不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析.精品文档.不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析杨元恒，金奎文，张建淮（澜石宇航星不锈钢有限公司，广东 佛山 528041）摘 要：本文从焊管机座刚度，焊管机设备制造精度，以及定径量、定径道次等因素入手，通过理论分析与仿真计算，得到设备与工艺等因素对不锈钢焊管外径尺寸精度影响的结果，通过分析结果可以看出影响因素的主次，本文结论对提高不锈钢焊管产品质量具有一定的实用价值和指导意义。关键词：不锈钢焊管；尺寸精度；仿真0 引 言在仪器仪表、医疗器械、精密设备、电子电器、航空航天、薄壁供水管线以及换热器等领域中，要求所使用的焊管具有较高的外径尺寸精度。普通焊管机组无法满足这方面的要求。本文将分析焊管设备和生产工艺因素如何影响不锈钢焊管外径尺寸精度。1 高精度不锈钢焊管的尺寸精度要求从GB/T 3639-2000冷拔或冷轧精密无缝钢管以及ASTM A 1016、GB/T 12770-2002机械结构用不锈钢焊接钢管等标准，看出相关标准对高精度不锈钢焊管的外径允许偏差（表1）和壁厚偏差（表2）的要求。焊管内径公差主要受外径公差及壁厚公差影响，本文不讨论内径公差的问题。 表1 相关标准对高精度不锈钢焊管外径允许偏差的要求 mm钢管外径ASTM A 1016GB/T 3639GB/T 1277013-±0.10430-±0.10-25±0.10-1325-±0.133240-±0.15-2540±0.15-±0.254063-±0.304250-±0.20-4050±0.20-5560-±0.25-5065±0.25-6370-±0.30-7680-±0.35-6575±0.30-6390-±0.5175100±0.38- 表2 相关标准对高精度不锈钢焊管壁厚偏差的要求 mm钢管壁厚tASTM A1016GB/T 3639GB/T 127700.518%t±10%t±0.050.51.0±0.111.02.0±0.172.03.0±7%t3.04.0±6%t4.05.0±5%t2 不锈钢焊管外径尺寸精度的影响因素分析2.1 钢带厚度和宽度精度的影响钢带宽度W的计算可用下式表示： （1）式中 D成品管直径，mm；t钢带厚度，mm；b补偿参数，mm。由式（1）可以得出： （2）分别对式（2）中的W及t求偏导数得出： （3） （4）由式（3）、（4）可以看出，钢带宽度偏差对焊管直径精度的影响为；钢带厚度偏差对焊管直径精度的影响为1:1（表3）。表3 钢带厚度和宽度偏差对焊管外径尺寸精度的影响 mm项目普通精度较高精度钢带偏差焊管外径公差钢带偏差焊管外径公差钢带宽度1.00.3180.7000.223钢带厚度±0.040.080±0.0350.070焊管外径差值合计0.3980.293注：以31.8 mm×2.0 mm不锈钢焊管为例；钢带厚度偏差数据来自GB/T 3280-2007标准。2.2 定径前焊管外径公差及定径量的影响1）定径前的焊管外径尺寸公差定径前焊管外径公差受钢带公差、焊接辊尺寸精度及其间隙等多种因素的叠加影响。选表3中的较高精度外径公差（0.293 mm），加上焊接辊跳动引起的焊管外径公差（0.420 mm），合计约为0.71 mm。2）定径量对焊管外径尺寸精度的影响高精度焊管的定径量应比普通焊管的稍大。定径量的确定原则是：定径量要大于定径前焊管外径公差；足够的定径量和定道次。2.3 定径机的机座刚度及设备尺寸的影响2.3.1 机座刚度焊管定径机机座的弹性变形量等于机座中一系列受力零件弹性变形量的总和1。即： （5）式中 机座弹性变形量，mm；机座立柱的弹性变形量，mm； 压下螺丝的弹性变形量，mm； 上下横梁的弹性变形量，mm；轧辊轴的弹性变形量，mm；其他零件（包括轴承、轴承座等）的弹性变形量，mm。焊管定径机机座的刚度系数k按下式计算： （6）式中 定径轧制力，N；机座的弹性变形量，mm。2.3.2 定径轧制力 1）平均单位压力的计算定径时，焊管的应力分析如图1所示。