的模式平面图，图2为该穿孔机的模式侧面图，图3为图1所示Ⅰ-Ⅰ线处的断面图。在图1～图3中，标号10A、10B为主轧辊，在其中心轴方向的中间部有直径为D1的辊腰部11。在该辊腰部11的入口侧(图1、图2中的左方)，设有入口面12，该入口面12为圆锥台形，随着靠近主轧辊的端面侧，直径变小。
在辊腰部11的出口侧(图1、图2的右方)设有出口面13，该出口面13为圆锥台形，随着靠近主轧辊的端面侧，直径变大。轧制轴线X-Ⅹ与入口面的角度即2入口面角为θ1，轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与出口面的角度即出口面角为θ2。这样，主轧辊的形状整体上来说为锥形，在左右或上下相对的位置上配置一对，将轧制轴线Ⅹ-Ⅹ夹在中间。
主轧辊的中心轴相对于轧制轴线呈3维的倾斜，图1所示的主轧辊中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ的角度为交叉角γ，图2所示主轧辊中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ的角度为倾斜角β。该一对主轧辊相向地配置，其辊腰部11处的轧辊开度Rg为规定值。
当交叉角为γ、倾斜角β为零时，上述入口面角θ1和出口面角θ2为轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与入口面12和轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与出口面13形成的角度。
顶头2整体上为弹头形，其后端部支承于顶杆M的前端部，该顶杆M与止推座(图未示)连接。顶头2保持在主轧辊10A与10B的中间部，而且其中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ大体一致，能以轧制轴线Ⅹ-Ⅹ为轴中心进行转动。
盘形辊30u、30d的与顶头2相对的外周面具有凹面状的槽孔模，其形状如图3所示，呈圆盘形，其槽底部14间的直径为D2。该槽底部14间的直径比主轧辊腰部的直径大，2个盘形辊沿与主轧辊10A、10B大体垂直的方向，相向地配置在轧制轴线Ⅹ-Ⅹ的上下或左右。这些轧辊在驱动电动机(图中省略)的驱动下沿箭头方向转动。
在用上述穿孔机进行穿孔轧制的场合，将坯料B在加热炉中加热到规定温度后，沿空白箭头的方向运送，使其被咬入到主轧辊10A与10B的入口面12、12之间。此后，坯料B在主轧辊10A与10B的驱动下一边螺旋转动一边前进。在该过程中，坯料B由主轧辊10A、10B与顶头2进行壁厚加工而成为空心毛管H。此时，随着坯料B的螺旋回转移动而被驱动回转的盘形辊30u、30d的周面，起到抑制被穿孔材即坯料B的摇动、防止空心毛管H的外径增大的作用。
以这样的穿孔机进行高效率、高质量的穿孔轧制的方法中有本申请人在这之前提出的方法(日本专利公报特开昭63-328909号、特开昭63-299805号)。
特开昭63-238909号公报中公开的方法的特征在于：将上述交叉角γ与倾斜角β设定为规定的值，规定被穿孔材在径向上的加工应变和在周向上的加工应变的压下分配比。在该方法中，通过设定上述条件，可防止在穿孔过程中空心毛管产生喇叭口、防止坯料在主轧辊与导向构件间胀出而导致轧制停止的故障。另外，还可防止顶头外周与空心毛管内周间的间隔减小，顶头不能从空心毛管中拔出的现象，即所谓尾部卡死现象。
特开昭63-299805号公报中公开的方法，使得在上述主轧辊的辊腰部直径D1与坯料B外径d之间，满足2．5≤D1／d≤4．5的关系。通过设定该条件，可抑制成为内表面缺陷发生原因的被穿孔材的回转锻造效应(曼内斯曼效应)，而且可抑制圆周方向上的剪切应变，获得没有内表面缺陷的高质量空心毛管。这些方法的目的都在于能够以高加工度制造薄壁管，并能大幅度降低制造成本。
