熱軋無縫鋼管二輥斜軋穿孔工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱軋無縫鋼管二輥斜軋穿孔工藝，包括軋輥設計、導板設計和頂頭設計，通過建立軋輥和導板的空間模型，將軋輥、導板和頂頭的特征點關系以函數的方式列出并進行初步計算，得出軋輥、導板和頂頭的主要參數，再進一步借助于計算機編程進行復雜的迭代計算，從而快速準確地獲得軋輥、導板和頂頭的各個特征點，將設計組裝好的工模具在現場試用后，大大提高和工模具壽命和產品質量，其實用性得到了生產驗證。本發明實現了工模具設計、工藝參數計算和毛管規格預測的功能，可直接用于指導二輥斜軋穿孔機的設計、改造升級和生產，大大提高了工模具壽命和產品質量。
【專利說明】熱禮無縫鋼管二結斜禮穿孔工藝
【技術領域】
[0001] 本發明涉及熱社無縫鋼管領域，具體是一種熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝。
【背景技術】
[0002] 二親斜社穿孔機工作的實質是將實也的管逐或鋼錠穿孔并社制成空也的毛管，對 其穿孔工藝的要求是：首先要保證穿出的毛管壁厚均勻，楠圓度小，幾何尺寸精度高；其次 是毛管的內外表面要較光滑，不得有結瘤、折疊、裂紋等缺陷；最后是要有相應的穿孔速度 和社制周期，W適應整個機組的生產節奏，使毛管的終社溫度能滿足社管機的要求。
[0003] 二親斜社穿孔機包括社親、頂頭和導板；社親是主傳動外變形工具，其特征尺寸為 社親最大直徑和親身長度；頂頭是穿孔機的內變形工具，頂頭設計的總原則是合理而均勻 地分配變形，并使頂頭穿孔阻力為最小；導板是固定不動的外變形工具，不僅起到管逐和毛 管的導向作用，使社制線穩定，而更重要的是封閉孔型外環、限制毛管橫向變形，W保證獲 得較大的延伸系數和得到薄壁毛管。
[0004] 由于社管、頂頭和導板是空間H維關系，采用H維制圖設計的工程量過大。目前， 國內普遍將其轉換為平面幾何進行設計，并采用經驗法設計，該樣做的原因有兩方面；一方 面孔型封閉性無法保證，另一方面提供的工藝參數較實際有較大出入，只能靠有經驗的調 整工驗證修正。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，用于指導實際生 產。
[0006] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案： 一種熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，其特征在于，包括社親設計、導板設計和頂頭設 計，具體流程如下： 1)建立社親空間模型： 社親為空間繞一定軸的回轉體，其母線通常為數條曲線的組合，分別構造每一條曲面 的空間方程，建立親面任一母線的空間坐標系； 設社親為上下布置，左右配置導板，社親的送進角為a，碼社角為目，社親 的親面繞X軸旋轉目形成碼社角目后，繞Z軸旋轉a '形成送進角a，其中 a，二arctan (tan a 本COS ( P)); 設（X，y，z)為乳親親面任意一點，則親面標準錐面方程為 X-2+ z，2=[r賴/tan(目）+y]。2 *tan(目）。2 I 其中胃為化喉處親面的半徑； 將標準親面繞X軸旋轉P后，在原坐標系中坐標值變化為（X'，y'，Z'），且有 X' 二XCOS P-ysin P 屈 y'=XsinP+ycos P ?、感 Z' =Z 減 接著繞Z軸旋轉a '角，在原坐標系中坐標變為（X'', y''，Z'')，且有 X'' =x，；④ y,, = y, COSO , -Z, Sina ,;⑥ Z" = y> sin 口 > _z> COS 口 > :⑧ 沿著Z軸平移h，坐標變化為 X，，， =x，，⑦ y，，，=y，，⑨ Z，，，=Z，，-h ⑨ 將式①-⑨，代入方程I得到此時錐面在原坐標系中的方程： k1*x"2 + k2*y"2+ k3*z"2 + k4xy+ k5xz+ k6yz + k7x + k8y + k9z + k I 0 = 0 II kl-klO為社親錐面特征表達式； 根據上述關系式，建立親面的空間數學模型； 作一平面y=t,社親親面被該平面所截，截面方程為；kl*x'化k2*t'2+ k3*z'化k4xt+k 5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+kl0=0 ;在此截線上必然存在一點Mt (X, t, z)其到社制線y軸的距 離最短，而接觸跡線是對應不同t的點Mt的集合； 對于沿社制方向給定的截面y=t，在親面的截線上的點到y軸的距離為 R(t)=sqrt(x'化z'2);而在該些距離中的最小值就是該截面親面上接觸跡點到社制線的距 離，此距離即為孔型開度，對于給定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此構造函數： G (X, t, z)=x-2+z'2+入化l*x'2+ k2*t-2+k3*z'2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+ klO)； 對R (t)有最小值，則有；=O ; ^ =O ; OX 忠 聯立W上方程，解出接觸點化的坐標； 2) 建立導板空間模型 與社親類似，建立導板工作面的空間曲面方程： kll*x"2+ k22*y"2+ k33*z"2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k99z+kl00=0 III kll-klOO為導板錐面特征表達式 將方程II和III進行聯立求解方程組，則得導板的關鍵特征點OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、 孤b、Cr ; 3) 頂頭設計 頂頭直徑Dd=Dm-2* Sm-CH，其中Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚，CH為毛管與頂 頭的間隙值，由經驗公式得，CH=化09+0. 076蝴p)-(0. 007+0. 0013蝴P)* 5 m ;平滑段長度 LGT2=SF* 31蝴m/2*TAN ( a )，其中SF為平滑系數1. 5-1. 7, a為送進角；頂頭平整段錐角 目CT2=arctan{[R(y2)-R(yi)V( ya-Yi)}，其中yi、Y2為空間求開度值的截面縱坐標，R(Ys)和 R(yi)為對應坐標的開度值；毛管壁厚Sm= R(LD-LDl)-Dd,計算出LD值；LR=LD-LGT2;頂 頭穿孔段末端直徑DR=Dd-2* LGT2*tan (目。了2);頂頭位置LDl通過迭代公式巧P-R (LDl) ] / Dp=O. 06 + 0. 005而得，其中R(LDl)為y=LDl的開度值；平整段長度LZ取經驗數值20 ;反錐 段長度Lround取經驗數值30 ;通過上述計算，頂頭關鍵參數確定； 4)采用計算機編程進行求解，然后組裝工模具，投入生產 根據步驟O-步驟3)的算式，采用計算機編程來對整個過程進行求解，借助于計算 機進行迭代計算，快速準確地獲得社親、導板和頂頭的各個特征點，使毛管規格達到目標規 格；根據計算結果，將設計好的社親、導板和頂頭組裝好，投入生產。
[0007] 作為本發明進一步的方案；根據經驗直徑壓下率曲線，擬合社親社制不同規格毛 管的直徑壓下率函數： y=pl+p2*x+p3/x+p4*x"2+p5/x"2+p6*x"3+p7/x"3+p8*x"4+p9/x"4+pl0*x"5 ⑩ Pl-PlO為社親親面坐標擬合后的曲線常量，y代表實際直徑壓下率，X代表目標毛管的 徑厚比，即Dm/ 5 m，Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚，管逐直徑壓下率通過式⑩確定。
[0008] 作為本發明進一步的方案；管逐直徑壓下率還通過人工修正y值得到，親距E=Dp* (1-y)，化為逐料直徑，y值視毛管材質而定，碳鋼毛管的y=〇. 84-0. 9 ;低合金鋼毛管的 y=0. 85-0. 9 ;高合金鋼毛管的 y=0. 88-0. 91。
[0009] 與現有技術相比，本發明的有益效果是；實現了工模具設計、工藝參數計算和毛管 規格預測的功能，可直接用于指導二親斜社穿孔機的設計、改造升級和生產，大大提高了工 模具壽命和產品質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是社親曲面整體空間坐標系； 圖2是社親的任一母線空間坐標； 圖3是社親設計圖； 圖4是經驗直徑壓下率曲線； 圖5是擬合直徑壓下率曲線； 圖6是導板主視圖； 圖7是導板俯視圖； 圖8是頂頭設計圖； 圖9是二親斜社穿孔機工作示意圖。
【具體實施方式】
