1、穿孔理論講座主責單位：主講人：講課內容一、 概述二、 穿孔設備三、 斜軋穿孔變形過 程四、 斜軋穿孔運動學五、 斜軋穿孔咬入條件六、 孔腔形成機理七、 斜軋穿孔時金屬的變形第3頁一、概述穿孔是熱軋管生產中最重要的成型工序，它的任務是將實心的坯料穿孔成空心坯（毛管）。按照穿孔機的結構和穿孔過程的變形特點，將現有的穿孔方法歸納如下：1.1 定義1.2 穿孔方法斜軋穿孔是靠金屬的塑性變形加工來形成內孔，因而沒有金屬的損耗。 各種斜軋穿孔機的形式不同是由于工具構成變形區的方式不同，如圖4-5所示，這些變化主要從產品質量、生產能力、工具消耗等幾個方面來考慮的。 斜軋穿孔機不論軋輥形狀如何，為了保證管坯咬

2、入和穿孔過程的實現，都由穿孔錐（軋輥入口錐）、輾軋錐（軋輥出口錐）和軋輥軋制帶（入口錐與出口錐之間的過度部分）三部分組成（如圖4-1）。目前桶形輥應用最廣泛。二輥式帶導盤穿孔機的特點是：1）生產率高，主動導盤對軋件產生軸向拉力，導致毛管軸向速度增加。2）由于主動導盤可以限制軋件在變形區中橢圓度，所以有利于改善毛管質量。一是坯料中心不易產生破裂，形成內折缺陷，二是毛管壁厚精度較高。3）導盤比導板有較高的耐磨性，從而減少煥工具時間，并提高工具壽命。帶導輥軋機一般用于穿軋軟而粘的有色金屬。二、斜軋穿孔設備2.1二輥斜軋穿孔機 德國曼乃斯曼兄弟于1883年發明，1886年用于工業生產又稱曼乃斯曼穿孔法

3、。（目前應用最廣泛） 布置方式：兩個主動軋輥相對軋制線傾斜放置、兩個導板（隨動導輥）固定不動、中間的隨動頂頭（軸向定位）環形封閉孔型進行軋制。圖42一般二輥斜軋穿孔機，軋輥左右放置、導板上下放置，稱為臥式穿孔機。而較新一代穿孔機采用立式布置（狄舍爾）。立式（新）：軋輥上下放置、導板換成主動導盤左右放置優點：a.解決大送進角穿孔機的主傳動布置b.萬向聯軸節在小傾斜角下運轉，工作平衡、磨損小c.導盤可采用主動，利于穿孔，且壽命長d.若采用導板，便于其快速更換。2.2 穿孔機設備布置及組成圖4-3為100穿孔機設備布置圖，它由以下四部分組成：2.2.1 主傳動 它將電機輸出動力傳送到軋輥上。它由主電

4、機主聯軸節、聯合齒輪座等組成（圖中3、4、5）2.2.2 穿孔機工作機座 由機座、上蓋、軋輥箱、軋輥傾角調整裝置、軋輥側壓進機構、上下導板座及上導板調整機構等組成。工作機座是使管坯產生塑性變形，并承受全部軋制力的主要設備。（圖中7、8、14、15） 軋輥傾角調整裝置，由轉鼓及轉鼓旋轉機構所組成。 轉鼓主要起調整軋輥軸線傾角的作用，一對軋輥安裝在兩個轉鼓中，軋輥箱需要在轉鼓的開口槽中側向移動（側壓進、改變軋輥間距）。有些軋機轉鼓除能旋轉軋輥傾角外，還能把軋輥箱轉動到垂直位置，然后從機架上部把軋輥拖出煥輥，這樣節省時間。2.2.3 穿孔機前臺 由受料槽、氣動推料器和扣瓦裝置等組成。用來輸送并正確的