然而，对于上述特开昭63-238909号公报和特开昭63-299805号公报所公开的穿孔机来说，在将盘形辊用作被穿孔材的导向件时存在以下问题。即，该盘形辊的直径大小及主轧辊入口面角和出口面角的大小会导致口被穿孔材咬入不良或被穿孔材的尾部不能从主轧辊脱离的尾部脱离不良。另外，如图4所示，在穿孔轧制终了后的空心毛管尾部，还会出现外径鼓起并在尾端部变小的形状异常现象(以下将此现象称为尾部外径增大现象)。这种异常现象在穿孔轧制途中没有什么问题。可是在芯棒轧管机轧制等的后续延伸轧制工序中，该部分的其中一部分则有可能从轧辊孔模中伸出，成为轧制故障的原因。
此外，在穿孔轧制时的扩管比(穿孔后的空心毛管的外径／穿孔前坯料的外径)为1．15以上、空心毛管外径增大的场合，还新发现存在着空心毛管外表面缺陷多的问题。
本发明就是为解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种制造空心毛管的方法及其装置，采用这种方法和装置在穿孔轧制法时不出现故障，而且空心毛管的表面质量好，更具体地说，是提供一种无缝金属管的穿孔轧制方法及其装置，这种方法和装置可抑制被穿孔材尾部外径增大现象的发生，而且即使在扩管比为1．15以上的条件下进行穿孔轧制的场合，也能抑制外表面缺陷的发生，获得良好的表面质量。
〔发明的揭示〕
本发明的目的在于提供一种无缝金属管的穿孔轧制方法及其装置，该方法和装置可抑制被穿孔材尾部外径增大现象的发生，而且即使在以1．15以上的扩管比进行穿孔轧制的场合，也能抑制外表面缺陷的发生。
本发明的穿孔轧制方法的特征在于：用具有锥形主轧辊和盘形辊的穿孔机，在满足下述(1)～(5)式的条件下，对被穿孔材进行穿孔轧制。
3≤D1／d≤7 ……(1)
9≤D2／d≤16 ……(2)
2＜D2／D1≤3 ……(3)
2．5°≤θ1≤4．5° ……(4)
3°≤θ2≤6．5° ……(5)
式中，
D1：主轧辊的辊腰部直径
D2：盘形辊的槽底部14直径
d：坯料的外径
θ1：主轧辊的入口面角
θ2：主轧辊的出口面角
另外，本发明的穿孔轧制装置的特征在于：在具有锥形主轧辊和盘形辊的穿孔机中，主轧辊的辊腰部直径D1为510～2000mm，盘形辊的槽底部直径D2为1530～4000mm，主轧辊的辊腰部直径D1与盘形辊的槽底部直径D2的比D2／D1、主轧辊的入口面角θ1及出口面角θ2分别满足上述(3)、(4)及(5)式。
采用本发明的无缝金属管的穿孔轧制方法及其装置，可由碳素钢、低合金钢、高合金钢等的圆棒状坯料制造空心毛管，而且在穿孔轧制时不出现咬入不良、尾部脱离不良等轧废现象、在获得的空心毛管中基本上看不到外表面缺陷的尾部外径增大现象。因此，作为产品的无缝金属管的质量极高。另外，由于在1．15以上的高扩管比条件下能够进行稳定的穿孔轧制，所以可扩大作为产品的无缝金属管的可制造范围，并可提高生产率。采用本发明的方法和装置，可高效率，低成本地制造宽范围的产品。
〔附图的简单说明〕
图1为用于说明现有穿孔轧制方法的装置的穿孔机的模式平面图。
图2为用于说明现有穿孔轧制方法和装置的穿孔机的模式侧面图。
图3为图1所示Ⅰ-Ⅰ线处的断面图。
图4为在用现有穿孔轧制方法进行穿孔场合产生空心毛管的尾部外径增大现象的说明图。
图5为用于说明穿孔轧制过程的模式平面图。
图6为图1所示Ⅱ-Ⅱ线处的断面图，用于说明轧制中毛管的壁厚加工状态。
图7示出被穿孔材即坯料的外径d与主轧辊的辊腰部直径D1的比D1／d和穿孔轧制后空心毛管的壁厚增加率的关系。
图8示出被穿孔材即坯料的外径d与盘形辊的槽底部直径D2的比D2／d与穿孔轧制后空心毛管的壁厚增加率的关系。