单元体切向应力 单元体径向应力一般而言，薄壁焊管中的，轴向应力，假设焊管壁厚无变化，此时单元体的径向变形量。当焊管的外表面压力为时，可按下式2计算出单元体切向应力，即： （7）式中 平均单位压力，N； 焊管平均直径，mm； 焊管壁厚，mm。按来塞斯屈服条件3，材料开始产生塑性变形时 （8）式中 材料屈服极限，304不锈钢的。将式（8）代入式（7）中，得： （9）2）接触面积的计算定径时，焊管除了塑性变形外，还存在弹性变形和弹性恢复。相应地，其塑性变形区、弹性变形区和弹性恢复区，如图2所示4。R轧辊半径 u2入口前焊管半径 u1弹性变形后焊管半径为了计算简便，假设弹性区与弹复区的弹性变形量u=u2-u1。从图2可看出，弹性变形区长度为： （10）弹性恢复区长度为： （11）塑性变形区长度为： （12）式中 轧辊最小底径，mm；定径量，mm.根据薄壁管的力学特征，不锈钢焊管的弹性变形量u可按下式2计算： （13）式中 E金属弹性模量，；金属泊桑系数，不锈钢材质的。3）定径轧制力的计算设弹性区和弹复区的单位压力为线性变化，则其平均单位压力为塑性变形区平均单位压力的一半。故，定径时的轧制力为： （14）式中 孔型宽度，mm。将，代入式（9）（14）中得：平均单位压力pc=36.24（MN），焊管弹性变形量u=0.019（mm），定径轧制力P=5 811（N）。2.3.3 定径机机座的弹性变形1）机座立柱的弹性变形机座立柱的弹性变形量f1可近似用虎克定律5来表示，即： （15）式中 机座立柱长度，mm； F1机座立柱的截面积，mm2。 将，代入式（15）中，得：增大机座刚度肯定可以提高焊管成品外径尺寸精度。因此，通过增大焊管定径机的牌坊尺寸，来提高焊管成品外径尺寸精度。将牌坊横截面尺寸改为，代入式（15）中得：2）机座压下螺丝的弹性变形机座压下螺丝的弹性变形量f2可按下式计算： （16）式中 螺丝长度mm； F2螺丝的有效截面积mm2。原用压下螺丝M16的有效直径为截面积为代入式（16）中得：后来改用的压下螺丝M20的有效直径为螺丝长度为，则，代入式（16）中得。3）机座横梁的弹性变形机座横梁的弹性变形量f3可按下式计算： （17）式中为截面惯性矩mm4； （18）式中 b、h分别表示横梁截面的宽、高尺寸，mm。上横梁的，代入式（17）、（18）中得： mm4下横梁的，代入式（17）、（18）中得：因此，机架横梁的弹性变形量。将焊管定径机机座的上横梁尺寸改为，代入式（17）、（18）中得；下横梁尺寸改为，代入式（17）、（18）中得。因此，改造后焊管定径机机座横梁的弹性变形量为：4） 轧辊轴的弹性变形轧辊尺寸及受力分析如图3所示。轧辊挠度的变化将直接影响焊管尺寸。轧辊轴的弹性变形量f4可按下式5计算： （19）其中，轧辊轴的抗弯柔度可按下式进行计算： （20）式中 轧辊轴直径，mm；1/2辊身长度,mm；1/2辊颈长度,mm； 1/2孔型宽度,mm。将，代入式（19）、（20）中得，将焊管定径机的轧辊轴改为，代入式（19）、（20）中得，。5）设备尺寸对定径机机座弹性变形的影响以焊管定径机为例，当定径量为0.4 mm时，定径机机座各零件尺寸改变后对定径机机座弹性变形的影响列于表4。表4 定径机机座各零件尺寸改变后对定径机机座弹性变形的影响 零件名称弹性变形量/mm降低程度/%影响程度/%改造前改造后机架立柱0.0040.00325.002.30压下螺丝0.0090.00633.334.61机架横梁0.0620.04625.8035.38轧辊轴0.1330.04268.4232.30其他0.0700.03352.8625.38合计0.2780.13053.24注：表中； 为轴承座、压下螺母等零件的弹性变形量，约为总变形量的25%。从表4可以看出，对机座弹性变形影响最大的是机座横梁和轧辊轴尺寸。提高机座横梁尺寸和轧辊尺寸，则可以明显减小机座的弹性变形。2.4 定径机设备制造精度的影响定径机的设备制造精度直接影响焊管外径公差。焊管定径机改造前后的设备尺寸精度见表5。 