CN117840357A - 一种用于金属管螺纹滚压的毛坯及加工方法与生产模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于金属管螺纹滚压的毛坯及加工方法与生产模块，包括：加工后的金属管螺纹滚压用毛坯沿其圆周面分布着至少由4个紧密相邻的圆弧面，组成一个特殊圆柱体或特殊圆台体或特殊圆柱圆台混合体，其轴向横截面为梅花瓣状结构，所述圆弧面的轴心线与所述金属管的轴心线有一夹角或者平行，所述圆弧面的轴向长度与所述需加工的金属管螺纹有效螺纹长度匹配。通过本发明公开的一种用于金属管螺纹滚压毛坯的加工方法与生产模具，包括径向挤压头和管螺纹滚丝头及其设备，能够容易实现对各类金属管进行管螺纹滚丝加工。本发明工艺简单可靠，便于现场生产，并提高了加工成品率。

Description

一种用于金属管螺纹滚压的毛坯及加工方法与生产模块

技术领域

本发明涉及一种对金属管空心毛胚，特别是对普通钢管，进行管螺纹滚压加工所需的金属管螺纹滚压用的毛坯结构、加工方法及其生产模块，属于金属管螺纹机械加工领域。

背景技术

毋容置疑，滚压管螺纹相比切削管螺纹具有螺纹质量稳定、一致性好、密封性能好以及机械连接强度高等优点。但现有金属管标准中，一般金属管的外径、壁厚和不圆度等参数是按切削工艺或金属管焊接或其它连接方式的要求而制定的，无一专门针对滚压管螺纹工艺而制定的金属管尺寸标准，要将全球现有金属管尺寸都变为适合滚压用金属管尺寸基本上是不可能的。现有金属管尺寸外径偏大或偏小、壁厚过大或过小并具有一定的椭圆度，这些均构成了金属管螺纹滚压的3个主要技术障碍。现有技术中，金属管外径偏大可以通过比如轴向冲压或者滚压缩径或者使用符合滚压要求的中径管的方法来实现；而不规则的不圆度的问题目前所采取的方法是专利CN1251820C所揭示的一种轴向冲压完美圆台面或者专利CN2582780Y所揭示的一种先用刀具在金属管加工管外螺纹段切削出完美圆台面或专利CN201610405139.3和专利CN201711328883.9所揭示的轴向滚压圆台面，而后进行圆柱管外螺纹或圆锥管外螺纹滚压的二次加工工艺。

虽然现有技术既解决了钢管外径问题，同时又解决了不圆度问题，但上述的几种滚压管螺纹预准备工艺都存在这样那样的挑战：

轴向冲压存在着设备复杂庞大和对金属管表面损伤等问题，而先用刀具在金属管加工管外螺纹段切削出圆台面，除了对金属管表面保护层、钢管镀锌层或表面破坏外，还对机床的加工精度和工件与刀具的同心度要求较高，不易在管网安装施工现场实现；二次滚压方法虽然革命性的实现了在施工现场生产滚压加工管螺纹，但存在着滚压系统复杂、价格高、效率偏低，同时对相邻二个滚压系统要求完美匹配等问题。因此，市场需要新的圆柱外螺纹或圆锥外螺纹滚压加工用毛坯结构、加工工艺以及结构设计合理、适用性强的圆柱外螺纹或圆锥外螺纹滚压加工生产模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于金属管螺纹滚压加工用的金属管毛坯结构，并提供一种加工这种毛坯的方法及其滚压金属管螺纹的生产模块。具体的讲，是提供一种能以现有标准的外径和不圆度的金属管，特别是一般钢管，作为毛胚，不采用现有技术(模具冲压或刀具切削圆台面或滚压圆柱面或圆台面或其混合体)的预备工艺，也不采用专利201310464553.8中所提及的中径钢管，而通过本发明颠覆性的通过径向挤压工艺获得的轴向横截面为梅花瓣状的圆台或圆柱或圆柱圆台混合体毛坯来完成管螺纹滚丝预准备，再通过管螺纹滚丝加工成形管外螺纹的方法及加工生产模块，打破了80多年来滚压(管)螺纹毛坯必须是圆台或圆柱并对圆度有一定要求的技术惯性，以一种非常规思维达到了出乎意料的技术效果，为金属管螺纹滚压加工另辟蹊径，探索出一条崭新的技术路线。

