不锈钢管穿孔工艺及其限制条件

  不锈钢管坯料在穿孔机上直接穿孔的工艺，适用于空心坯直径大于100mm的孔。因为空心坯的内孔大于100mm时，预钻孔的金属消耗太大，影响挤压不锈钢管的经济性。而内孔直径大于100mm的空心坯，穿孔时采用的芯棒直径比较大。因此，穿孔芯棒能承受压力的刚性和稳定性增加，提高了穿孔芯棒承受极限穿孔力的能力。采用穿孔工艺时，不仅能获得高质量的空心坯，同时提高了挤压不锈钢管的成材率。

 对于空心坯直径超过150mm的孔，采用扩孔工艺是不合适的。因为在这种情况下，需要预钻孔的直径超过35mm,增加了金属消耗。如果采用二次扩孔工艺，则又要影响机组的生产率。穿孔的空心坯规格与穿孔力和被加工的材料以及挤压机的产品大纲有关。不同能力的穿孔机所采用的最大不锈钢管坯料的尺寸如下：

     穿孔机的能力／MN            9         12         20          25

     坯料最大直径／mm          270      310       400         480

    空心坯最大长度／mm       700      1000      1250      1400

  穿孔时，为了减小坯料与穿孔筒内衬之间的间隙，坯料需经过预镦粗工序，目的是为了提高穿孔后空心坯的同心度和减小空心坏内孔的弯曲度，此外还满足以下条件：

   对于碳素钢和合金钢，坯料和穿孔筒内衬直径之差6~15mm;

   对于不锈钢和高合金钢，坯料和穿孔筒内衬直径之差2~3mm。

  同时，还须考虑到在坯料装入穿孔筒时，厚度约为1mm的润滑剂层不被擦掉。

  为了使还料在穿孔筒内衬中的对中，经常把内衬做成不大的锥度（1：500).这也便于在推出坯料时，空心坏能顺利退出。

穿孔时的延伸系数 μ_pt 等于敦粗时的延伸系数  μ_f 和穿孔时的延伸系数  μ_p 的乘积：

 μ_pt =  μ_t μ_p   (2 -11)

其中，每一个系数都被定义为坯料的原始面积和变形后的面积的比值。因此，可以通过工艺工具尺寸的延伸系数完成以下形式：

  在预钻孔坯料直接扩孔时，扩孔力可以按照实心坯料穿孔的公式计算，取低于其25%~30%的穿孔力。坯料在镦粗和穿孔过程中，其长度发生两次变化，镦粗后坯料被压缩变短，其期向减小的体积等于径向增加的体积。穿孔之后，坯料长度变长，轴向增长的体积等于穿孔头所穿出的整个内孔的体积。制定工艺制度时，可按下式确定镦粗坯料的长度和穿孔后坯料的长度：L_p:

  根据尼科波尔南方钢管厂的经验，在无对中的穿孔杆自由穿孔芯棒穿孔时，穿孔芯棒的强度安全系数的选择不能小于4。在实心坯料进行穿孔时，影响穿孔后空心坯同心度和内孔弯曲度，进而导致在挤压时影响到挤压钢管壁厚不均度极限值的重要参数是空心坯长度L_z与其内孔的直径d_z的比值。

一般情况下，为了确保空心坯的同心度和其内孔的直线度，将参数L_z/d_z值限制在以下范围内：对于实心坯料穿孔时，L_x/d_x=5~7;碳钢穿孔时为7; 不锈钢穿孔时为5~6.

根据关于空心坯长度与其内径之比对于321不锈钢坯料穿孔后空心坯壁厚不均影响的试验结果显示，随着L_x/d_x的比值从4.4增大到6.1时，穿孔后空心坯的壁厚不均增大到15%.

当坯料和穿孔筒内衬之间的间隙增大，而穿孔前坯料又没有充分镦粗，穿孔后空心坯的壁厚不均增大。如果间隙从3mm增大至15mm,则空心坯的壁厚不均提高到5%~15%.

