CN107626766B - 一种异型无缝钢管的滚压制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异型无缝钢管的滚压制造方法，直接利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：原料→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库；先进行热滚压以获得常温下进行冷滚压的异型无缝钢管坯料，然后利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：原料→加热→热滚压→退火→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库。优点是：不受原料限制地实现了异形无缝钢管的制造。利用滚压工具、芯棒胎具进行热滚压与冷滚压结合或单独进行冷滚压的工艺方式，具有易于实施、成品率高的优点。同时，能够根据需要灵活组合安装，并可以控制安装的精度。

Description

一种异型无缝钢管的滚压制造方法

技术领域

本发明属于制造无缝钢管产品技术领域，尤其涉及一种异型无缝钢管的滚压制造方法。

背景技术

异形钢管是除了圆管以外的其他截面形状的钢管的总称。随着建筑业、制造业、航天航空、海洋工程、石油化工、电力、高速公路、高速铁路、矿山机械、工程机械等各行业的高速发展，异形钢管作为能满足不同受力情况的经济断面型材，越来越受到人们的关注。异形钢管更能适应使用条件的特殊性，节约金属和提高零部件制造的劳动生产率。异形钢管一般都有较大的惯性矩和截面模数，有较大的抗弯、抗扭能力，可以大幅减轻结构重量，节约钢材。异形钢管的断截面有各种类型：椭圆型、外方内圆型、六角型、方型、八角型、半圆型、不等边六角型、瓜子型等等，不一而足。

传统的制造异型无缝钢管的主要方法有冷拔、电焊、挤压、热轧等，其中冷拔法得到了比较广泛的应用：

传统的制造异型无缝钢管的主要方法之一是“冷拔法”生产工艺，其生产流程包括：管坯→加热→打头→退火→酸洗→润滑→冷拔→热处理→矫直→探伤→标记→入库。该方法的局限在于对原料(冷拔用的荒管坯)规格要求严格，一个冷拔摸只能适应范围较窄的异型无缝钢管产品的生产，在生产规格变化时，需要更换冷拔模，生产规格变化不灵活且更换生产规格所用时间长。

专利申请号：201210332169.8，公开了一种异型无缝钢管的制造方法，采用热挤压和冷拔工艺相接合的方式，该方法与冷拔工艺没有实质性差异，其关键之处是试图通过热挤压的变形量有变动富裕度来使得某一冷拔模能接受不同直径的管坯，但冷拔模接收的毛坯---荒管坯的生产工艺并没有改变。换言之，该专利是用热挤压工序生产线设备的投资来替代冷拔摸规格的数量繁多之不足——该方法的经济价值得商榷，更何况深长孔的钻、括孔设备投资额也不小。

上述专利中还公开了一个方案：采用辊式冷弯推挤钢管变形，将焊接管或无缝钢管加工成异型钢管的方法，该专利也给出了前期开发投入大，如调试过程中发现生产线设计不合理时需要再重新设计加工轧辊，会造成人力物力等资源的浪费，使生产成本增加的结论。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种不会在调试过程中发现缺陷时产生再重新设计加工轧辊问题的，经济，安全，低成本，工期短的异型无缝钢管的滚压制造方法，采用热滚压和冷滚压结合，或者单独采用冷滚压生产异型无缝钢管，实现表面的光整加工，能获得很高的表面粗糙度精度，同时提高钢管内外表面的表面硬度、耐磨性和抗疲劳强度，最终可以改善零件的表面质量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种异型无缝钢管的滚压制造方法，直接利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库；

先进行热滚压以获得常温下进行冷滚压的异型无缝钢管坯料，然后利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→加热→热滚压→退火→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库。

所述热滚压为：原料在加热到1160～1300℃时，在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型。

所述冷滚压为：在常温下利用金属的塑性变形，使得原料在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型。

所述的滚压工具包括滚轮，滚轮沿芯棒胎具轴向设置，滚压加工的进给量S＝0.035～0.1mm；滚压前后的原料尺寸公差按直径计算缩小10～15％；滚压加工速度控制在35～40m/min。

所述的滚轮沿芯棒胎具轴向设置1排～3排。

所述的滚轮为滚珠、圆柱形滚柱或圆锥形滚柱，所述的滚珠R＝3～5mm。

热滚压采用的芯棒胎具尺寸小于与冷滚压所采用的芯棒胎具尺寸。

所述芯棒胎具的壁形状与原料内孔的形状相匹配。

通过控制冷滚压无缝管内孔里采用的芯棒胎具的形状将冷滚压荒管与所述异型无缝钢管的断面面积之比控制在1.01～1.045。

所述原料为成品无缝钢管、无缝管半成品、无缝管坯料、焊接钢管或荒管坯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

