CN108421839A - 一种球扁钢双孔模挤压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球扁钢双孔模挤压成型方法。热挤压工艺操作步骤为：模具设计与制作→坯料加工→坯料加热（环形炉预热+感应炉加热）→热挤压→矫直。在一个挤压模承载面上加工两个球扁钢形模孔的设计；为降低扭曲或弯曲并保证挤压出的球扁钢不会顶撞出料设备设施，增加了出料引导管；采用了有限元模拟方法优化设计挤压模具和挤压工艺，预测了挤压载荷。采用本发明方法制造出的球扁钢满足GB/T 9945‑2001《热轧球扁钢》表面和尺寸要求，探索了除热轧方法外的一种更为合理的热挤压成型方法。

Description

一种球扁钢双孔模挤压成型方法

技术领域

本发明涉及一种球扁钢双孔模挤压成型方法，具体涉及一种奥氏体不锈钢球扁钢的双孔模热挤压工艺，属于不锈钢型材加工技术领域。

背景技术

球扁钢是一种主要应用于造船领域的型材，采用与相连板材相同厚度与材质的球扁钢通常作为骨材（也称筋骨或龙骨）使用。

扬州诚德钢管有限公司申请的中国发明专利《球扁钢生产新工艺》（申请号200810019252.3）和日照钢铁控股集团有限公司申请的中国发明专利《一种球扁钢生产工艺》（申请号200610134469.X ）均采用了轧制工艺方法制造球扁钢。

鞍钢集团下属公司江油长城特殊钢有限公司申请的中国发明专利《采用热挤压生产球扁钢的方法》（专利号201310692735.0）中提到了热挤压方法生产球扁钢工艺，但从专利的详细内容来看，未明确提出采用的是何种挤压模设计方法，且未对挤压出料设备设施做出创新性改进。

鞍钢集团下属公司江油长城特殊钢有限公司申请的中国发明专利《球扁钢的生产方法》（专利号201610257108.8）提到的球扁钢的挤压生产方法中，明确指出了模具设计是采用两个球头孔型和一个腹板孔型的方法，但未对挤压出料设备设施做出创新性改进。

采用热轧工艺生产出来的球扁钢存在不同区域性能不均匀（球头和扁钢部分性能不一）问题，另外，轧制工艺方法变形道次多且成本高。

发明内容

本发明旨在提供一种球扁钢双孔模挤压成型方法，区别于传统轧制工艺的双孔模挤压工艺方法，所生产出的球扁钢的球头和扁钢部分性能均匀、产品弯曲度小、尺寸和表面技术满足要求。

本发明提供的热挤压成型工艺具有大变形比、一道次成型、性能均匀、表面光洁度高、制造成本低等优点。GB/T 9945-2001《热轧球扁钢》中要求球扁钢尺寸如表1所示，弯曲度≤3mm/m，总弯曲度不大于长度的0.3%，不能有明显扭转，图1为球扁钢形状及关键尺寸。

表1.球扁钢公称尺寸及公差

为满足产品关键尺寸、表面、弯曲度和均匀性能的要求，本发明提供的球扁钢双孔模挤压成型方法，设计工艺流程为挤压模型设计→关键模具设计与制作→坯料加工→坯料加热（环形炉预热+感应炉加热）→润滑→热挤压工艺设计，因采用双孔模设计，考虑到挤出产品的弯曲和扭转以及对出料设备的保护，设计了出料引导。

具体成型方法如下：

（1）建立挤压模型

球扁钢挤压模型，包含了挤压坯料、工模具系统、出料系统，其中出料系统增加了出料引导管；

（2）关键模具设计与制作

工模具系统包含挤压杆、挤压垫、挤压筒、双孔挤压模、挤压模垫、挤压模套、第一挤压模支撑和第二挤压模支撑；挤压筒为中空结构，挤压坯料位于筒内，挤压杆与坯料之间设有挤压垫，挤压筒端部依次连接双孔挤压模、挤压模垫、第一挤压模支撑、第二挤压模支撑，双孔挤压模、挤压模垫外侧设有挤压模套；

第二挤压模支撑另一侧连接引导管，引导管出口端为出料辊道；

本发明涉及到了球扁钢挤压工艺方法，挤压模孔设计为背靠背双孔球扁钢形方式，

挤压模具设计，挤压模具的配合方式为双孔挤压模+双孔挤压模垫+双孔第一挤压模支撑，并在挤压模和挤压模垫的结合面上加工了双定位孔，采用定位销连接的方式，防止挤压过程中球扁钢孔型出现错位、

