D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1981.02.008 北京钢铁学院学报 1981年第2期 单主动导盘二辊斜轧穿孔机形成孔腔的敏感性 压力加工教研室李连诗王檀 摘 要 本文提出了单主动导盘二辊斜轧穿孔机，这种穿孔机有许多优点，主要是轧机 结构简化，调正灵活、穿孔速度效率高、轧制过程稳定、不易形成孔腔以及可实现 大倾角下轧制等。 本文仅对不易形成孔腔的倾向做一理论分析。 一、前 言 我们知道在带上下导板二辊斜轧穿孔机上穿孔实心园管坯时常易出现管坯中心破裂现象 (即出现孔腔)，穿出毛管的内表面则会产生内折缺陷。为了防止产生孔腔，国内外研究者 对孔腔形成机理进行了广泛地研究，主要是研究了斜轧园管坯的应力状态和变形状态，但对 于在单主动导盘二辊斜轧穿孔机上穿孔园管坯时，其中心不易形成孔腔的机理，未见有详细 的理论分析。本文着重对这一重要问题进行理论分析，以便发展单主动导盘二辊斜轧穿孔 凯。 二、单主动导盘斜轧穿孔机上穿孔管坯时金属宏观变形 我们在中40二辊斜轧穿孔机上进行了带单主动导盘和带上下导板的穿孔对比试验。 图1示出了在这两种型式穿孔机中轧件在变形区中几何尺寸变化规律，由图中可看出， 轧件的最小外径Dmin受辊间距控制。在导盘一导板方向上最大外径D。ax,虽然间距调正相 同，但Dmax对两种形式穿孔机确有较大的不同，在轧辊压缩带前后最为显著（即在导盘接 触区中)，可以得出，导盘限制轧件横向变形比导板要大得多，而且导盘对轧件还会产生主 动压缩变形，从而导盘穿孔时轧件在变形区中的椭园度要小得多。 另外观察单主动导盘穿孔轧卡试样（图2）可发现在变形区中轧件有明显的不对称性。 导盘作用区和下导板作用区分别有明显的凹陷和凸起特征。 本文1981年2月19日收到。 此项科研成果，1980年12月25日经冶金部组织的鉴定会通过。 71
北 京 锅 铁 学 院 学 报 年 第 期 单主动导盘二辊斜轧穿孔机形成孔腔的敏感性 压 力加 工 教研 室 李连 诗 王 植 摘 ， 要 本 文 提 出 了单主 动导 盘二 辊料 轧穿 孔 机 ， 这 种穿 孔 机有 许 多优 点 ， 主 要 是 轧机 结构 简化 ， 调 正 灵 活 、 穿 孔速度效率 高 、 乳制过 程 稳 定 、 不 易形 成 孔腔 以 及 可 实 现 大 倾 角下 轧制 等 。 本 文仅对 不 易形 成孔 腔 的倾 向做一 理论分 析 。 谬 一 、 前 、 口 我们知道 在 带上下 导板二 辊斜 轧穿孔机上穿 孔实心 园管坯 时常易出现管坯 中心 破裂现象 即 出现 孔 腔 ， 穿 出 毛管 的 内表 面 则会产生内折缺 陷 。 为 了防止 产生 孔腔 ， 国 内外研究者 对 孔 腔形 成机理进 行 了广泛 地研究 ， 主 要是研 究 了斜 轧 园管坯 的应 力状态 和 变形 状态 ， 但对 于 在 单主 动 导盘 二辊斜轧穿 孔机 上穿 孔 园管 坯时 ， 其 中心不 易形 成 孔 腔 的机 理 ， 未见 有详细 的 理论分 析 。 本文 着重对这一 重要 问 题进行 理论分析 ， 以 便发展 单主 动导盘 二 辊 斜轧穿孔 讥 。 二 、 单 主 动导盘斜轧 穿孔机 上 穿孔管坯 时金 属宏 观 变 形 我们 在 中 二辊 斜轧穿 孔机 上进 行 了带单主 动导盘 和带 上下 导板的穿孔 对 比试 验 。 