优化工艺路线，不受原料限制地实现了异形无缝钢管的制造。利用滚压工具、芯棒胎具进行热滚压与冷滚压结合或单独进行冷滚压的工艺方式，具有易于实施、成品率高的优点。同时，能够根据需要灵活组合安装，并可以控制安装的精度。采用多种产品作为原料，大大降低了生产线的建设成本。如果通用的无缝钢管成品对某些形状特别的产品，不方便做为原料，滚压工艺本身也可以将钢板滚压后再焊接成无缝钢管做为原料，保证了滚压的连续性作业。

附图说明

图1是热滚压与冷滚压结合的工艺流程图。

图2是实施例一的异形无缝钢管的成品横截面图。

图3是实施例一的利用滚珠成形的异形无缝钢管截面示意图。

图4是实施例一的利用滚珠或滚轮成形的异形无缝钢管制造过程结构示意图。

图5是实施例一的异形无缝钢管用滚珠或滚轮成形时，滚珠或滚轮沿轴向按进给量依次排列的示意图。

图6是实施例一的芯棒胎具工作状态图。

图中：1-异型无缝钢管 2-滚轮 3-连接轴 4-支持架 5-轴 6-滑道 7-行程挡块8-扇形板 9-斜楔 10-液压缸 11-芯轴。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1-图6，一种异型无缝钢管的滚压制造方法，直接利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库；

先进行热滚压以获得常温下进行冷滚压的异型无缝钢管坯料，然后利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→加热→热滚压→退火→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库。

其中，原料为成品无缝钢管、无缝管半成品、无缝管坯料、焊接钢管或荒管坯。只有在截面形状特殊，非得要求专门提供符合所述形状特殊截面加工工艺要求的初始荒管坯时再采用非成品无缝钢管或焊接钢管，或者无缝钢管的半成品——荒管坯作为原料。

热滚压步骤为：原料在加热到1160～1300℃时，在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型。

退火处理是指将材料加热到高于Ac1和Ac3温度(具体温度视材料而定，其参数范围的标准是由原材料成分设计科研部门给出)，保温，后缓慢冷却，以获得稳定状态的组织，提高钢的塑性，以利于冷滚压加工。

探伤步骤是供冷滚压成型的荒管进行探伤处理，并且冷滚压成型步骤仅对探伤合格的供冷滚压成型的荒管进行冷滚压成型。设置探伤步骤能够提高产品合格率。

冷滚压前处理步骤包括：在探伤步骤之后并在冷滚压成型步骤之前对经退火处理之后的原料进行酸洗、打头、磷化、皂化、烘烤干燥。设置冷滚压前处理步骤能够减少芯棒胎具及滚压工具(滚轮2)的磨损和进一步提高产品合格率。

冷滚压步骤为：在常温下利用金属的塑性变形，使得原料在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型。

其中，热滚压采用的芯棒胎具尺寸小于与冷滚压所采用的芯棒胎具尺寸，该尺寸主要指芯棒胎具的外径。

滚压工具包括滚轮2，滚轮2沿芯棒胎具轴向设置，滚轮2直径越大，滚子接触工件表面积越大，塑性变形不充分；当滚轮2直径及圆弧半径(即滚珠半径)过小时，会给加工表面留压痕，实践表明：三个滚轮2工作的直径D＝11～14mm，滚珠R＝3～5mm，为最佳尺寸，滚压加工的进给量S＝0.035～0.1mm(生产中0.1～0.3mm/r，即滚轮2径向进给量)；滚压前后的原料尺寸公差按直径计算缩小10～15％；滚压加工速度控制在35～40m/min。滚轮2为滚珠、圆柱形滚柱或圆锥形滚柱，优选滚珠或滚轮2，用滚珠作为变形构件可降低整个滚压工具成本。而且滚珠的精度高，硬度高，与工件接触面小，用较小的滚压力，较小的过盈量可获得较高的压强，较小的粗糙度。而且滚珠的使用寿命长，不易磨损，价格便宜，易更换。滚轮2沿芯棒胎具轴向设置1排～3排，图3所示为3排。

芯棒胎具的壁形状与原料内孔的形状相匹配。通过控制冷滚压无缝管内孔里采用的芯棒胎具的形状，将冷滚压荒管与异型无缝钢管1的断面面积之比控制在1.01～1.045；若该比值过大，冷滚压过程中，异型无缝钢管1的形状不易控制，容易产生不均匀变形。

热处理为退火、正火、回火、淬火、调质、化学热处理或固溶处理中的至少一种。该热处理步骤是为了进一步能够满足不同产品的质量要求。

矫直步骤是采用弧型砧头矫直冷滚压成型后的异型无缝钢管1，在矫直过程中，采用弧型砧头矫直的目的是为了使冷滚压成型后的异型无缝钢管1的弯曲度和横截面符合技术要求。

除上述原料外，随着科学技术的日新月异的发展，原料来源还可以是由3D打印技术提供的原料。(2015年8月2日从中船重工第705研究所获悉：直接金属激光烧结成型技术是3D打印技术领域王冠上的明珠。该技术因为直接用激光熔融金属粉末沉积，结构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体。目前国际上主要利用该技术制造高受力构件及传统工艺无法加工的复杂构件、不规则构件的成型，它能达到同牌号金属最高强度的90％至95％，具有精度高、成型限制极少的特点，被广泛应用于高端精密零部件制造等领域)。

