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304不銹鋼管壁厚不均現象產生原因
針對穿孔后毛管壁厚不均勻的現象，分析出穿孔過程中的頂桿不穩定是造成毛管壁厚偏差的主要原因，進而對造成頂桿不穩定的因素進行分析。通過從減小頂桿壓力、縮短頂桿支撐長度、增大頂桿界面、提高頂桿強度等方面入手，可提高穿孔過程的穩定性，進而提高毛管的壁厚精度。
304不銹鋼管作為一種重要的基礎材料，被廣泛應用于石油、電力、化工、機械、建筑等行業。304不銹鋼管壁厚偏差作為合格鋼管產品的一個重要指標，不僅影響到鋼管廠的效益，更是直接影響特殊使用環境下鋼管的性能。壁厚偏差分為橫斷面壁厚偏差和縱向長度壁厚偏差。
1生產線的改進及存在的問題
太原重工股份有限公司為國內某廠設計制造的椎273mm斜軋管機組一直在正常生產。之后用戶根據產品規格及市場需求對原有生產線進行升級改造，原斜軋機組更換為縱軋機組，原椎273mm立式錐形輥穿孔機經過改造利舊后繼續應用于新的生產線。
改造后的椎273mm穿孔機的主要參數如下：軋輥直徑為椎1150mm，輥身長度為950mm，最大軋制速度為1.15m/s，送進角為8°～15°（可調），輾軋角為15°（固定），軋輥距為90～300mm，導板距為90～320mm。
穿孔機組作為生產熱軋304不銹鋼管的四大主要設備之一，其功能是把加熱的實心鋼坯穿制成為空心毛管，高效性一直無可替代。穿孔機組主要的設備組成：入口臺、穿孔主機座、主傳動裝置、出口臺一段、出口臺二段。
穿孔機組生產出毛管的壁厚精度對成品管的壁厚精度有著至關重要的影響，但后續的斜軋或縱軋等設備對毛管進行加工時壁厚偏差改善有限。穿孔毛管的壁厚精度主要取決于穿孔主機的調整精度，后臺一段、二段與主機的直線度，穿孔頂桿的剛度等。穿孔機出口臺一段的主要作用就是對頂桿起夾持作用和對穿出毛管進行導向。
在新生產線生產過程中，該機組在生產大規格鋼管時，成品鋼管的質量及尺寸公差一直能滿足產品的要求，但在生產小直徑規格的成品管尤其是100mm及以下的規格時，在交貨驗收過程中測量發現部分鋼管壁厚不合格。具體表現為，成品304不銹鋼管經測量發現沿鋼管長度方向上有縱向壁厚不均勻的現象，且肉眼觀測無明顯差別。
對不合格成品鋼管測量數值分析發現，只有在生產最小規格的毛管時，才會出現鋼管縱向壁厚不均增大的規律，最終確定造成偏差的原因在穿孔過程。
2壁厚不均的原因分析
從變形曲線來看，在生產椎127mm×12.7mm的車軸管時，鋼管壁厚上限13.17mm，下限11.47mm，平均壁厚12.35mm，最大壁厚偏差達到了9.69%，超出了成品管交貨要求。由圖1看出，在全長測厚曲線上，壁厚出現周期性的上下壁厚擴張，曲線呈“波浪形”，造成產品很難修正。
2.1大軋輥軋制小直徑鋼管的影響
根據穿孔機軋制力理論得出基本計算公式：P=PF.式中：P為變形區的總軋制力，N；P為軋輥和管坯變形區總的平均單位壓力，N/mm2；F為軋輥和管坯的接觸總面積，mm2。穿孔機穿制毛管時，對于使用相同的壓下工藝參數，大軋輥和實心鋼坯的接觸面積更大，實際軋制力會相應增大。軋制時，穿孔機頂頭所受軸向力[1]與軋制力的關系根據經驗公式：Q=（0.3~0.4）P。穿孔機頂頭所受的軸向力最終通過頂桿傳遞給底座。由于使用大軋輥軋制小坯料產生軋制力增大會造成頂桿所承受的軸向力增大，會對穿孔時頂桿的穩定性產生不良的影響。