表5 焊管定径机改造前后的设备尺寸精度 mm项 目改造前改造后轧辊径向跳动0.060.020轧辊轴径向跳动0.040.010轴承精度0.020.002其 他0.060.020合 计0.180.052注：焊管定径机改造前采用G级滚动轴承，而改造后采用D级滚动轴承；其他影响因素包括零件之间的配合间隙等。3 定径设备尺寸对焊管外径尺寸精度影响的仿真计算以规格31.8 mm×2.0 mm，材质304的焊管生产为例，只考虑机座、轧辊轴弹性变形对焊管外径尺寸的影响，仿真计算如下。定径后的焊管外径d为： （21）式中 do设定外径，mm。由于设定定径值与实际定径值不同，通过多次反复计算，可得到较为精确的结果，计算框图见图4。焊管定径机机座改造前后的刚度对焊管外径的影响分别见表6。表6 改造前后焊管定径机机架刚度对焊管外径的影响 mm定径道次设定外径入口外径出口外径外径公差定径量改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后32.1032.1032.6131.9032.6131.9032.3331.9032.2331.900.700.330.280.3832.032.0032.3331.9032.2331.9032.1931.9032.0931.900.250.190.140.1431.6031.7032.1931.9032.0931.9031.8531.7731.8131.780.080.030.340.28由表6可以看出，改造前焊管外径公差由定径前的0.71 mm减少到0.08 mm，总定径量为0.78 mm；改造后焊管外径公差由定径前的0.71 mm减少到0.03 mm，总定径量为0.80 mm。因此，增大机座刚度可以提高焊管外径尺寸精度。根据以上分析，钢带厚度和宽度的精度只影响定径前的焊管外径精度，而在定径过程中没有多大影响。定径道次和定径量主要根据定径前焊管外径公差来定，足够的定径道次和定径量是提高焊管成品外径精度的基本保证。影响焊管外径精度的因素主要是定径机设备尺寸与设备制造精度。根据表5和表6中的数据制成表7，从中可看出定径机设备制造精度是提高焊管外径精度的关键因素。 表7 定径机改造前后的设备尺寸及制造精度对焊管外径精度的影响 影响因素外径精度/mm精度提高值/mm提高程度/%影响程度/%改造前改造后机座刚度0.080.030.0562520设备制造精度0.320.120.20625080合计0.40.150.25625注：机座刚度影响引用表6中第3项数据。4 生产验证在生产现场实测了定径机改造前后所生产的304不锈钢焊管外径尺寸精度的数据，见表8。表8 定径机改造前后的焊管外径尺寸精度实测 mm焊管规格改造前改造后最大外径最小外径偏差最大外径最小外径偏差31.8×2.032.2031.70+0.40-0.1031.8631.70+0.06-0.1025.0×1.225.1224.84+0.12-0.1625.0624.92+0.06-0.0819.0×1.019.1218.96+0.12-0.1419.0418.96+0.04-0.04从表8看出，改造后定径机所生产的304不锈钢焊管外径偏差达到高精度焊管标准水平，符合ASTM 1016和GB/T3639-2000标准中规定。5 结 论（1）本文所分析的是薄壁不锈钢焊管外径尺寸精度的影响因素，同样适合厚壁不锈钢焊管。（2）提高设备制造精度是提高不锈钢焊管外径尺寸精度的关键因素。（3）增加定径量及定径道次也是提高不锈钢焊管外径尺寸精度的必要手段。6 参考文献1 黄庆学.轧钢机械设计M.北京：冶金工业出版社，2007：110-117.2 格·斯·皮萨连柯.材料力学手册M.石家庄：河北人民出版社，1982：479.3 赵志业.金属塑料变形与轧带理论M.北京：冶金工业出版社，1980：185-187.4 赖明道.焊管机组的研究与进展M.北京：国防工业出版社，2006：7-10.5 杨尚灼.轧钢机械设备M.西安：西安冶金建筑学院出版社，1980：28-32.（修定日期：2009-07-03）作者简介：杨元恒（1953.10），男，硕士，公司总经理，工程师，主要从事不锈钢焊管生产与研究。