实施例一

以下结合一种三瓣型无缝钢管的具体施施例来对本发明作进一步的阐述，但本发明不限于此，其他异型无缝钢管1：如外方内圆、六角型、方型、八角型、半圆形、不等边六角形、瓜子形异型钢管等，只需要改变相应的热滚压模和冷滚压模的形状即可实现。

利用上述制造方法，生产图1所示的异型无缝钢管1，具体采用如下步骤来制造：

原料的来源除上述原料外，还可采用板形原料滚压后焊接成型的异型无缝管。

热滚压，采用的芯棒胎具给冷滚压留有余量，即将原料管坯加热至1200℃，然后内孔采用芯棒胎具，外部用滚珠或滚压轮来挤压原料管坯，以确定供冷滚压的原料外径，得到供冷滚压原料(滚轮2的在轴向方向上的数量也可以是1个，2个。。。5个等等，滚轮2的在同一轴向位置上沿圆周方向(径向)上的数量也可以是1个，2个。。。5个等等，滚轮2的形状可以是各种样式，该形状由产品的外形决定)；

各个滚轮2的压下形式可分为螺旋机械压下和液压压下，也可以电传动压下，电液混合传动压下等。机械压下成本较低，液压压下操作方便(由PLC控制)。传动方式为万向联轴节，调整范围可以较大，为便于滚压轮的更换，外侧机架与底板多为可翻转的铰链连接。

压下形式采用液压压下时，同一轴向位置上的圆周方向(径向)上布置的滚压轮，如果所述滚压轮沿径向均匀分布，其压下施力液压缸可将其液压油管路联接成一个整体的联接环，就可以实现沿径向均匀分布的滚压轮同时施压，自动对中；被加工的异型无缝管或管坯受力均匀，对中精度高。

见图4，滚压工具(热滚压、冷滚压均采用此种结构)包括支持架4、轴5、滑道6、行程挡块7、连接轴3、滚轮2，支持架4与轴5固定连接，支持架4与滑道6滑动连接，支持架4上设有连接轴3，滚轮2径向均布在连接轴3四周，连接轴3带动滚轮2绕连接轴3转动，连接轴3的位置由行程挡块7限定；支持架4在轴5的带动下沿滑道6向原料外壁推进。滑道6上、轴5的压下驱动活塞杆上均可根据需要设置导向键或导向滑块，也可于其上或其他合适的位置处设置位置可调的行程挡块7。

热滚压时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位保持固定不变(不允许周向串动、也不许轴向串动)，芯棒胎具是分层的，能进行径向收缩和涨出的(其涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则来设计的)，滚压工具在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合——进行滚压成型。

芯棒胎具对成品的影响较大，精度可按产品需求来确定，如果不用芯棒胎具就能生产出精度不高，但能满足用户的使用要求的产品时就可不用芯棒胎具；但如果用户关注的是产品精度，对成本高一些也可以接受的话，可采用3D打印技术提供外径小，分层多的芯棒胎具。

见图4、图6，芯棒胎具由内而外包括芯轴11、斜楔9、扇形板8三层结构，斜楔9、扇形板8沿径向为三瓣式结构(瓣的数量取决于欲加工的沟槽数量，与欲加工的沟槽数量相同)，斜楔9沿轴向外轮廓为锯齿状，扇形板8沿轴向内轮廓与斜楔9外轮廓相匹配，扇形板8的外弧形状与欲滚压加工的原料内孔孔壁形状相匹配；工作时，通过液压系统(液压缸10)带动斜楔9沿轴向运动，使斜楔9内径沿芯轴11运动，外径带动扇形板8进行收缩和涨出的径向运动，图6为涨径时的示意图。

热滚压还可以生产冷拔工艺生产十分困难(甚至无法生产)的螺旋形沟槽的异型无缝钢管1：滚压工具与芯棒胎具相对位置保持可靠的螺旋形运动的话，就能滚压出螺旋形沟槽，而这种相对位置保持可靠的螺旋形运动(螺旋运动的实现是成熟技术，在此不赘述)。

然后依次进行退火处理、辊式矫直、探伤处理，对探伤合格的供冷滚压荒管依次进行酸洗、打头、磷化、皂化、烘烤干燥等冷滚压前处理。

冷滚压前处理后进行冷滚压成型处理，是在常温下利用金属的塑性变形，使得处理后的原料在滚压工具的挤压下，芯棒胎具在原料内部进行径向收缩和涨出，滚压工具在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合——进行滚压成型。