2.2頂桿剛性的影響
穿孔機工作時，頂桿在工作過程中承受頂頭傳遞過來的壓力和扭轉力，在勻速穿孔過程中主要是壓力對頂桿的穩定性造成影響。頂桿作為細長件受力，其剛性差會對整個穿孔過程毛管壁厚產生決定性影響，容易出現頂桿彎曲，造成穿孔偏心和毛管壁厚重復性不均勻。
2.3頂桿支撐穩定性的影響
穿孔過程中，當毛管從軋輥尾端軋出到達機內三輥抱芯裝置抱輥小開導向時，頂桿懸臂突然增長，頂桿產生顫動彎曲使頂頭不穩定而造成鋼管一邊厚一邊薄。由于穿孔機軋制的自動調節作用，使這一偏心逐漸調整到正常。隨著鋼管的前進，到下一個三輥抱芯裝置小開導向時又會出現偏心，從而出現周期性的偏心。
3對應措施
3.1降低軋制力
根據軋制力理論，盡量選取磨削后的小直徑的軋輥進行穿孔，以便適當降低穿孔機軋輥的軋制力，使頂桿受力減小，增加穿孔時穩定性。
3.2增加頂管剛性
1）頂桿作為細長件，長度遠大于截面高度，最大彎曲正應力遠大于彎曲切應力。根據彎曲正應力強度條件滓max=MWZ≤[滓]，可知抗彎截面系數WZ越大，所能承受的壓力越高，越穩定。表1列出通過增加頂桿直徑和壁厚，抗彎截面系數WZ=仔（D4-d4）32D的變化情況。
由表1可看出只增加頂桿壁厚，WZ增加不大，需要增加空心圓環截面的面積才能保證抗彎截面系數有效的增加。
2）彎曲變形還與材料的彈性模量E有關，E越大變形越小，雖然各種鋼材的彈性模量大致相同，但是根據穿孔實際情況，在高溫狀態下各種材料的強度還是有差異的。頂桿材質可選用一些耐熱且強度高的材質。頂桿常用材料有35CrMo、42CrMo、1Cr5Mo等，1Cr5Mo材料的耐熱強度比較好。目前頂桿使用的1Cr5Mo管料采用熱軋管不經過熱處理直接制成頂桿的方式可保證其有足夠的強度。通過資料查詢及結合其他現場使用經驗確定采用1Cr5Mo做頂桿足夠好。對現場使用的1Cr5Mo頂桿的熱軋態和調制態進行了對比檢測，結果見表2。
熱軋態材料性能明顯好于調制態試樣，現場頂桿繼續使用1Cr5Mo熱軋態材料。
3.3增加三輥推芯裝置，縮短支撐距離
穿孔過程中，頂桿作為受壓細長桿件，其懸臂長度對頂桿穩定性起重要作用。穿孔機現有設備結構如下頁圖2所示，由于機內三輥抱芯的更換機構造成機內三輥抱芯裝置和機外三輥抱芯裝置之間距離過大，當毛管頭部到達三輥抱芯裝之前，抱輥由夾持狀態變為松開導向，造成頂桿懸臂長度突然增長，使頂桿產生晃動的程度加大，對毛管穩定軋制產生影響。根據設備空間結構在機內三輥抱芯裝置后面增加一架三輥抱芯裝置，可縮短三輥抱芯裝置對頂桿的支撐距離，提高毛管穿孔過程中的穩定性。
4結語
通過以上措施，從減小頂桿壓力、縮短頂桿支撐長度、增大頂桿界面、提高頂桿強度等方面入手提高穿孔過程的穩定性，進而提高毛管的壁厚精度，改善后的鋼管壁厚精度（見圖3），鋼管壁厚精度提高到了約5%。
實驗數據表明增加抱芯裝置，選用合適的軋制工具，提高穿孔時頂桿穩定性的改造是成功的。
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