5、將管坯喂入穿孔機軋輥間軋制。（圖中1、2） 2.2.4 穿孔機后臺 由頂桿小車、鎖閘架、定心輥、升降輥和翻鋼鉤等組成。其作用是準確的控制穿孔中心線（軋制線），并保證順利將毛管引出軋輥。（圖中9、10、11、12、13）2.3 二輥斜軋穿孔機的工具（1）軋輥 主傳動外變形工具，如圖44（輥型、尺寸）輥身：入口錐（長L1、入口錐角1）：曳入管坯并穿孔出口錐（長L2、入口錐角2 ）：減壁、平整表面、均勻壁厚、歸圓軋制帶（壓縮帶：寬L3）：過渡作用（2）導板 固定不動的外變形工具，不僅對毛管和管坯起導向作用，使軋制線穩定，更重要的是封閉孔型外環、限制毛管橫向變形（擴徑）控制外徑。按照金屬塑性流動的最小

6、阻力定律，如果沒有導板限制作用，毛管（特別是薄壁管）的擴經量將是很大的，這種情況下，穿孔過程難于實現。 導板形狀和尺寸如圖4-5所示，通常導板的縱斷面形狀與軋輥輥型相類似，分為： 入口斜面（Lb1）：導入管坯 出口斜面（Lb2）：導出毛管、限制擴徑 過渡帶（Lb3）：過渡作用，厚壁管軋制可用隨動導輥代替導板。1972年國外投產了第一臺用主動導盤代替導板的二輥立式斜軋穿孔機狄舍爾穿孔機 （3）頂頭（圖46） 穿孔機內變形重要工具。 工作時靠頂桿支撐在變形區內軸向位置固定不變。實踐證明，管坯由實心變成空心毛管過程中，軋件外徑變化不大，而內徑由零擴大到要求值的變形主要靠頂頭的穿軋錐來完成。由于頂頭擔

7、負著重要的變形任務，又處于受熱金屬包圍的惡劣工作條件，因此頂頭直接影響毛管質量、穿孔生產率。水冷式頂頭：內水冷、外水冷非水冷式頂頭：更換式、非更換式部分：1）頂尖l0（鼻部）：對準管坯定心孔穿正；施加軸向力防止預先形成孔腔2）穿孔錐l1：穿孔減壁3）平整段l2：其錐角軋輥出口錐錐角2 ，均整壁厚、平整內外表面4）反錐l3：防止脫管時內劃傷（更換式：平衡作用）三、斜軋穿孔的變形過程4.1 穿孔變形區組成（圖47） 軋輥導板頂頭橫斷面呈橢環形、縱斷面是小底相接的兩個錐體形按在穿孔過程中作用分類：穿孔準備區、穿孔區、平整區(輾軋區)、歸圓區（轉圓區）。backA、穿孔準備區：管坯開始接觸軋輥管坯在軋

8、輥摩擦力帶動下螺旋運動進入變形區管坯前端與頂頭鼻部相遇之間的區域。作用： a.實現一次咬入；b.克服頂頭阻力，實現二次咬入（積累足夠大的剩余摩擦力）；c.使管坯形成利于頂頭切入的特殊應力狀態；d.使管坯前端形成漏斗狀的凹穴，便于頂頭對中定心。B 穿孔區：頂頭鼻部和穿孔錐部分的區域：管坯穿孔、毛管減壁。穿孔變形主要在此區域內完成。工作條件最惡劣。C 平整區：頂頭平整段所對應的變形區部分：平整毛管內外表面、均勻毛管壁厚（軋輥出口錐母線與平整段母線平行2 ）D 歸圓區：毛管脫離頂頭后僅與軋輥接觸的部分：將橢圓形斷面毛管螺旋加工成圓形。4.2 斜軋穿孔過程 軋制過程是一個獨特的連軋過程，管坯-毛管咬入

9、后，由軋輥帶動獲得螺旋運動，一邊旋轉一邊前進，經受穿孔準備、二次咬入及穿孔、毛管減壁、平整內外表面和均勻壁厚、歸圓等軋制變形，而獲得要求尺寸的毛管。三個階段：第一個不穩定過程：管坯接觸軋輥始前端金屬穿出變形區；穩定過程：主要階段，管坯前端充滿變形區尾端離開變形區；第二個不穩定過程：管坯尾端開始離開變形區完全離開軋輥。 穩定過程與不穩定過程有明顯的區別，如一根毛管的頭、中、尾尺寸不同，一般是毛管毛管前端直徑大、尾端直徑小，而中部尺寸一致軸向阻力相關。其原因是穿孔過程逐步建立，而頂頭的軸向阻力逐漸增加，金屬縱向延伸受阻，延伸變形減小，（最小阻力定律）而使橫向變形（擴經）增加，加上無變形外區金屬的限