滚压工具沿轴向方向上设置的滚轮2的数量设置为3排，滚珠直径D＝12mm，R＝4mm时，滚压进给量S＝0.065mm，滚压前后的尺寸公差按直径计算可缩小10～15％，滚压速度控制在37m/min。

冷滚压成型是一种节材、节能、高效的金属成型新工艺、新技术。在冷滚压成型过程中只有弯曲变形，除坯料弯曲角局部有轻微减薄外，变形材料的厚度在成型过程中保持不变。这种加工方法特别适合于外形纵长、批量较大的高精度产品的加工。可以滚制出许多壁薄、质轻、刚度大而且断面形状复杂的制件。

根据实际情况，热处理工序也可以不设。

冷滚压成型的工艺特点：

1)生产效率高，适合于大批量生产

2)加工产品的长度基本不受限制；

3)产品精度高，一致性好；

4)产品的表面质量好；

5)在滚压成型生产线上可以集成其它辅助加工工序、如在线冲孔、压印、焊接、铆接等；

6)与冲压工艺相比能够节约材料20％～30％左右；。

7)适用于高强钢的成型；

8)设备投入低，换模具后更换产品方便；

9)截面可以复杂到冲压无可替代。

滚珠的夹持技术有很多办法，比如将废旧轴承的支持架4拿过来稍加改制即可实现，因此该实施例仅作参考。

见图4，如果使用滚珠不能满足制造的需要，也可以采用滚轮2的方式，滚轮2的外圆是圆环形状的，滚轮2的整体形状是个圆盘形状的；滚轮2在连接上转动(轴承未图示)，连接轴3固定于支持架4上，支持架4通过轴5与液压缸联接，轴5在滑道6中滑动，行程挡块7位置可调。

见图5，滚轮2在所加工的异形无缝管轴向方向上，对热滚压来说，可以是多个道次(图5所示的是5个道次)，各个道次上的滚轮2，压下行程可以按工艺规程的规定进行分配，工艺参数的来源可以是已有的设计资料，也可以是根据现场实验和类比推断等等。滚轮2在所加工的异型无缝管轴向方向上，对冷滚压来说，以1个道次为佳，最多不宜多于3道，各个滚轮2的压下行程可以按工艺规程的规定进行分配，工艺参数的来源可以是已有的设计资料，也可以是根据现场实验和类比推断等等。

Claims (7)

1.一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，直接利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库；

先进行热滚压以获得常温下进行冷滚压的异型无缝钢管坯料，然后利用冷滚压实现异型无缝钢管的制造，具体包括以下工艺步骤：

原料→加热→热滚压→退火→辊式矫直→探伤→冷滚压前处理→冷滚压→热处理→矫直→标记→入库；

所述热滚压为：原料在加热到1160～1300℃时，在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位置保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型；

所述冷滚压为：在常温下利用金属的塑性变形，使得原料在滚压工具的挤压下，同时，原料内孔里设置芯棒胎具，滚压工具与芯棒胎具相对位置保持固定不变，即无径向窜动、无轴向窜动；芯棒胎具是分层结构，用以进行径向收缩和涨出，涨缩的径向行程以能确保滚压加工后，芯棒胎具缩径后能不刮伤成品异型无缝管内孔表面，顺利抽出为原则，滚压工具用于在原料外表面与内孔里的芯棒胎具配合进行滚压成型；

所述的芯棒胎具由内而外包括芯轴、斜楔、扇形板三层结构，斜楔、扇形板沿径向为三瓣以上式结构，斜楔沿轴向外轮廓为锯齿状，扇形板沿轴向内轮廓与斜楔外轮廓相匹配，扇形板的外弧形状与欲滚压加工的原料内孔孔壁形状相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，所述的滚压工具包括滚轮，滚轮沿芯棒胎具轴向设置，滚压加工的进给量S＝0.035～0.1mm；滚压前后的原料尺寸公差按直径计算缩小10～15％；滚压加工速度控制在35～40m/min。

3.根据权利要求2所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，所述的滚轮沿芯棒胎具轴向设置1排～3排。

4.根据权利要求2所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，所述的滚轮为滚珠、圆柱形滚柱或圆锥形滚柱，所述的滚珠R＝3～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，所述芯棒胎具的壁形状与原料内孔的形状相匹配。

6.根据权利要求1所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，通过控制冷滚压无缝管内孔里采用的芯棒胎具的形状将冷滚压荒管与所述异型无缝钢管的断面面积之比控制在1.01～1.045。

7.根据权利要求1所述的一种异型无缝钢管的滚压制造方法，其特征在于，所述原料为成品无缝钢管、无缝管半成品、无缝管坯料或焊接钢管。