不锈钢焊管立辊群孔型的改进设计

张君彩，陈青果，崔海亭

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

不锈钢焊管属于闭口冷弯型材，通过多架轧辊组冷轧而成，具有耐腐蚀、表面光洁等特点，广泛用于食品机械、医疗器械、家居建材等行业。不锈钢板材壁厚较薄、成型时回弹量大，焊接余量小，对板材的边缘延伸敏感，边缘延伸形成的边缘波浪形状在焊接时容易造成焊缝的漏焊或过烧，影响成材率。通过对成型技术分析，笔者就影响板材成型的立辊群处轧辊孔型进行改进设计，以保证焊缝质量［1－4］。

1 成型方法及存在的问题

冷弯成型过程属于常温下弹塑性大变形，成型机由若干个机架组成。不锈钢直缝焊管机组主要由成型区、焊接区、定径区及其他辅助区组成，决定焊管质量的主要区域是成型区，此区域的轧辊孔型是机组核心技术。在成型区，机架一般分为水平辊架和立辊架，其工艺流程如图1所示。立辊群处立辊主要起辅助变形或克服回弹的作用，设置立辊群的目的在于有效吸收板材边缘延伸，避免边缘波浪变形对焊缝质量的影响。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow chart of technology

目前焊管轧辊孔型设计方法较多，有带钢中心弯曲法、圆周弯曲法和边缘弯曲法。不锈钢管为薄壁直缝焊管，薄壁管成型的主要问题是要防止边缘延伸。而带钢边缘弯曲法具有带钢边缘升起高度小、边缘延伸较小的特点，是中国现有不锈钢焊管生产线成型区轧辊孔型设计的重要方法。

基于不锈钢材质的特点，边缘弯曲法孔型设计系统在理论上是可行的，然而带钢沿带宽方向上中部与边缘拉伸量不同形成边缘波浪缺陷，影响焊接质量。通过调整立辊中心距，在克服带钢回弹的同时也能够吸收边缘过量的变形。在调试中发现，立辊中心距小，则吸收边缘过量变形的效果就好，但立辊孔型下边缘处因不能保证圆弧与直线的相切关系，使带钢应有的直线段出现弧线，造成管坯表面划痕出现。焊管在后续的表面抛光中因抛光量有限而难以消除划痕，不能满足焊管表面质量要求。为避免划伤，技术人员通常对立辊群处轧辊孔型的下边缘修形，加大立辊孔型下边缘的圆角半径，先试探地给出一修形量，修形后再调试，若管坯表面质量达到要求即可，否则再次确定修形量，直到管坯表面质量合格为止。轧辊的反复修形，既费时费力又影响机组的调试进度，降低成材率。现场调试状态说明立辊群现有孔型结构的不足，需要设计出符合成型要求的新孔型结构［5－10］。

2 立辊群轧辊孔型的设计

2.1 边缘成型法立辊群处立辊孔型

带钢边缘弯曲法或称边缘变形法，即从带钢的边缘部分开始弯曲成型，弯曲半径R恒定，然后逐渐增大弯曲角，直到形成管坯。边缘弯曲孔型设计方法中，立辊群孔型图如图2所示。

图2 立辊群孔型图Fig.2 Design chart of pass in vertical roller

立辊群轧辊孔型参数计算表达式为

式中：bi为成型区孔型直线段宽度；βi为成型区孔型边缘弯曲角；Ni为成型区所计算变形机架的序号与闭口区第1 架序号数之比；i为成型区所计算变形机架的序号；B为带钢的下料宽度；t为带钢的厚度；φ为第1架成型平辊的边缘成型角。

2.2 改进后立辊群处立辊孔型

机组中立辊群的作用是在完成带钢变形要求的前提下，既能克服带钢回弹又能够吸收边缘的过量变形。为了便于立辊中心距的调整，并且避免划伤缺陷的出现，根据修形过程中轧辊孔型结构的变化，通过与现场调试人员分析、归纳、量化，将原单半径弯曲的孔型结构改进为双半径弯曲的孔型结构，将带钢中部孔型原有的直线部分用圆弧代替，建立符合实际变形要求的新孔型结构，改进后立辊群孔型如图3所示。此结构既能满足轧辊中心距调整的要求，也避免了对轧辊的现场修形，有效克服管坯表面划伤缺陷，保证焊管表面质量。

图3 改进后立辊群孔型图Fig.3 Improved design chart of pass in vertical roller group

在图3的孔型中，边缘弯曲半径R及变形角βi的确定同边缘弯曲法的计算方法。要求孔型中部圆弧的弧长等于原直线段的长度，立辊群处各架次立辊孔型中部圆弧半径rm逐渐减小，对应的变形角为θm，直到满足闭口孔型第1架平辊单半径管坯参数要求，立辊孔型中部圆弧参数计算表达式为

式中：n为立辊群处立辊架的总架次数；m为立辊群处立辊架的架次序号；Rf1为成型区闭口孔型第1架平辊的孔型半径。

综上所述，在边缘成型法的基础上，完成立辊群处立辊孔型新结构的设计，既保留了边缘弯曲法的优点，又克服了不锈钢直缝焊管成型的缺陷，改进后的新孔型设计系统可称之为综合边缘成型法。

3 结 语

借助某公司生产的Φ76 不锈钢直缝焊管机组平台，为其设计了Φ31.8×1规格不锈钢焊管的轧辊，图4为轧辊结构图。该套轧辊调试顺利，无需对轧辊修形，且成型稳定。

通过对不锈钢材质性能分析，基于专家经验知识，本次设计从根本上改进了原孔型设计方法的缺陷，重新设计立辊群处轧辊的孔型结构，进一步丰富了轧辊孔型设计方法。

图4 轧辊结构图Fig.4 Structure diagram of the roller

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