三辊斜轧机轧制外螺纹管件工艺分析

张海龙，杨晓明，陈 端

（太原科技大学，山西 太原 030024）

0 引言

外螺纹管件主要包括丝杠、锚杆、螺旋翅片管等，这些产品已经广泛应用于矿山、护坡、隧道、冶金等行业。其主要生产方式为车削、冷滚压、铸锻、模锻等，生产周期长且成本较高，远远不能满足市场的需求。随着需求的增加，采用专用轧制设备热轧外螺纹管件有着广阔的前景。本文在研究外螺纹管斜轧工艺和设备的基础上，分析了外螺纹管件热轧成型的新工艺。

1 轧制外螺纹管件设备的特点和工艺分析

1.1 三辊轧管机的特点

外螺纹管件采用三辊斜轧机轧制，三辊轧管机具有如下特点：

（1）可轧制各种型号的钢材，包括碳素钢、低合金钢、合金钢和轴承钢等。

（2）所轧荒管的精度非常高，外径公差为±0.5mm，壁厚公差为±2%。

（3）材料利用率达到80%以上，材料节约显著。

（4）斜轧产品金属流线沿产品轴线保持连续和轧后晶粒细化，产品强度明显提高。

（5）由于是局部连续成形，其工作载荷小，因此设备小、投资少。

1.2 外螺纹管件的生产工艺流程

外螺纹管件的整个生产工艺流程如图1所示。坯料经锯床定尺锯料，由链床将坯料送入加热炉加热，将加热合格的坯料进行一次穿孔，穿孔后的荒管进入均热炉以达到荒管温度均匀的目的，然后进入三辊轧管机进行外螺纹管件的轧制，在轧管机的出口侧对管件进行热处理，热处理后的管件放在冷床上冷却，之后矫直并打包入库。

1.3 外螺纹轧制过程中金属变形区域划分

外螺纹轧制过程中整个金属变形区分为入口锥部分、减径段部分、螺纹轧制部分，如图2所示。入口锥部分方便坯料的咬入；减径段能够大幅度减小荒管的外径；螺纹轧制部分使坯料成型。

1.4 工艺参数分析

在进行外螺纹管轧制过程中，压下量、送进角及轧制温度是最重要的工艺参数。压下量对轧制管螺纹影响很大，当压下量过小时，轧件表面形成的螺纹牙高度很小，不能满足使用要求；但压下量过大时，由于一次减径量过大，金属变形量过大，变形情况复杂，容易轧方或轧卡。轧辊螺旋升角β0必须和送进角α保持一定的关系，否则容易造成凸棱切轧件前端或后端的现象。温度的影响也是显而易见的，温度过低，容易造成轧卡、闷车等；而温度过高时，则会造成粘辊、轧方等情况，所以合适的轧制温度是轧制合格产品的必要条件。

图1 外螺纹管件的生产工艺流程

图2 外螺纹轧制过程中金属变形区

1.5 轧制过程运动分析

管坯上一点的速度分解如图3所示。轧辊在任意点的圆周速度v为：

其中：n0为轧辊的转速；Dk为轧辊在任一点的直径。

将速度v分解为平行和垂直于轧件轴线的分速度，可得到轧辊的轴向分速度u和旋转分速度w：

可见，由于有送进角α，沿轧制方向的速度u不等于零，而且随α角的增大而增加。斜轧时，在u和w的共同作用下，管坯在产生旋转运动的同时，还产生一向前的轴向运动，使得管坯做螺旋前进运动。

图3 速度分解图

在螺旋体轧制过程中，轧件的螺旋成形速度u1不只是轧辊圆周速度在水平方向有一个分速度u带动轧件向前运动的结果，还由于轧辊旋转时，因轧件和轧辊的螺旋方向相反，轧辊的螺旋孔型有一个向后推动速度u0推动轧件，那么轧辊与轧件就有相对轴向运动，若忽略轧件的轴向延伸及轴向滑移系数，可建立轧件的运动方程。轧件的螺旋成形速度u1等于轧件相对于机架的速度和轧辊螺旋推动速度u0在轧件轴线方向上的差值，即：

由轧件的螺旋成形原理可知，轧件的螺旋成形速度u1为：

其中：n1为轧件转速；S1为轧件的螺距。

轧辊的螺旋移动速度u0为：

其中：S0为轧辊螺距。

在轧辊和轧件螺旋线交叉点中径处轧辊与轧件为纯滚动，轧辊与轧件的旋转线速度应相等。即：

其中：d1为轧件的螺纹中径。

因为S0＝πDktanβ0，S1＝πd1tanβ1（β1为轧件的螺旋升角），整理得tanβ1－tanβ0＝tanα。由此便可得到斜轧锚杆时送进角的调整公式。

2 轧制试验分析

2.1 轧制设备主要参数

轧制设备主要为Assel新型开式机架轧管机，由机械升降机及液压系统作为调整机构，由PLC实现压下量和送进角的自动调整；前台有推料机构，后台安装夹送辊道装置。轧制设备工艺参数如下：

轧制温度（℃）： 820；

轧辊转速（r/min）：120；

送进角α（°）：4.5；

压下量（mm）：5；

轧辊直径（mm）：140；

螺纹牙高（mm）：1.5。

2.2 产品基本参数

原料为穿孔设备穿出的荒管，终轧温度为800℃～850℃，非常适合轧制。坯料和产品的具体参数如表1和表2所示。

表1 坯料参数

表2 产品参数

2.3 结果分析

从200根成品管中随机抽出20根进行检测，外径公差在0.3mm以内，壁厚公差在0.2mm以内，螺距公差小于±0.1mm，头尾锯切量分别为5mm。通过对锚杆产品进行力学性能测试，其产品达到了国家标准规定的抗拉强度和延伸率，不用进行后续的热处理即可满足使用要求。成品锚杆如图4所示。

图4 成品锚杆

3 结论

通过对螺纹管轧制工艺的分析和工业试验研究，证明这种工艺是先进的、可行的。开式机架换辊方便，由于PLC的介入，其压下量、送进角及相位角都可实现在线自动调整，大大降低了工人的劳动强度，且精度较高。轧制螺纹管使用的是穿孔机穿出的荒管，不用二次加热，可降低能耗，节约成本。轧制出的螺纹管精度较高，且晶粒得到细化，产品的机械强度大大增强。

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