图9为说明顶头和主轧辊进行壁厚加工时应变分配的图。
图10示出空心毛管尾部产生尾部外径增大部的外径增加率与扩管比的关系。
图11为用于说明本发明的穿孔轧制方法及其装置的穿孔机模式平面图。
图12为用于说明本发明的穿孔轧制方法及其装置的穿孔机模式侧面图。
图13为图11所示Ⅲ-Ⅲ线处的断面图。
图14为用于说明本发明的穿孔轧制方法及其装置的穿孔机的说明图，它以平面图的形式模式地示出为简化说明而没有设倾斜角的情形。
图15为示出盘形辊的开度及其形状的模式图。
图16示出主轧辊辊腰部直径D1与被穿孔材即坯料外径d的比值D1／d、盘形辊槽底部直径D2与被穿孔材即坯料外径d的比值D2／d以及盘形辊槽底部直径D2与主轧辊辊腰部直径D1的比值D2／D1对穿孔轧制结果的影响。
图中，O表示穿孔轧制没有问题，●、▲及■表示空心毛管的表面产生缺陷、尾部外径增加率显著等有问题的情形。
〔实施本发明的最佳形式〕
本发明人等首先研究了尾部外径增大现象的抑制对策。
图5为说明穿孔轧制过程的模式平面图，图6为上述图1中Ⅱ-Ⅱ线部的断面图。图5和图6为用于说明穿孔轧制原理的图。
如图5所示，被穿孔材螺旋回转移动。因此，对于壁厚ta来说，被穿孔材按图中箭头每转动半转，就由主轧辊10A、10B和顶头2进行反复壁厚加工，形成壁厚为tb的空心毛管。在该反复壁厚加工的实施过程中，如图6所示，被穿孔材半转动期间，轧制中的空心毛管H的外面侧在A点与主轧辊10B接触，其内面侧在B点与顶头2的外表面接触。其间，轧制中的空心毛管H的壁厚部分不受到内面工具即顶头2的限制，即所谓空揉轧制状态，在点A～B之间产生壁厚增加现象。另外，即使在与盘形辊30u、30d接触的位置，由于空心毛管H的外周受到压缩的外径缩小，所以也会产生壁厚增加的现象。如前所述，这些壁厚增加的厚壁部由主轧辊10A、10B与顶头2进行壁厚加工。该壁厚增加现象与壁厚加工按被穿孔材的每半转反复进行，形成规定尺寸的空心毛管H，穿孔轧制结束。
本发明人着眼于该壁厚增加现象，研究了主轧辊10A、10B的辊腰部直径D1、盘形辊30u、30d的槽底部直径D2以及坯料B的外径d对上述空揉轧制状态下的壁厚增加现象的影响。
图7示出轧制后空心毛管壁厚增加情况的调查结果，轧制中试验材为空心毛管，D2／d为定值，D1／d可变，轧制条件示于表1中。图8为轧制后空心毛管的壁厚增加情况的调查结果，轧制中D1／d为定值，D2／d可变，轧制条件示于表2。
表1
| 空心毛管外径(d)空心毛管的壁厚／外径空心毛管的材质D1／dD2／d轧制时的外径压下率 | 50～110mm10％碳素钢(0．45％C)3～81410％ |
表2
| 空心毛管外径(d)空心毛管的壁厚／外径比空心毛管的材质D2／dD1／d轧制时的外径压下率 | 50～110mm10％碳素钢(0．45％C)6～184．510％ |
从图7和图8可看出，两种情况都具有这样的倾向，即轧制后的空心毛管的壁厚增加率〔{(轧制后的壁厚-轧制前的壁厚)／轧制前的壁厚}×100％〕随着D1／d和D2／d的增大而增大。
这一壁厚增加现象即使在用穿孔机将坯料B穿孔轧制成空心毛管H的过程中也同样产生，该壁厚增加部在顶头2与主轧辊10A、10B间被压下，形成所需的壁厚。
如图9所示，在上述壁厚被压下的部分，随着轧制的进行，壁厚方向的压下应变εt分配为轴向(轧制方向)的应变εL和周向应变εθ。
然而，在进行上述轧制时，在成为非稳定轧制部的坯料B的尾部，压下应变εt在轴向应变εL与周向应变εθ的分配比与稳定轧部不同。即，在主轧辊10A、10B与被穿孔材不全面接触的非稳定部即坯料B的尾部，轴向应变εL变小，εt基本上成为周向应变εθ。因此，空心毛管的外径增大，在穿孔轧制终了后的空心毛管的尾部，发生图4所示的外径增大现象。
