不銹鋼焊管外徑尺寸精度影響因素分析

1、不銹鋼焊管外徑尺寸精度影響因素分析楊元恒，金奎文，張建淮（瀾石宇航星不銹鋼有限公司，廣東 佛山 528041）摘 要：本文從焊管機(jī)座剛度，焊管機(jī)設(shè)備制造精度，以及定徑量、定徑道次等因素入手，通過理論分析與仿真計算，得到設(shè)備與工藝等因素對不銹鋼焊管外徑尺寸精度影響的結(jié)果，通過分析結(jié)果可以看出影響因素的主次，本文結(jié)論對提高不銹鋼焊管產(chǎn)品質(zhì)量具有一定的實用價值和指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：不銹鋼焊管；尺寸精度；仿真0 引 言在儀器儀表、醫(yī)療器械、精密設(shè)備、電子電器、航空航天、薄壁供水管線以及換熱器等領(lǐng)域中，要求所使用的焊管具有較高的外徑尺寸精度。普通焊管機(jī)組無法滿足這方面的要求。本文將分析焊管設(shè)備和生產(chǎn)工藝因

2、素如何影響不銹鋼焊管外徑尺寸精度。1 高精度不銹鋼焊管的尺寸精度要求從GB/T 3639-2000冷拔或冷軋精密無縫鋼管以及ASTM A 1016、GB/T 12770-2002機(jī)械結(jié)構(gòu)用不銹鋼焊接鋼管等標(biāo)準(zhǔn)，看出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對高精度不銹鋼焊管的外徑允許偏差（表1）和壁厚偏差（表2）的要求。焊管內(nèi)徑公差主要受外徑公差及壁厚公差影響，本文不討論內(nèi)徑公差的問題。 表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對高精度不銹鋼焊管外徑允許偏差的要求 mm鋼管外徑ASTM A 1016GB/T 3639GB/T 1277013-±0.10430-±0.10-25±0.10-1325-±0.13324

3、0-±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 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對高精度不銹鋼焊管壁厚偏差的要求 mm鋼管壁厚tASTM A1016GB/T 3639GB/T 127700.518%t±10%t±0.050.51.0±0.111.0

4、2.0±0.172.03.0±7%t3.04.0±6%t4.05.0±5%t2 不銹鋼焊管外徑尺寸精度的影響因素分析2.1 鋼帶厚度和寬度精度的影響鋼帶寬度W的計算可用下式表示： （1）式中 D成品管直徑，mm；t鋼帶厚度，mm；b補(bǔ)償參數(shù)，mm。由式（1）可以得出： （2）分別對式（2）中的W及t求偏導(dǎo)數(shù)得出： （3） （4）由式（3）、（4）可以看出，鋼帶寬度偏差對焊管直徑精度的影響為；鋼帶厚度偏差對焊管直徑精度的影響為1:1（表3）。表3 鋼帶厚度和寬度偏差對焊管外徑尺寸精度的影響 mm項目普通精度較高精度鋼帶偏差焊管外徑公差鋼帶偏差焊管外徑公差鋼

5、帶寬度1.00.3180.7000.223鋼帶厚度±0.040.080±0.0350.070焊管外徑差值合計0.3980.293注：以31.8 mm×2.0 mm不銹鋼焊管為例；鋼帶厚度偏差數(shù)據(jù)來自GB/T 3280-2007標(biāo)準(zhǔn)。2.2 定徑前焊管外徑公差及定徑量的影響1）定徑前的焊管外徑尺寸公差定徑前焊管外徑公差受鋼帶公差、焊接輥尺寸精度及其間隙等多種因素的疊加影響。選表3中的較高精度外徑公差（0.293 mm），加上焊接輥跳動引起的焊管外徑公差（0.420 mm），合計約為0.71 mm。2）定徑量對焊管外徑尺寸精度的影響高精度焊管的定徑量應(yīng)比普通焊管的稍大

6、。定徑量的確定原則是：定徑量要大于定徑前焊管外徑公差；足夠的定徑量和定道次。2.3 定徑機(jī)的機(jī)座剛度及設(shè)備尺寸的影響2.3.1 機(jī)座剛度焊管定徑機(jī)機(jī)座的彈性變形量等于機(jī)座中一系列受力零件彈性變形量的總和1。即： （5）式中 機(jī)座彈性變形量，mm；機(jī)座立柱的彈性變形量，mm； 壓下螺絲的彈性變形量，mm； 上下橫梁的彈性變形量，mm；軋輥軸的彈性變形量，mm；其他零件（包括軸承、軸承座等）的彈性變形量，mm。焊管定徑機(jī)機(jī)座的剛度系數(shù)k按下式計算： （6）式中 定徑軋制力，N；機(jī)座的彈性變形量，mm。2.3.2 定徑軋制力 1）平均單位壓力的計算定徑時，焊管的應(yīng)力分析如圖1所示。單元體切向應(yīng)力 單