图 示 出 了在这 两种型 式穿孔机 中轧件在 变形区 中几 何尺 寸变化规 律 ， 由图 中可看 出 ， 轧件的最 小外径 、。 受辊间距控 制 。 在导盘一导 板方 向上最 大外径 。 、 ， 虽然 间距调 正相 同 ， 但 ， 对 两种形 式穿孔 机确有较大的不 同 ， 在轧辊压缩带前后 最 为显著 即在导盘接 触区 中 ， 可 以得 出 ， 导 盘 限 制轧件 横向变形 比导板要 大得 多 ， 而且导 盘 对轧件 还 会产生主 动压缩变形 ， 从而 导盘穿孔 时 轧件在 变形 区 中的椭园 度要 小得 多 。 另外观察单主动 导盘穿孔轧卡试 样 图 可发 现在 变形 区 中轧件有明显 的不 对 称性 。 导盘作用 区和下 导板 作用 区 分 别有明显 的 凹 陷和 凸起特 征 。 本文年月日 收到 。 此项 科 研成 果 ， 年 月日 经 冶金 部组 织 的鉴 定会通过 。 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．１９８１．０２．００８
Dmax 40 39 38 3 。小24顶头 ·中26顶头 幕巾28顶头 单导盘穿孔机 门min 导板穿孔机 1.2 1.15 1.1 1.05 1.0 =60-50 -40 -30-20-10 0102030405060 70 进口 压馏带 沿变形区长度毫米 图1乳件直径和椭园度在变形区中变化 单导盘作用区 轧辊作用区 导板作用区 图2在变形区中变形的不对称性 分别对导盘作用区和下导板作用区轧件椭园度进行测量得出，在顶头前导盘作用区中轧 件椭园度是很小的，接近于1，如图3所示。 由此进一步证明了，导盘对轧件具有较大的径向压缩作用。 72
六 、 、 、 一 今二 乙乙 夕之冬 、 墩次兴椒 歌 ，、 ，了 二 ‘减 络 刁 ‘、 户食 厂 。 小洲 顶头 中 顶头 ， 币哭 顶头 、卜 了 — 单导盘穿孔机 一 一导板穿孔机 ’ 洲们 淤司川引月 一 口 一 ‘ 一 气 ， ， 了， 一戈 曰沪尸 、、， ‘ 、 ‘ 招侧州撼国婿 ‘ ’ 。 幻寸门班一匕二二全二‘ 一 缪多艺 、、 、 ‘ ，、 一 一 进 口 图 一 压缩带 沿变形区长度 毫米 乳 件 直 径 和 椭 园度 在 变形 区 中变化 单导盘作用区 尹产 洲砂 甲日卜从曰陌洲日日饰 日日目片与国日喇 目目口曰曰厂 图 在 变形 区 中变形 的不对 称性 分 别对 导盘 作用 区 和 下 导板 作用 区 轧件椭 园 度 进 行 测量得 出 ， 在顶 头前导盘 作用 区 中轧 件椭 园度 是 很小 的 ， 接 近 于 ， 如 图 所 示 。 由此 进一 步 证 明 了 ， 导盘 对 轧 件具有较大的 径 向压 缩 作用
◆28顶头 1.2 B=12° 导板作用区一 新圆度平均值。一 1,1 导查作用区 1,0 -m日50-40-30-20-10压角带1020304050 60 进口 出口 图3在导盘作用区、导板作用区轧件椭园度分布 ,三、导盘对轧件作用力分析 单导盘穿孔机以主动旋转的导盘取代了固定不动的上导板，而且导盘的园周速度大于轧 件轴向前进速度，因而导盘对轧件作用有一个曳入摩擦力T',而导板给予轧件的则是摩擦阻 力T。将导盘对轧件的合力Pg分解到轧件的 轴向和径向，也可看出，导盘对轧件不仅产生 一个积极的轴向曳入力，而且对轧件将产生一 个较大的径向压缩变形力。轴向曳入力将导致 提高轴向滑移系数，到0.985，减少了实心管 坯的压缩次数，从而减小了拉应力积累。