[0011] 下面將結合本發明實施例及附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實 施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0012] 本發明實施例中，一種熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，包括社親設計、導板設計 和頂頭設計，具體流程如下： 1)建立社親空間模型： 請參閱圖1-3,社親為空間繞一定軸的回轉體，如圖1所示，其母線通常為數條曲線的 組合，分別構造每一條曲面的空間方程，建立親面任一母線的空間坐標系，如圖2所示； 設社親為上下布置，左右配置導板，社親的送進角為a，碼社角為目，社親 的親面繞X軸旋轉目形成碼社角目后，繞Z軸旋轉a '形成送進角a，其中 a，=arctan(tan a ^cos ( 0)); 設（X，y，z)為社親親面任意一點，則親面標準錐面方程為 x"2+ z"2=[r jg/tan( 0 )+y] "2 *tan(0)"2 I 其中為孔喉處親面的半徑； 將標準親面繞X軸旋轉目后，在原坐標系中坐標值變化為（X'，y'，Z')，且有 X'=XCOS 0-ysin 0 風 y'=XsinP+ycosP :② Z' =Z 減 接著繞Z軸旋轉a '角，在原坐標系中坐標變為（X''，y''，Z'')，且有 X'' =x，；④ y,, = y, COSO , -Z, Sina ,;⑥ Z" = y> sin 口 > _z> COS 口 > :⑧ 沿著Z軸平移h，坐標變化為 X，，， =x，，⑦ y，，，=y，，⑨ Z，，，=Z，，-h ⑨ 將式①-⑨，代入方程I可得到此時錐面在原坐標系中的方程： k1*x"2 + k2*y"2+ k3*z"2 + k4xy+ k5xz+ k6yz + k7x + k8y + k9z + k I 0 = 0 II kl-klO為社親錐面特征表達式； 根據上述關系式，可建立親面的空間數學模型，如圖3所示； 作一平面y=t,社親親面被該平面所截，截面方程為；kl*x'化k2*t'2+ k3*z'化k4xt+k 5xz+k化z+k7x+k8t+k9z+kl0=0 ;在此截線上必然存在一點Mt (X, t, z)其到社制線y軸的距 離最短，而接觸跡線是對應不同t的點Mt的集合； 對于沿社制方向給定的截面y=t在親面的截線上的點到y軸的距離為 R(t)=sqrt(x'化z'2);而在該些距離中的最小值就是該截面親面上接觸跡點到社制線的距 離，此距離即為孔型開度。對于給定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此構造函數： G (X, t, z)=x-2+z'2+入化l*x'2+ k2*t-2+k3*z'2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+ klO)； 對R (t)有最小值，則有；=0 ; ^ =0 ; 淑 忠 聯立W上方程，解出接觸點化的坐標。
[0013] 根據圖4所示的經驗直徑壓下率曲線，擬合社親社制不同規格毛管的直徑壓下率 函數： y=pl+p2*x+p3/x+p4*x"2+p5/x"2+p6*x"3+p7/x"3+p8*x"4+p9/x"4+pl0*x"5 ⑩ Pl-Pio為社親親面坐標擬合后的曲線常量，y代表實際直徑壓下率，X代表目標毛管的 徑厚比，即Dm/ 5 m，Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚； 管逐直徑壓下率可通過式⑩確定，也可通過人工修正y值；假設逐料直徑為化，親距 E=Dp* (1-y)，y值視毛管材質而定，碳鋼毛管的y=0. 84-0. 9 ;低合金鋼毛管的y=0. 85-0. 9 ; 高合金鋼毛管的y=〇. 88-0. 91。
[0014] 2)建立導板空間模型 與社親類似，導板的工作面空間曲面也為錐面，根據上述一般錐面方程和轉軸移軸公 式，建立導板工作面的空間曲面方程： Kll*x'2+ K22*y'2+ K33*z'2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k99z+kl00=0 III kll-klOO為導板錐面特征表達式 將方程II和III進行聯立求解方程組，則可得導板的關鍵特征點，如圖6-7所示，參數 OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、0抓、Cr確定，即導板主要參數確定。
