专利名称：制造无缝管时的穿孔轧制方法
技术领域：
本发明涉及无缝管制造工序中的坯料的穿孔轧制方法。特别是涉及从坯料以高加工度可以制造薄壁的毛管(空心制品)的穿孔轧制方法。
背景技术：
作为无缝管的制造方法，最一般采用的方法中，有曼内斯曼自动轧管机(Mannesmann-plug mill)法及曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机(Mannesmann-mandrel mill)法。通过这些方法，以穿孔轧机对在加热炉加热到规定温度的实心坯料穿孔，做成中空棒状的空心制品，通过自动轧管机、芯棒式无缝管轧机等延伸轧机主要减小壁厚，将其做成荒管。然后，用定径机或张力减径机等减径轧机主要减小外径，做成规定尺寸的无缝管。本发明涉及上述工艺中的最初的穿孔轧制工艺。
首先，作为现有技术，本发明人关于专利文献1及专利文献2提案的发明进行陈述。
专利文献1特公平5-23842号公报专利文献2特公平8-4811号公报专利文献1的发明(以下，称为“第一在先发明”。)是这样的无缝管的制造方法发明将夹着坯料及空心制品通过的轧制线，在左右或上下对立设置的两端支撑的锥形主轧辊的倾斜角β和该主轧辊的交叉角γ保持在满足下述数式(1)～数式(3)的范围内，且使实心坯料的直径d0和穿孔轧制后的空心制品的外径d及壁厚t的关系满足下述数式(4)，使穿孔比为4.0以上，扩管比为1.15以上，或者“壁厚/外径”比为6.5以下。
所谓上述倾斜角β，为轧辊的轴心线对于轧制线的水平面或垂直面构成的角度。另外，所谓交叉角γ，为轧辊的轴心线对于轧制线的垂直面或水平面构成的角度。
8°≤β≤20°……(1)5°≤γ≤35°……(2)15°≤β+γ≤50°……(3)1.5≤-Ψr/Ψθ≤4.5……(4)不过，Ψr＝ln(2t/d0)，Ψθ＝ln[2(d-t)/d0]。
上述第一在先发明方法是这样的方法通过将轧辊的倾斜角3和交叉角γ保持在适当的范围内，尽可能地抑制在穿孔轧制工艺、尤其在高加工度的薄壁穿孔轧制工艺中明显产生的旋转锻造效果和附加剪切应变。另外，该方法的特征在于在不锈钢或高合金钢的制管发生的内面防止瑕疵或夹层(在壁厚中央部产生的分为两片)，且，通过使圆周方向应变Ψθ和壁厚方向应变Ψr的分配恰当，满足数式(4)的关系，使管壁的扩口(flaring)或剥皮(peeling)、或者尾部堵塞(tailclogging)等操作上的问题减轻。
上述第一在先发明，使以往不得不用玻璃润滑剂高速挤压制管法制管的难加工性材料的制管可通过曼内斯曼式制管法进行。并且，由于可进行高加工度的薄壁穿孔轧制，因此，可进行后续的延伸轧制工艺、减径轧制工艺中的工艺省略或者工艺缩短。所以，该发明是对无缝管制造工艺的合理化具有很大贡献的发明。
比如，在曼内斯曼-自动轧管机方式的工艺中使用的曼内斯曼式穿孔机及斜轧延伸机(rotary enlogator)代替一台交叉穿孔轧机，可使双穿孔变为用单穿孔。所谓曼内斯曼-自动轧管机方式，是经过这些工艺的方式曼内斯曼式穿孔机→斜轧延伸机→轧管机(自动轧管机)→均整机(矫直)→定径机。
另外，曼内斯曼式-芯棒式无缝管轧机通过将曼内斯曼式穿孔机置换为交叉穿孔轧机，可实现芯棒式无缝管轧机的少数机架化。所谓该曼内斯曼式-芯棒式无缝管轧机方式是经过这些工艺的方式曼内斯曼式穿孔机→芯棒式无缝管轧机→张力减径机。