具体是：

本发明提供了一种用于金属管螺纹滚压加工用的毛坯结构，包括：加工后的金属管螺纹滚压加工用毛坯沿其圆周面分布着至少由4个紧密相邻的圆弧面，组成一个特殊圆柱体或特殊圆台体或特殊圆柱圆台混合体，其轴向横截面为梅花瓣状结构，所述圆弧面的轴心线与所述金属管的轴心线有一夹角或者平行，所述圆弧面的轴向长度与所述需加工的金属管螺纹有效螺纹长度相匹配。

所述圆弧面数优选的为4～64，特别优选的是6，8，10和12，在一个实施例中圆弧面数是8个。

所述的圆弧面数量可以通过不断旋转金属管在径向挤压模块中的位置再不断径向挤压获得，这样圆弧面数量可以成倍增加。

所述圆弧面与圆弧面之间相切连接。

所述圆弧面最小直径是后序滚压成形管螺纹中径尺寸的100.01％～101.9％。

根据不同口径的钢管，选择不同的尺寸百分比系数。

所述圆弧面的轴心线与所述金属管的轴心线夹角为0°～4°，优选的是1°47′～3°34′。

所述轴心线与金属管轴心线的平面夹角是指所述二条轴心线在同一Y轴平面上的夹角。

所述圆弧面与所述金属管圆弧面可以相异，优选的是相同圆弧面。

所述圆弧面的轴向长度是所述需加工的管螺纹有效螺纹长度的1/4～3/2，优选的是所述管螺纹有效长度的1/3～1/2。

所述圆弧面的长度与径向挤压加工效率及所需径向挤压力密切相关。

所述圆弧面的轴向长度也可以是金属管长度，这种整根金属管轴向横截面都具有梅花花瓣状结构是一种特殊的用于金属管螺纹滚压毛坯。

本发明还揭示了一种用于金属管螺纹滚压毛坯的加工方法，包括：通过与所述毛坯轴心线相垂直并沿所述毛坯圆周面布置的至少4个相邻的挤压模块径向挤压金属管，所述挤压模块优选的挤压模块数是6，7，8，9，10，11，12，13和14，特别优选的挤压模块数是6，8，10和12。

所述挤压模块是圆弧状挤压模块，所述挤压模块的长度与所述需被挤压的所述金属管圆弧面的轴向长度一致。

所述挤压模块是由一个或多个圆弧直径组成的梯台阶状的复合挤压模块，所述复合挤压模块是分体结构或者是整体结构。

最后，本发明提供了一种包含权利要求1到权利要求10的生产金属管螺纹滚压加工生产模块，包括：径向挤压组和滚丝组，其特征在于，首先通过径向挤压组挤压所述金属管，所述径向挤压组包含至少4个沿圆周布置的径向挤压块；然后通过所述滚丝组滚压成形所述金属管管螺纹；所述滚丝组包含至少2个沿圆周布置的滚丝轮；所述径向挤压组中挤压块设有与所述金属管圆弧一致的圆弧状结构，所述滚丝组中滚丝轮具有圆柱外螺纹或圆锥外螺纹成型部分。

在一实施例中，所述挤压、滚丝加工方法包括以下步骤：

步骤一、所述径向挤压组将所述圆柱状金属管空心毛坯的外表面挤压加工成特殊圆台体，其轴向横截面为梅花瓣状结构；这个毛坯也可以是特殊圆柱体或特殊圆柱圆台混合体，其轴向横截面均为梅花瓣状结构。

步骤二，所述滚丝组对经过步骤一加工后的所述毛坯的外表面进行圆锥外螺纹滚丝加工，滚压形成圆锥外螺纹；也可以在特殊圆柱体毛坯或者特殊圆柱圆锥混合体上通过所述圆柱外螺纹滚丝轮或圆锥外螺纹滚丝轮滚压成形圆柱外螺纹或者圆锥外螺纹。