[0015] 3)頂頭設計 頂頭直徑Dd=Dm-2* 5 m-CH，其中Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚，CH為毛管與頂頭的 間隙值，經驗公式為 CH= (0. 09+0. 076蝴P)-(0. 007+0. 0013* Dp)* 5m ; 平滑段長度LGT2=SF* JI蝴m/2*TAN ( a )，其中SF為平滑系數1. 5-1. 7, a為送進角； 頂頭平整段錐角目eT2=arctan{[R(y2)-R(yi)]/( y2-yi)}，其中yi、y2為空間求開度值的 截面縱坐標，R(y2)和R(yi)為對應坐標的開度值； 5 m=R(LD-LDl) -Dd,迭代計算 LD 值； LR=LD-LGT2 ； 頂頭穿孔段末端直徑DR=Dd-2* LGT2*tan(0eT2); 頂頭位置LDl通過迭代公式Q)p-R(LDl)]/ Dp=O. 06 + 0. 005而得，其中R(LDl)為y= LDl的開度值； 平整段長度LZ取經驗數值20 ; 反錐段長度Lround取經驗數值30 ; 通過上述計算，頂頭關鍵參數確定，如圖8所示。
[0016] 4)采用計算機編程進行求解，然后組裝工模具，投入生產 根據步驟1)-步驟3)的算式，采用計算機編程來對整個過程進行求解，借助于計算機 進行迭代計算，可W快速準確地獲得社親、導板和頂頭的各個特征點，使毛管規格達到目標 規格；將設計好的社親、導板和頂頭組裝好即可進行生產，如圖9所示。
[0017] 將本發明設計組裝好的工模具在現場試用后，大大提高和工模具壽命和產品質 量，其實用性得到了生產驗證。本發明實現了工模具設計、工藝參數計算和毛管規格預測的 功能，可直接用于指導二親斜社穿孔機的設計、改造升級和生產，大大提高了工模具壽命和 廣品質量。
[0018] 對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在 不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠W其他的具體形式實現本發明。因此，無論 從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有 變化囊括在本發明內。
[0019] 此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加W描述，但并非每個實施方式僅包 含一個獨立的技術方案，說明書的該種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當 將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可W經適當組合，形成本領域技術人員 可W理解的其他實施方式。
【權利要求】
I. 一種熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，其特征在于，包括社親設計、導板設計和頂頭 設計，具體流程如下： 1) 建立社親空間模型： 社親為空間繞一定軸的回轉體，其母線通常為數條曲線的組合，分別構造每一條曲面 的空間方程，建立親面任一母線的空間坐標系； 設社親為上下布置，左右配置導板，社親的送進角為a，碼社角為目，社親 的親面繞X軸旋轉目形成碼社角目后，繞Z軸旋轉a '形成送進角a，其中 a，=arctan(tan a ^cos ( 0)); 設（X，y，z)為社親親面任意一點，則親面標準錐面方程為 x"2+ z"2=[r jg/tan( 0 )+y] "2 *tan(0)"2 I 其中為孔喉處親面的半徑； 將標準親面繞X軸旋轉目后，在原坐標系中坐標值變化為（X'，y'，Z')，且有 X' =XCOS 0-ysin 0 :① y'=Xsin 0+ycos 0 .'