当坯料镦粗时，在金属中要达到为完全充满间隙所足够的单位压力，但又不能使工具超负荷。对于321不锈钢，镦粗最佳的单位压力值计算得出为100~150MPa,否则，将使空心坯的壁厚不均增大。

采用图2-29所示断面形状的穿孔头作为实心坯料的穿孔工具时，得到的穿孔空心坯的壁厚不均较小。这已经在生产实践中得到证实。

坯料穿孔时，穿孔头承受最繁重的工作条件，其工作带和沿外径的棱缘，即侧面和端面的圆角承受最大的加热和磨损（图2-30),棱缘的磨损引起穿孔空心坯的壁厚不均匀。而当这种棱缘磨损不均衡，甚至是单方面的磨损时，对产生空心坯壁厚不均匀的影响将特别严重。

 一般采用热稳定性好、钨含量高的钢来制造穿孔头，如3Cr2W8V、4Cr5W2VSi、35Cr5WMoSi、Ni12等钢种，并用制造穿孔芯棒的余料来制造。其用于穿孔不锈钢坯料时，穿孔头的使用寿命不超过30~40次／只。

 生产中，轮流地利用安装在穿孔芯棒上的成套穿孔头（由10~15个组成）是最有效的。穿孔芯棒采用不同的对中系统对空心坯壁厚不均有影响。坯料经过定心的穿孔垫镦粗和穿孔之后，得到的空心坯的壁厚不均最小。仅极少数空心坯的壁厚不均达到3mm.在这种情况下，空心坯长度L,与内径d,之比可以增大至7。

 为了消除穿孔头侧面和端面棱缘的不均匀磨损，减小穿孔空心坯的壁厚不均，在现代化穿孔机上，采用了镦粗杆和穿孔芯棒运动的套管系统（图2-31)。坯料镦粗后，镦粗杆不返回，而是继续压在坯料上，这样可以让穿孔芯棒精确地对准坯料中心，并减小穿孔芯棒的自由长度。

 采用波状的穿孔头进行穿孔时，实现了穿孔头对于穿孔坯料的附加定心。穿孔时借助于插在穿孔头切口上的弹簧，将穿孔头固定在穿孔杆上。

 带有穿孔杆在套管系统中运动的穿孔机上的穿孔头，其使用条件十分恶劣，稳定性能良好的高钨钢制造，如4Cr5W2VSi和3Cr2W8V或H13等。

 可以将穿孔头和高温坏料的接触表面做成有圆弧倒棱的凹面（图2-32)这样可以保证在整个穿孔周期中，润滑剂均匀地进入变形区，以提高穿孔后空心坯的质量。

 加热温度及其在坯料中分布的均匀性对穿孔后空心坯壁厚不均的影响试险表明：温度从1160℃升高到1225℃穿孔时，空心坯的平均壁厚不均值下降了36.5%.这是由于穿孔力下降所致。

 穿孔前，不锈钢管坯料的加热温度应该是均匀的，但要做到加热温度绝对均匀是不现实的。一般当坯料横截面上的温差不超过30℃时，得到的结果是可以令人满意的。这是由于加热到高温的坯料在输送过程中，低温区通过热传导而使温度得到补偿。但在感应加热炉中加热的坯料端部温度降低，引起坯料在长度上，尤其是端面温差增大时，会导致穿孔后空心坯壁厚不均和内孔弯曲度增加。

 此外，穿孔头的形状不正确，穿孔头和穿孔对中模的间隙不当等，都会导致空心坯壁厚不均或内孔弯曲。但当穿孔头带有导向的尖头时，可以减小空心坯偏心或内孔弯曲缺陷。

 采用带有定心孔的实心坯料穿孔，也可以提高穿孔后空心坯的同心度和内孔的平直度。定心孔的直径大小与穿孔头头部导向尖的直径相匹配，定心孔的深度为不锈钢管坯料上部端面起1/4~1/3坯长。这是由于在坯料穿孔的不稳定阶段，定心孔的导向作用对穿孔后空心坏的质量起到事半功倍的效果所致。