基于无缝钢管顶管机组成型工艺参数研究

摘 要：研究无缝钢管顶管机组成型工艺参数，能够有效降低了生产无缝钢管的时间，对提升无缝钢管企业的生产效率，具有重要作用。本文在对影响顶管机变形的因素进行深入分析的基础上，分别对无缝钢管顶管机的孔型参数和力能参数进行了计算，以期为相关人士提供借鉴和参考。

关键词：顶管机；工艺参数；孔型设计

前言：随着社会经济的不断发展和社会生产力的进一步提高，钢管在我国经济发展中的地位日益凸显，特别是无缝钢管，取得了巨大发展成效，被广泛应用于工业及国防领域。但与发达国家相比，产品质量还存在一定的差距，生产能力分散和工艺技术不完善等问题制约了无缝钢管生产企业的发展。因此，研究无缝钢管机组特别是常规顶管机组成型工艺参数，对提升工艺技术，提高无缝管产品质量具有重要的现实意义。

一、影响顶管机变形的因素

（一）缩口质量

缩口质量是影响顶管机变形的重要因素之一，顶管机能否正常工作，取决于缩口质量的好坏。缩口质量较好，能够有效提升钢管的成材率和无缝钢管的生产效率。如缩口质量不佳，管坯温差过大，则不利于无缝钢管轧制的进行。因此，提升缩口质量，优化缩口壁厚均匀性对提升成材率具有极其重要作用。

（二）管坯加热状况

为了提升金属的塑性，易于材料变形，必须对管坯进行有效加热，改变其内部性能和属性，在加热的过程中，应注意控制加热温度。加热温度过高，容易使管坯过热、晶粒粗大，增加管坯表面的氧化程度，使金属消耗成本进一步增加，降低了成材率。加热温度不足，容易使管坯的塑性降低，不容易产生变形，从而使得顶管机的工作负荷进一步增加。因此，将管坯的加热状况控制在合理的范围内，均匀加热，能够有效保证无缝钢管生产工作的正常进行，降低金属的消耗成本，提升生产效率[1]。

（三）变形工艺参数

变形工艺依据生产产品的规格，确定每一种产品的变形量标准。其中，产品的变形工艺参数主要是指孔型的分布和排列。孔型参数的分布和排列直接影响了顶管机的变形，如果不能合理设置变形工艺参数，就无法保证无缝钢管的生产质量，因此，在生产无缝钢管的过程中，应格外重视变形工艺参数的设定。

二、顶管机孔型参数计算

（一）三辊式辊模简介

四辊式辊模的变形性能较三辊式辊模更均匀，但管子的稳定性较差。而三辊式辊模的延伸性和稳定性都比四辊式辊模要好，因此是无缝钢管生产经常采用的顶管机辊模类型。同时，由于维修费用随辊子数量的增加而增加，因此为降低维修费用，无缝钢管生产企业大多采用三辊式辊模进行生产。

（二）孔型设计原则

轧制表是穿孔机和轧管机进行孔型设计的基础，轧制表中规定的各项工序的减径量和减壁量，是进行孔型设计的理论依据。其中，顶管机型系列的确定应在保持无缝钢管生产质量的基础上，采用尽可能少的系列数，从而提升生产的效率，降低生产成本。在具体的孔型设计时应注意以下几点：首先，应考虑顶管机在正常运行时最大的变形力；其次，要注意三辊式辊模的最大变形量；第三，要将管坯坯底最大承载力考虑在内，最后，要了解轧制材料的变形性能和机床的负荷能力[2]。

（三）孔型計算步骤

首先要在对脱棒间隙和插棒间隙综合考虑的基础上，确定芯棒的直径，进而确定毛管的总延伸率。芯棒直径的计算公式如下：

其中， 代表毛管的外径，S0代表毛管的厚度。

然后，确定变形所需要的机架总数，进而计算每个机架的断面收缩率，求出每个机架的横截面面积。再根据孔型的直径计算孔型的椭圆度，并将求出的椭圆度结果进行适当调整，以防止因变形导致的毛管破裂。最后，计算孔型的修正参数，确定孔型的半径，检验金属横截面的面积，进行适度调整，保证无缝钢管生产的质量。

（四）孔型加工参数

孔型加工方法有两种，第一种方法是采用单独对每个轧制品进行铣削，第二种方法是将采用专门的孔型加工机床，对三个轧辊同时进行铣削。利用单独加工的方式，能够突破机床的限制，具有灵活性的特征，但容易导致孔型的边缘破损。在依据孔型设计图进行加工的过程中，需要明确轧槽圆弧半径和偏心距两个参数。采用集中加工的方式，能够有效避免孔型边缘破裂，但其对机床和轧制刀具的要求较高，生产成本较大。在加工过程中，要明确刀具的直径和偏移量两个参数。

三、顶管机力能参数计算

（一）变形抗力计算

金属是由原子构成的，原子之间既存在吸引力，又存在抵抗力。由于抵抗力的影响，原子被迫离开原来位置，产生弹性形变。随着原子偏移距离越来越远并趋于稳定，又会产生塑性形变。为了定义金属的塑性形变，人们通常用金属塑性形变抵抗力来表示物体抵抗力的强弱。其表达式如下：

其中，x代表金属的化学成分，t代表金属变形的温度， 代表金属变形的速率， 代表金属变形的程度。

（二）顶管机顶推力计算

顶管机的顶推力是设计顶管机的理论依据，是提高顶管机生产能力的关键。影响顶管机顶推力的因素主要有毛管的变形量、管坯的变形抗力和机架的间距。为了求得顶管机的顶推力，首先要求出单架顶管机的顶推力，然后采取建模的方法，求得第n架顶管机的顶推力，再根据计算结果，分析顶推力随机架分布方式的变化规律，从而合理安排机架位置，确保顶推力达到最强。

结论：通过以上研究发现，在研究无缝钢管顶管机工艺参数的过程中，探究影响顶管机变形的因素，有利于提升顶管机的生产工艺，为企业创造更大的经济效益。在此基础上，对顶管机的力能参数和孔型参数进行计算，能够避免变形等情况的发生，降低维修费用。因此，在研究无缝钢管顶管机工艺参数的过程中，可以采用上述方法。

参考文献：

[1]李群.关于增加轧件外端改善无缝钢管变形的讨论[J].钢管，2017，46（01）：60-63.[2017-08-05].

[2]姜玉梅.适应新常态加速推进无缝钢管行业供给侧结构性改革[J].宝钢技术，2017，（02）：1-9.[2017-08-05].

作者简介：

杨永昌 （1984年），男，天津人，汉族，现职称：工程师，学历：硕士，研究方向： 石油专用管开发及评价.