不銹鋼焊管立輥群孔型的改進設計

張君彩，陳青果，崔海亭

（河北科技大學機械工程學院，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，廣泛用于食品機械、醫療器械、家居建材等行業。不銹鋼板材壁厚較薄、成型時回彈量大，焊接余量小，對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容易造成焊縫的漏焊或過燒，影響成材率。通過對成型技術分析，筆者就影響板材成型的立輥群處軋輥孔型進行改進設計，以保證焊縫質量［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，成型機由若干個機架組成。不銹鋼直縫焊管機組主要由成型區、焊接區、定徑區及其他輔助區組成，決定焊管質量的主要區域是成型區，此區域的軋輥孔型是機組核心技術。在成型區，機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焊縫質量的影響。

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

目前焊管軋輥孔型設計方法較多，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，是中國現有不銹鋼焊管生產線成型區軋輥孔型設計的重要方法。

基于不銹鋼材質的特點，邊緣彎曲法孔型設計系統在理論上是可行的，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，影響焊接質量。通過調整立輥中心距，在克服帶鋼回彈的同時也能夠吸收邊緣過量的變形。在調試中發現，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系，使帶鋼應有的直線段出現弧線，造成管坯表面劃痕出現。焊管在后續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量要求。為避免劃傷，技術人員通常對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，修形后再調試，若管坯表面質量達到要求即可，否則再次確定修形量，直到管坯表面質量合格為止。軋輥的反復修形，既費時費力又影響機組的調試進度，降低成材率。現場調試狀態說明立輥群現有孔型結構的不足，需要設計出符合成型要求的新孔型結構［5－10］。

2 立輥群軋輥孔型的設計

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。邊緣彎曲孔型設計方法中，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計算表達式為

式中：bi為成型區孔型直線段寬度；βi為成型區孔型邊緣彎曲角；Ni為成型區所計算變形機架的序號與閉口區第1 架序號數之比；i為成型區所計算變形機架的序號；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 改進后立輥群處立輥孔型

機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整，并且避免劃傷缺陷的出現，根據修形過程中軋輥孔型結構的變化，通過與現場調試人員分析、歸納、量化，將原單半徑彎曲的孔型結構改進為雙半徑彎曲的孔型結構，將帶鋼中部孔型原有的直線部分用圓弧代替，建立符合實際變形要求的新孔型結構，改進后立輥群孔型如圖3所示。此結構既能滿足軋輥中心距調整的要求，也避免了對軋輥的現場修形，有效克服管坯表面劃傷缺陷，保證焊管表面質量。

圖3 改進后立輥群孔型圖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，對應的變形角為θm，直到滿足閉口孔型第1架平輥單半徑管坯參數要求，立輥孔型中部圓弧參數計算表達式為

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

綜上所述，在邊緣成型法的基礎上，完成立輥群處立輥孔型新結構的設計，既保留了邊緣彎曲法的優點，又克服了不銹鋼直縫焊管成型的缺陷，改進后的新孔型設計系統可稱之為綜合邊緣成型法。

3 結 語

借助某公司生產的Φ76 不銹鋼直縫焊管機組平臺，為其設計了Φ31.8×1規格不銹鋼焊管的軋輥，圖4為軋輥結構圖。該套軋輥調試順利，無需對軋輥修形，且成型穩定。

通過對不銹鋼材質性能分析，基于專家經驗知識，本次設計從根本上改進了原孔型設計方法的缺陷，重新設計立輥群處軋輥的孔型結構，進一步豐富了軋輥孔型設計方法。

圖4 軋輥結構圖Fig.4 Structure diagram of the roller

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