10、制，結果前端直徑大。尾部直徑小的原因是管坯尾部被頂透時，頂頭軸向阻力顯著減小，使延伸變形容易，同時橫向輾軋小，所以尾端直徑小。另外生產中常見的前卡、后卡現象也是不穩定過程的特征之一。 為了使穿孔時能順利咬入管坯和順利拋出毛管，在進行工具設計和軋機調整時，要保證：（1）管坯在穿孔準備區內不與導板接觸，或者至少管坯先與軋輥接觸形成一定的的變形區長度（約30-70mm）后再與導板接觸，以保證二次咬入的實現。（2）毛管離開變形區的程序為毛管先脫離頂頭，再脫離導板，最后離開軋輥。4.3斜軋穿孔變形區幾何調整參數（圖47）1.軋制線：穿孔機頂桿的軸線/管坯毛管中心運行軌跡可通過調整定心輥來實現。2.送進角

11、/前進角：最積極的工藝參數（圖48）。臥式：軋輥軸線與軋制線在垂直平面上投影的夾角立式：軋輥軸線與軋制線在水平面上投影的夾角3.機器中心線：穿孔機中心線（有的機組為使穿孔穩定，以及考慮到下導板更換方便等因素，將軋制線調整得比機器中心線低36mm使管坯緊貼下軋板）。4.軋輥間距Bck：兩軋輥軋制帶間距。5.導板間距Lck：兩導板過渡帶工作面間距。6.穿孔機孔型橢圓度系數 Lck/ Bck7.管坯總直徑壓下量Dp和總壓下率：DpDp Bck Dp/Dp1008.頂頭前壓下量Ddq和頂頭前壓縮率dq：9.頂頭前伸量C和頂桿位置y：C頂頭鼻部伸出軋輥軋制帶中線的距離，為正值；y頂頭后端面與軋輥后端面之

12、間距調整y來保證需要的C值。10.毛管外擴徑量Dk和內擴徑量dk：工具形狀及相互位置（Bck、Lck、C或y）決定變形區的形狀、大小、 Dp、 Ddq等：實現穿孔、計算穿孔機調整參數時所需的變形量。四、斜軋穿孔運動學 斜軋穿孔機的軋輥同向旋轉，且軋輥軸線相對于軋制線傾斜前進角，當管坯送入軋輥間，靠金屬與軋輥間的摩擦力作用，帶動管坯-毛管反向轉動，同時由于前進角的存在，因此管坯-毛管在旋轉的同時向其軸向移動。變形區中管坯-毛管表面上每點都是螺旋運動，這是斜軋過程的運動學條件。4.1 二輥斜軋運動參數back表示螺旋運動的基本參數有切向速度 Vy ，軸向速度 Vx 和軋件每1 /n旋轉前進的距離Z

13、x（單位螺距或1/n螺距、n為軋輥數目）。4.2軋制帶處速度分析 軋制帶處軋輥圓周線速度V為： 將V沿軋制線和垂直軋制線方向分解，如圖3-5得軸向分量Vx和切向分量Vy分別為：前進動力旋轉動力顯然軋輥的Vx和Vy將傳給管坯，帶動管坯前進和旋轉。由于實際上金屬和軋輥接觸面間的相對滑動，兩者存在差異。因此引進表示兩者速度的軸向滑移系數 和切向滑移系數 ，則管坯在該處軸向速度Vxx和切向速度Vxy為：4.3 變形區內任一點運動參數 研究變形區任一點金屬的速度要復雜些，因為還有復雜的幾何關系的影響，即管坯與軋輥接觸角 影響（圖3.6）。變形區內任一點x金屬的兩個速度的近似解為：3-103-113-12