感 Z' =Z ;③ 接著繞Z軸旋轉a '角，在原坐標系中坐標變為（X''，y''，Z'')，且有 X，，=x，；④ y,, = y, COSO , -Z, sina ,;⑥ Z" = y, Sina , -Z, COSO ,:⑧ 沿著Z軸平移h，坐標變化為 X…=x，，⑦ y''' =y'' ⑨ Z，，，=Z，，-h ⑨ 將式①-⑨，代入方程I得到此時錐面在原坐標系中的方程： kl*x'2+ k2*y'2+ k3相'2+k4xy+k5xz+k6yz+k7x+k8y+k9z+kl0=0 II kl-klO為社親錐面特征表達式； 根據上述關系式，建立親面的空間數學模型； 作一平面y=t,社親親面被該平面所截，截面方程為；kl*x'化k2*t'2+ k3*z'化k4xt+k 5xz+k化z+k7x+k8t+k9z+kl0=0 ;在此截線上必然存在一點Mt (X，t，z)其到社制線y軸的距 離最短，而接觸跡線是對應不同t的點Mt的集合； 對于沿社制方向給定的截面y=t，在親面的截線上的點到y軸的距離為 R(t)=sqrt(x'化z'2);而在該些距離中的最小值就是該截面親面上接觸跡點到社制線的距 離，此距離即為孔型開度，對于給定的截面y=t，要求R(t)的最小值在此構造函數： G (X, t, z)=x-2+z'2+入化l*x'2+ k2*t-2+k3*z'2+k4xt+k5xz+k6tz+k7x+k8t+k9z+ klO)； 對R (t)有最小值，則有；=0 ; ^ =0 ; OX 忠 聯立W上方程，解出接觸點化的坐標； 2) 建立導板空間模型 與社親類似，建立導板工作面的空間曲面方程： ldl*x'2+ k22*y'2+ k33相'2+k44xy+k55xz+k66yz+k77x+k88y+k9化+kl00=0 III kll-klOO為導板錐面特征表達式 將方程II和III進行聯立求解方程組，則得導板的關鍵特征點OBa、OBb、OCa、OCb、ODa、 孤b、化； 3) 頂頭設計 頂頭直徑Dd=Dm-2* Sm-CH，其中Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚，CH為毛管與頂 頭的間隙值，由經驗公式得，CH=化09+0. 076蝴p)-(0. 007+0. 0013蝴P)* 5 m ;平滑段長度 LGT2=SF* 蝴m/2*TAN ( a )，其中SF為平滑系數1. 5-1. 7, a為送進角；頂頭平整段錐角 目(；了2=31'。13]1{[1?(72)-3(71)]//(72-71)}，其中71、72為空間求開度值的截面縱坐標，3(72)和 R(yi)為對應坐標的開度值；毛管壁厚5m= R(LD-LDl)-Dd,計算出LD值；LR=LD-LGT2;頂 頭穿孔段末端直徑DR=Dd-2* LGT2*tan (目。了2);頂頭位置LDl通過迭代公式巧P-R (LDl) ] / Dp=O. 06 + 0. 005而得，其中R(LDl)為y=LDl的開度值；平整段長度LZ取經驗數值20 ;反錐 段長度Lround取經驗數值30 ;通過上述計算，頂頭關鍵參數確定； 4) 采用計算機編程進行求解，然后組裝工模具，投入生產 根據步驟O-步驟3)的算式，采用計算機編程來對整個過程進行求解，借助于計算 機進行迭代計算，快速準確地獲得社親、導板和頂頭的各個特征點，使毛管規格達到目標規 格；根據計算結果，將設計好的社親、導板和頂頭組裝好，投入生產。
2. 根據權利要求1所述的熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，其特征在于，根據經驗直 徑壓下率曲線，擬合社親社制不同規格毛管的直徑壓下率函數： y=pl+p2*x+p3/x+p4*x"2+p5/x"2+p6*x"3+p7/x"3+p8*x"4+p9/x"4+pl0*x"5 ⑩ Pl-PlO為社親親面坐標擬合后的曲線常量，y代表實際直徑壓下率，X代表目標毛管的 徑厚比，即Dm/ 5 m，Dm為毛管外徑，5 m為毛管壁厚，管逐直徑壓下率通過式⑩確定。
3. 根據權利要求1所述的熱社無縫鋼管二親斜社穿孔工藝，其特征在于，管逐直徑壓 下率還通過人工修正y值得到，親距E=Dp* (1-y)，化為逐料直徑，y值視毛管材質而定，碳 鋼毛管的y=〇. 84-0. 9 ;低合金鋼毛管的y=0. 85-0. 9 ;高合金鋼毛管的y=0. 88-0. 91。
【文檔編號】B21B19/04GK104259207SQ201410482579
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】張凱 申請人:新興鑄管股份有限公司