另外，即使在曼内斯曼式-阿塞尔轧管机方式，即经过曼内斯曼式穿孔机→阿塞尔轧管机→张力减径轧机这样的工序的方式中，交叉穿孔轧机的导入成为连续的。根据交叉穿孔轧机，仅仅改换芯棒(顶头)，就可以从单一尺寸的坯料制造多尺寸的空心制品，即“自由尺寸轧制”，因此，坯料尺寸的整合、分段更换时间的缩短等操作上的优点大。
专利文献2的发明(以下，称为“第二在先发明”。)是具有这样目的的发明进一步使锥形主轧辊的直径和实心坯料的直径的关系最优化。该发明的特征在于为了尽量抑制旋转锻造效果，且也尽量抑制附加剪切应变，使锥形主轧辊的压缩带部直径Dg(即轧辊压缩带直径)和坯料直径d0满足下列数式(a)。
2.5≤Dg/d0≤4.5……(a)上述第二在先发明，为了不使不锈钢、高合金钢等难加工性材料发生内面瑕疵或夹层，稳定地进行穿孔，对于坯料直径，应该尽量缩小轧辊压缩带直径。可是，为了缩小轧辊压缩带直径，必须也缩小轧辊构造上进入侧和送出侧的轧辊的轴径。这样的话，支撑轧辊轴的轴承的强度就不够，尤其在为锥形轧辊的情况下，进入侧的轴承的疲劳强度不足，耐久性成为问题。因此，轧辊压缩带的过度缩小，在实际操作上不能推荐。
发明内容
本发明的目的在于提供可以不过于缩小轧辊压缩带直径地尽量抑制选择锻造效果，且也尽量抑制附加剪切应变的穿孔轧制方法。
本发明人为了实现上述目的，反复研究，实现了下述的穿孔轧制方法的发明。另外，以下说明中的符号的意义表示在图1中。
本发明是一种无缝管制造中的穿孔轧制方法，其特征在于将夹着轧制线在左右或上下对立设置的两端支撑的锥形主轧辊的倾斜角β和交叉角γ保持在满足下述数式(1)～数式(3)的范围内，使实心坯料的外径d0和穿孔轧制后的空心制品的外径d及壁厚t的关系满足下述数式(4)，进而，使主轧辊的入口直径D1、出口直径D2、所述d0、d及γ满足下述数式(5)8°≤β≤20°……(1)5°≤γ≤35°……(2)15°≤β+γ≤50°……(3)1.5≤-Ψr/Ψθ≤4.5……(4)
(d/d0)/(0.75+0.025γ)≤(D2/D1)……(5)其中，数式(4)中，Ψr＝ln(2t/d0)，Ψθ＝ln[2(d-t)/d0]。
如前所述，所谓倾斜角β，为轧辊的轴心线对于轧制线的水平面或垂直面构成的角度。所谓交叉角γ，为轧辊的轴心线对于轧制线的垂直面或水平面构成的角度。
上述的本发明方法中，优选使主轧辊的入口直径D1、出口直径D2和所述d0、d及γ满足下述数式(6)D2/D1≤(d/d0)/(1.00-0.027γ)……(6)另外，上述本发明方法的效果，即使在旋转锻造效果及附加应变变得显著的、穿孔轧制比为4.0以上、扩管比为1.15以上、或者空心制品的“壁厚/外径”比为6.5以下的这样的穿孔轧制中也可以充分获得。
图1为表示穿孔轧制的样态图。
图2为表示影响旋转锻造效果(微小拉伸实验的减径数值)的扩径比(D2/D1)及扩管比(d/dp)的影响的图。
图3为表示影响附加剪切应变(圆周方向剪切应变)的扩径比(D2/D1)及扩管比(d/dp)的影响的图。
图4为表示扩径比(D2/D1)、扩管比(d/dp)及轧辊倾斜角(γ)的关系图。
图5为表示扩径比(D2/D1)、扩管比(d/dp)及轧辊交叉角(γ)的关系图。
图6为表示轧辊形状指数即(d/d0)/(D2/D1)和轧辊交叉角(γ)之间关系的图。