径向 压力将导致金属纵向延伸变形增加，改变坯料 中心的应力状态（图4）。 图4导盘和导板对轧件作用力 由以上三节分析，我们可以得出：在带导 盘穿孔机上穿孔实心园管坯时不易产生孔腔的原因可归纳为以下几点： 1.导盘对管坯径向压缩，减小了导盘方向上横向拉应力，甚至在椭园度很小情况下变 拉应力为压应力。 2.由于导盘的作用，减小了变形区中轧件椭园度，从而也可减小横向拉应力，同时由 于变形渗透性（由管坯表面到管坯中心）增加，减小了管坯横剖面各层的不均匀变形，最终 也导致横向拉应力减小。 3.由于导盘曳入力作用，减小了轴向滑移，这样就减小了顶头前实心管坏的反复压缩 1次数。 四、沿轧件径向的不均匀变形及应力分布 为了验证以上分析的正确性，我们制做了特殊的同心环试样（图5），并将试样轧卡和 沿纵向等距离剖开，其横剖面图如图6所示。 73
口几山 ‘ 妞、八六 ‘妞们怕自 橱吸挥 导板作用区 二厂 ‘ 捅画度平均值 ‘ 声尸 、丫丫 一 声‘、 、，产 尹 导盘作用区 口 出 全二确 一 一 ‘ 一 一 进口 一 卜活“ 一 ‘” 压如带 ‘“ “ ‘。 图 在 导 盘作用 区 、 导 板作 用 区 轧件椭 园度 分 布 三 、 导盘对 轧件作 用 力分 析 单导盘 穿孔 机 以 主 动旋 转的导盘取 代 了固定不 动的 上 导板 ， 而且 导盘 的 园周 速度大 于轧 件轴 向前进速度 ， 因而 导盘 对 轧件 作用 有一 个曳入 摩 擦 力‘， 而 导 板 给予 轧件 的 则是摩 擦阻 ’ 力，’ 。 将导盘 对 轧件 的 合力 ‘ 分解到轧件 的 轴 向和径 向 ， 也可 看 出 ， 导盘 对轧件不仅产生 一个积极 的轴 向 曳入 力 ， 而且 对 轧件将 产生一 个较大 的径 向压 缩 变形 力 。 轴 向 曳入 力将 导致 提 高轴 向滑移 系数 ， 到 ， 减少了实心管 坯 的压缩次数 ， 从 而减小 了拉应力积 累 。 径 向 压力将导致 金属 纵 向延 伸 变形增 加 ， 改 变坯料 中心 的应力状 态 图 。 由以 上三 节分析 ， 我们 可 以得 出 在 带导 图 导 盘 和导板对 轧件作 用 力 盘 穿孔机 上穿 孔 实心 园管坯 时不 易产生孔 腔的原 因可 归 纳 为以 下几 点 导盘 对管 坯径 向压 缩 ， 减小 了导 盘方 向上横 向拉 应 力 ， 甚 至 在椭 园度很 小 情 况下 变 拉应 力为压 应 力 。 由于 导盘 的作用 ， 减小 了变形 区 中轧件椭 园度 ， 从而也可 减小 横向 拉应 力 ， 同时 由 于 变形 渗透 性 由管坯 表面 到管坯 中心 增 加 ， 减小 了管坯横剖 面 各层 的不 均匀 变形 ， 最终 也导致横 向拉应 力减小 。 次数 。 由于 导盘 曳入 力作用 ， 减 小 了轴 向滑移 ， 这 样 就减小 了顶 头前 实心 管坏 的反 复压缩 四 、 沿 轧 件径 向的 不 均匀变 形 及 应 力分 布 为了验证 以 上 分析 的正 确性 ， 我们 制做 了特 殊 的同心 环试 样 图 ， 并将试 样轧卡和 沿纵 向等距 离剖开 ， 其横 剖面 图如 图 所 示
