CN112718867B - 一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属复合管成形技术领域，具体涉及一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法,金属复合管在三辊斜轧机上轧制，三辊斜轧机上设有三个轧辊，轧辊的外表面上从轧辊的小头端至轧辊的大头端依次设置有咬入段、成形段及轧平段，所述轧辊上设有单道成形波纹，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯的外壁接触。本发明能够利用三辊斜轧机在复合管坯上轧制出一道完整的螺旋波纹，同时将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，减少工艺流程，提高生产效率。

Description

一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法
技术领域
本发明涉及金属复合管成形技术领域，具体涉及一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法。
背景技术
金属复合管是指由内、外两层不同的金属管(基管、覆管)结合而成的金属复合管材，能够充分利用基管和覆管的最佳性能，因其优越的性能应用领域相当广泛。现有技术中基管和覆管之间主流的固-固相复合工艺是拉拔复合、滚压复合、旋压复合、热连轧、热挤压等方法，其中冷变形加工的复合界面通常为机械啮合，结合强度低，热变形和特殊成形过程中复合界面在高温、压力、变形作用下可以形成稳固的冶金结合，但这种方法基管和覆管之间的结合界面通常较为平整，其结合能力有限，导致金属复合管的抗剥离强度、抗扭强度难以达到设计要求。
最新的研究中，在金属复合管的结合面轧制出波纹可以显著增加金属复合管的结合强度。这种金属复合管的制备需要多机架、多孔型、多道次来实现，比如在轧机上轧出带波纹的管坯，再在另一个轧机上换一套模具进行波纹的轧平，在工艺流程和生产效率上具备改进空间。
发明内容
针对现有技术中的以上不足，本发明的目的在于提供一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，能够利用三辊斜轧机在复合管坯上轧制出一道完整的螺旋波纹，同时将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，减少工艺流程，提高生产效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，金属复合管在三辊斜轧机上轧制，三辊斜轧机上设有三个轧辊，轧辊的外表面上从轧辊的小头端至轧辊的大头端依次设置有咬入段、成形段及轧平段，所述轧辊上设有单道成形波纹，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯的外壁接触，该成形方法包括以下步骤：
S1、将芯棒穿入复合管坯中，送进三辊斜轧机中进行轧制，三个轧辊在轧制线周围互成120°布置且同向旋转，每个轧辊的轴线相对于轧制线的偏转角度为送进角，每个轧辊的端面与轧制线之间的角度为碾轧角，芯棒中心线与轧制线重合；
S2、推送机以一定的速度沿轧制线方向推送复合管坯，当复合管坯与咬入段接触，推送机停止推送，在轧辊摩擦力的作用下，复合管坯实现绕轧制线旋转并同时沿着轧制线方向运动，实现复合管坯的咬入；