图10示出在穿孔轧制坯料获得空心毛管时，以表3所示条件改变扩管比进行穿孔轧制试验的结果。设得到的空心毛管的正常轧制部外径为da，尾部外径增大部分的最大外径为db，求出空心毛管尾部的外径增加率〔{(db-da)／da}×100〕，将该值示于图10的纵轴，横轴为扩管比。
表3
| 坯料外径(d)坯料材质扩管比空心毛管的壁厚／外径比主轧辊的交叉角(γ)主轧辊的倾斜角(β)主轧辊的辊腰部直径(D1)盘形辊的直径(D2)主轧辊的入口面角(θ1)主轧辊的出口面角(θ2)主轧辊开度(Rg)盘形辊开度(Dg) | 70mm碳素钢(0．2％C)1．0～1．50．0520°8°～16°350mm850mm3．5°4°61．5mm70．5mm |
由图10可见，在扩管比为1．0～1．05左右的通常的穿孔轧制中，尾部外径增大部分的外径增加率不到3％，扩管比超过1．05而不到1．15时，也在4％以下，两者都很小。因此，在下一道工序即芯棒轧制中该增加率不成为问题。然而，在扩管比为1．15以上的穿孔轧制中，尾部外径增大部分的外径增加率很大，在6％以上，因此在下一道工序即芯棒轧制中发生轧制故障。
下面，参照附图详细说明根据上述研究结果完成的本发明的穿孔轧制方法及其装置。
图11为用于实施本发明的穿孔轧制方法的穿孔机的模式平面图，图12为图11所示穿孔机的模式侧面图，图13为图11所示Ⅲ-Ⅲ线之处的断面图，图14为用于实施本发明的穿孔轧制方法的穿孔机的说明图，它是模式地示出为简化说明而没在主轧辊设置倾斜角的情形的平面图。
在图11～图14中，主轧辊1A、1B在其中心轴方向的中间部具有直径为D1的辊腰部11。在该辊腰部11的入口侧(图11中的左方)设有入口面12，该入口面12为圆锥台形，随着靠近主轧辊的端面侧直径变小。
在辊腰部11的出口侧(图11中的右方)设有出口面13，该出口面13为圆锥台形，随着靠近主轧辊的端面侧，直径变大。轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与入口面12的角度即入口面角为θ1，轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与出口面13的角度即出口面角为θ2。这样，主轧辊的形状整体上为锥形，在左右或上下的相对位置上配置一对，将轧制轴线夹在中间。
主轧辊的中心轴相对轧制轴线呈3维倾斜，图12所示主轧辊中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ的角度为倾斜角β，图14所示主轧辊中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ-的角度为交叉角γ。该一对轧辊相向地配置，辊腰部11处的轧辊开度Rg为规定值。
当交叉角为γ、倾斜角β为零时，上述入口面角θ1和出口面角θ2为轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与入口面12以及轧制轴线Ⅹ-Ⅹ与出口面13形成的角度。
顶头2整体上为弹头形，其后端部支承于顶杆M的前端部，该顶杆M与止推座(图中省略)连接。顶头2保持在主轧辊1A与1B的中间部，而且其中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ大体一致，可以轧制轴线Ⅹ-Ⅹ为轴中心进行转动。
如图15所示，盘形辊3u、3d的与顶头2相对的外周面具有凹面状的槽孔模。如图13所示，盘形辊的形状为圆盘形，槽底部14的直径为D2，圆盘直径比主轧辊的辊腰部直径大。2个盘形辊沿与主轧辊1A、1B大体垂直的方向，相对地配置在轧制轴线Ⅹ-Ⅹ的上下或左右位置。这些轧辊在驱动电动机(图中省略)的驱动下，跟随被穿孔材即坯料B前进的方向转动。
