不銹鋼焊管立輥群孔型的改進(jìn)設(shè)計(jì)

張君彩，陳青果，崔海亭

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

不銹鋼焊管屬于閉口冷彎型材，通過多架軋輥組冷軋而成，具有耐腐蝕、表面光潔等特點(diǎn)，廣泛用于食品機(jī)械、醫(yī)療器械、家居建材等行業(yè)。不銹鋼板材壁厚較薄、成型時(shí)回彈量大，焊接余量小，對(duì)板材的邊緣延伸敏感，邊緣延伸形成的邊緣波浪形狀在焊接時(shí)容易造成焊縫的漏焊或過燒，影響成材率。通過對(duì)成型技術(shù)分析，筆者就影響板材成型的立輥群處軋輥孔型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證焊縫質(zhì)量［1－4］。

1 成型方法及存在的問題

冷彎成型過程屬于常溫下彈塑性大變形，成型機(jī)由若干個(gè)機(jī)架組成。不銹鋼直縫焊管機(jī)組主要由成型區(qū)、焊接區(qū)、定徑區(qū)及其他輔助區(qū)組成，決定焊管質(zhì)量的主要區(qū)域是成型區(qū)，此區(qū)域的軋輥孔型是機(jī)組核心技術(shù)。在成型區(qū)，機(jī)架一般分為水平輥架和立輥架，其工藝流程如圖1所示。立輥群處立輥主要起輔助變形或克服回彈的作用，設(shè)置立輥群的目的在于有效吸收板材邊緣延伸，避免邊緣波浪變形對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow chart of technology

目前焊管軋輥孔型設(shè)計(jì)方法較多，有帶鋼中心彎曲法、圓周彎曲法和邊緣彎曲法。不銹鋼管為薄壁直縫焊管，薄壁管成型的主要問題是要防止邊緣延伸。而帶鋼邊緣彎曲法具有帶鋼邊緣升起高度小、邊緣延伸較小的特點(diǎn)，是中國現(xiàn)有不銹鋼焊管生產(chǎn)線成型區(qū)軋輥孔型設(shè)計(jì)的重要方法。

基于不銹鋼材質(zhì)的特點(diǎn)，邊緣彎曲法孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)在理論上是可行的，然而帶鋼沿帶寬方向上中部與邊緣拉伸量不同形成邊緣波浪缺陷，影響焊接質(zhì)量。通過調(diào)整立輥中心距，在克服帶鋼回彈的同時(shí)也能夠吸收邊緣過量的變形。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，立輥中心距小，則吸收邊緣過量變形的效果就好，但立輥孔型下邊緣處因不能保證圓弧與直線的相切關(guān)系，使帶鋼應(yīng)有的直線段出現(xiàn)弧線，造成管坯表面劃痕出現(xiàn)。焊管在后續(xù)的表面拋光中因拋光量有限而難以消除劃痕，不能滿足焊管表面質(zhì)量要求。為避免劃傷，技術(shù)人員通常對(duì)立輥群處軋輥孔型的下邊緣修形，加大立輥孔型下邊緣的圓角半徑，先試探地給出一修形量，修形后再調(diào)試，若管坯表面質(zhì)量達(dá)到要求即可，否則再次確定修形量，直到管坯表面質(zhì)量合格為止。軋輥的反復(fù)修形，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又影響機(jī)組的調(diào)試進(jìn)度，降低成材率。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試狀態(tài)說明立輥群現(xiàn)有孔型結(jié)構(gòu)的不足，需要設(shè)計(jì)出符合成型要求的新孔型結(jié)構(gòu)［5－10］。

2 立輥群軋輥孔型的設(shè)計(jì)

2.1 邊緣成型法立輥群處立輥孔型

帶鋼邊緣彎曲法或稱邊緣變形法，即從帶鋼的邊緣部分開始彎曲成型，彎曲半徑R恒定，然后逐漸增大彎曲角，直到形成管坯。邊緣彎曲孔型設(shè)計(jì)方法中，立輥群孔型圖如圖2所示。

圖2 立輥群孔型圖Fig.2 Design chart of pass in vertical roller

立輥群軋輥孔型參數(shù)計(jì)算表達(dá)式為

式中：bi為成型區(qū)孔型直線段寬度；βi為成型區(qū)孔型邊緣彎曲角；Ni為成型區(qū)所計(jì)算變形機(jī)架的序號(hào)與閉口區(qū)第1 架序號(hào)數(shù)之比；i為成型區(qū)所計(jì)算變形機(jī)架的序號(hào)；B為帶鋼的下料寬度；t為帶鋼的厚度；φ為第1架成型平輥的邊緣成型角。

2.2 改進(jìn)后立輥群處立輥孔型

機(jī)組中立輥群的作用是在完成帶鋼變形要求的前提下，既能克服帶鋼回彈又能夠吸收邊緣的過量變形。為了便于立輥中心距的調(diào)整，并且避免劃傷缺陷的出現(xiàn)，根據(jù)修形過程中軋輥孔型結(jié)構(gòu)的變化，通過與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員分析、歸納、量化，將原單半徑彎曲的孔型結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙半徑彎曲的孔型結(jié)構(gòu)，將帶鋼中部孔型原有的直線部分用圓弧代替，建立符合實(shí)際變形要求的新孔型結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后立輥群孔型如圖3所示。此結(jié)構(gòu)既能滿足軋輥中心距調(diào)整的要求，也避免了對(duì)軋輥的現(xiàn)場(chǎng)修形，有效克服管坯表面劃傷缺陷，保證焊管表面質(zhì)量。

圖3 改進(jìn)后立輥群孔型圖Fig.3 Improved design chart of pass in vertical roller group

在圖3的孔型中，邊緣彎曲半徑R及變形角βi的確定同邊緣彎曲法的計(jì)算方法。要求孔型中部圓弧的弧長等于原直線段的長度，立輥群處各架次立輥孔型中部圓弧半徑rm逐漸減小，對(duì)應(yīng)的變形角為θm，直到滿足閉口孔型第1架平輥單半徑管坯參數(shù)要求，立輥孔型中部圓弧參數(shù)計(jì)算表達(dá)式為

式中：n為立輥群處立輥架的總架次數(shù)；m為立輥群處立輥架的架次序號(hào)；Rf1為成型區(qū)閉口孔型第1架平輥的孔型半徑。

綜上所述，在邊緣成型法的基礎(chǔ)上，完成立輥群處立輥孔型新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既保留了邊緣彎曲法的優(yōu)點(diǎn)，又克服了不銹鋼直縫焊管成型的缺陷，改進(jìn)后的新孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)可稱之為綜合邊緣成型法。

3 結(jié) 語

借助某公司生產(chǎn)的Φ76 不銹鋼直縫焊管機(jī)組平臺(tái)，為其設(shè)計(jì)了Φ31.8×1規(guī)格不銹鋼焊管的軋輥，圖4為軋輥結(jié)構(gòu)圖。該套軋輥調(diào)試順利，無需對(duì)軋輥修形，且成型穩(wěn)定。

通過對(duì)不銹鋼材質(zhì)性能分析，基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，本次設(shè)計(jì)從根本上改進(jìn)了原孔型設(shè)計(jì)方法的缺陷，重新設(shè)計(jì)立輥群處軋輥的孔型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步豐富了軋輥孔型設(shè)計(jì)方法。

圖4 軋輥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of the roller

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