S3、复合管坯由咬入段进入成形段，三个轧辊上的成形波纹在空间上错距分布，复合管坯与第一个轧辊上的成形波纹接触，在摩擦力的作用下，复合管坯转动1/3圆周并轴向进给一段送进距离，复合管坯上轧出一道次螺旋波纹，此时，第二个轧辊上的成形波纹与一道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在一道次螺旋波纹的基础上轧出二道次螺旋波纹，随后，第三个轧辊上的成形波纹与二道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在二道次波纹的基础上轧出三道次螺旋波纹，如此三道次波纹渐进成形，在复合管坯上轧制出一道完整的螺旋波纹；
S4、复合管坯继续旋转进给，经过轧平段，将复合管坯上外壁上的螺旋波纹轧平，在复合管坯的结合界面上轧制形成波纹结合面。
通过采用上述技术方案，基于现有技术中三辊斜轧机轧制无缝钢管的技术，在此基础上又对轧辊进行了改进设计，在轧辊上加入成形波纹，成形段对复合管坯减壁减径的同时，又能在复合管坯的外壁上成形出波纹，轧出波纹的复合管坯随后经过轧平段轧平，在复合管坯上轧制出波纹结合面，增加金属复合管的结合强度，将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，减少工艺流程，提高生产效率，同时由于三个轧辊上的成形波纹是错距分布的，如果成形波纹在三个轧辊上同步分布，复合管坯经过成形段时，会轧制出三道螺旋波纹，这样复合管坯表面存在变形严重、表面粗糙、产生裂纹、难以轧平等一系列问题，而本发明成形波纹在三个轧辊上分布的位置有一个差值，复合管坯旋转的同时沿轧制线轴向进给，第一个轧辊上的成形波纹接触到复合管坯时，第二个轧辊上和第三个轧辊上的成形波纹还没接触到复合管坯，第二个轧辊上的成形波纹接触到复合管坯时，第三个轧辊上的成形波纹还没接触到复合管坯，即每隔1/3周，三个轧辊上的成形波纹依次对复合管坯上同一道螺旋波纹进行轧制，这样保证三个轧辊最终轧制出的是同一道螺旋波纹，避免轧出多道螺旋波纹以带来上述一系列问题。
本发明进一步设置为：在步骤S1之前还包括步骤S0：选取基管与覆管，按照基管在内、覆管在外的顺序组合制坯，得到复合管坯。
本发明还进一步设置为：在步骤S3之后还包括步骤S4：从复合管坯中抽出芯棒，将轧完的复合管坯进行切头围，热处理，矫直，分段，得到最终的金属复合管成品。
本发明还进一步设置为：与复合管坯先接触的成形波纹位于咬入段的末端，与复合管坯后接触的成形波纹位于成形段。通过本设置，复合管坯在咬入的过程中就与第一个轧辊上的成形波纹接触，咬入段稳定咬入的过程中同时成形波纹切入，使得复合管坯稳定到成形波纹上。
本发明还进一步设置为：所述成形波纹垂直于轧平段布置。通过本设置，成形波纹在轧制复合管坯的外壁时是垂直于轧平段的，在整个波纹成形过程中咬入更稳定，可以减少对复合管坯的阻力，使得复合管坯可以顺利进给，能够使复合管坯顺利过渡到成形段，从而在复合管坯的外壁上成形出高质量的波纹。
本发明还进一步设置为：三个轧辊上的成形波纹尺寸相同。通过本设置，一致尺寸的成形波纹可以在复合管壁上轧出均匀的深浅一致的波纹。
本发明还进一步设置为：在三个轧辊中，与复合管坯后接触的成形波纹的尺寸大于与复合管坯先接触的成形波纹的尺寸。通过本设置，以圆弧形状的成形波纹为例，先接触的成形波纹直径小便于波纹咬入，可以提高复合管坯咬入段的质量，但当覆管较厚时，小直径的波纹所压出的波纹太浅，轧平后也难以呈现理想的波纹结合界面，而起始小直径的圆弧成形波纹随后立马变为大直径的成形波纹会使得复合管坯表面所轧制出的波纹没有渐变过渡而变形严重，影响成形的波纹质量，为此可以通过三个轧辊上的成形波纹设置成渐进式，第一个轧辊、第二个轧辊和第三个轧辊上的成形波纹尺寸不一样，可以使得所轧制的小波纹平缓过渡到大波纹，然后轧平，提高成形质量。
本发明的优点是：1)复合管坯在减壁减径的同时，又能在外壁上成形出波纹，轧出波纹的复合管坯随后经过轧平段轧平，在复合管坯上轧制出波纹结合面，增加金属复合管的结合强度，将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，减少工艺流程，提高生产效率；2)三个轧辊上的成形波纹依次错距分布，可以保证三个轧辊轧制的是同一道螺旋波纹，避免非错距波纹轧制三道波纹而使得复合管坯表面变形严重、表面粗糙、产生裂纹、难以轧平等一系列后果，形成的螺纹升角式波纹结合面可以提高复合管坯的抗剥离和抗扭强度。