结合产品形状、设备能力及模具设计、润滑等因素，设计了特定挤压工艺参数，挤压筒Φ230~Φ450mm、挤压杆Φ225~Φ440mm、挤压垫Φ229~Φ449mm、坯料加热温度1150~1250℃、玻璃垫形状(双球扁钢孔形)、挤压比≤20、挤压载荷≤61MN和挤压速度50~150mm/s，

出料系统设计引导管，见图2，有效改善挤出后的球扁钢弯曲缺陷，降低了球扁钢的加工道次。

（3）进行坯料加工

材质：奥氏体不锈钢

外径：Φ222 mm、Φ252 mm、Φ280 mm、Φ308 mm、Φ348mm、Φ288 mm和Φ438mm共计7各规格，外径公差-2~0mm

长度：450mm≤L≤800mm，公差控制到0~5mm

圆弧角：R35mm

表面粗糙度：≤R3.2μm

（4）坯料加热

环形炉加热共有1个预热段、3个加热段和1个保温段，其中预热段900±20℃，三个加热段和保温段目标温度都为950±10℃。

感应加热共有1个加热段和2个保温段，其中加热段功率400~600kW，加热至目标温度1150℃~1250℃，温度公差为±10℃，在目标温度下，2个保温段的功率分别为250~350kW和150~250kW。

（5）润滑

坯料外表面润滑采用国产天力创GW8，玻璃垫采用GD19，玻璃垫内孔采用专用球扁钢形状。

（6）热挤压

实际挤压突破载荷≤61MN，实际挤压速度50~150mm/s（考虑到表面质量和挤出弯曲度，球扁钢设计低速挤压）。

在第二挤压模支撑的后部采用焊接方法增加了引导管，引导管的内孔比第二挤压模支撑的内孔大5mm左右，挤压出的高温热态球扁钢首先进入引导管（常规管材无引导管，挤出的管材直接置于出料辊道上），然后再到出料辊道，大大减轻了热变形后的弯曲或翘曲。

（7）冷却：挤出后水冷。

挤压筒内孔直径为Φ230mm、Φ260mm、Φ290mm、Φ320mm、Φ360mm、Φ400mm和Φ450mm共计7个规格，挤压筒内表面预热到350℃~400℃；挤压杆外/内径为：Φ225mm/Φ75mm、Φ255mm/Φ75mm、Φ285mm/Φ120mm、Φ315mm/Φ145mm、Φ353mm/Φ175mm、Φ392mm/Φ200mm和Φ440mm/Φ255mm共计7个规格，挤压比≤20；挤压突破载荷≤61MN。

上述热挤压过程中，挤压模外部为圆台结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，且两个孔沿轴线对称，孔的形状为外扩型，在两个孔的外侧分别设有螺栓孔，且左右侧螺栓孔沿轴线对称。

上述热挤压过程中，挤压模垫外部由圆柱状和圆台状两部分构成，内部设有两个球扁钢形状的孔，挤压模垫上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模上面加工的球扁钢形孔的尺寸整体大5mm，且两个孔沿轴线对称，孔为直形孔，在两个直形孔的外侧分别设有盲孔，该盲孔位于圆台端，盲孔与挤压模的螺栓孔对应；挤压垫为与设计规格相匹配的实心挤压垫，采用Φ229mm、Φ259mm、Φ289mm、Φ319mm、Φ359mm、Φ399mm和Φ449mm7个规格的实心挤压垫。

上述热挤压过程中，第一挤压模支撑为圆柱结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，挤压模支撑上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模垫上面加工的球扁钢形孔的尺寸整体大5mm，且两个孔沿轴线对称。

挤压模支撑由第一挤压模支撑（内孔双球扁钢形）+第二挤压模支撑（内孔圆形）配合组成，其中第一挤压模支撑置于挤压模垫后方，第二挤压模支撑置于第一挤压模支撑后方。

本发明的有益效果：

（1）采用现有轧制工艺方法得到的球扁钢型材普遍存在性能不均匀的问题，而采用热挤压工艺方法由于扁钢部分和球头部分的变形比相同，得到的球扁钢可以大大改善不同区域性能不均匀的问题。

（2）本发明增加了出料引导，采用挤压工艺得到的球扁钢弯曲度小，保证了球扁钢不顶出料辊道且不出现扭曲、扭缠问题。

（3）采用双定位孔固定方式，防止挤压模或模垫旋转导致球扁钢孔型错位；

（4）设计了内孔类似于球扁钢形状的玻璃垫，改善了球扁钢挤压过程中润滑效果；

（5）挤压后重新热处理后采用拉伸矫直方法完成矫直，长度方向被重新整形，弯曲度被再次改善；矫直后球扁钢表面无明显裂纹、凹坑、划伤、折迭等缺陷，矫直后球扁钢尺寸检验结果满足产品满足GB/T 9945-2001《热轧球扁钢》标准。

