减径机生产中空六角钢的工艺方法

武建兵，张凌燕

（1.太原通泽重工有限公司，山西太原030032；2.太重煤机有限公司，山西太原030032）

减径机生产中空六角钢的工艺方法

武建兵1，张凌燕2

（1.太原通泽重工有限公司，山西太原030032；2.太重煤机有限公司，山西太原030032）

介绍了生产中空六角钢的工艺方法，提出了一种新方法——穿轧减径成型法，并采用模拟软件重点模拟了减径成型过程的成型阶段。结果表明：利用减径机直接生产中空六角钢的工艺是可行的，即穿轧减径成型工艺可行。采用穿孔减径成型法生产中空六角钢时，减径机成型机架须采用合适的孔型尺寸，成型机架单机架延伸系数及孔型尺寸须满足金属合理流动的要求；成型机架单机架延伸系数取1.15～1.25较合适。

中空六角钢；减径机；穿轧减径法；轧制工艺；模拟

中空六角钢——钎钢是一种专门用于凿岩、凿矿的专用材料，是现代工程采掘与工程施工中开凿爆眼的重要工具［1］。由于中空六角钢外形为正六边形，中间为圆孔，所以在成型过程中，既要有穿孔成型，也要有外六角成型。

目前，中空六角钢的传统生产工艺主要有钻孔法、热穿热拔法、铸管法和热穿热轧法4种［2-4］。钻孔法是最传统的一种生产方式，其产品力学性能好，产品外观质量及尺寸精度高，但生产工艺复杂、成本高。与钻孔法相比，热穿热拔法生产节奏快，但产品力学性能及内孔质量略逊于钻孔法生产的产品。采用热穿热轧法时，首先将实心棒料定尺，再经加热炉加热，加热后的坯料经穿孔机穿孔，穿孔后毛管经轧管机轧制，轧制后荒管经过六辊轧管机轧制，将圆截面轧制为六边形；与钻孔和热穿热拔法相比，热穿热轧法生产节奏最快，但产品质量最差。

受无缝钢管生产过程的启发，提出了一种中空六角钢生产新工艺——穿轧减径成型法，即用穿孔机将实心棒料穿制为空心毛管，再经轧管机轧制为荒管，最后通过减径机将荒管直接减径、成型，轧制成内圆外方的中空六角钢。在文献［1］中试验采用Y180三辊连轧管机生产中空六角钢，即采用已经基本成型的圆钢管通过Y180三辊连轧管机成型中空六角钢。与文献［1］中的生产方法相比，穿轧减径成型法的最终成型过程是采用减径机将大直径钢管先减径后成型，这一过程是在同一台设备上连续完成减径与成型过程的。本文将对该穿轧减径成型法进行介绍，并采用有限元软件进行模拟。

1 穿轧减径成型法

穿轧减径成型法的成型过程为：实心坯定尺后加热；经过穿孔机穿孔，将实心坯穿制成空心毛管；空心毛管经过轧管机轧制为外径及壁厚均匀的荒管；荒管经过减径机直接成型为中空六角钢。荒管在减径机中经历了2个连续轧制阶段：减径阶段与成型阶段。中空六角钢减径成型孔型布置如图1所示。其中，减径阶段用于荒管减径，采用传统的圆孔型（图2a）；成型阶段（最后2～3机架）用于中空六角钢的成型，采用六角形孔型（图2b）。

图1 中空六角钢减径成型孔型布置示意

图2 圆孔型和六角形孔型示意

采用穿轧减径成型法生产中空六角钢时所需的设备主要有：带锯、加热炉、穿孔机、轧机、三辊减径机。其工艺流程为：实心坯→定尺→加热→穿孔→轧制→减径成型→切头切尾→成品。