附图说明
图1为本发明的三辊轧制示意图；
图2为本发明中轧辊的结构示意图；
图3为本发明中三个轧辊并列时的示意图；
图4为本发明中复合管坯的展开图。
附图标记：第一轧辊100、第二轧辊101、第三轧辊102、咬入段103、成形段104、轧平段105、成形波纹106、复合管坯200、基管201、覆管202、芯棒203、一道次螺旋波纹301、二道次螺旋波纹302、三道次螺旋波纹303。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例：如图1至图4中所示，
一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，金属复合管在三辊斜轧机上轧制，三辊斜轧机上设有三个轧辊，轧辊的外表面上从轧辊的小头端至轧辊的大头端依次设置有咬入段103、成形段104及轧平段105，所述轧辊上设有单道成形波纹106，成形波纹的形状可以是圆弧形、矩形、正弦波形等，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯200的外壁接触，为了方便表述，以成形波纹与复合管坯接触的先后顺序为准，三个轧辊分别为第一轧辊100，第二轧辊101和第三轧辊102。与复合管坯先接触的成形波纹位于咬入段的末端，与复合管坯后接触的成形波纹位于成形段，复合管坯在咬入的过程中就与第一个轧辊上的成形波纹接触，咬入段稳定咬入的过程中同时成形波纹切入，使得复合管坯稳定到成形波纹上。成形波纹垂直于轧平段布置，成形波纹在轧制复合管坯的外壁时是垂直于轧平段的，在整个波纹成形过程中咬入更稳定，可以减少对复合管坯的阻力，使得复合管坯可以顺利进给，能够使复合管坯顺利过渡到成形段，从而在复合管坯的外壁上成形出高质量的波纹，同时可实现复合管坯上成形出的螺旋波纹波峰与波谷均一致，不形成梯度型波纹，轧平段轧平波纹时，复合管坯受力一致，避免了轧制力不一致导致基管与覆管结合处产生鼓包的后果，保证了复合管坯表面质量，提高了复合管坯的结合质量。
三个轧辊上的成形波纹尺寸可以是相同的，一致尺寸的成形波纹可以在复合管壁上轧出均匀的深浅一致的波纹。此外，三个轧辊上的成形波纹尺寸也可以像本实施例中这样设计成不同的，在三个轧辊中，与复合管坯后接触的成形波纹的尺寸大于与复合管坯先接触的成形波纹的尺寸(成形波纹的高度、宽度)，以圆弧形状的成形波纹为例，先接触的成形波纹直径小便于波纹咬入，可以提高复合管坯咬入段的质量，但当覆管较厚时，小直径的波纹所压出的波纹太浅，轧平后也难以呈现理想的波纹结合界面，而起始小直径的圆弧成形波纹随后立马变为大直径的成形波纹会使得复合管坯表面所轧制出的波纹没有渐变过渡而变形严重，影响成形的波纹质量，为此可以通过三个轧辊上的成形波纹设置成渐进式，第一个轧辊、第二个轧辊和第三个轧辊上的成形波纹尺寸不一样，可以使得所轧制的小波纹平缓过渡到大波纹，然后轧平，提高成形质量。
该成形方法具体包括以下步骤：
一、选取基管201与覆管202，按照基管在内、覆管在外的顺序组合制坯，基管的变形抗力小于覆管的变形抗力，使得变形能够由外至内深入到基管，再将组合制坯送入压力机中压紧，获得复合管坯，如此，给予复合管坯一定的预紧力，一定程度上缓解基管和覆管变形抗力不同带来的变形差异；
二、将芯棒203穿入复合管坯中，芯棒中心线与复合管坯以及轧制线位于同一直线上，复合管坯内表面与芯轴接触，芯棒为光滑圆芯棒，在轧制过程中，复合管坯由覆管向基管方向变形，这样可以利用现有的脱模设备对成形后的金属复合管进行脱模，将带有芯棒的复合管坯送进三辊斜轧机中进行轧制，三个轧辊在轧制线周围互成120°布置且同向旋转，每个轧辊的轴线相对于轧制线的偏转角度为送进角，该值大小是一个浮动值，根据所需轧制复合管坯尺寸进行调整，送入角可实现复合管坯旋转以及轴向进给，送入角大小直接影响复合管坯成形的圆整度；每个轧辊的端面与轧制线之间的角度为碾轧角，芯棒中心线与轧制线重合；