100 200 图5同心环试样 图6同心环试样的卡样剖面 由剖面试样测量和研究可以得出，沿轧件径向的不均匀变形及应力分布。 同心环试样轧制后，由于不 1 234667 均匀变形结果，各环之间在导盘 断面 一导板方向上将会产生间隙，间 隙值大小可以间接表示拉应力值 大小。图7为沿导盘一导板方向 各层间隙的变化。由图中可看警 外层 出，各层间出现的间隙值沿变形 品 区长度上分布是很不均匀的。在 试件未和导盘接触前，层间间隙 增加得很显著，和导盘接触后由 63 54 45 36 27 18 于导盘径向压缩作用，间隙值显 正缩带 著下降，到顶头前降至为零，由 图7导盘方向上环间间隙变化 此可看出，导盘抑制拉应力作用。 各同心环相对变形量如图8所示。 50 6 0 41 30 -2e 19 10 外层 二层 三层 四层 中心 图8各同心环的相对变形量 74
艺派滋 雀鬓黔 】毕份月奋释气，产 口 ， ， 声 ， 洲 尸 了 矛一， ， ， 洲 ， 矛 夕 」 、 ，，丁 、 ，「， 飞 、」伟了气 、 ，，‘ 、 ， ，‘ 、 石尸 矛 〕尸 ， 了， 子尸，一〕尸尸代尹 阳钾悦份冲杖资狡受叫 」 合 创 尸 产 洲， 沪 ， ， ， 矛 ， ，甲 二 任 ‘ 、 、 、 、 、 “ 一 、 、 “ 、 、 ‘ 、 、 「下 一 下 一 尹 门一护 ，尸 ，代产刀 压 ，，‘一《 、《一百 ，盯气互下气产盯、 下气尸下 图 同心 环 试 样 图 同心 环 试 样 的卡样 剖面 由剖面试 样测量 和研 究可 以得 出 ， 沿 轧件 径 向的不 均匀变形 及应力分布 。 断面 三 礴 的 场 同心 环试 样轧 制后 ， 由于不 均匀变形 结果 ， 各环之 间在导盘 一导板方 向上将会产生 间隙 ， 间 隙值 大小可 以 间接表示 拉应 力值 大小 。 图 为沿导盘一导板 方 向 昙 各层 间隙 的 变化 。 由图 中 可 看 诬 出 ， 各层 间出现 的 间隙值 沿 变形 僵 区 长度上分布是 很不均 匀的 。 在 摄 试件未和 导盘 接触 前 ， 层 间间隙 呻 增 加得 很显著 ， 和 导盘接触 后 由 于 导盘 径 向压缩作用 ， 间 隙值显 著下降 ， 到顶 头前降至 为零 ， 由 此 可看 出 ， 导盘 抑 制 拉应力作用 。 图 压缩带 导 盘方 向上 环 间 间 隙变化 各同心 环相 对变形量 如 图 所 示 。 挤入 一“ 魂 似 爹乳 ，呱呱 」产、入 一溉 眼 嫩 ’加 ， 耀黔斗 决川积如哗次 外层 二层 三 层 四 层 中心 图 各 同心 环 的相对 变形 量
由图中可看出，表面层和次中心层有较大的相对变形量，过渡层相对变形量较小，沿轧 件径向相对变形量呈双W形分布，而带上下导板穿孔机一般呈单W形分布【1.1，从而导盘 穿孔机变形渗透性高，不均匀变形相对要小些。 图中1￥→6羊表示变形区中的不同截面而。由此可看 轧粮作用，导板作用 出，表面层、次中心层以及中心层随着管坯进入变形区 方向应力 方向应力 程度增加，其变形量增加较显著。 图9为各同心环的椭园度变化曲线，由图中可看 出，轧件未和导盘接触前各同心环的椭园度是随着直径 压下量增加而增大，到和导盘接触后其椭园度随着压：下 量增加而减小，这和测量的轧件宏观椭园度变化规律是 一致的。 根据以上试验数据，利用列维一密塞斯的塑性应力 应变关系理论，我们可以模拟出沿轧件径向应力分布， 如图10所示。 120366”7 导盘 1.3 1.2 三层 1.1 二层 四层 表面层 -63-54-45-36-27-18-9 0 压缩带 图9各同心环沿变形区长度上椭园度变化 图10沿轧件横截上应力分布 I一轧辊作用应力，I-项头作用应 力，I-不均匀变形产生的内应力！ V-导盘作用应力，V一导盘穿孔综 合作用应力M一导板穿孔综合应力 五、金相组织观察及工艺数据统计 为了对管坯在两种形式穿孔机上形成孔腔的敏感性进行对比，分别取样进行金相组织观 察，顶头前压下量为12.5%，其它调整参数完全相同。 75