最接近本发明的现有技术是二次滚压成形管螺纹技术，其主要解决的问题是钢管空心毛胚圆台面的形成或者空心毛胚的缩径问题，并没有很容易的解决不圆度这个关键点。根据经验，钢管管螺纹滚压前不圆度问题是导致管螺纹滚压失效的根本问题之一。

经过大量实际与试验、数据采集分析研究，本发明颠覆性的突破了80多年来现有技术的习惯性思维，即强调外径尺寸合适、光滑的、圆度好的圆柱体或圆台体是滚压(管)螺纹的前提，另辟蹊径提出尺寸合适的梅花瓣状圆柱体或圆台体或圆柱圆台混合体作为滚压(管)螺纹的毛坯，这个看似不可能的毛坯形状在后续与之匹配的管螺纹滚丝中达到了意想不到的技术效果。这种创造一是大量的实际、观察与思考，二是利用金属材料具有延伸(率)的特性以及在冷挤压冷滚压等冷变形运动中的流动性，以及金属材料在封闭模具滚压成形机理，革命性的解决了金属管螺纹滚压成形的关键技术，以及与后续管螺纹滚丝这二个工序之间的先后因果辩证关系，创造性地采用前后衔接的挤压、滚丝工序，特别是颠覆性的设计出梅花瓣状金属管圆台状或圆柱状或圆柱圆台混合体结构，解决了管外螺纹滚压的核心技术之一，放宽了对金属管空心毛胚不圆度的要求。不但适用于现有的有缝与无缝、厚壁与薄壁碳钢、合金钢与不锈钢等金属管空心毛胚，而且适用于相对较软的各种壁厚的铜管或者是铝合金管等其它各类金属空心毛胚；通过对其不同的外径公差、不圆度、材料、弹塑变形力、径向力与滚压钢管接触点数的科学计算，合理的控制径向挤压预成型的径向位置和锥度、径向模块数量与角度、径向模块长度、径向挤压次数、毛胚的残余应力与弹塑变形以及后续所需滚压力大小，再配合后续管螺纹成型滚丝轮的数量、形式和径向或者轴向、环形或者螺旋滚压方式，简化了滚压设备，使最终滚压管外螺纹产品合格率达到99.9％以上，大大增强了滚压管螺纹技术的实用性。

本发明的有益效果是：首先，通过径向稳定的挤压工艺生产出尺寸稳定且一致性好的滚压管螺纹毛坯，从而大幅度提高了后序滚压管螺纹的质量合格率与产品一致性；其次，相比现有技术的滚压管外螺纹产品，其钢管毛坯表面保护层没有受到前道预成形工艺的轴向冲击损伤、切削损伤及滚压损伤等；然后，由于径向挤压工艺时间只有滚压预成型工艺时间的1/4,整个加工金属管螺纹的工艺时间提高30％左右；最后，通过梯台阶式挤压块的多尺寸设计，确保了挤压长度的精准一致性和一个挤压头可以实现多规格金属管挤压工艺，设备功能大大提高。