7、元體徑向應(yīng)力一般而言，薄壁焊管中的，軸向應(yīng)力，假設(shè)焊管壁厚無變化，此時單元體的徑向變形量。當(dāng)焊管的外表面壓力為時，可按下式2計算出單元體切向應(yīng)力，即： （7）式中 平均單位壓力，N； 焊管平均直徑，mm； 焊管壁厚，mm。按來塞斯屈服條件3，材料開始產(chǎn)生塑性變形時 （8）式中 材料屈服極限，304不銹鋼的。將式（8）代入式（7）中，得： （9）2）接觸面積的計算定徑時，焊管除了塑性變形外，還存在彈性變形和彈性恢復(fù)。相應(yīng)地，其塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)和彈性恢復(fù)區(qū)，如圖2所示4。R軋輥半徑 u2入口前焊管半徑 u1彈性變形后焊管半徑為了計算簡便，假設(shè)彈性區(qū)與彈復(fù)區(qū)的彈性變形量u=u2-u1。從圖2可

8、看出，彈性變形區(qū)長度為： （10）彈性恢復(fù)區(qū)長度為： （11）塑性變形區(qū)長度為： （12）式中 軋輥最小底徑，mm；定徑量，mm.根據(jù)薄壁管的力學(xué)特征，不銹鋼焊管的彈性變形量u可按下式2計算： （13）式中 E金屬彈性模量，；金屬泊桑系數(shù)，不銹鋼材質(zhì)的。3）定徑軋制力的計算設(shè)彈性區(qū)和彈復(fù)區(qū)的單位壓力為線性變化，則其平均單位壓力為塑性變形區(qū)平均單位壓力的一半。故，定徑時的軋制力為： （14）式中 孔型寬度，mm。將，代入式（9）（14）中得：平均單位壓力pc=36.24（MN），焊管彈性變形量u=0.019（mm），定徑軋制力P=5 811（N）。2.3.3 定徑機(jī)機(jī)座的彈性變形1）機(jī)座立柱的彈

9、性變形機(jī)座立柱的彈性變形量f1可近似用虎克定律5來表示，即： （15）式中 機(jī)座立柱長度，mm； F1機(jī)座立柱的截面積，mm2。 將，代入式（15）中，得：增大機(jī)座剛度肯定可以提高焊管成品外徑尺寸精度。因此，通過增大焊管定徑機(jī)的牌坊尺寸，來提高焊管成品外徑尺寸精度。將牌坊橫截面尺寸改為，代入式（15）中得：2）機(jī)座壓下螺絲的彈性變形機(jī)座壓下螺絲的彈性變形量f2可按下式計算： （16）式中 螺絲長度mm； F2螺絲的有效截面積mm2。原用壓下螺絲M16的有效直徑為截面積為代入式（16）中得：后來改用的壓下螺絲M20的有效直徑為螺絲長度為，則，代入式（16）中得。3）機(jī)座橫梁的彈性變形機(jī)座橫梁的彈

10、性變形量f3可按下式計算： （17）式中為截面慣性矩mm4； （18）式中 b、h分別表示橫梁截面的寬、高尺寸，mm。上橫梁的，代入式（17）、（18）中得： mm4下橫梁的，代入式（17）、（18）中得：因此，機(jī)架橫梁的彈性變形量。將焊管定徑機(jī)機(jī)座的上橫梁尺寸改為，代入式（17）、（18）中得；下橫梁尺寸改為，代入式（17）、（18）中得。因此，改造后焊管定徑機(jī)機(jī)座橫梁的彈性變形量為：4） 軋輥軸的彈性變形軋輥尺寸及受力分析如圖3所示。軋輥撓度的變化將直接影響焊管尺寸。軋輥軸的彈性變形量f4可按下式5計算： （19）其中，軋輥軸的抗彎柔度可按下式進(jìn)行計算： （20）式中 軋輥軸直徑，mm；1

11、/2輥身長度,mm；1/2輥頸長度,mm； 1/2孔型寬度,mm。 將，代入式（19）、（20）中得，將焊管定徑機(jī)的軋輥軸改為，代入式（19）、（20）中得，。5）設(shè)備尺寸對定徑機(jī)機(jī)座彈性變形的影響以焊管定徑機(jī)為例，當(dāng)定徑量為0.4 mm時，定徑機(jī)機(jī)座各零件尺寸改變后對定徑機(jī)機(jī)座彈性變形的影響列于表4。表4 定徑機(jī)機(jī)座各零件尺寸改變后對定徑機(jī)機(jī)座彈性變形的影響 零件名稱彈性變形量/mm降低程度/%影響程度/%改造前改造后機(jī)架立柱0.0040.00325.002.30壓下螺絲0.0090.00633.334.61機(jī)架橫梁0.0620.04625.8035.38軋輥軸0.1330.04268.42

