1、燕山大學(xué)鋼管軋制工藝及設(shè)備討論報(bào)告書討論名稱：三輥穿孔機(jī)的改進(jìn) 分組姓名 郭乾勇 1 劉寧寧 0 劉江帥 0 劉傳義 4 朱福順 4 指導(dǎo)教師：劉豐完成日期：2013年10月25日 摘要 介紹了三輥穿孔機(jī)的性能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，此機(jī)型可有效降低建設(shè)成本和生產(chǎn)費(fèi)用。無論新建還是改造升級，都值得推薦，尤其是對于以穿孔 + 冷拔生產(chǎn)工藝為代表的小型無縫鋼管機(jī)組的改造或新建 CPE 生產(chǎn)線，具備有效地減少投資、降低能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件等重要意義。關(guān)鍵詞 三輥穿孔機(jī) 鋼管 鼓形輥 斜軋 CPE 前言自從第一臺三輥穿孔機(jī)于 1965 年投入工業(yè)生產(chǎn)以來，用三輥穿孔機(jī)

2、穿軋合金管坯就備受關(guān)注。后來由于兩錐形輥穿孔機(jī)的趨于成熟且廣泛應(yīng)用，三輥穿孔機(jī)相對發(fā)展緩慢。三輥穿孔除了具備兩輥穿孔同樣的效率高、生產(chǎn)靈活、可穿長坯的優(yōu)點(diǎn)外，其最大特點(diǎn)是變形區(qū)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。三向壓應(yīng)力不會產(chǎn)生中心破裂。在提高生產(chǎn)能力和改善毛管質(zhì)量方面，比兩輥穿孔具有更大潛力。三輥穿孔機(jī)穿出的毛管尺寸精度比兩輥高，可穿軋的合金鋼管的范圍比兩輥大，因此是一種值得推廣的很有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)型。針對目前國內(nèi)普遍存在的大量結(jié)構(gòu)陳舊、性能落后、能源浪費(fèi)嚴(yán)重、原材料消耗高、質(zhì)量難以保證、環(huán)境污染嚴(yán)重、勞動(dòng)條件差的小型無縫鋼管機(jī)組面臨淘汰，資料認(rèn)為114( 半) 限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組和 114CPE 機(jī)組

3、是改造我國小型無縫鋼管機(jī)組較為理想的機(jī)型對于 CPE 機(jī)組，建議采用鼓形穿孔機(jī)，特別推薦三輥穿孔機(jī)，因 CPE 延伸很大，鼓形穿孔機(jī)延伸較小毛管壁厚較大，縮口后毛管維持較高溫度，有利于頂管生產(chǎn)。三對于小型無縫鋼管企業(yè)來說，錐形穿孔機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，主電機(jī)容量也大，其價(jià)格比鼓形穿孔機(jī)高約 50%，且輥穿孔毛管壁厚精度略高于兩輥，并且 CPE 不要求薄壁毛管，選擇三輥穿孔機(jī)可顯著的減少投資。1 性能特點(diǎn)三輥穿孔機(jī)組由前臺、三輥穿孔機(jī)、主傳動(dòng)、后臺一段、后臺二段、電氣控制系統(tǒng)、流體系統(tǒng)( 包括液壓、潤滑、冷卻水等) 等組成。其中穿孔機(jī)主傳動(dòng)包括主電機(jī)、聯(lián)軸器、三出軸的減速機(jī)和萬向接軸等。三輥穿孔機(jī)

4、是三個(gè)軋輥呈“品”字形 120布置的斜軋機(jī)型，如圖 1、圖 2 所示。沒有導(dǎo)板或?qū)ПP，完全由三軋輥形成孔型，變形區(qū)的變形過程如同兩輥穿孔機(jī)。三輥穿孔機(jī)主要由機(jī)架、軋輥、軋輥架、壓下調(diào)整裝置、鎖緊裝置及轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)等部分組成。軋輥平衡彈簧和調(diào)整裝置聯(lián)合成整體，轉(zhuǎn)盤定位于機(jī)架入口側(cè)，其作用是通過調(diào)整其上的蝸輪蝸桿確定三個(gè)軋輥的送進(jìn)角; 機(jī)架由上機(jī)架和下機(jī)架組成，上軋輥裝于上機(jī)架中，兩個(gè)下軋輥裝于下機(jī)架中，上下機(jī)架由鎖緊立柱通過斜楔鎖緊。三輥穿孔機(jī)為開口式機(jī)架結(jié)構(gòu)，換輥、維護(hù)、檢修方便。早期機(jī)型為軋輥平衡采用純機(jī)械方式，壓下調(diào)整不太方便，平衡性及調(diào)整精度更多地由操作工熟練的經(jīng)驗(yàn)保證，故其自動(dòng)化程度有待提