另外，由于毛坯的稳定性，对后序工艺中滚丝轮的寿命也非常有利，现场滚压管螺纹的生产成本大大降低。

下面将结合附图说明和具体实施方式对本发明的前述目的、技术方案和有益效果进行详细的描述。

附图说明

图1是现有技术冲压完美圆度圆台面毛坯工艺示意图。

图2是现有技术切削完美圆度圆台面毛坯工艺示意图。

图3是现有技术中径管毛坯工艺示意图。

图4是现有技术滚压预成型毛坯工艺示意图。

图5是本发明的一种径向挤压成型圆柱状毛坯示意图。

图5a图5毛坯正视图。

图5b图5毛坯轴向横截面梅花瓣状示意图。

图6是本发明的一种径向挤压成型圆台状毛坯示意图。

图6a图6毛坯正视图。

图6b图6毛坯轴向横截面梅花瓣状示意图。

图7是本发明的一种径向挤压成型圆柱圆台混合状毛坯示意图。

图7a图7毛坯正视图。

图7b图7毛坯轴向横截面梅花瓣状示意图。

图8是根据本发明的径向挤压模块示意图。

图8a是图8正视图。

图8b是图8侧视图。

图9是根据本发明的双梯台阶挤压模块示意图。

图9a是图9正视图。

图9b是图9侧视图。

图10是根据本发明的一种金属管螺纹径向挤压滚丝生产模块。

图11是根据本发明的一种管螺纹挤压滚丝加工设备。

下面结合附图来详细说明：

1.现有技术

图1是现有技术冲压完美圆台面毛坯工艺示意图，需要利用锥形模具11机械(或液压)轴向运动冲压工件10，形成圆台体12或圆柱体(未图示)或圆柱圆台混合体(未图示)，再在圆台体毛坯上滚压加工管螺纹。由于滚压管螺纹加工工艺比目前套丝或者是切削加工管螺纹工艺多了一道设备庞大的圆台面加工工序，不但费时，而且无法在现场实际加工。另外，由于巨大轴向瞬间冲压压力，锥台形成时，管体材料特别是焊管焊缝容易受到隐性和显性等破坏，可能造成后期管外螺纹产品安全隐患。

图2是现有日本技术切削完美圆台面毛坯工艺示意图，通过一种轴向或径向切削装置21切削整个工件20，形成圆台面22；而后利用滚丝轮对包含圆台面22的空心毛胚20进行螺纹滚丝加工。

图3是现有技术专利201310464553.8所揭示的中径管毛坯示意图，显示了通过工厂化专业生产符合滚压钢管外径要求的管螺纹“中径”管32，这种钢管外径用标准的金属管30在工厂通过改制为适合滚压用的中径管32的方法，依然可能面临滚压出的管螺纹产品圆度不好而造成连接泄露的风险。

图4是现有专利技术CN201610405139.3和CN201711328883.9滚压预成型毛坯工艺示意图，即先在空心毛胚40上通过预成型滚压轮41进行滚压成形42毛坯，而后利用管螺纹成型滚压轮对毛坯进行进一步管螺纹成型滚压加工，前后二个工序的滚压轮数量必须奇偶数相异。这种技术虽然革命性的解决了标准尺寸金属管螺纹现场成形问题，但需要对前后二道工序的滚压尺寸进行优化，方可加工出圆度完美的滚压管螺纹产品，对设备操作员有一定技术要求，同时当金属管尺寸与标准尺寸偏差较大时，对设备滚压轮的调整要求更高。

2.本发明的先径向挤压后滚丝成形管螺纹技术

图5到图7分别显示了本发明的三种径向挤压预成型毛坯示意图，显示了圆柱体、圆台体和圆柱圆台混合体毛坯结构，其轴向横截面均显示8片梅花瓣状52、62和72，其圆弧面最小直径是后序滚压成形管螺纹中径尺寸的100.01％～101.9％。

这种毛坯结构完全不同于现有技术的、遵循了80多年来对滚压(管)螺纹毛坯有圆度要求的毛坯，正是这种不同于常规思维的毛坯结构为滚压管螺纹的普及带来了巨大的可能。

图8、图8a和图8b是根据本发明的径向挤压模块示意图。首先，这种挤压模块的长度与后序欲滚丝成形的管螺纹有效螺纹长度相匹配，一般小于管螺纹有效螺纹长度与螺尾长度之和，优选的为管螺纹有效螺纹长度的1/3～1/2；其次，这种挤压模块的弧度小于或等于金属管本身的弧度，当这种挤压模块的弧度大于或等于金属管本身的弧度时，需对后序滚丝工艺加以适当调整；最后，这种挤压模块是显圆柱型或者圆台型或圆柱圆台混合型的，优选的是圆台型的，以匹配后序圆锥外螺纹滚丝成形。

图9、图9a和图9b是根据本发明的双台阶挤压模块示意图，这种组合式模块可以更有效的提高设备利用率。组合式模块实际上是图8的进一步发展而设计成形的，它既可以解决了径向挤压时金属管轴向定位问题，也可以一套径向挤压模块适用于多规格金属管挤压加工。