12、32.30其他0.0700.03352.8625.38合計0.2780.13053.24注：表中； 為軸承座、壓下螺母等零件的彈性變形量，約為總變形量的25%。從表4可以看出，對機(jī)座彈性變形影響最大的是機(jī)座橫梁和軋輥軸尺寸。提高機(jī)座橫梁尺寸和軋輥尺寸，則可以明顯減小機(jī)座的彈性變形。2.4 定徑機(jī)設(shè)備制造精度的影響定徑機(jī)的設(shè)備制造精度直接影響焊管外徑公差。焊管定徑機(jī)改造前后的設(shè)備尺寸精度見表5。 表5 焊管定徑機(jī)改造前后的設(shè)備尺寸精度 mm項 目改造前改造后軋輥徑向跳動0.060.020軋輥軸徑向跳動0.040.010軸承精度0.020.002其 他0.060.020合 計0.180.052注：

13、焊管定徑機(jī)改造前采用G級滾動軸承，而改造后采用D級滾動軸承；其他影響因素包括零件之間的配合間隙等。3 定徑設(shè)備尺寸對焊管外徑尺寸精度影響的仿真計算以規(guī)格31.8 mm×2.0 mm，材質(zhì)304的焊管生產(chǎn)為例，只考慮機(jī)座、軋輥軸彈性變形對焊管外徑尺寸的影響，仿真計算如下。定徑后的焊管外徑d為： （21）式中 do設(shè)定外徑，mm。由于設(shè)定定徑值與實際定徑值不同，通過多次反復(fù)計算，可得到較為精確的結(jié)果，計算框圖見圖4。焊管定徑機(jī)機(jī)座改造前后的剛度對焊管外徑的影響分別見表6。表6 改造前后焊管定徑機(jī)機(jī)架剛度對焊管外徑的影響 mm定徑道次設(shè)定外徑入口外徑出口外徑外徑公差定徑量改造前改造后改造前

14、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，改造前焊管外徑公差由定徑前的0.71 mm減少到0.08 mm，總定徑量為0.78 mm；改造后焊管外徑公差由定徑前的0.71 mm減少到0.03

15、mm，總定徑量為0.80 mm。因此，增大機(jī)座剛度可以提高焊管外徑尺寸精度。根據(jù)以上分析，鋼帶厚度和寬度的精度只影響定徑前的焊管外徑精度，而在定徑過程中沒有多大影響。定徑道次和定徑量主要根據(jù)定徑前焊管外徑公差來定，足夠的定徑道次和定徑量是提高焊管成品外徑精度的基本保證。影響焊管外徑精度的因素主要是定徑機(jī)設(shè)備尺寸與設(shè)備制造精度。根據(jù)表5和表6中的數(shù)據(jù)制成表7，從中可看出定徑機(jī)設(shè)備制造精度是提高焊管外徑精度的關(guān)鍵因素。 表7 定徑機(jī)改造前后的設(shè)備尺寸及制造精度對焊管外徑精度的影響 影響因素外徑精度/mm精度提高值/mm提高程度/%影響程度/%改造前改造后機(jī)座剛度0.080.030.0562520設(shè)

16、備制造精度0.320.120.20625080合計0.40.150.25625注：機(jī)座剛度影響引用表6中第3項數(shù)據(jù)。4 生產(chǎn)驗證在生產(chǎn)現(xiàn)場實測了定徑機(jī)改造前后所生產(chǎn)的304不銹鋼焊管外徑尺寸精度的數(shù)據(jù)，見表8。表8 定徑機(jī)改造前后的焊管外徑尺寸精度實測 mm焊管規(guī)格改造前改造后最大外徑最小外徑偏差最大外徑最小外徑偏差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從表8看出，改造后定徑機(jī)所生產(chǎn)的304不銹鋼焊管外徑偏差達(dá)到高精度焊管標(biāo)準(zhǔn)水平，符合ASTM 1016和GB/T3639-2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。5 結(jié) 論（1）本文所分析的是薄壁不銹鋼焊管外徑尺寸精度的影響因素，同樣適合厚壁不銹鋼焊管。（2）提高設(shè)備制造精度是提高不銹鋼焊管外徑尺寸精度的關(guān)鍵因素。（3）增加定徑量及定徑道次也是提高不銹鋼焊管外徑尺寸精度的必要手段。6 參考文獻(xiàn)1 黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)