符号说明γ轧辊交叉角；D1轧辊入口直径；D2轧辊出口直径；Dg轧辊压缩带直径；L1轧辊的进入侧辊身宽度；L2轧辊的送出侧辊身宽度；d0坯料的外径；d空心制品的外径；t空心制品的壁厚。
具体实施例方式
本方法发明中的倾斜角(β)及交叉角(γ)的数值范围，与前述专利文献1及专利文献2的发明中的范围相同。这些范围，基于减轻旋转锻造效果、尽量抑制附加剪切应变的考虑来决定。
半径方向对数应变Ψr和圆周方向对数应变Ψθ之比，即“-Ψr/Ψθ”的范围，与专利文献1的发明中的相同。这由在长度方向和圆周方向上如何分配穿孔轧制时的压力量这样的原理、原则来决定，如果偏离这些原理、原则，则会产生扩管口(溢出现象)或者剥皮、或者尾部堵塞，穿孔轧制本身停止。
本发明的主要特征着眼于相对于坯料直径的轧辊形状主要给旋转锻造效果带来大影响。下面，关于这点进行说明。
首先，从抑制旋转锻造效果和附加剪切变形的观点出发，探明了在圆锥形轧辊的、管材料和主轧辊之间的接触界限位置的入口直径D1和出口直径D2之比，即扩径比(D2/D1)、空心制品的外径d和坯料外径d0之比，即管材料的扩管比(d/d0)及交叉角γ的关系。
在实验之前，进行了表示轧辊形状的指标(指数)的选定。然后，探讨了想到的种种指标果真能否成为表示和旋转锻造效果或附加剪切应变之间关系的指标。其结果，决定将管材料的扩管比(d/d0)和圆锥形轧辊的扩径比(D2/D1)之比，即(d/d0)/(D2/D1)作为其指标。
图1所示的夹持轧辊的压缩带位置进入侧的辊身宽度L1，即，从管材料的轧辊咬入开始点到轧辊压缩带之间的距离和送出侧的辊身宽度L2的辊身宽度比(L2/L1)也被考虑为指标，但是，其与旋转锻造效果及附加剪切应变没有直接关系，其适当范围基于其他考虑决定。另外，一般地，对辊身宽度增加不必要的多余长度，辊身宽度比的定义本身具有难度。
一般地，轧辊交叉角γ越大，轧辊扩径比“D2/D1”就越大，成为更加明显的圆锥形状。可是，在上述送出侧的辊身宽度L2相同时，如果以同一轧辊交叉角为前提比较，则管材料的扩管比“d/d0”越大，轧辊扩径比“D2/D1”就不得不越小，需要考虑“d/d0”进行成为适当的“D2/D1”的轧辊设计，轧辊的设计难度即在于此。
轧辊设计必须从减轻穿孔轧制时的顶头前的旋转锻造效果，尽量抑制顶头穿孔轧制后的圆周方向剪切应变γrθ所代表的附加剪切应变的观点考虑进行。这是因为因选择锻造效果引起的管材料的脆化，是产生管的内面瑕疵(inner surface flaw)的原因，附加剪切应变是内面瑕疵传播的主要原因。
本发明人使用实验用交叉穿孔轧机，以碳钢坯料为实验材料，改变轧辊形状进行穿孔轧制实验，详细地探讨了带给旋转锻造效果及附加剪断应变的轧辊形状的影响。实验条件表示在表1及表2中。穿孔轧制后的空心制品的壁厚t这样设定“壁厚/外径”比即(t/d)×100为2.5～3％。
表1
表2 将扩径比“D2/D1”及扩管比“d/d0”对旋转锻造效果的影响一例表示为图2(a)及(b)。另外，将扩径比“D2/D1”及扩管比“d/d0”对附加剪切应变的影响一例表示为图3(a)及(b)。
