采用热轧减径工艺轧制螺纹管

郭正阳 秦建平

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西 030024)

螺纹管斜轧工艺是金属塑性成形加工领域研究的重点之一，并在轧钢和零件制造行业中得到了广泛应用。小直径外螺纹管一般是以冷轧的方法轧制，本文中所提到的螺纹管是采用热轧减径的新工艺进行轧制的，即在一个轧辊上大幅减径轧制出螺纹管。在研究这种新工艺的过程中，发现在批量生产时偶尔会出现头部四方轧卡现象，即使不轧卡，60%的产品也会在头部200 mm 范围内出现内外四方的现象。

1 四方形断面形成的原因分析

小直径无缝钢管斜轧时出现四方形断面(图1)的概率并不高，因此在轧制螺纹管时出现大量四方形断面是个新的现象。在大直径无缝钢管张力减径时会出现内六方的现象，研究证明，内六方的出现张力大小有关。虽然在减径轧制外螺纹管的新工艺中有时也存在张力，但是根据理论计算，送进角在5.6°以下时是不存在张力的。新工艺稳定轧制时送进角为6°，理论分析认为四方形断面与张力的关系不大。

新工艺轧制螺纹管的直径比较小，多为∅40 mm 以下。四边形多出现在减径段后期或者刚接触螺纹段时，大多是由内到外，而此时轧件头部处于轧制中心和送进角回转中心处，辊缝值最小时低于2 mm，几乎贴在一起。这说明辊缝并非最主要的原因，但却是出现四方形断面的必要条件之一。

图1 轧制试验中轧卡时的金属断面Figure 1 The metal section in the rolling stop during rolling test

根据现场情况，四边形一般出现在大减径量和接触区域大于50 mm 的轧制条件下，并且是从内到外。减径量是新工艺所必须达到的技术参数之一，是不能改变的。根据金属流动和应力状态分析，在一般轧制时，辊缝大的情况下，轧件内表面受力为轴向拉应力、径向拉应力和外压力，即一压两拉，此时会出现三角形状的断面。在外螺纹管轧制时，长的减径段已经积累很多附加应力，轴向拉应力会不断变大，从而减弱横向应力，同时由于近似的密闭孔型，金属无法进行径向扩展，此时轧件内表面金属应力状态为两压一拉，近似二辊轧制的受力状态(图2)，因此出现二辊轧机经常出现的内外四方。但是二者是有区别的，后者的孔型密闭性比试验轧机要好的多，并且金属的径向延伸由导板控制［1］。在三辊轧机中，金属在径向除了轧辊外没有限制金属径向延伸的工具，所以在三向压力(图3)的作用下，小辊缝很难出现径向大的延展，这样就导致金属的轴向流动增加，径向流动减弱，加上螺纹段的咬入受力非常不均匀，导致径向壁厚不均。在正压力和切向力不断变换的作用下，一定程度上消弱了金属的强度，开始积累这种类似二辊轧制时的四方变形。在试验时，由于加工精度和设备精度都不高，三个轧辊的压下量也不相等，同时轧辊在装配时的回转中心也不一致，使轧件在轧制过程中形成椭圆度并受力不均，从而产生壁厚不均，这也是内四方出现的原因之一。

2 数值模拟

2.1 有限元模型的建立

为了消除设备精度不足及参数误差的影响，深入分析四方形断面形成的的原因，避免在大批量生产时出现大量的切头和轧卡事件，下面建立与现场生产参数一致的轧制模型，其主要技术参数如表1 所示。坯料尺寸如图4 所示。

图2 二辊轧制时力相互作用示意图Figure 2 The schematic drawing of interaction by two rollers rolling

图3 三辊轧制时力相互作用示意图Figure 3 The schematic drawing of interaction by three rollers rolling

图4 坯料尺寸Figure 4 The blank size

表1 轧制技术参数Table 1 The technical parameters of rolling

2.2 有限元模拟结果分析

经过多次模拟，并未出现四方形断面，只是出现类似扇形的内孔形状。图5 为轧制时的等效应力与应变分布图。此时坯料已经开始稳定轧制螺纹了，但是并未出现四方形断面，只是壁厚不均匀。在分析模拟每一步变形之后发现，轧辊横截面各处的压下量和金属流动并不均匀，在螺纹成形段这种情况更严重，导致本来该归圆的均整段内金属的变形不均匀性加重，从而可能产生由内到外的四方形断面。总之，金属变形的不均匀性越大，四方形断面产生的可能性就越大。在实际生产时，金属变形不均匀性的增加，与其变形抗力的变化是有关系的。一般大直径无缝钢管的轧制是个升温的过程，而小直径无缝钢管轧制是个降温的过程，并且温度的下降速度很快。根据变形温度对变形抗力的影响［3］，当45 钢变形温度为850℃、变形速率为0.5 s－1及真应变为0.4 时，变形抗力约为200 MPa;而当变形速率和真应变不变，变形温度升高到1 100℃时，变形抗力仅约为90 MPa。因此，在整个轧制过程中，为了能达到变形稳定，金属流动均匀，就必须保证轧制温度，减少在整个接触区域内的碾轧次数，以便减少变形的不均匀性。

3 优化辊形和调整工艺参数

现场使用的是大幅度减径的轧辊，整个参与变形的区域在200 mm 左右，辊形有两个角度，轧制温度大概为900～1 000°C。现做如下调整:整个变形区域调整为130 mm 左右，减少金属的碾轧次数，减少附加应力的累积;辊形由两个角度变成四个角度，使大减径量下金属的流动与金属的延伸不致相差太多;轧制温度提高到1 100°C;采用内冷轧辊，外部喷雾，取消外部喷水冷却;低速咬入，高速轧制，控制金属的变形抗力，使金属在整个区域前后的变形抗力不致相差太多。其他轧制工艺参数不变。

4 生产应用

采用新的工艺参数和辊形进行轧制后，出现四方形断面的概率已经从60%下降到15%左右，并且在连续生产18 h 之内没有出现轧卡事故。图6 是工艺调整前后轧制出的头部端面形状。从图6 可以看出，内四方取决于轧制时的力学条件，通过调整参数是可以避免的。

图5 轧制时的等效应力与应变图Figure 5 The drawing of equivalent stress and strain during rolling

图6 工艺参数调整前后轧件头部的端面形状Figure 6 The section shapes of rolled piece head before and after adjusting process parameters

5 结束语

四方形断面的出现严重影响螺纹管的成材率和轧制稳定性，不仅容易导致轧卡，而且端部切除量过多。通过调整轧制工艺参数，控制轧制温度，预先齐头，调整咬入段长度，改变送进角大小，控制咬入速度，可大大降低产品出现四方形断面的概率。

［1］张庆生.螺旋孔型斜轧工艺(M).北京:机械工业出版社，1985.

［2］吴建华.Simufact 仿真软件在塑性加工中的应用［J］.航空精密制造技术，2010，(02).

［3］曲克.轧钢工艺学(M).北京:冶金工业出版社，2008.1:445－446.