14、3-13則任一點金屬的速度為：由于接觸點的gx和px變化的，因此在分析變形區速度關系時，通常以管離開軋輥的接觸點（gx=0、px=0）速度來代表該截面的速度：式中 Sx-速度系數3.14變形區內任一截面上管坯-毛管轉速npx 為：在變形區內管坯-毛管每轉1/n轉的半徑壓下量 （又稱為單位壓下量），由圖3.7按下式確定4.4 毛管出口截面處的運動參數實際生產中，確定毛管離開軋輥處得出口速度很重要。將毛管出口截面處得有關數值代入式3-12、3-13、3-15和式3-16得：4.5 變形區內任一截面運動參數確定五、斜軋穿孔的咬入條件5.1 一次咬入條件第53頁第54頁第55頁5.2 二次咬入條件六、

15、 孔腔形成機理6.1 曼氏效應6.1.1 二輥斜軋時的應力與曼氏效應分析 二輥系統的斜軋穿孔，其軋輥形狀由最初的曼氏孔型，逐漸演變為桶形、盤形和錐形。為限制金屬從輥縫擠出（橫向流動），引導金屬向縱向延伸，在輥縫處安裝了導板或導盤。 前面已指出，無論采用何種形狀的軋輥，斜軋穿孔變形區都是由以軋輥為分界的入口和出口兩個反向錐和內部變形工具-頂頭組成的。斜軋穿孔工藝的實質是管坯被傾斜布置的軋輥一次咬入，然后旋轉前進到與頂頭接觸的二次咬入。在該過程中，管坯的徑向受到反復壓縮和擴張，管坯心部則受到反復拉壓和剪切，導致在頂頭前端的金屬形成孔腔，即所謂的曼氏效應。 關于曼氏效應最初的基礎研究工作是1927年

16、發表的。指出曼氏裂紋是由于管坯中心在剪切力的反復作用下產生的一種韌性斷裂，也就是所謂的“切應力理論”。該理論認為，二輥穿孔時，當管坯每轉一周，頂頭前斜軋區中的金屬，在直徑方向受到兩次橫向壓縮，產生了一個從外表面到中心的垂直壓縮應力和一個從管坯圓周上為零變到管坯中心為最大值得拉伸應力。隨著外加負荷的增加，應力差也增大，因此在管坯中心與外力成45度的方向上產生很大的切應力，當達到剪切屈服極限時便產生塑性變形，當超過剪切強度極限時，便引起破裂而產生孔腔。6.2 孔腔形成理論 孔腔是指旋轉橫鍛、橫軋和斜軋實心工件時產生的縱向內撕裂（圖4-19），也稱旋轉橫鍛效應，工件中心產生的縱向撕裂稱為中心孔腔，工

17、件中呈環狀的縱向撕裂稱為環形孔腔。二輥斜軋、橫軋和橫鍛時產生的多為中心孔腔，三輥斜軋時產生的多為環形孔腔。 孔腔的形成（或內撕裂）與金屬的應力-應變狀態有關。因此要掌握孔腔形成機理必須研究實心管坯斜軋時的應力-應變狀態。在這方面，國內外學者進行了長期大量的研究工作。但由于斜軋過程較復雜，往往用一般軋制理論和旋轉橫鍛效應還不能說明這一過程本質。因此尚無統一認識，一般歸納起來有三種觀點：1）切應力理論：管坯中心受交變剪應力作用，屬于韌性斷裂。二三十年代，德國的E.Siebel（圖420a：橫軋工件中心應力狀態），歐美各國。2）正應力理論：中心金屬拉應力的作用，屬脆性斷裂。四十年代前蘇聯，B.C.C