轧辊形状对旋转锻造效果的影响这样进行评价在穿孔轧制的过程中，停止主轧辊及盘形轧辊，制作“途中停止材料”，从顶头的前端位置采取与轴方向垂直、与直径方向(引导方向)平行的部分为25mm、厚度为3mm的板状的微小拉伸试验片，以常温进行拉伸试验，调查轧辊形状对断面收缩率(reduction of area)(％)的影响。另外，相比于拉伸试验的伸缩值(％)旋转锻造效果更清楚地表现为收缩数值(％)。
作为附加剪切应变，着眼于圆周方向剪切应变γrθ，其测定根据销钉埋入法(pin burying method)进行。即，沿实心坯料的直径与轴心平行地埋入多根销钉，横断穿孔轧制后的空心制品，测定了圆周方向剪切应变γrθ。
从图2可知，比如，如果固定轧辊交叉角γ考虑，则扩管比“d/d0”越小，或者扩径比“D2/D1”越大，可以越扩大收缩数值。即，可以减轻旋转锻造效果。换言之，比起母材的断面收缩率，顶头前的管材料的断面收缩率增大的倾斜角β的范围变广。
另外，从图3可知，扩管比越小，扩径比越大，越可以缩小圆周方向剪切应变。即，可以抑制附加剪切应变。因此，即使在增大扩管比的情况下，如果为了使扩径比增大，充分增大轧辊交叉角γ，使轧辊形状适当，则圆周方向剪切应变不会过于增大。
但是，在轧辊形状不适当的情况下，即，在对于扩管比，轧辊交叉角小的情况下，为了取得扩管比，扩径比过于缩小，轧辊的出口直径D2接近压缩带直径Dg，通过降低在管材脱离点的送出侧轧辊的周速度，将管材料引出到出口侧的作用减弱。这样，轧辊和管材料之间的滑动现象变得显著。该滑动现象也受到坯料直径影响，在进入侧，滑动也变大，通过增加旋转锻造次数，旋转锻造效果开始显现，顶头前的管材料比起母材，脆化的倾斜角β的范围扩大。所谓旋转锻造次数，是坯料被轧辊咬入，到达顶头前端的坯料的旋转数。
当然，附加剪切应变也较大地表现出来。其极端的情况，是在轧辊的出口直径D2接近入口直径D1时。另外，所谓附加剪切应变，是圆周方向剪切应变γrθ、表面扭曲剪切应变γθ1及长度方向剪切应变γIr的总称。
图4及图5表示扩管比“d/d0”、轧辊的扩径比“D2/D1”及轧辊交叉角γ的关系。这些图也表示轧辊形状的良否判定的结果。即，○符号表示轧辊形状适当，●符号表示不适当。
轧辊形状的适当与否，需要以旋转锻造效果判定。这里，相比于母材(坯料)的断面收缩率以能否扩大顶头前的管材料的延伸性(断面收缩率)为判定的标准。并且，使倾斜角(β)为12°进行穿孔轧制，如前所述，使用从顶头前的管材的横截面内采取的平行部分为25mm、厚度为3mm的板状微小拉伸试验片，进行拉伸试验，调查了顶头前的管材料的断面收缩率比起母材的断面收缩率是否变大。变大的情况为○符号，否则为●符号。从图4及图5看出，适当的轧辊形状的条件如下。
(5/6)+(1/3)(d/d0)≤(D2/D1)1+0.03γ≤(D2/D1)如上所述，如果将“D2/D1”作为轧辊形状指数采用，那么，在图表中，“D2/D1”、“d/d0”及γ的相关关系是明晰的，但是，难以同时数式化三个变量的关系。为了回避该问题，作为轧辊形状指数，本发明人选定了管材料的扩管比“d/d0”和轧辊的扩径比“D2/D1”的比例，即“(d/d0)/(D2/D1)”。