5、高。在三輥穿孔機(jī)上斜軋實(shí)心管坯時(shí)金屬中心區(qū)的變形和應(yīng)力狀態(tài)與兩輥穿孔有著本質(zhì)的區(qū)別，管坯中心區(qū)域變形示意如圖 3 所示，由三個(gè)主動(dòng)軋輥和一個(gè)頂頭構(gòu)成“封閉的”環(huán)形孔型。在三輥穿軋實(shí)心管坯時(shí)，由于管坯始終受到三個(gè)方向的壓縮，加上橢圓度小，一般在管坯中心不會產(chǎn)生破裂( 即形成孔腔) ，或者說形成孔腔的傾向小，從而保證了毛管內(nèi)表面質(zhì)量。這種變形方式更適合穿孔高合金鋼種。 圖 3 管坯中心區(qū)域變形示意圖 1 軋輥; 2 頂頭; 3 管坯1 軋輥; 2 頂頭; 3 管坯實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)證明，在三輥穿孔機(jī)上穿孔時(shí)不產(chǎn)生中心破裂形成孔腔，因而用三輥穿孔機(jī)穿孔毛管可以獲得高的內(nèi)表面質(zhì)量，同時(shí)對管坯的內(nèi)部質(zhì)量也要

6、求不高。即使本身有中心疏松和縮孔的圓鑄坯，穿孔后也不形成內(nèi)折型式的缺陷，有資料認(rèn)為三輥穿孔是在沒有孔化疏松作用下實(shí)現(xiàn)的。2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)早先三輥穿孔機(jī)主要靠有經(jīng)驗(yàn)的操作工通過手動(dòng)調(diào)整，從而準(zhǔn)確度難以完全保證，基于測控自動(dòng)化和保證調(diào)整準(zhǔn)度與毛管精度考慮，做了以下改進(jìn):1) 加懸臂三輥定心，盡量靠近穿孔機(jī)，增加頂頭頂桿的剛性，有效防止偏心，圖 4 所示圖 4 懸臂三輥定心2) 激光校準(zhǔn)裝置對穿孔機(jī)進(jìn)行標(biāo)定( 配帶工裝) ，保證機(jī)組的同心度，高水平的工藝控制可確保毛管的幾何形狀與精確的同心度，滿足毛管壁厚精度要求。3) 關(guān)于標(biāo)定，在機(jī)架端面定 3 個(gè)點(diǎn)，固定工裝支架，激光發(fā)射器固定在支架上，調(diào)整工裝找正

7、，量筒和測量元件一起被夾緊在三輥定心的中心，對準(zhǔn)并標(biāo)定，同理將后續(xù)三輥定心、頂桿小車的位置依次標(biāo)定。4) 對原軋輥軸結(jié)構(gòu)修改細(xì)化，防止應(yīng)力集中。5) 穿孔機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，若空間允許，考慮兩臺小點(diǎn)的電機(jī)串聯(lián)，降低投資，考慮合適的減速比，滿足穿軋高合金鋼種的要求。6) 壓下裝置由彈簧平衡改為液壓平衡，使壓下螺絲螺母的螺紋間隙得到更有效的消除，孔型控制精度更高，如圖 5 所示。 圖 5 壓下裝置液壓平衡 7) 壓下輥位由編碼器檢測，從而實(shí)現(xiàn)精確定位，可以從操作臺數(shù)顯系統(tǒng)上和 PC 界面中看到顯示的數(shù)值，便于隨時(shí)監(jiān)控。8) 所有調(diào)整機(jī)構(gòu)都設(shè)有可靠的防塵、消隙裝置，保持清潔，消除間隙，充分保證

8、精度。如大銅套加密防塵，提高其使用壽命，也有利于換輥，尤其對于兩下輥。9) 電動(dòng)送進(jìn)角( 軋輥擺角) 的調(diào)節(jié)同樣由編碼器檢測實(shí)現(xiàn)精確定位，可以從操作臺數(shù)顯系統(tǒng)上和 PC 界面中看到顯示的數(shù)值，便于隨時(shí)調(diào)控。10) 考慮改進(jìn)送進(jìn)角轉(zhuǎn)盤的鎖緊，在轉(zhuǎn)盤上刻紋，并在壓塊上刻紋，刻紋寬度適當(dāng)考慮蝸桿的導(dǎo)程等，保證兩鎖緊裝置的相位，液壓鎖緊。11) 送進(jìn)角調(diào)節(jié)的鎖緊機(jī)構(gòu)改進(jìn)，采用球鉸方式或者其它方式解決振松的問題; 若軋輥架兩側(cè)帶小球鉸，則必須采用液壓缸消隙; 若軋輥架兩半大球鉸置于滑塊( 可在轉(zhuǎn)盤窗口里滑動(dòng)) 內(nèi)，則可考慮頂絲消隙后緊固。3 技術(shù)優(yōu)勢1) 三輥穿孔的管坯橫截面變形特點(diǎn)是圓三角形，這樣橫截