18、mnphob的三向拉應力理論外作用力為集中載荷，故塑變只集中在管坯表層，中心為發生彈變的彈性核：附加軸向拉應力x、附加橫向拉應力y（以殘余應力形式保留）使中心在外壓力作用下產生很大的拉壓力z 孔腔（圖420b）不足：外壓力下產生拉應力（不符實際） 直徑壓縮率達10時中心仍不塑變（不符實際） 未考慮高溫殘余應力的消失3）綜合應力理論（圖420c）：管坯中心受交變切應力大的橫向拉應力綜合作用的結果。a.開始單位壓下量小，只表層塑變 向中心深入，也產生大的塑變，但不均勻。（塑變：表層中心）b.外壓力作用產生的壓應力z 、橫向拉應力y，無頂頭作用時軸向x為拉應力、有頂頭時可能為壓應力。c.交變切應力金

19、屬滑移塑變微裂紋 橫向拉應力作用 擴展成裂縫 裂縫進一步擴大、相互連接成孔腔中心金屬韌性脆性斷裂的過程。表43：兩個階段圖421：晶粒度證實中心塑變圖422：附加橫向拉應力的產生該理論的不足：塑性變形規律、頂頭對軸向應力的影響1.剪應力塑變微裂紋拉應力作用下擴大未相接的裂縫中心金屬“疏松”（可壓合）2.裂紋在大橫向拉應力作用下繼續擴大、互相連接孔腔（不可焊合）切應力：必要條件；拉應力：充分條件1.首先：外層晶粒細化，中心及過渡層晶粒不變；2.1.1：中心細化3.5.7：過渡層才細化b/Dp0.6：外力作用方向上為壓應力橫向為拉應力y：瞬時接觸變形區塑變時，強迫兩側非接觸區橫向移動，對中心產生很

20、大的附加橫向拉應力。防止過早產生孔腔的措施改變斜軋穿孔的應力狀態條件例如PPM推扎穿孔二輥斜軋穿孔機：不均勻變形、限制金屬橫向變形、發展縱向變形、 穿孔區準備內的被壓縮次數、管坯質量主要措施如下：1.大送進角（15 17圖423） 臨界壓縮率li并穿孔速度，原因：變形不均勻（12）； 軋件在頂頭前受反復應力的循環次數，使不均勻變形引起的拉應力。2.小的孔型橢圓度系數：采用導板/導輥的穿孔機， 可橫向變形和橫向拉應力 li 3.小的軋輥入口錐角1 ：15： 1的，單位壓縮率6，不利于變形的均勻化，反而使單位壓縮率增加橫向拉應力的趨勢增大。一般單位壓縮率3.8。1小，可咬入所需的min，為采用小的

21、dq創造條件15（圖425）：1的使li 單位壓縮率已6，此時利于減小不均勻變形1過大使變形區太短，破壞過程連續性。綜合考慮仍應采用較小的1 值4.采用主動導盤（狄舍爾穿孔機）15：可li ，因為：a.導盤壓縮直徑，拉應力b.導盤抑制橢圓度，利于金屬縱向變形c.軸向滑移系數、 穿孔速度、管坯在頂頭前的反復壓縮次數故可穿連鑄坯。21：li 相同（表44）5.頂推力穿孔：管坯尾端施加P0，可穿孔、管坯在頂頭前的壓縮次數、軸向壓應力、 咬入所需min li ；但過大發展橫向變形，形成孔腔。6.采用主動頂桿與軋輥輥面壓花：軸向滑動系數，發展縱向變形 li 7.提高管坯質量：影響li。電渣重熔比普通電爐冶煉高。七、斜軋穿孔時金屬的變形 和其他軋制方法一樣，斜軋穿孔時也有兩種變形。一種是基本變形，它是需要的變形，故稱有用變形；另一種是附加變形，它是有害的，故又稱無用變形。7.1 基本變形 由實心坯穿軋成空心毛管時軋件幾何形狀和尺寸的變化，是直觀的變形。與變形區的幾何形狀尺寸（工具形狀尺寸和軋機調整）有關，與軋件材質無關。由實心坯穿軋毛管時的基本變形量如圖4-26和表45所示，如求變形區某截面的基本變形量，則將有關公式中的毛管尺寸改為該截面的有關尺寸即可。7.2 附加變形定義：由于變形不均在金屬內部產生，質量、能耗，應盡量減小。有：扭轉變形、縱向剪切變形、橫向