图6为表示上述轧辊形状指数“(d/d0)/(D2/D1)”、扩管比“d/d0”及交叉角γ的关系的图。分别地，纵轴上表示“(d/d0)/(D2/D1)”，横轴上表示γ，“d/d0”作为参数留下，但是，轧辊形状达到适当的条件，可以用一个不等式表示。即(d/d0)/(D2/D1)≤0.75+0.025γ据此，得到(d/d0)/(0.75+0.025γ)≤(D2/D1)……(5)这里，为了消除轴承的强度、寿命等设备上的问题，不用过于缩小入口侧轧辊直径，如果为了获得最适当的轧辊形状，使轧辊的压缩带直径Dg为坯料直径d0的4.5倍以上，1.00-0.027γ≤(d/d0)/(D2/D1)据此，得到D2/D1≤(d/d0)/(1.00-0.027γ)……(6)从该公式(6)和前述公式(5)，满足
(d/d0)/(0.75+0.025γ)≤(D2/D1)≤(d/d0)/(1.00-0.027γ)……(7)成为优选的轧辊形状的条件。
在表1、表2及从图2到图6的图表中，(a)为轧辊的压缩带直径Dg＝400mm，(b)为Dg＝500mm的情况。因此，(a)和(b)的比较，成为对专利文献2所公开的第二在先发明的内容的讨论。另外，上述不等式[公式(7)]的上限，如果作为Dg＝315mm，进行与表1、表2相同的计算，则会容易地导出。
进而言之，D1及D2为锥形主轧辊的入口直径及出口直径，管材料在主轧辊的入口面处被咬入，以在出口面处脱离轧辊的情况为前提，坯料被正确地咬入轧辊的位置的主轧辊的直径为D1，空心制品脱离轧辊的位置的主轧辊直径为D2。
最后，关于轧辊的辊身宽度进行说明。辊身宽度L为图1的L1和L2之和。对该辊身宽度添加超过必要的多余长度，与将轧机的整体构造扩大到必要以上有关。因此，进入侧辊身宽度L1在不影响咬入的稳定性的范围内，送出侧辊身宽度L2应该考虑精整工序的均整次数决定，辊身宽度比“L2/L1”可以在下述范围内。
1.0≤L2/L1≤2.0实施例1以18％Cr-8％Ni的奥氏体不锈钢的直径为60mm的坯料为试验用材料，使用导板(guide shoe)进行扩管比为1.5的高加工度薄壁穿孔轧制。坯料的加热温度达到1250℃。另外，不锈钢的热加工性比碳钢的大大恶化。
1.轧辊的条件交叉角γ＝25°压缩带直径Dg＝400mm倾斜角β＝12°入口直径D1＝240mm出口直径D2＝550mm轧辊扩径比D2/D1＝2.29进入侧辊身宽度L1＝300mm
送出侧辊身宽度L2＝460mm辊身宽度L1+L2＝760mm辊身宽度比L2/L1＝1.532.穿孔轧制条件顶头直径dp＝80mm坯料直径d0＝60mm荒管径d＝90mm荒管壁厚t＝2.7mm扩管比d/d0＝1.50穿孔轧制比d02/4t(d-t)＝3.82“壁厚/外径”比(t/d)×100＝3.0％轧辊形状指数(d/d0)/(D2/D1)＝0.655壁厚方向对数应变Ψr＝ln(2t/d0)＝ln0.09＝-2.408圆周方向对数应变Ψθ＝ln[2(d-t)/d0]＝ln2.91＝1.068压下分配比-Ψr/Ψθ＝2.255如上所述，由于圆周方向和壁厚方向的压下分配比，即长度方向和圆周方向的压下分配比合适，所以，可以不会产生扩口，也不会产生剥皮地进行穿孔轧制。由于轧辊形状也被适当化，所以，即使为难加工性的材料的高加工度超薄壁穿孔轧制，也没有发现发生内面瑕疵或夹层。
实施方式二高合金钢的热加工性比不锈钢的低劣，如果穿孔轧制的温度超过1275℃，则大量发生夹层。因此，在该实施方式中，以25％Cr-35％Ni-3Mo的高合金钢的直径为70mm的坯料为试验用材料，使用盘形辊，在1200℃的温度下进行了扩管比为2的高加工度薄壁穿孔轧制。