9、面橢圓度小，頂頭易對準(zhǔn)中心，故三輥穿孔毛管的壁厚尺寸精度高于兩輥穿孔機(jī)，在壓下精確調(diào)整和保證頂桿剛度的情況下尤為明顯。2) 在同樣壓下率的情況下，金屬同軋輥的接觸面積比兩輥穿孔機(jī)要大得多，也就是軸向拽入力比兩輥穿孔機(jī)大，更利于咬入。3) 相比兩輥的雙線螺旋，三輥穿孔形成三線螺旋送進(jìn)，同樣的送進(jìn)角和軋輥轉(zhuǎn)速的情況下，斜軋穿孔的時(shí)間較兩輥的縮短。4) 由于沒有導(dǎo)板的摩擦，減少了軸向滑移，軸向滑移系數(shù)可達(dá) 0 95 1 1; 提高了穿孔效率，由兩輥的最高效率 0 8 提高到 0 9 0 95，比兩輥斜軋穿孔高出 15% 20% 。5) 降低了單位能耗，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究資料，其能耗要比兩輥斜軋穿孔小 3

10、3% 40%。6) 改善了毛管內(nèi)外表面的質(zhì)量，由于無導(dǎo)板劃傷和中心撕裂的問題，因此毛管內(nèi)外表面的質(zhì)量比兩輥斜軋穿孔為好，保證了后續(xù)鋼管生產(chǎn)的質(zhì)量。7) 生產(chǎn)中調(diào)整靈活、方便，能夠適應(yīng)較寬的品種規(guī)格范圍，而且軋制精度高，鋼管內(nèi)外表面光潔，質(zhì)量高，壁厚均勻，形狀規(guī)整，一般外徑公差在 0 5 以下，壁厚公差在 0 3 0 5 之間。8) 毛管尺寸比較穩(wěn)定，各支毛管之間或同一毛管頭尾的外徑差比兩輥穿孔的小。9) 從 CPE 機(jī)組的特殊性可知，管坯經(jīng)穿孔獲得毛管的外徑和壁厚比較單一，且為中厚壁管，不會發(fā)生三輥穿孔機(jī)穿軋薄壁毛管時(shí)容易形成尾三角的問題。10) 由于穿軋毛管壁厚較厚、長度較短，頂頭的使用壽命

11、更長。11) 三輥穿孔機(jī)機(jī)型較兩錐形輥穿孔機(jī)簡單，控制也沒那么復(fù)雜，便于操控。12) 相應(yīng)地，同樣規(guī)格穿孔機(jī)的重量，由于結(jié)構(gòu)簡單，三輥穿孔機(jī)較兩輥輕便。13) 為保證檢測元件靈敏可靠，編碼器和接近開關(guān)等都選用進(jìn)口件; 從而保證高調(diào)控精度，自動(dòng)化程度高，作業(yè)率高，故障少。14) 為保證穿孔機(jī)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全可靠，重要的調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)有兩道甚至三道保險(xiǎn)，有接近開關(guān)、凸輪開關(guān)，還有電氣限位。15) 機(jī)組在機(jī)械、電氣、液壓各系統(tǒng)間均設(shè)有聯(lián)鎖與保護(hù); 機(jī)械設(shè)備上還設(shè)計(jì)有極限保護(hù)措施; 電氣設(shè)計(jì)有過載保護(hù)等。16) 安裝于 PC 中的操作系統(tǒng)與 PLC 相連，確保工藝控制可靠和毛管質(zhì)量優(yōu)良，物料跟蹤系統(tǒng)能儲存

12、來料的工藝數(shù)據(jù)和設(shè)定參數(shù)，各種產(chǎn)品規(guī)格的設(shè)定參數(shù)、工具數(shù)據(jù)、穿軋工序以及穿軋結(jié)果儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)用。4 總結(jié)綜上所述，由于三輥穿孔機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和變形特點(diǎn)，更有利于金屬塑性變形，所以大大減少了穿孔時(shí)引起的毛管內(nèi)外表面缺陷，更適于穿軋低塑性難變形材料; 三輥穿孔結(jié)構(gòu)和操作均相對簡單，擴(kuò)大了可穿鋼種的范圍，且更換毛管規(guī)格方便; 可以充分利用三輥穿孔機(jī)的優(yōu)勢，避開軋制薄壁毛管出現(xiàn)尾三角的缺點(diǎn)。特別地，三輥穿孔機(jī)是CPE 頂管機(jī)組的不錯(cuò)甚至更適合的一個(gè)選擇。不管是新建還是改造無縫生產(chǎn)線，三輥穿孔機(jī)型都能帶來巨大的成本效益和高質(zhì)量的產(chǎn)品。不僅可以減少表面缺陷，而且可以降低工具消耗和能耗，并有效地控制投資和生產(chǎn)成本。參考文獻(xiàn)1殷國茂主編 中國鋼管飛速發(fā)展的 10 年M 四川科學(xué)技術(shù)出版社，20092王三云 關(guān)于我國小型無縫鋼管機(jī)組改造的探討M 第二屆全國鋼管生產(chǎn)與裝備技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展論壇，2011( 6)3張才安編 無縫鋼管生產(chǎn)新技術(shù)M 重慶大學(xué)出版社，19864李長穆 現(xiàn)代鋼管生產(chǎn)M 冶金工業(yè)出版社，19825魏賢宇 102CPE 頂管機(jī)組的創(chuàng)新及效果J 鋼管，2008，Vol 37( 5