在一个实施例中，整体组合式径向挤压模块具有可生产DN32和DN15二种钢管尺寸规格的能力。

图10是根据本发明的一种金属管螺纹挤压滚丝生产模块，显示了首先径向挤压金属管，然后滚丝成形管螺纹的先左后右有序的加工工艺。

图8和图9所示的挤压模块上部的燕尾83和93用于与图10中挤压模块中模座103燕尾槽连接。

图11是根据本发明的一种管螺纹滚丝加工设备，用于管网施工现场滚压加工生产管螺纹，其设备整体布局与专利CN201711328883.9中相关准备类似，将在实施例中结合实际案例加以说明，在此不再赘述。

本发明的预成形挤压头和管螺纹成形滚丝头可以是分开的，也可以是组合成一体的(未图示)。当两者组合成一体时可以有效节省工序时间，序贯性地滚压形成所欲加工的金属管螺纹，整体设计显得更为小巧，便于运输和安装。

下面结合图5、图9，10和图11进一步详细说明具体滚压加工环氧树脂镀锌管的实施步骤。

环氧树脂镀锌管是根据《低压流体输送用焊接钢管》(GB3091-2008)国家标准的在镀锌管表面再涂覆环氧树脂的一种新型钢管，采用本发明的一种用于金属管螺纹滚压毛坯的生产方法、径向挤压模块与滚丝模块依次加工DN32燃气专用镀锌钢管，生产出符合金属管滚压用毛坯和质量符合国家标准的圆锥外螺纹产品。

如图11所示，首先，将外径为42.40毫米，壁厚为3.50毫米，内径为35.40毫米环氧树脂镀锌管50按加工长度要求置于夹紧装置03之中并手动夹紧，然后将已经打开的滚压切料装置05手动地嵌入金属管毛坯50；打开电机开关使金属管毛坯50旋转，手动旋转切斜装置05上的手柄051将滚压切料装置中的切料滚压轮按工艺要求径向进给，滚压切断金属管毛坯50的6000毫米的长度至所需长度2200毫米，手动反向旋转手柄051，打开滚压切料装置05，复位，切料完成，钢管自动停止旋转。

横向手动推移和轴向手动推移工作台08，将位于工作台08上一侧的径向挤压头06正确导入钢管50一端至挤压头06中的挤压模块91台阶处，通过传感器径向挤压头06开始径向挤压金属管至所需加工金属管螺纹段至8瓣梅花状毛坯52，完成后，挤压头在PLC控制下，06瞬间复位至初始状态。从被挤压的毛坯外表来看，钢管表面的环氧树脂有所损伤但基本保留，且这种径向挤压效率比现有技术现场加工效率要高30％或以上。

横向手动推移和轴向手动推移工作台08，此时在设备PLC控制下，电机启动，将位于工作台08上另一侧的管螺纹滚丝头07正确导入加工后的金属管毛坯端，在手动旋转手柄10的帮助下，钢管工件旋转导入滚丝头07之中，利用滚压轴向力，设备自动开始滚丝管螺纹工艺，至滚压头端部传感器，滚丝停止，电机反转，管螺纹滚丝头轴向后退，也可以手动反向转动手柄10提高效率，滚丝头与产品脱离，电机自动关停，产品滚压加工完成。