附图说明

图1为球扁钢形状及关键尺寸示意图；

图2为球扁钢挤压模型示意图；

图3为球扁钢双孔挤压模的三视图；

图4为双孔挤压模垫的三视图；

图5为双孔第一挤压模支撑的结构示意图；

图6为图5的主视图；

图7为图6的左视图；

图8为坯料加工示意图；

图9为挤压力和挤压速度曲线。

图中：1为挤压杆，2为挤压垫，3为挤压筒，4为双孔挤压模，5为挤压模垫，6为挤压模套，7为第一挤压模支撑，8为第二挤压模支撑，9为坯料，10为引导管，11为出料辊道，12为挤出产品，F为挤压载荷。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

本发明提供了一种球扁钢双孔模挤压成型方法，具体包括以下步骤：

（1）材质：奥氏体不锈钢

外径：Φ222 mm，外径公差-2~0mm

长度：450mm

圆弧角：R35mm

表面粗糙度：≤R3.2μm

（2）坯料加热

环形炉加热共有1个预热段、3个加热段和1个保温段，其中预热段900±20℃，三个加热段和保温段目标温度都为950±10℃。

感应加热共有1个加热段和2个保温段，其中加热段功率480kW，加热至目标温度1180±10℃，为使坯料加热均匀，在目标温度下保温，2个保温段的功率分别为300kW和220kW。

（3）润滑

坯料外表面润滑采用国产天力创GW8，玻璃垫采用GD19，玻璃垫内孔采用专用球扁钢形状，玻璃垫的球扁钢形状内孔的尺寸与编号为Q2（表1）的实际挤压规格b×h×t=120 mm×25mm×8mm匹配。

（4）热挤压

实际挤压坯料为奥氏体不锈钢904L-∮222mm×450mm实心锻造管坯，实际挤压出的球扁钢编号为Q2（表1），具体尺寸为 b×h×t=120 mm×25mm×8mm。

挤压筒内孔直径为Φ230mm，挤压筒内孔表面预热到350℃；挤压杆外/内径Φ225mm/Φ75mm，挤压比17.73，实际挤压突破载荷35MN，实际挤压速度120mm/s。

（5）冷却：挤出后水冷。

（6）矫直

采用拉伸矫直法，长度方向被重新整形，弯曲度被再次改善，矫直效果能达到与攀长钢接近的效果，实际测量每米弯曲度为2mm/m，全长弯曲度小于长度的0.3%要求，酸洗后观察表面无明显裂纹、凹坑、划伤、折迭缺陷，产品满足GB/T 9945-2001《热轧球扁钢》标准。

本发明提供的球扁钢挤压模型，包含了挤压坯料、工模具系统、出料系统，其中出料系统增加了出料引导管；上述挤压过程中，采用如图1~7所示的模具：

工模具系统包含挤压杆1、挤压垫2、挤压筒3、双孔挤压模4、挤压模垫5、挤压模套6、第一挤压模支撑7和第二挤压模支撑8；挤压筒3为中空结构，挤压坯料9位于筒内，挤压杆1与坯料9之间设有挤压垫2，挤压筒3端部依次连接双孔挤压模4、挤压模垫5、第一挤压模支撑7、第二挤压模支撑8，双孔挤压模4、挤压模垫5外侧设有挤压模套6；

第二挤压模支撑8另一侧连接引导管10，引导管10出口端为出料辊道11；

进一步地，所述双孔挤压模4外部为圆台结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，且两个孔沿轴线对称，孔的形状为外扩型，在两个孔的外侧分别设有螺栓孔，且左右侧螺栓孔沿轴线对称。

所述双孔挤压模4的模孔设计为背靠背双孔球扁钢形；挤压模具的配合方式为双孔挤压模4+挤压模垫5+第一挤压模支撑7，并在挤压模和挤压模垫的结合面上加工了双定位孔，采用定位销连接方式。

所述挤压模垫5外部由圆柱状和圆台状两部分构成，内部设有两个球扁钢形状的孔，挤压模垫上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模上面加工的球扁钢形孔的尺寸整体大5mm，且两个孔沿轴线对称，孔为直形孔，在两个直形孔的外侧分别设有盲孔，该盲孔位于圆台端，盲孔与挤压模的螺栓孔对应；挤压模垫5为与设计规格相匹配的实心挤压垫，采用Φ229~Φ449mm实心挤压垫。

所述第一挤压模支撑7为圆柱结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，第一挤压模支撑上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模垫中的球扁钢形孔的尺寸大，且两个孔沿轴线对称。