如图14所示，上述盘形辊3u、3d可倾动，与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ斜交，形成斜交角δ。通过该机构，在主轧辊1A、1B的辊腰部11的下流侧，可使位于空心毛管H回转上流侧的主轧辊1A、1B的出口面13与盘形辊3u、3d的间隔g(参照图13)变小，不出现轧废，使穿孔轧制稳定。
盘形辊3u、3d的配置也可使其回转中心轴与轧制轴线Ⅹ-Ⅹ垂直，即上述斜交角δ为零。
采用上述结构的穿孔机对坯料B进行穿孔轧制的场合。首先，在加热炉中将圆棒状的坯料B加热到可穿孔的温度。然后，沿空白箭头的方向送进坯料B，使其被咬入到主轧辊1A、1B的入口面12、12之间。随后，在主轧辊1A、1B的回转带动下，坯料B一边螺旋回转一边前进，同时由主轧辊1A、1B和顶头2进行壁厚加工成为空心毛管H。此时，如图13所示，随着坯料B的螺旋回转移动而受到驱动进行回转的盘形辊3u、3d，以其外周面上形成的槽孔模抑制被穿孔材即坯料的摆动，防止空心毛管H的外径增大。
在本发明中，在以扩管比为1．15以上的条件进行上述穿孔轧制的场合，最好将锥形主轧辊1A、1B的交叉角γ设定在25°以下。另外，穿孔轧制时将主轧辊的辊腰部直径D1与坯料直径d的比D1／d、盘形辊的槽底部直径D2与坯料直径d的比D2／d、盘形辊的槽底部直径D2与主轧辊的辊腰部直径D1的比D2／D1、主轧辊入口面角θ1和出口面角θ2分别设定在上述(1)～(5)式的范围内。
在上述本发明的条件下进行轧制，可以防止坯料对于主轧辊的咬入不良、穿孔后空心毛管的尾部脱离不良等轧废、此外，还可抑制在后续的芯棒轧制等轧制工序中成为故障原因的寥心毛管尾部外径增大现象的发生，并可防止外表面缺陷的发生。
下面，将说明本发明的穿孔轧制条件和其选定理由，以及适于商业性生产的装置。
(a)D1／d(上述(1)式)
为了抑制穿孔过程中被穿孔材壁厚的增加，减小被穿孔材尾部外径增加量，需要减小D1／d。要减小该D1／d的值，就必须减小D1。然而，由于主轧辊的形状为锥形，一旦减小D1，为了确保入口面角θ1，则必须减小入口侧轧辊轴的直径。此时，轴承支承装置变复杂，轴承强度降低使轴承的寿命大幅度下降。另外，虽然也有通过增大坯料外径来减小D1／d值的方法，但此时由于作用于主轧辊的负荷增大，与上述情形一样，也存在轴承强度降低使轴承寿命下降的问题。
将D1／d值设在3以上，基本上可以解决这些问题，实际应用中不会出现任何问题，所以D1／d的下限值为3。
D1／d的上限值必须基于穿孔轧制时空心毛管外表面不产生缺陷的前提加以决定。另外，尾部产生的尾部外径增大部的外径增大率必须不在下一道工序造成麻烦，即满足小于6％的条件。从这些观点出发，D1／d设在7以下。在7以下的场合，空心毛管的外表面不产生缺陷，而且可使在尾部产生的尾部外径增大部分的外径增加率小于6％。而且，还可将设置费的上升抑制在最低限。
(b)D2／d(上记(2)式)
在D2／d的值不到9的场合，会发生空心毛管的尾部脱离不良的空心毛管尾部的外径增加率达6％以上的外径增大现象。另外，D2／d的值超过16时，空心毛管的外表缺陷经常发生，此外还产生外径增加率为6％以上的尾部外径增大现象。由于盘形辊直径和轧机壳体变得过大，所以设备费显著增加。因此，将D2／d定在9以上16以下。
(c)D2／D1(上述(3)式)
D2／D1的值在2以下时，发生空心毛管的尾部脱离不良和空心毛管尾部外径增加率为6％以上的外径增大现象。另外，D2／D1的值超过3时，坯料进入主轧辊的咬入不良易于发生，轧制后空心毛管的外表面缺陷经常发生，并且出现外径增加率为6％以上的尾部外径增大现象。因此，将D2／D1定在大于2并在3以下。