在加工过程中，根据滚压工艺需要，可以将浮动的倒角装置02一并使用，这个操作与现有技术一般滚丝设备相同，不在此赘述。

结合图6、7、8和图9所示的任一径向挤压预成型的空心毛胚和相应的径向挤压模块，合理与现有技术的管螺纹加工工艺匹配进行螺纹滚压，可以滚压出符合标准的管螺纹产品。

结合图1至图4以及图5至图11，将它们相对比，本发明的滚压用金属管毛坯、加工方法、滚压头及其设备与现有技术的管螺纹产品的制造方法、滚压头及其设备的差异性显而易见，由此带来其有益效果是：适用性更广，产品合格率大于99％以上，与目前现场100％采用的切削套丝工艺步骤基本接近，加工装置简易轻便，符合人们目前使用习惯，便于大量推广使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本领域的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作出种种的等效的变化或替换，并不受前述的挤压方法与方向、挤压模块长度、挤压模块数量与安装形式、滚丝头数量与安装形式等限制。例如：挤压模块圆弧面可以设计成圆弧面大于等于或小于等于金属管圆弧面的模块，也可以是圆弧面无限大的平面模块；挤压头可以在金属管二头通过合理设计的机械结构同时挤压本发明的金属管毛坯，然后双头滚丝，具体设备结构可以参考所述相关专利。

因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其特征在于，包括：加工后的用于金属管螺纹滚压的毛坯沿其圆周面分布着至少由4个紧密相邻的圆弧面，组成一个特殊圆柱体或者特殊圆台体或者特殊圆柱圆台混合体，其轴向横截面为梅花瓣状结构，所述圆弧面的轴心线与所述金属管的轴心线有一夹角或者平行，所述圆弧面的轴向长度与所述需加工的金属管螺纹有效螺纹长度相匹配。

2.如权利要求1所述的一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面数优选的为4～64，特别优选的是6，8，10和12。

3.如权利要求1所述的一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面与圆弧面之间相切连接。

4.如权利要求1所述的一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面最小直径是后序滚压成形管螺纹中径尺寸的100.01％～101.9％。

5.如权利要求1所述的一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面的轴心线与所述金属管的轴心线夹角为0°～4°，优选的是1°47′～3°34′。

6.如权利要求1和权利要求4所述的一种用于金属管螺纹滚压的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面与所述金属管圆弧面可以相异，优选的是相同圆弧面。

7.如权利要求1所述的一种用于金属管螺纹滚压加工的毛坯，其进一步特征在于，所述圆弧面的轴向长度是所述需加工的管螺纹有效螺纹长度的1/4～3/2，优选的是所述管螺纹有效螺纹长度的1/3～1/2。

8.一种用于金属管螺纹滚压毛坯的加工方法，包括：通过与所述毛坯轴心线相垂直并沿所述毛坯圆周面布置的至少4个相邻的挤压模块径向挤压金属管，所述挤压模块优选的挤压模块数是6，7，8，9，10，11，12，13和14，特别优选的挤压模块数是6，8，10和12。

9.如权利要求8所述的一种用于金属管螺纹滚压毛坯的加工方法，其特征在于，所述挤压模块是圆弧状挤压模块，所述挤压模块的长度与所述需被挤压的所述金属管圆弧面的轴向长度一致。

10.如权利要求9所述的一种用于金属管螺纹滚压毛坯的加工方法，其进一步特征在于，所述挤压模块是由一个或多个圆弧直径组成的梯台阶状的复合挤压模块，所述复合挤压模块是分体结构或者是整体结构。

11.一种包含权利要求1到权利要求10的生产用于金属管螺纹滚压毛坯的加工生产模块，包括：径向挤压组和滚丝组，其特征在于，首先通过径向挤压组挤压所述金属管，所述径向挤压组包含至少4个沿圆周布置的径向挤压块；然后，通过所述滚丝组滚压成形所述金属管管螺纹，所述滚丝组包含至少2个沿圆周布置的滚丝轮，所述径向挤压组中挤压块具有与所述金属管圆弧匹配的圆弧状结构，所述滚丝组中滚丝轮具有圆柱外螺纹或者圆锥外螺纹成型部分，并且：

所述挤压、滚丝加工方法包括以下步骤：

步骤一、所述径向挤压组将所述圆柱状金属管空心毛坯的外表面挤压加工成特殊圆柱体或特殊圆台体或特殊圆柱圆台混合体，其轴向横截面为梅花瓣状结构；

步骤二，所述滚丝组对经过步骤一加工后的所述毛坯的外表面进行圆柱外螺纹或者圆锥外螺纹滚丝加工，滚压形成圆柱外螺纹或者圆锥外螺纹。