由图 中可 看 出 ， 表 面 层和 次 中心 层有较大的相 对变形量 ， 过渡 层相 对变形量 较小 ， 沿轧 件径 向相对 变形量 呈 双形 分布 ， 而带 上下 导 板穿孔 机一般呈单形 分布 ‘ ， 从而导盘 穿 孔机变形渗透 性 高 ， 不 均匀 变形相 对要小些 。 图 中 沪， 声表 示 变形 区 中的不 同截 而 。 由此 可 着 出 ， 表 面 层 、 次中心 层 以 及 中心 层 随 着管坯 进 入 变形 区 程 度增 加 ， 其 变形 量增 加较 显著 。 图 为各同心 环 的椭园度 变化曲 线 ， 由图 中 可看 出 ， 轧件 未 和 导盘 接触 前 各同心 环 的椭 园度是 随 着直径 压下 量 增加 而增 大 ， 到 和 导盘接触 后 其椭 园度随 着 压下 量 增 加 而减小 ， 这 和 测量 的 轧件 宏观椭 园度 变 化规 律 是 一 致 的 。 根 据 以 上试 验 数据 ， 利 用 列维一密塞 斯的塑 性 应 力 应 变关系理论 ， 我们 可 以模 拟 出 沿轧件径 向应 力分布 ， 如 图 所 示 。 轧辊 作用 方向应刀 导板 作用 方向应力 画赫磐涵曰 ④昏华⑧暑澎 侧拐 一 又花扛 、、 ‘ 、、、 …… “ 、、 ， 、七粉一之 尸尸 洲 兰层 因 ‘叫 一 一 一月 一 国 一 压缩 带 图 各 同心 环 沿 变形 区 长 度上 椭 园度 变化 图 沿 轧件 横 截上 应 力分 布 一 轧辊作 用应 力， 一 顶 头作 用应 加 一 不 均 匀 变形产 生 的 内应 力 ， 一 导 盘作用 应 力， 一 导 盘穿孔 综 合 作 用 应 力班一 导板 穿孔 综合 应 力 五 、 金 相组 织 观 察 及 工 艺数 据统 计 为了对管 坯 在 两种 形 式穿孔机 上形 成孔 腔的敏 感性进 行 对 比 ， 分 别取 样进行 金 相组 织观 察 ， 顶 头前压下 量 为 ， 其它调 整 参数完 全相 同
1,低倍组织 将轧卡试样沿长度方向剖开，然后进行热 酸浸，浸蚀后的试样如图11所示。1号试样为 单导盘穿孔机试样，3号为带导板穿孔机试 样，在70~90倍显微镜下和肉眼下观察，发现 带导板穿孔机卡样剖面上，于顶头鼻部前2 ~5毫米处已有大量的裂纹产生，其它部位 疏松状态也较严重。导盘穿孔机卡样仅有一些 很轻微的中心疏松出现，低倍观察未发现裂纹 出现。 2.高倍组织 两种穿孔方式中轧件各层显微组织，如金 图11纵向剖面的低倍组织 相照片图12所示。由金相照片可看出，导盘穿孔 方式金属表面层、过渡层、次中心层粒度比带上下导板穿孔方式要小得多，其中过渡层晶粒度 也有较明显地拉长，这充分说明，由于导盘参于压缩变形，导致变形渗透性提高，不均匀变形减 小，因此未发现管坯中心区有微裂纹存在。在带导板穿孔轧件中心区则发现有大量裂纹存在。 a (b) (c) (d)