(d)θ1(上述(4)式)
θ1小于2．5°或超过4．5°时，即使上述D1／d、D2／d以及D2／D1在上述本发明的范围内，也会产生咬入不良。因此，θ1的范围定为2．5°以上，4．5°以下。
(e)θ2(上述(5)式)
θ2小于3°或大于6．5°时，即使上述D1／d、D2／d以及D2／D1在上述本发明的范围内，也会产生尾部脱离不良。因此，将θ2的范围定在3°以上、6．5°以下。
(f)交叉角γ(下述(6)式)
10°＜γ≤25° ……(6)
主轧辊的交叉角γ最好大于10°并在25°以下。其理由如下。
在将锥形主轧辊的辊腰部直径D1设得大的情形下，为了确保规定的入口面角θ1和出口面θ2，与入口侧端面的轧辊直径比辊腰部直径D1小这一情况相反，出口侧端面的轧辊直径必须很大。交叉角γ越大则入口端面的轧辊直径与出口侧端面的轧辊直径的差越显著增大。
在护管穿孔轧制法中，扩管比增大时，需要使用出口侧面13在中心轴方向上的长度大的主轧辊，因此出口侧端部的轧辊直径相应增大。
因此，制作上述主轧辊时由于需要外径比出口侧端面的轧辊直径大的坯料，所以原材料费用和机械切削费用增大，从而使成本提高。另外，主轧辊的直径增大时，由于盘形辊的直径也需要相应地增大，所以轧机壳体增大，使设备费用显著增大。
根据以上理由，交叉角γ最好在25°以下。
出口面角θ2为本发明的上限值6．5°的场合，如交叉角γ小，则由于主轧辊出口侧的轧辊直径变小，所以被穿孔材朝着主轧辊回转方向的咬入角增大。在这一场合，会发生轧废，所以最好使交叉角大于10°。
(g)商业性制造装置
本发明的方法可以适用于各种各样的坯料。然而，从商业性生产的观点出发，坯料外径小的场合，单位时间的生产量不高，所以在生产率方面是不利的。另外，在坯料外径过大的场合，轧制负荷也大。因此，设备规模增大，导致设备费用上升。从这些观点出发，商业性生产用的坯料的外径最好为170～400mm。
坯料外径为170～400mm的场合，根据(2)式，盘形辊的槽底部直径D2为1530～6400mm。然而，在制作盘形辊时，对其大小有限制，盘形辊直径超过4000mm时，制造变得困难，而且制作费用显著增大。因此，盘形辊的直径D2最好为1530～4000。
坯料外径为170～400mm的场合，由上述(1)式可知主轧辊辊腰部的直径D1为510～2800mm。然而，考虑到上述(3)式和上述盘形辊的直径合理范围为1530～4000mm，将其限制在510～2000mm。因此，主轧辊辊腰部的直径D1最好为510～2000mm。
适合于实施本发明方法的商业性生产的装置，除轧辊尺寸在上述范围内外，还需要满足上述(3)、(4)、(5)式。采用上述结构的装置，不仅设备费用低，而且轧制时不发生轧废，能够以高生产率制造本发明所希望获取的表面质量良好的空心毛管。
〔实施例〕
(试验例1)
图11～图13示出适合于实施本发明的结构的实验用穿孔机，用该穿孔机在表4所示条件下进行穿孔轧制，确认入口面角θ1和出口面角θ2的适当范围。
表4
| 坯料外径(d)坯料材质扩管比空心毛管的壁厚／外径比主轧辊的交叉角(γ)主轧辊的倾斜角(β)主轧辊的辊腰部直径(D1)盘形辊直径(D2)盘形辊的斜交角(δ)主轧辊开度(Rg)盘形辊开度(Dg)主轧辊的入口面角(θ1)主轧辊的出口面角(θ2) | 70mm碳素钢(0．2％C)1．2～1．50．0520°8～16°350mm850mm0°、3°、6 °61．5mm70．5mm2 °～5°2．5°～7．5° |
表5示出穿孔轧制时咬入不良的发生状况、尾部脱离不良发生状况的调查结果。在表5中，X表示的发生咬入不良或尾部脱离不良的场合，O表示不发生这些问题的场合，-表示由于发生咬入不良而不能判定尾部脱离不良是否发生的场合。
表5