2 模拟分析

穿轧减径成型法中，管坯穿孔、毛管轧制属于生产无缝钢管的通用方法，生产工艺成熟可靠；而生产中空六角钢的主要难点是减径成型过程。减径阶段是传统的减径工艺，即将大直径荒管通过1组外径逐渐缩小的椭圆孔型或圆孔型，减径轧制成所需要的成品管，减径阶段也已经很成熟；而采用三辊减径机将钢管从圆形成型为六角形，目前还没有实际应用，仅做了相关试验［1］；因此，下面重点模拟减径成型过程的成型阶段，以便为实际生产提供理论依据。

2.1 模拟过程主要参数

坯料直径 50 mm

毛管规格 Φ51 mm×10 mm

荒管规格Φ37 mm×9 mm

减径后规格Φ26.5 mm×9.5 mm

成型后规格H22（规格代号）

材质 55SiMnMo

轧制温度 950℃

轧辊转速 70 r/min（成型阶段第1机架）

83 r/min（成型阶段第2机架）

荒管入口速度0.55 m/s

成型阶段采用的六角形孔型尺寸如图3所示。

2.2 有限元模拟

采用有限元软件进行计算分析，用三维CAD软件将轧辊及轧件建模，并将三维模型再导入有限元分析软件内进行分析处理。

2.2.1 材料属性定义

在有限元模拟过程中，视轧辊为刚体，忽略轧辊的变形，认为轧件为弹塑性变形。轧件采用分段线性塑性模型，并利用Cowper-Symonds来考虑应变率对轧件屈服应力的影响，应变率ε′与屈服应力σY的关系表示如下［5］：

其中，C和P是应变率参数，取C=40，P=5［5］；σ0为常应变率处的屈服应力，取σ0=75（MPa）；而）是基于有效塑性变形的硬化函数。

轧辊材质为球墨铸铁，密度为7 300 kg/m3，弹性模量为1.74×105MPa，泊松比为0.27［6］。轧件材料的应力-应变关系利用文献［7］中的数据，950℃时轧件材料应力-应变关系曲线如图4所示。

图3 成型阶段采用的六角形孔型的尺寸示意

图4950 ℃时轧件材料的应力-应变关系曲线

2.2.2 单元格选取及网格划分

采用8节点SOLID164单元，利用映射方法对轧辊进行网格划分；利用体扫略方法对轧件进行网格划分。轧辊及轧件网格划分如图5所示。

2.2.3 接触类型选定

轧辊与轧件表面之间存在复杂的相互作用，选用自动接触类型（该接触类型主要用于金属成型工艺）。在接触实体的定义中，将轧辊定义为主面，轧件定义为从面。采用库仑摩擦，设轧辊与轧件的摩擦因数为0.3。

2.3 模拟结果

成型阶段第1机架轧制后的钢管如图6所示。轧件经第1机架轧制变形后，在轧件与轧辊接触处，塑性变形最大，辊缝处塑性变形最小。金属以轧辊中心面对称向两侧辊缝处流动，轧件断面呈多边形。

图5 轧辊及轧件网格划分

图6 成型阶段第1机架轧制后钢管有效塑性应变云图

成型阶段第2机架轧制后的钢管如图7所示。轧件经第2机架轧制变形后，同样是在轧件与轧辊接触处，塑性变形最大，辊缝处塑性变形最小。金属以轧辊中心面对称向两侧辊缝处流动，轧件断面为六角形，与中空六角钢断面一致。

图7 成型阶段第2机架轧制后钢管有效塑性应变云图

3 对比分析

模拟产品尺寸测量位置如图8所示。为了测量模拟后产品的尺寸，将模拟后轧件断面几何尺寸以离散点的形式输出（图8a），同时将离散点拟合成曲线（图8b），以便测量产品对边尺寸。测量时在断面辊接触中间位置，受轧辊孔型约束，即此处轧辊孔型大小即是成品管尺寸；因此，模拟结果符合工艺设想，而且模拟结果达到GB/T 1301—2008标准中规定的Ⅰ级产品的要求。取9个位置点，并将所取测量点与对边用直线相连，该条线段长度即为测量值（即H22的对边尺寸），如图8c所示，测量数据见表1。同时随机测试1支热穿热拔法生产的规格代号为H22的尺寸（表1），以比较模拟结果与实物差异。图9所示为模拟后成品与实物照片。