1.轧辊的条件交叉角γ＝30°倾斜角β＝12°压缩带直径Dg＝500mm入口直径D1＝300mm出口直径D2＝670mm
轧辊扩径比D2/D1＝2.23进入侧辊身宽度L1＝300mm送出侧辊身宽度L2＝460mm辊身宽度L1+L2＝760mm辊身宽度比L2/L1＝1.532.穿孔轧制条件顶头直径dp＝130mm坯料直径d0＝70mm荒管直径d＝140mm荒管壁厚t＝3.5mm扩管比d/d0＝2.00穿孔轧制比d02/4t(d-t)＝2.56“壁厚/外径”比(t/d)×100＝2.5％轧辊形状指数(d/d0)/(D2/D1)＝0.897壁厚方向对数应变Ψr＝ln(2t/d0)＝ln0.10＝-2.303圆周方向对数应变Ψθ＝ln[2(d-t)/d0]＝ln3.90＝1.361压下分配比-Ψr/Ψθ＝1.692如上所述，由于圆周方向和壁厚方向的压下分配比合适，而且，轧辊形状也被适当化，所以，即使为热加工性低劣的高合金钢的高加工度薄壁穿孔轧制，也可以没有任何问题地进行穿孔轧制。
产业上的利用性通过本发明的穿孔轧制方法，优化了管材料的扩管比和锥形主轧辊的扩径比的相对关系。因此，穿孔轧制过程中的旋转锻造效果得到显著抑制，可以更加切实地抑制在不锈钢、高合金钢等难加工性材料的高加工度薄壁穿孔轧制中容易发生的内面瑕疵或夹层。根据本发明的方法，可实现扩管比到2.0的扩管穿孔轧制。
如前面所述，本发明人从减轻旋转锻造效果，抑制附加剪切应变的观点出发，提倡高交叉角穿孔轧制法，在此之前进行了几个发明。可是，高交叉角化是用于减轻旋转锻造效果，抑制附加剪切应变的必要条件，但不是充分条件。必要且充分的条件是轧辊形状的适当化，高交叉角化是轧辊形状适当化的必要条件。
权利要求
1.一种无缝管制造中的穿孔轧制方法，其特征在于将夹着轧制线在左右或上下对立设置的两端支撑的锥形主轧辊的倾斜角β和交叉角γ保持在满足下述公式(1)～公式(3)的范围内，使实心坯料的外径d0和穿孔轧制后的空心制品的外径d及壁厚t的关系满足下述公式(4)，进而，使主轧辊的入口直径D1、出口直径D2、所述d0、d及γ满足下述公式(5)8°≤β≤20°……(1)5°≤γ≤35°……(2)15°≤β+γ≤50°……(3)1.5≤-Ψr/Ψθ≤4.5……(4)(d/d0)/(0.75+0.025γ)≤(D2/D1)……(5)其中，公式(4)中，Ψr＝ln(2t/d0)，Ψ0＝ln[2(d-t)/d0]。
2.如权利要求1所述的穿孔轧制方法，其特征在于主轧辊的入口直径D1、出口直径D2和所述d0、d及γ满足下述公式(6)D2/D1≤(d/d0)/(1.00-0.027γ)……(6)
3.如权利要求1或权利要求2所述的穿孔轧制方法，其特征在于使穿孔轧制比为4.0以上，扩管比为1.15以上，或者空心制品的“壁厚/外径比”为6.5以下进行实施。
全文摘要
本发明为一种可以不过分减细轧辊直径地抑制旋转锻造效果，抑制附加剪切应变的无缝管制造时的穿孔轧制方法。该方法的特征在于将主轧辊的倾斜角β和该主轧辊的交叉角γ保持在满足下述数式(1)～数式(3)的范围内，使实心坯料的外径d
文档编号B21B19/00GK1795060SQ20048001414
公开日2006年6月28日 申请日期2004年6月3日 优先权日2003年6月6日
发明者林千博 申请人:住友金属工业株式会社