| 分区 | 试验编号 | 入口面角θ1(°) | 出口面角θ2(°) | 试验结果** | |
| 咬入不良 | 尾部脱离不良 | ||||
| 本发明例 | 1 | 2.5 | 4 | O | O |
| 2 | 3 | 3 | O | O | |
| 3 | 4 | O | O | ||
| 4 | 6.5 | O | O | ||
| 5 | 4.5 | 4 | O | O | |
| 比较例 | 6 | 2* | 4 | X | - |
| 7 | 5* | X | - | ||
| 8 | 3 | 2.5* | O | X | |
| 9 | 7.5* | O | X | ||
*：本发明规定的范围外
*：O表示没有，X表示有
从表5可见，在本发明例的第1～5项试验中，入口面角为2．5°-4．5°，出口面角为3°-6．5°，满足上述(4)式和(5)式，另外也满足其余的(1)～(3)式，没有发生咬入不良或尾部脱离不良等，即使是1．15-1．45的高扩管比也可进行稳定的穿孔轧制。
另一方面，在入口面角或出口面角不满足上述(4)式或(5)式的比较例的场合，发生了咬入不良或尾部脱离不良。
(试验例2)
采用与试验例的场合相同的实验穿孔机，以表6所示条件进行穿孔轧制，确认D1／d、D2／d以及D2／D1的适当范围。
表6
| 坯料外径(d)坯料材质扩管比空心毛管的壁厚／外径比主轧辊的交叉角(γ)主轧辊的倾斜角(β)主轧辊的入口面角(θ1)主轧辊的出口面角(θ2)盘形辊的斜交角(δ)主轧辊开度(Rg)盘形辊开度(Dg) | 70mm低合金钢(2．25％Cr)1．15～1．450．04～0．0625°8°～16°3°4°、6°0°、3°、6 °61．5mm70．5mm |
表7中示出穿孔轧制时咬入不良和尾部脱离不良等轧废发生状况、导致划痕缺陷或斑痕外表面缺陷发生状况以及尾部外径增大部发生状况的调查结果。在表7中，X表示咬入不良或尾部脱离不良造成的轧废、外表面缺陷以及外径增加率超过6％的尾部外径增大发生的场合，O表示这些问题不发生的场合。
表7
| 分区 | 试验编号 | D1/d | D2/d | D2/D1 | 试验结果** | ||
| 轧废 | 外表面缺陷 | 尾部外径增大 | |||||
| 本 | 1 | 3.5 | 9 | 2.57 | 0 | 0 | 0 |
| 发明例 | 2 | 4 | 11 | 2.75 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 4.5 | 12 | 2.67 | 0 | 0 | 0 | |
| 4 | 5 | 11 | 2.2 | 0 | 0 | 0 | |
| 5 | 5.5 | 16 | 2.67 | O | 0 | 0 | |
| 比较例 | 6 | 2.5* | 9 | 3.6* | X | 0 | X |
| 7 | 6 | 17* | 2.83 | X | X | X | |
*：本发明的范围外
**：O表示没有，X表示有。
由表7可见，在完全满足上述(1)式～(5)式的条件的第1～5项试验即本发明例中，没有发生轧废的外表面缺陷。另外，也没有出现超过6％的尾部外径增大现象，即使在1．15～1．45这样的高扩管比条件下也能进行稳定的穿孔轧制。
另一方面，在不满足上述(1)～(5)式中任何一个以上的条件的第6和第7项试验即比较例中，发生了咬入不良或尾部脱离不良导致的轧废或外表面缺陷。另外，还发生了外径增加率超过6％的尾部外径增大。
(试验例3)
采用与试验例1相同的实验用穿孔机，以表8所示条件进行了穿孔轧制试验。