三、推送机以一定的速度沿轧制线方向推送复合管坯，当复合管坯与咬入段接触，推送机停止推送，在轧辊摩擦力的作用下，复合管坯实现绕轧制线旋转并同时沿着轧制线方向运动，实现复合管坯的咬入；
四、复合管坯由咬入段进入成形段，三个轧辊上的成形波纹在空间上错距分布，复合管坯与第一个轧辊上的成形波纹接触，在摩擦力的作用下，复合管坯转动1/3圆周并轴向进给一段送进距离，复合管坯上轧出一道次螺旋波纹301，此时，第二个轧辊上的成形波纹与一道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在一道次螺旋波纹的基础上轧出二道次螺旋波纹302，随后，第三个轧辊上的成形波纹与二道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在二道次波纹的基础上轧出三道次螺旋波纹303，如此三道次波纹渐进成形，在复合管坯上轧制出一道完整的螺旋波纹；
对于单波错距轧制，三个轧辊上的波纹错距排布，其目的是使得不同轧辊之间压出的波纹能够结合，从而在整个轧制过程中三个轧辊共同压出一道渐进的螺旋波纹。
斜轧时金属相对轧辊表面发生切向和轴向滑动，根据实际经验，切向滑动相对较小，切向滑移系数可近似取为ηt≈1；
复合管坯主要发生轴向滑动，其中，复合管坯轧制时轴向滑移系数可按经验公式计算，
Figure BDA0002826555650000081
其中，ηix为第i段的轴向滑移系数；
μ为摩擦系数；
α为送进角；
dri,dci为第i段入口、出口处的管坯直径；
dp为芯棒直径；
Mci为第i段出口处的波纹面积。
斜轧过程中，复合管坯除绕本身轴线转动外，还沿轧制线向前进给，在得到了轴向、切向滑移系数后，可以计算出当复合管坯旋转1/3圆周时，即复合管坯上与前一个轧辊接触的某点旋转到与后一个轧辊的接触位置时，复合管坯的送进距离s，该距离可根据经验公式计算如下：
Figure BDA0002826555650000082
其中，
Figure BDA0002826555650000091
为第i段出口处截面面积；
Figure BDA0002826555650000092
为第i段入口处截面面积；
Mri为第i段入口处的波纹面积；
故对于单波错距斜轧，第一轧辊与第二轧辊二之间成形波纹的间距应为s1；第二轧辊与第三轧辊之间成形波纹的间距应为s2。
五、复合管坯继续旋转进给，经过轧平段，将复合管坯上外壁上的螺旋波纹轧平，在复合管坯的结合界面上轧制形成波纹结合面。
六、从复合管坯中抽出芯棒，将轧完的复合管坯进行切头围，热处理，矫直，分段，得到最终的金属复合管成品。
通过采用上述技术方案，基于现有技术中三辊斜轧机轧制无缝钢管的技术，在此基础上又对轧辊进行了改进设计，在轧辊上加入成形波纹，成形段对复合管坯减壁减径的同时，又能在复合管坯的外壁上成形出螺旋波纹，单一横波纹结合面很大程度上提高了金属复合管的抗剥离强度，但无法提高基管和覆管之间的抗扭强度，单一纵波结合面大大提高了金属复合管的抗扭强度，但无法提高提高基管和覆管之间的抗剥离强度，螺旋波纹则结合了横波纹、纵波纹的优势，轧出螺旋波纹的复合管坯随后经过轧平段轧平，在复合管坯上轧制出波纹结合面，增加金属复合管的结合强度，将波纹轧制和波纹轧平两种工艺集成在一套轧辊上，三道次粗轧一体化以及粗轧与精轧一体化，在很大程度上，减少工艺流程，提高生产效率，节约了加工时间和成本且耗能低，并能大规模生产。