所述第二挤压模支撑8为圆柱结构，内部设有圆形孔，在第二挤压模支撑的后部焊接了引导管，引导管10的内孔比第二挤压模支撑的内孔大5mm，挤压出的高温热态球扁钢首先进入引导管10，然后再到出料辊道11上，减轻了热变形后的弯曲或翘曲。

Claims (8)

1.一种球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：工艺流程为：挤压模型设计→模具设计与制作→坯料加工→坯料加热：环形炉预热+感应炉加热→润滑→热挤压→矫直工艺，所述模具为双孔模设计，且挤出产品增加了出料引导。

2.根据权利要求1所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）建立挤压模型

球扁钢挤压模型，包含了挤压坯料、工模具系统、出料系统，其中出料系统增加了出料引导管；

（2）模具设计与制作

工模具系统包含挤压杆、挤压垫、挤压筒、双孔挤压模、挤压模垫、挤压模套、第一挤压模支撑和第二挤压模支撑；挤压筒为中空结构，挤压坯料位于筒内，挤压杆与坯料之间设有挤压垫，挤压筒端部依次连接双孔挤压模、挤压模垫、第一挤压模支撑、第二挤压模支撑，双孔挤压模、挤压模垫外侧设有挤压模套；

第二挤压模支撑另一侧连接引导管，引导管出口端为出料辊道；

（3）进行坯料加工

材质：奥氏体不锈钢；

外径：Φ222 mm、Φ252 mm、Φ280 mm、Φ308 mm、Φ348mm、Φ288 mm和Φ438mm共计7个规格，外径公差-2~0mm；

长度：450mm≤L≤800mm，公差控制到0~5mm；

圆弧角：R35mm；

表面粗糙度：≤R3.2μm；

（4）坯料加热

环形炉加热分为一个预热段、三个加热段和一个保温段，其中预热段900±20℃，三个加热段和保温段目标温度都为950±10℃；

感应加热分为一个加热段和两个保温段，其中加热段功率为400~600kW，加热至目标温度1250±10℃，在目标温度下，两个保温段的功率分别为250~350kW和150~250kW；

（5）润滑

坯料外表面润滑采用国产天力创GW8，玻璃垫采用GD19，玻璃垫内孔为球扁钢形状；

（6）热挤压

考虑到表面质量和挤出弯曲度，球扁钢设计低速挤压；实际挤压突破载荷≤61MN，实际挤压速度为50~150mm/s；

（7）冷却：挤出后水冷。

3.根据权利要求2所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：热挤压过程中，挤压筒内孔直径为Φ230mm、Φ260mm、Φ290mm、Φ320mm、Φ360mm、Φ400mm和Φ450mm共计7个规格，挤压筒内表面预热到350℃~400℃；挤压杆外/内径为：Φ225mm/Φ75mm、Φ255mm/Φ75mm、Φ285mm/Φ120mm、Φ315mm/Φ145mm、Φ353mm/Φ175mm、Φ392mm/Φ200mm和Φ440mm/Φ255mm共7个规格，挤压比≤20；挤压突破载荷≤61MN。

4.根据权利要求2所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：所述双孔挤压模外部为圆台结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，且两个孔沿轴线对称，孔的形状为外扩型，在两个孔的外侧分别设有螺栓孔，且左右侧螺栓孔沿轴线对称。

5.根据权利要求4所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：所述双孔挤压模的模孔设计为背靠背双孔球扁钢形；挤压模具的配合方式为双孔挤压模+挤压模垫+第一挤压模支撑，并在挤压模和挤压模垫的结合面上加工了双定位孔，采用定位销连接方式。

6.根据权利要求2所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：所述挤压模垫外部由圆柱状和圆台状两部分构成，内部设有两个球扁钢形状的孔，挤压模垫上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模上面加工的球扁钢形孔的尺寸整体大5mm，且两个孔沿轴线对称，孔为直形孔，在两个直形孔的外侧分别设有盲孔，该盲孔位于圆台端，盲孔与挤压模的螺栓孔对应；挤压模垫为与设计规格相匹配的实心挤压垫，采用Φ229~Φ449mm实心挤压垫。

7.根据权利要求2所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：所述第一挤压模支撑为圆柱结构，内部设有两个球扁钢形状的孔，第一挤压模支撑上面加工的球扁钢形孔的尺寸比挤压模垫中的球扁钢形孔的尺寸大，且两个孔沿轴线对称。

8.根据权利要求2所述的球扁钢双孔模挤压成型方法，其特征在于：所述第二挤压模支撑为圆柱结构，内部设有圆形孔，在第二挤压模支撑的后部焊接了引导管，引导管的内孔比第二挤压模支撑的内孔大5mm，挤压出的高温热态球扁钢首先进入引导管，然后再到出料辊道，减轻了热变形后的弯曲或翘曲。