(e) (f) 图1？各层金属显微组织（放大200倍） 一导盘穿孔轧件表面层，b一导盘穿孔轧件过渡层，c-导盘穿孔轧件中心区： d-导板穿孔轧件表面层，e一导板穿孔轧件过渡层，-导板穿孔轧件中心区。 3.工艺数据统计 我们在单主动导盘二辊斜轧穿孔机上进行了各种工艺参数、不同钢种的穿孔试验，其变 化范围如下表所示。 工艺参数 表示符号 单位 数据变化范围 毛管外坏 D。 毫米 中36~42 毛管壁厚 S 3.6～7.9 外径和壁厚比 De/S。 5.511.6 顶头前压下绿 8。 % 7.38~16.13 压缩带处压下量 6 % 1018.75 轧辊倾角 B 度 10、12、15 轧制温度 T ℃ 1150~1300 调正椭园度 1.011.21 钢 种 15,10Cr 1Cr18NigTi 试验共进行了20炉，计180多根管坯。工艺试验证明，在：各种丁艺参数下均能进行颠利 地穿孔，并且通过目视检查和抽样纵向剖开检查，在毛管内表面上均未发现有内折缺陷产 生。 六、结 论 1.主动旋转导盘对轧件生的径向缩变形，起着你制减弱横向拉应力作用，从而 改善了管坯中心区的应力状态，提高了金属的穿孔性能， 77
图 各层 金属 显微 组 织 放 大倍 一 导盘 穿孔 礼件表面 层 卜一 导 盘穿 孔 轧件过 渡层 。一 导盘 穿孔 轧件 中心 区 一 导 板 穿孔 轧件表面层 一 导板穿孔 轧件过 渡层 一 导板 穿孔 轧件 中心 区 。 工艺 数据 统 计 我们 在单主 动 导盘 二 辊 斜轧穿 孔机 上进行 了 各种工 艺 参数 、 不 同钢种的穿孔试 验 ， 其 变 化范围如下表所 示 。 工 艺 参 数 表示符 号 单 位 数据 变化范 围 度℃ 毛管外坯 毛管壁厚 外径 和 壁厚 比 顶头前压下量 压 缩带处压下量 轧辊倾角 轧制温度 调 正椭 园度 。 。 。 。 齐。 卜 日 ’ 七 毫 米 中 、 、 竺 钢 种 ， ‘ ’ 试 验 共进行 了炉 ， 计 多根管 坏 。 工 艺试 验 证 明 ， 在 各种 工 艺 参数下均 能进 行顺利 地穿孔 ， 并月 通 过 目视 检 杏 和 抽 样纵 向剖开检查 ， 在 毛竹 内表而 土均 未发 现 ‘ 有 内折 缺 陷产 生 。 六 、 结 论 主动旋 转 导傲对轧件 ““ 生 的径 向压 缩 变形 ， 起 着 抑 制 和 减弱 横 向拉 应 力作用 ， 从而 改善了管坯中心 区 的应 力状 态 ， 提 高 了金 属 的穿孔 性能
2,由于主动旋转导盘作用，管坯横截面上变形渗透性增加了，不均匀变形减小了，从 而导致横向拉应力减小，沿径向（轧辊作用方向）变形和应力分布呈双W形： 3.单主动导盘穿孔机与带导板穿孔机相比，大大降低了管坏中心形成孔腔的敏惑性， 不易产生内折缺陷。因此，这种穿孔机可穿孔合金钢管坏以及连铸坯，同时可降低对管坏质 量的要求。 参考文献 〔1)斜轧穿孔过程中金属在穿孔段的变形和断裂机构北京钢铁学院研究生论文 1962年芦于速王先进 〔2〕横锻及横轧若干问题的研究长春光仪所研究生论文1962年黎俊结张作梅 78
由于主动旋 转导盘作用 ， 管坯横截面上变形渗透性增加 了 ， 不均匀变形减小了 ， 从 而导致横向拉应力减小 ， 沿径 向 轧辊作用方 向 变形和 应力分布呈双形， 单主动导盘穿孔机与带导板穿孔机相 比 ， 大大降低 了管坯 中心形 成孔腔的敏 感性 ， 不 易产生 内折缺 陷 。 因此 ， 这 种穿孔机可穿孔 合金 钢管 坏 以 及连铸坯 ， 同时可降低对管坯质 量 的要求 。 参 考 文 献 〕 〔 〕 斜轧穿孔过程中金属在穿孔段 的变形和断裂机构 北京钢铁学院研究生论文 年 芦 于逮 王 先进 横锻及横轧若干 问题的研究 长春无仪所研究生 论文 年 黎俊结 张作梅