同时由于三个轧辊上的成形波纹是错距分布的，如果成形波纹在三个轧辊上同步分布，复合管坯经过成形段时，会轧制出三道螺旋波纹，而本发明成形波纹在三个轧辊上分布的位置有一个差值，复合管坯旋转的同时沿轧制线轴向进给，第一个轧辊上的成形波纹接触到复合管坯时，第二个轧辊上和第三个轧辊上的成形波纹还没接触到复合管坯，第二个轧辊上的成形波纹接触到复合管坯时，第三个轧辊上的成形波纹还没接触到复合管坯，即每隔1/3周，三个轧辊上的成形波纹依次对复合管坯上同一道螺旋波纹进行轧制，这样保证三个轧辊最终轧制出的是同一道螺旋波纹，避免轧出多道螺旋波纹以带来的复合管坯表面存在变形严重、表面粗糙、产生裂纹、难以轧平等一系列问题。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，金属复合管在三辊斜轧机上轧制，三辊斜轧机上设有三个轧辊，轧辊的外表面上从轧辊的小头端至轧辊的大头端依次设置有咬入段、成形段及轧平段，其特征是，所述轧辊上设有单道成形波纹，成形波纹分布于咬入段的末端与成形段的末端之间，三个轧辊上的成形波纹错距分布，三个轧辊上的成形波纹先后依次与复合管坯的外壁接触，该成形方法包括以下步骤：
S1、将芯棒穿入复合管坯中，送进三辊斜轧机中进行轧制，三个轧辊在轧制线周围互成120°布置且同向旋转，每个轧辊的轴线相对于轧制线的偏转角度为送进角，每个轧辊的端面与轧制线之间的角度为碾轧角，芯棒中心线与轧制线重合；
S2、推送机以一定的速度沿轧制线方向推送复合管坯，当复合管坯与咬入段接触，推送机停止推送，在轧辊摩擦力的作用下，复合管坯实现绕轧制线旋转并同时沿着轧制线方向运动，实现复合管坯的咬入；
S3、复合管坯由咬入段进入成形段，三个轧辊上的成形波纹在空间上错距分布，复合管坯与第一个轧辊上的成形波纹接触，在摩擦力的作用下，复合管坯转动1/3圆周并轴向进给一段送进距离，复合管坯上轧出一道次螺旋波纹，此时，第二个轧辊上的成形波纹与一道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在一道次螺旋波纹的基础上轧出二道次螺旋波纹，随后，第三个轧辊上的成形波纹与二道次复合管坯波纹接触，复合管坯再次转动1/3圆周并轴向进给同等的送进距离，在二道次波纹的基础上轧出三道次螺旋波纹，如此三道次波纹渐进成形，在复合管坯上轧制出一道完整的螺旋波纹；
S4、复合管坯继续旋转进给，经过轧平段，将复合管坯上外壁上的螺旋波纹轧平，在复合管坯的结合界面上轧制形成波纹结合面。
2.根据权利要求1所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，在步骤S1之前还包括步骤S0：选取基管与覆管，按照基管在内、覆管在外的顺序组合制坯，得到复合管坯。
3.根据权利要求2所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，在步骤S4之后还包括步骤S5：从复合管坯中抽出芯棒，将轧完的复合管坯进行切头围，热处理，矫直，分段，得到最终的金属复合管成品。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，与复合管坯先接触的成形波纹位于咬入段的末端，与复合管坯后接触的成形波纹位于成形段。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，所述成形波纹垂直于轧平段布置。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，三个轧辊上的成形波纹尺寸相同。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法，其特征是，在三个轧辊中，与复合管坯后接触的成形波纹的尺寸大于与复合管坯先接触的成形波纹的尺寸。
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