根据GB/T 1301—2008《凿岩钎杆用中空钢》标准［8］，规格代号H22的中空六角钢对边距离基本尺寸为22.2 mm，允许偏差Ⅰ级为±0.2 mm。模拟结果中，H22对边最大值在h处，为22.29 mm；最小值在a、f、g处，为22.22 mm；a、f、g处于轧

图8 模拟产品尺寸测量位置示意

表1 模拟成品及实物测量尺寸对比mm

图9 模拟结果与实物对比

从表1可以看出：模拟尺寸略大于实物尺寸，这是因为模拟后所测量的尺寸是热状态下的产品尺寸；在实际生产过程中，产品冷却到室温后会收缩，在孔型设计时，已经考虑了热胀冷缩因素。

4 结语

利用减径机直接生产中空六角钢的工艺是可行的，即穿轧减径成型工艺可行；其产品质量能满足国家标准要求。在模拟过程中，先后进行了多次不同孔型及速度的试验，发现采用这种轧制方式时，减径机成型机架必须采用合适的孔型尺寸，特别是对成型机架单机架延伸系数及孔型椭圆度的分配，必须要满足金属合理流动的要求，否则会出现欠充满或过充满现象；成型机架单机架的延伸系数为1.15～1.25比较合适。穿轧减径成型工艺方法的提出，为生产中空六角钢提供了一种新的方法，对提高产品生产节奏、降低生产成本很有利。

［1］郑宝龙，朱为昌，覃朝华.Y型三辊热轧中空六角钢的工艺探讨［J］.钢管，1997，26（2）：32-34.

［2］许小林.中空钢轧制过程数值模拟及尺寸精度分析［D］.秦皇岛：燕山大学，2010.

［3］肖上工.钎钢生产新工艺［J］.涟钢科技与管理，2004（2）：34-36.

［4］叶凌云，冯志勇.凿岩钎杆用中空钢热穿-热轧法生产工艺介绍［J］.凿岩机械气动工具，2008（2）：42-49.

［5］何涛，杨竞，金鑫，等.ANSYS 10.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［6］《机械工程材料性能数据手册》编委会.机械工程材料性能数据手册［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［7］于恩林，赵玉倩，闫涛，等.55SiMnMo钢热变形行为实验研究及数值模拟［C］//全国钎钢钎具会议论文集，武汉：中国钢结构协会钎钢钎具分会，2009：315-320.

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1301—2008凿岩钎杆用中空钢［S］.北京：中国标准出版社，2008.

A Process to Produce Hollow Hexagonal Bar Steel with Sizing Mill

WU Jianbing1，ZHANG Lingyan2
（1.Taiyuan Tongze Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China；2.Taizhong Coal Machinery Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China）

Elaborated in the article are the processes to produce hollow hexagonal bar steel.And a new process for this purpose is proposed，i.e.，a piercing-sizing formation process.Relevant simulation software is used to simulate the formation step of the formation-by-sizing process.The simulation result shows that it is a practical method to produce the hollow hexagonal bar steel by means of directly using the sizing mill，i.e.，the piercing-sizing formation process.In case of producing hexagonal hollow bar steel with the said formation process，suitable pass dimensions must be adapted for the formation stands of the sizing mill，while the elongation rate and pass dimensions of each individual formation stand must be in compliance with the requirement for proper metal flow.For the said elongation rate，1.15～1.25 is a satisfactory selection.

hollow hexagonal bar steel；sizing mill；piercing-sizing process；rolling process；simulation

TG306；TG333.8

B

1001-2311（2014）06-0064-04

2014-05-26；修定日期：2014-09-04）

武建兵（1979-），男，工程师，主要从事定（减）径机设备及工艺设计研究等工作。