图16将改变D1／d和D2／d的值进行多个试验的结果归纳后示出。图中X表示发生咬入不良或尾部脱离不良的场合，●表示用不锈钢、高合金钢等难加工材料获得的空心毛管发生内表面缺陷的场合，▲表示因盘形辊滑动面的发热胶着而产生的管外面导致划痕和因盘形辊滑动面摩擦力增加而形成的外表面缺陷的场合，■表示在尾部外径增加率超过6％的尾部外径增大部分发生的场合，O表示上述任何问题都没发生的场合。
表8
| 坯料外径(d)坯料材质扩管比空心毛管的壁厚／外径比主轧辊的交叉角(γ)主轧辊的倾斜角(β)主轧辊的辊腰部直径(D1)盘形辊直径(D2)D1／dD2／d主轧辊入口面角(θ1)主轧辊出口面角(θ2)主轧辊开度(Rg)盘形辊开度(Dg) | 50～100mm碳素钢(0．2％C)和不锈钢(18％Cr-8％Ni-1％Nb)1．2～1．50．0520°8°～16°250～450mm500～1200mm2．5～106～203°、3．5°4°、6°43．9～87．9mm50～103mm |
D1／d、D2／d以及D2／D1的值分别在上式(1)、(2)以及(3)的本发明的范围内时，确认不发生咬入不良、尾部脱离不良、难加工材料的内表面缺陷、外表面缺陷以及外径增加率超过6％的尾部外径增大部。与此相反，在本发明的范围以外的场合，证实会发生空心毛管的内表面缺陷、外表面缺陷或尾部明显的外径增大。
〔工业应用的可能性〕
采用本发明的无缝金属管的穿孔轧制方法和装置，可将碳素钢、低合金钢、高合金钢等圆棒状坯料制造成空心毛管，而在穿孔轧制时不发生咬入不良、尾部脱离不良等轧废。另外，在获得的空心毛管中基本上看不到外表面缺陷和尾部外径增大。因此，作为产品的无缝金属管的质量极为良好。另外，由于即使以1．15以上的高扩管比也能进行稳定的穿孔轧制，因而可扩大作为产品的无缝金属管的可制造范围，并可提高生产率。这样，采用本发明的方法和装置，可高效率低成本地制造宽范围的产品，因而在无缝金属管的制造方面有良好的效果。
Claims (3)
1．一种无缝金属管的穿孔轧制方法，采用的穿孔轧制装置是在由一对锥形主轧辊与一对盘辊所形成的空间部配置顶头，该顶头的中心轴与轧制轴线一致，该一对锥形主轧辊和一对盘形辊以轧制轴线为中心轴分别相向地配置，制造空心毛管时一边由上述主轧辊驱动被穿孔材螺旋移动一边进行穿孔轧制；其特征在于：穿孔轧制时上述主轧辊的辊腰部直径D1与穿孔用坯料的外径d的比D1／d、盘形辊的槽底部直径D2与上述坯料的外径d的比D2／d、主轧辊的辊腰部直径D1与盘形辊的槽底部直径D2的比D2／D1、主轧辊的入口面角θ1和出口面角θ2，分别满足下述(1)、(2)、(3)、(4)和(5)式。
3≤D1／d≤7……(1)
9≤D2／d≤16……(2)
2＜D2／D1≤3……(3)
2．5°≤θ1≤4．5°……(4)
3°≤θ2≤6．5°……(5)
2．如权利要求1所述的无缝金属管的穿孔轧制方法，其特征在于：上述1对主轧辊的中心轴相对轧制轴线的角度即交叉角γ，满足下述(6)式。
10°＜γ≤25°……(6)
3．一种用于制造无缝金属管的穿孔轧制装置，它具有一对锥形主轧辊和一对盘形辊，该一对锥形主轧辊以被穿孔轧制材的轧制轴线为中心轴相向地配置，该一对盘形辊相向地配置并将轧制轴线夹在其间，其特征在于：上述主轧辊的辊腰部直径D1为510～2000mm，盘形辊的槽底部直径D2为1530～4000mm，主轧辊的辊腰部直径D1与盘形辊的槽底部直径D2的比D2／D1、主轧辊的入口面角θ1和出口面角θ2分别满足下述(3)、(4)和(5)式。
2＜D2／D1≤3……(3)
2．5°≤θ1≤4．5°……(4)
3°≤θ2≤6．5°……(5)
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20010207 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |