無縫鋼管斜軋穿孔機工藝和設備的現狀及改進

羅 濤，劉京江，祝增龍

（成都誠悟鋼管技術有限公司，四川 成都 610041）

現有無縫鋼管的生產，無論是冷軋還是熱軋軋管工藝，除少數熱擠壓機組采用壓力沖孔工藝外，由實心管坯（圓鋼坯）變形成空心坯的加工絕大多數都是采用斜軋穿孔工藝。因此，現在的無縫鋼管生產線，不論是高產能、大批量、以石油用管為代表品種的縱軋連軋管機組，還是生產更靈活并強調多規格、多品種、高合金（不銹鋼）的斜軋管機，所有的第一步變形軋制都是采用斜軋穿孔方式來實現由實心坯到空心坯的軋制變形，直接為后面連接的軋管機提供合格的穿孔空心坯（毛管）。目前，國內的傳統不銹鋼生產工藝或小型機組，也是將斜軋穿孔作為冷軋（拔）管機組的初道次加工變形工藝；也有企業直接在穿孔工序后接定（減）徑機，但只能生產質量差的低檔次熱軋無縫鋼管。

1 斜軋穿孔機的結構類型

1890年，德國曼內斯曼兄弟發明了二輥斜軋穿孔機。受鍛坯在交變橫鍛時出現中心撕裂導致形成中心孔腔的啟發，采用兩個主動軋輥讓坯料在軋輥之間旋轉（交變輾壓）時形成中心組織疏松、裂紋并擴展為孔腔，中間再加一個擴孔頂頭完成穿孔變形。另外，軋輥之間可采用導板或導盤來限制橫向擴展，以確保穿孔過程的順利完成［1］。

目前，所有斜軋穿孔機的基本原理仍然是基于曼內斯曼穿孔原理，只是后來隨著人們對穿孔原理的深入研究和機電技術的全面發展，在傳統曼式（桶形輥）穿孔機基礎上又形成了新一代斜軋穿孔機，即：每個軋輥單獨傳動的錐形輥穿孔機［2-3］。因此，目前生產中使用的斜軋穿孔機分成兩大類：曼式（桶形輥）穿孔機和錐形輥穿孔機。另外，還有一種三輥穿孔機，三輥穿孔原理與二輥是相同的，只是主機結構有變化。現主要介紹二輥斜軋穿孔機。

1.1 曼式（桶形輥）穿孔機

如上所述，曼式穿孔機是最老的一種斜軋穿孔機結構方式，它的主要特點是：兩個軋輥由一個電機帶動，通過減速機后再分配到兩個左右設置的軋輥上。傳動電機一般設置在穿孔機入口側的前臺。受減速機機械結構限制，由減速機輸出的兩個傳動連桿，在寬度方向上不可能任意拉開距離，兩個連桿在水平面上看基本上是平行的（也就是軋輥軸與軋制中線基本可視為平行），所以穿孔機的軋輥輥型也是入口直徑與出口直徑基本一致，設計時還必須考慮一定咬入輥面角度和拋出輥面角度，軋輥的外形就像一個平放水桶，故這種穿孔機也叫桶形輥穿孔機。曼式（桶形輥）穿孔機的設備布置如圖1所示，桶形軋輥孔型如圖2所示。

圖1 曼式（桶形輥）穿孔機的設備布置示意

圖2 桶形軋輥孔型示意

穿孔機主機是由一個主機座和一個可移動的上蓋組成，上蓋可移動是為了便于將軋輥吊出更換。

不可否認，在近百年無縫鋼管熱軋生產中，桶形輥穿孔機是應用最多和歷史最長的穿孔機，對無縫鋼管的生產發揮了積極作用。但是，從穿孔變形分析的近代觀點和生產實踐中總結分析來看，桶形輥穿孔機還存在以下缺點。

（1）穿孔形成“曼式效應”。斜軋穿孔機的發明是基于交替平鍛坯料中心處于三向拉應力狀況而導致中心組織形成孔隙、撕裂，在桶形輥穿孔工藝中，這種坯料中心撕裂形成孔腔，即存在“曼式效應”。

傳統的斜軋桶形輥穿孔機，由于軋輥呈桶形，穿孔坯料從入口到出口軋輥直徑相同，提供給變形金屬的速度也相同（切向或縱向），但是毛管從實心到空心是金屬斷面積減少的過程，根據金屬秒體積流量相同原則可知，軋件的出口速度從入口到出口必須是增加的，但是桶形輥不可能實現這個基本的、合理的變形要求。另外，由于輥面提供給軋件前進的速度方向僅是由軋輥軸與軋制中線水平面所形成角度γ（喂入角）確定，金屬流動的縱向速度分量受限，斜軋變形金屬仍主要是橫向流動；因此，桶形輥穿孔機從變形上分析就不合理，坯料縱向流動受阻，橫向變形大，穿孔效率低，變形不均勻嚴重。而由于管坯在頂頭之前承受過多橫向變形并處于反復的交變應力狀態，更容易出現孔腔。斜軋穿孔機頂頭前的“曼式孔腔”如圖3所示。

實際生產中圓管坯被軋輥咬入后，旋轉并壓縮變形、螺旋前進，在與頂頭接觸前，管坯的中心區金屬在拉、壓應力反復交變作用下的塑性變形逐漸發展成疏松，隨著疏松的逐漸加重，將導致中心破裂，從而形成特有的“曼式孔腔”。軋輥布置方式、輥型、頂頭前變形量及頂頭設計等因素都會導致這種“曼式孔腔”進一步擴張。如果管坯在已形成孔腔后才與頂頭接觸軋制變形，已形成的裂紋或孔腔則很容易在隨后減壁軋制中折疊，也就是毛管的內孔形成“內折”，除了坯料本身質量和溫度因素外，穿孔內折絕大多數是由此引起的。尤其是高合金鋼和易產生裂紋的不銹鋼類［4-9］。

圖3 斜軋穿孔機頂頭前的“曼式孔腔”

（2）從水平面上看兩個軋輥，兩個軋輥軸基本上是平行布置（輾軋角α為0），軋件變形縱向分量較小，金屬橫向變形與斷面扭轉變形嚴重，這些附加的不均勻變形（也稱斜軋多余變形）會引起毛管外表面質量問題，如扭屈、表面撕裂等［10］。穿孔后金屬橫斷面扭轉和縱向扭轉如圖4～5所示。扭轉及附加變形，一方面直接影響穿孔變形效率，另一方面容易使管坯形成軋制缺陷。

圖4 穿孔后金屬橫斷面扭轉示意

圖5 穿孔后金屬縱向扭轉示意

1.2 錐形輥穿孔機

20世紀80年代初，隨著人們對斜軋變形的深入研究和生產實踐總結，希望全面提升斜軋穿孔的效率，并提高穿孔毛管的產品質量，從具體變形的宏觀現象分析，就是希望在穿孔機上盡量抑制或減少桶形輥穿孔機的“曼式效應”，減少扭轉等附加多余不均勻變形，從而提高產品質量。尤其是隨著電機控制調速技術的全面發展，過去兩個軋輥只能依靠機械（減速機）來實現同步，現在可以通過電氣技術實現一個軋輥一個電機傳動，兩個軋輥轉速高精度同步。這樣，就給斜軋穿孔機帶來革命性變化，軋輥的輥型和布置方式可以靈活設計來滿足變形的需要（如：軋輥可以實現從入口到出口軋輥直徑增大，實現變形區內金屬更合理的變形流動方式），這也就導致了錐形輥穿孔機的問世。

在桶形輥穿孔機中，軋輥之間采用固定導板結構來限制橫向變形，新型錐形輥穿孔機采用電機傳動的主動導盤替換原來的固定導板，這進一步提高了穿孔軋制縱向變形效率，減少了導板對毛管外表面的劃傷，減少了變形缺陷，提高了無縫鋼管外表面質量。錐形輥穿孔機結構如圖6所示，輥型及布置如圖7所示。

圖6 錐形輥穿孔機結構示意

圖7 錐形輥穿孔機輥型及布置示意

對比兩類穿孔機的軋輥布置與輥型（圖2、7），可以看出錐形軋輥除了與桶形軋輥都有一個實現軋件的γ外，還有一個在水平面上（軋輥水平布置）與軋制中心線交叉的擴張角，或稱為輾軋角α（或錐形角），一般這個輾軋角α要大于10°。

與桶形輥穿孔機相比，錐形輥穿孔機由于有了輾軋角，其變形發生了根本性改變，主要體現在以下兩點。

（1）與桶形輥穿孔機相比，錐形輥穿孔機由于有了輾軋角，金屬在變形孔型中的塑性應力狀態發生了本質變化，金屬在穿孔主要變形的3個區域（坯料減徑壓縮變形區、頂頭附近壓縮變形區和穿孔減壁變形區）的內部主應力張量是完全不同的。從宏觀現象分析，與無輾軋角的桶形軋輥相比，金屬材料在帶有輾軋角布置的錐形輥穿孔機中軋制時，其應力狀態更趨于三向壓應力狀況。尤其在頂頭附近的變形區域，金屬材料在桶形輥穿孔機的應力狀態為兩向拉應力一向壓應力，而在錐形輥穿孔機則是兩向壓應力一向拉應力，其中心區域更趨于三向壓應力狀態，隨著輾軋角增加，金屬中心區域趨于三向壓應力狀態越明顯。

由于錐形軋輥改變了金屬應力狀態，尤其在頂頭附近區域，變形金屬中心處于或最大程度趨于三向壓應力狀態。三向壓應力對材料塑性成型來說是最佳的變形應力狀態，如同壓力沖孔變形中材料的主要變形狀態。因此，錐形輥穿孔可最大程度地限制或減少穿孔過程中坯料在頂頭前出現孔腔與撕裂的可能，是提高穿孔變形質量最有效的手段之一。

從軋輥形成的輥面速度場分析，輾軋角越大，縱向分量越大；因此，輾軋角加大了變形金屬縱向流動的能力，提高了穿孔效率。也就是說，管坯在桶形輥穿孔機穿孔時，在頂頭前要慢慢轉，來回反復彎曲、輾壓多次才讓頂頭穿入；而錐形輥穿孔機穿孔時則是相當于變形金屬材料后面有較大軸向壓力的作用，將變形金屬向頂頭前推擠，與桶形軋輥相比，能更加快速穿入頂頭而且少轉了若干圈。

（2）對于錐形軋輥輥型，軋輥的出口直徑要比入口的大，即穿孔機軋輥速度由入口到出口是逐步增加的。而穿孔過程的壁厚變化是由厚到薄，為使變形合理，減少金屬之間扭屈與剪切變形，也希望出口后面速度總是大于前面。顯然，錐形軋輥就能實現這種合理的變形方式。因此，與傳統桶形輥輥型比，錐形輥穿孔機的扭轉、剪切變形小，更有利于材料均勻變形，減少了附加變形，也大大降低了表面缺陷形成或擴張的可能。

總之，錐形輥穿孔機完全改變了金屬在桶形輥穿孔機變形的應力狀態，更利于金屬合理變形。必須強調的是，長期以來，一直有一種觀點認為錐形輥穿孔機要比桶形輥穿孔機結構復雜、造價高，這其實不能籠統談，要從力能參數具體設計及整體設備剛度條件上去比較，就機械設備設計與制造加工成本而言，實際上二者之間沒有太大的區別。

經過近30年發展，錐形輥穿孔機已是目前熱軋無縫鋼管生產采用最普遍的穿孔機，其主機機架結構形式有導板與主動導盤方式、軋輥立式布置或水平布置，但是基本原理是相同的。

2 斜軋穿孔機的不足及生產實踐中的誤解

除了極少數特殊鋼種外，斜軋穿孔機已經廣泛用于無縫鋼管生產，包括高合金鋼（大多類型的不銹鋼）、鈦合金都已經在斜軋穿孔機上實現了實心坯穿孔軋制。以德國西馬克為代表的無縫鋼管工藝及設備供應商近年來也將斜軋錐形輥穿孔工藝及設備相對固定成標準配置，主要用于其高產能連軋管機的配套，但在斜軋方面仍然沒有新的技術與創新。關于熱軋無縫鋼管連軋（縱軋）工藝與斜軋工藝的特點及優勢比較，有文獻也作了陳述，在此不再敘述。這里必須強調：對高合金鋼或難變形金屬，斜軋延伸軋制工藝仍是目前最適合和最經濟的生產方式，不論是從高合金鋼（包括不銹鋼）具體變形條件的工藝狀況技術層面，還是從項目投資、生產小批量靈活組織、生產成本等企業運營因素上考慮，穿孔后采用斜軋延伸軋制仍然具有獨特優勢。

在目前的無縫鋼管生產工藝中，鑒于斜軋穿孔機的變形特點和現有設備的結構方式，斜軋穿孔仍然被視為一種初（粗）加工方式，更多希望于管坯在斜軋穿孔后的后序進一步精軋（熱軋或冷加工）。

2.1 存在的不足

斜軋穿孔主要表現的問題仍然是變形量受限制與穿孔后毛管質量不高，體現在：①穿孔變形量受限制，目前生產實際中使用的穿孔機最大延伸系數μ仍小于5.0，一般小于4.5，穿孔后毛管外徑與壁厚之比D/S ∧25；②穿孔后毛管壁厚質量水平不高，斷面壁厚不均勻，縱向壁厚差也明顯，尤其是穿孔薄壁鋼管時，其壁厚公差∧10%；③穿孔后毛管質量差，外表面有裂紋或劃傷，內表面存在嚴重螺旋道；④毛管內表面易出現內折或內裂；⑤毛管頭部、尾部容易開裂或起飛皮，直接導致生產不順利。

上述穿孔機出現的質量問題或工藝水平低的因素涉及較為廣泛，但是要分為工藝設備可控因素與不可控因素。坯料質量、加熱或操作失誤這類不是穿孔工藝本身的問題，不屬于設備可控因素。經過多年斜軋理論研究與生產實踐認為，目前在斜軋穿孔中存在的主要關鍵可控因素還沒有引起足夠的重視并得到很好地解決，具體如下。

（1）斜軋穿孔變形穩定性問題沒有得到足夠重視，故而沒有從設備結構上加以改進或解決。

長期以來，人們一直認為穿孔是粗變形加工，對穿孔精度要求不高，把提高最終產品質量讓位給后部加工工序。實際經驗表明，不論后面采用的是縱軋還是斜軋或者冷軋（拔）工藝，后部加工糾正或提高精度的能力是有限的。如，縱軋與冷拔對無縫鋼管橫向斷面壁厚不均的改進程度小于10%，斜軋小于35%。因此，如果能更好地提高斜軋穿孔變形的穩定性，這將會是提高產品質量的首要途徑。

斜軋穿孔穩定性除了與變形量大小、穿孔機調整參數、孔型設計有關外，更主要是取決于穿孔機主機及前后臺的穩定性。斜軋變形中主機內輾軋角變化與均壁效果的關系如圖8所示［11］。

圖8 斜軋變形中主機內輾軋角變化與均壁效果關系

分析圖8可知，斜軋變形過程中，理論上應處于固定不變的軋輥輾軋角發生了微小變化，直接影響變形后金屬的精度。對斜軋穿孔機而言，作為變形工具的穿孔機頂頭，在穿孔變形最后階段，亦即均壁段長度范圍內，本來設計宗旨就是實現穿孔后毛管壁厚的均勻軋制，它必須在空間上與穿孔軋輥輥面保持空間平行與等距的幾何關系才能起到均壁功效，如果存在角度偏離設計值或軋輥跳動等因素，將會導致變形不穩定而使均勻效果沒有起作用，反而在內表面形成螺旋道或導致內表面缺陷出現。

斜軋穿孔機的軋制穩定性在設備上主要由以下因素提供：①主機剛性、軋輥鎖緊、導板（導盤）調整與穩定狀況；②穿孔機后臺頂桿夾持裝置的配置及方式；③穿孔機入口坯料咬入平順及穩定性。

第一點，主機剛性與軋輥穩定性差。目前穿孔機結構設計存在結構性不足的問題。迄今為止，所有的斜軋穿孔機主機普遍采用剖分結構機架（包括立式軋輥布置），也就是由上蓋與機座兩部分合成。主機座從結構上是一種上面呈開放狀的U型結構。斜軋穿孔機工作時，上蓋與機座通過螺栓或鎖緊連桿接合。但是，大軋制力的作用使主機座與上蓋之間形成間隙或彈跳，斜軋穿孔機軋制的不穩定在主機中最終表現為軋輥不穩定，從上蓋與主機座之間結合到最終軋輥穩定的各項間隙因素疊加，使軋輥波動且較大地偏離理想設定值。因此，要提高斜軋穿孔變形穩定性，全面提升穿孔質量和增大變形量，也必須從穿孔機結構設計上作根本性突破。

第二點，頂桿夾持裝置的作用主要是確保穿孔過程中頂頭始終與軋制中心線同軸。它的穩定性取決于后臺機構的機械動態剛性與穩定，也主要決定了頂桿的穩定狀態。

第三點穿孔機入口坯料穩定平順咬入取決于斜軋穿孔機前臺各要素。坯料送入穿孔機后，要確保其能平順穩定對中前進，能順利實現一次及二次咬入，關鍵問題就是要實現整體穿孔過程坯料對中與穿孔穩定。這與前臺設備結構形式、坯料導向輸送方式或是否采用坯料主動預旋轉裝置，是否采用穿孔機前機內定心裝置，接觸到導板前引入與導板設計、輥型設計等因素相關。

（2）斜軋輥型、頂頭與穿孔變形參數設計不合理。

穿孔主要是實現實心坯變形為合格空心管，我們希望這個空心管具有最好的幾何尺寸精度及表面質量。穿孔主要變形是在外部工具穿孔軋輥和內部工具穿孔頂頭的共同作用下完成的，變形工具是否合理將直接影響變形質量。穿孔軋輥作為外部工具，它的主要功能就是確保軋件順利進入軋輥并建立穩定旋轉（一次咬入）、順利進入頂頭（二次咬入）并減壁厚，實現對完成穿孔后毛管的壁厚均勻軋制、外徑規圓。對于頂頭，則希望變形順暢，盡量減少多余附加變形（橫向剪切、橫向與縱向扭屈）。

顯然，為了減少“曼式效應”，最大可能地減少頂頭前金屬在一次咬入后出現的內部撕裂，以避免穿孔后出現內表面裂紋、軋折等缺陷，只有盡量改善變形金屬的應力狀態，最大可能地實現最佳塑性變形的三向壓應力狀態。對斜軋穿孔變形而言，具體要求就是坯料在二次咬入前，在確保二次咬入的前提下，實現可能小的變形量（這個變形量可用直徑壓下率來定量）。生產實踐表明，頂頭前壓下率控制在4%以內是合理的。顯然，二次咬入必須保證作用在穿孔坯料的軸向力大于頂頭對金屬材料變形的軸向阻力，在桶形輥穿孔機軋輥上減少坯料頂前變形就意味著要降低或失去坯料軸向前進能力；另外，桶形軋輥面對坯料咬入形成空間咬入角唯一取決于軋輥的喂入角γ。相對于桶形輥穿孔機的桶形軋輥，在相同輥面角的前提下（如輥面角為3.5°），錐形穿孔機軋輥由于有了輾軋角α，坯料與軋輥面所形成的輥面空間三維咬入角是由兩個角度共同疊加的。換言之，錐形軋輥可以采用最小頂前壓下量，更能有效減少或抑制“曼式孔腔”，在穿孔機整體剛性提高的前提下，可以實現最小的頂前變形（1%～2%）而能保證二次咬入，更重要的是能最大程度地減少內表面裂紋的形成和裂紋擴張，這對高合金鋼或難變形穿孔金屬極為重要。當然，合理的輥型及頂前有效咬入長度是重要因素，這二者要結合輥型設計與穿孔機機械結構綜合考慮。

完成穿孔由實心坯到空心管的減壁變形是在頂頭的弧形段實現。現有的穿孔機頂頭均采用傳統設計，將頂頭前到減壁結束之間用一個圓弧線作為頂頭外形主要尺寸，而這只是一個人為主觀簡化，僅僅實現了穿孔變形從咬入到完成穿孔希望的壁厚變形的一個光滑過渡，它只是一個純幾何的概念性簡化。筆者曾根據等效變形增量不變原理，提出了一個基本變形流動法則的頂頭弧形理論設計算法，運用滿足一個變形原則（擬定變形規律）的方程解出一個代數曲線，從而代替一般單純圓弧［10］。

如今，通用的頂頭設計方法仍然是傳統桶形輥輥型（簡化為平面關系）的半經驗幾何設計計算方法，對于桶形輥穿孔機而言，這些簡化了的二維平面幾何關系還能作為一個相對近似情況來使用。實際上合理變形是一種變形的金屬流動優化的規則，在服從具體變形優化原則的基礎上，才能得一個合理的幾何圖形及計算方式。因此，從現代觀點看，頂頭設計不僅僅是完成穿孔過程，而是最可能提高產品質量，避免產生變形缺陷的重要一環［11］。

可見，目前斜軋穿孔機仍然大有提升改良空間。

2.2 對斜軋穿孔機的誤解

（1）僅將穿孔作為初（粗）變形，對穿孔變形重視不夠，導致目前斜軋穿孔設備過多簡化與粗放。

（2）認為穿孔變形產生內表面缺陷是自然或固有存在，尤其是在一些高合金鋼或不銹鋼生產中，回避或淡化了對穿孔工藝設備的完善與高要求，寄希望于后面精整工序通過修磨的消極處理方式消除缺陷。實際上，變形過程形成的缺陷更多地應從塑性加工金屬學和金屬材料的塑性力學行為上去分析研究。對斜軋穿孔而言，最重要缺陷是變形后內表面形成的裂紋，尤其是高合金鋼（或不銹鋼），這些也都必須從材料微觀上進行分析，包括溫度因素、材料組織形態、裂紋形成與擴展機制等。塑性加工裂紋形成并擴展成最終產品缺陷主要還是材料因素（疏松、裂紋、晶體缺陷）和加熱導致的過熱、過燒。對于變形而言，主要是在軋輥作用下的變形區應力狀態，最關鍵是變形不均勻。因此，斜軋穿孔機設備結構、輥型空間關系、輥型和內部工具設計及相應工藝調整參數是實現變形均勻的重要因素。對于斜軋穿孔變形，除了坯料自身因素，或者人為操作（不合理加熱制度和穿孔機調整參數等設備本身不可控因素）外，金屬在穿孔變形時自身不應當產生變形缺陷，穿孔機作為第一次變形，不應是產生缺陷的源泉。即使是采用現有的斜軋穿孔機，在企業實際生產中，軋制出現缺陷的幾率仍然占少數。因此，傳統的定式思維也妨礙了斜軋穿孔工藝的創新和發展。

（3）在斜軋穿孔機項目建設與生產使用中，項目前期對穿孔機定位缺乏相對科學合理準確的認識，一些關鍵性參數和設備結構的要素并沒有引起足夠的重視，如主機功率大小，主機設備結構形式，設備剛度與質量，穿孔機前、后臺的配置合理性，軋輥和導衛（導板或導盤）及前（后）臺引入裝置機構所形成的主變形空間區域實際狀況，輥型及頂頭設計，頂頭的位置控制等。這些因素若不與具體產品規格、品種統一考慮，最終在實際生產中也會出現各類問題，結構性不足在已有設備上也很難得到很好解決。例如，某企業的大斜軋穿孔及斜軋項目，從設備外觀上看很不錯，布局及設備剛性也滿足工藝要求，但是仔細觀察該穿孔機的軋輥輥型、導衛及前（后）臺引入裝置機構所形成的變形空間區域設計，發現其在變形工藝上存在先天不足，導致變形不合理，穿孔變形不穩定，最終直接影響了產品質量與規格品種開發。又如，某企業也有一穿孔機，設計的穿孔機本身是在一定規格范圍內，但是為了擴大產品規格范圍，“小馬拉大車”，但又因軋輥長度不夠，企業采用長度更短、不合理的頂頭設計，直接導致頂頭前壓下量過大，頂頭減壁變形過于集中劇烈，從而造成產品質量缺陷。總而言之，斜軋穿孔機及穿孔工藝應當更加科學合理和精細化，不能囿于現狀，這樣才能適應新的市場要求。

3 新型高剛性斜軋穿孔機

結合斜軋理論研究與生產實踐，對現有斜軋穿孔工藝及設備進行以下創新與改進提升。

3.1 斜軋穿孔工藝的設計改進

相對于斜軋延伸軋管工藝，斜軋穿孔工藝的提升要點及主要內容有：

（1）建立斜軋三維變形空間精確的數學模型，將斜軋空間幾何關系轉換為定量精確的數學關系，基于變形精確計算，并對設備結構提出要求［1-6］；

（2）根據金屬流動、合理變形的物理規律，從減少或抑制頂前“曼式孔腔”，減少材料內部撕裂和裂紋擴張，確保穿孔變形的一、二次咬入等方面，制定變形條件，設計穿孔軋輥［10-12］；

（3）減少穿孔過程中在頂頭與軋輥之間變形區域合理變形，抑制斜軋多余附加剪切及扭轉變形，采用新的觀念和方法設計穿孔頂頭；配合軋輥輥型設計及穿孔過程全面提高設備結構穩定性設計，最大程度地消除或降低穿孔內表面螺旋道［13-14］；

（4）確保穿孔過程變形區軋制穩定性，優化穿孔機導衛（導板或導盤）系統，加強斜軋變形穩定性，減少對軋件表面劃傷，提高外表面質量。

3.2 斜軋穿孔機設備結構改進與提升

穿孔機設備是為穿孔變形工藝服務，因此穿孔機設備最終要以提高穿孔軋制穩定性、提高產品質量為宗旨。針對現有斜軋穿孔機結構，主要對設備作以下提升與創新改進：

（1）穿孔機前臺采用坯料主動旋轉對中引入的結構設計，確保一次咬入和二次咬入順利，提高產品壁厚精度；

（2）突破現有斜軋穿孔機主機設計特點，采用全封閉框架結構、側向換輥的全新斜軋穿孔機設備結構，全面提升穿孔機剛性，實現高穩定性變形，將斜軋穿孔機也視為一個精密的熱加工變形軋機［15］；

（3）采用主動導盤方式（或與導板共用）主機結構，提高斜軋穿孔機穿孔效率，提高穿孔后毛管外表面質量；

（4）優化穿孔機后臺頂桿夾持系統，將后臺夾持裝置與穿孔機孔型內穩定、后臺機內定心裝置結合，提高穿孔頂桿的穩定性；

（5）根據具體穿孔機工藝特殊要求，采用穿孔機后臺在線頂桿交替快速更換裝置，強化工具冷卻效果，提高工具壽命，降低生產成本。

上述穿孔機主機全封閉框架結構、側向換輥的全新機架結構，是成都誠悟鋼管技術有限公司的專利技術（專利號201720603633.0），其主要核心是采用一個新型全封閉框形機架（軋輥側向移出更換）代替目前斜軋穿孔機上使用的剖分式主機結構。

使用全封閉式結構的工作機架，替代現有的U型斷面主機座+機蓋組合構成工作機架，從根本上解決了或大幅度減少了現有斜軋穿孔機存在的穿孔不穩定因素，將穿孔工藝建立在一個剛性變形機械結構的穿孔機上。配合穿孔軋輥在機內固定方式的全方位改進，全面減少現有斜軋穿孔機固有的、較多的分散接觸副所帶來的累計間隙，準確確定軋輥定位。配合前述工藝改進，實現穿孔機軋制工藝全面創新，為實現精密穿孔創造必要條件。全封閉框架結構、側向換輥新型高剛性斜軋穿孔機及其水平換輥、全封閉框式主機結構如圖9～10所示。

圖9 全封閉框架結構、側向換輥新型高剛性斜軋穿孔機示意

圖10 新型高剛性斜軋穿孔機水平換輥、全封閉框式主機結構示意

與現有斜軋穿孔機不同，由于新型高剛性斜軋穿孔機采用全封閉框架主機架，軋輥更換采用前臺側向移出更換方式，通過專有液壓推出機構前臺液壓移動換輥平臺實現穿孔軋輥快速更換。新型高剛性斜軋穿孔機的水平換輥如圖11所示。

圖11 新型高剛性斜軋穿孔機的水平換輥

3.3 新型高剛性斜軋穿孔機特點

與傳統輥式斜軋穿孔機相比，新型高剛性斜軋穿孔機有以下優勢：

（1）全面提高了斜軋穿孔機設備的剛性，加強了穿孔變形穩定性，提高了斜軋穿孔軋制變形量；在相同條件下，可以穿軋更薄壁的毛管，實現斜軋穿孔機更精確軋制變形；

（2）配合斜軋工藝技術及斜軋穿孔機前、后臺相應改良，能大大提高現有斜軋穿孔機的產品質量，最大程度地避免傳統斜軋穿孔機常見的無縫鋼管內、外表面缺陷，提高產品壁厚精度，實現穿孔毛管高質量提升突破；

（3）與現有斜軋穿孔機相比，新型全封閉框式機架穿孔機整機剛性提升，改良了斜軋穿孔變形狀態，穿孔速度可以進一步提升，對熱加工溫度范圍要求嚴格的特殊難變形鋼種更能實現穿孔軋制；

（4）斜軋穿孔機作為冷加工初步變形的特殊生產設備，利用新型高剛性斜軋穿孔機能生產質量好、變形量更大的產品，可以大大減少二次加工變形量或加工道次；

（5）由于新型高剛性斜軋穿孔機具有特殊機械結構方式，設備緊湊簡潔，軋輥及導板的調整可靠方便，設備維護維修容易，可有效提高作業率；

（6）與SCM新型無縫鋼管斜軋管機配合，能形成一個完整的高效能新型熱軋無縫鋼管機組，更能適應目前市場變化的要求；

（7）對目前現有的穿孔+冷軋（拔）或斜軋穿孔+定（減）徑機小型特殊無縫鋼管企業，采用新型高剛性斜軋穿孔機能提升機組能力，提高產品質量。

4 結 語

斜軋穿孔是無縫鋼管生產工藝中最重要的軋制變形方式之一。不論是從金屬塑性變形原理還是提高最終產品質量，斜軋錐形輥穿孔機替代桶形輥穿孔機是不需爭議的必然。

現有斜軋穿孔工藝技術工具設計是建立在傳統桶形輥穿孔機軋制工藝基礎上的，與斜軋真實變形相差較大，必須采用現代斜軋變形觀點與計算方法進行工藝提升。

為了提高斜軋穿孔質量，提升斜軋穿孔精密變形工藝，必須突破現有設備結構特點，從提高變形質量和變形過程穩定性出發，采用全新的主機和前、后臺設備結構。主機采用新型側向換輥、全封閉框架結構是對斜軋穿孔機設計的一個新思路。