论文部分内容阅读
摘?要 本文通过理论计算论证钢管热挤压扩孔筒拆装的可行性，制定钢管热挤压扩孔筒拆装的试验方案，通过实践验证实理论计算的正确，并通过总结扩孔筒拆装实践经验，形成扩孔筒拆装操作的标准。
关键词 钢管热挤压；扩孔筒；拆装
中图分类号 TG375 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0184-02
热挤压扩孔筒为挤压高端无缝钢管生产的关键生产备件，该备件内腔在钢管挤压生产中与钢管坯料反复摩擦，极易磨损；为减少钢管热挤压生产过程中扩孔筒消耗成本，将热挤压扩孔筒设计成由外套与内衬组成，通过更换磨损的内衬，来修复扩孔筒的精度。
1 提出问题
因该扩孔筒体积大，更换磨损的内衬，修复扩孔筒操作难度大，有较高的技术要求，目前国内尚无成功的拆装的报道。拆装前如不过通过理论计算论证，制定拆装的方案，精心组织试验，总结实践经验，形成筒拆装操作标准，来指导、规范拆装扩孔筒外套与内衬的拆装过程，在拆装过程中不能准确掌控工艺参数，极易造成扩孔筒报废的后果。因此，开展扩孔筒体拆装理论计算论证及实际拆装试验很有必要。
2 理论计算论证
热挤压扩孔筒由外套与内衬组成，见图1，扩孔筒外套及内衬的材料均为X38CrMoV5-1。首先通过理论计算论证钢管热挤压扩孔筒拆装的可行性。
该扩孔筒外套与内衬的设计过盈量为2‰，内衬尺寸A1、A2，如图1所示，分别为：
A1=410+410*2‰=410.82；A2=350+350*2‰=350.70。
按内衬实际加工、热装配前测量的尺寸：A1=φ410.80+0.05；A2=φ350.70+0.05。
经热装，实际过盈量不足2‰，约为1.8‰左右。
热装依据及加热曲线：
扩孔筒外套及内衬的材料均为X38CrMoV5-1，该材料的热膨胀系数为a（200℃～300℃时，a=12.6×10-6；200℃～400℃时，a=12.8×10-6）。
该材料的回火温度为650℃，为保证扩孔筒经热装后的材料性能，扩孔筒外套及内衬加热最高温度应控制在650℃以下。
热装配前扩孔筒外套加热温度计算：
t=
式中：δ为热装过盈量；δ0为热装间隙；d为包容直径；t0为室温。
理论计算及实际测量，外套与内衬过盈配合的过盈量≤0.7mm。
如采用热装方法将外套加热到t，内套保持室温，将内衬装入外套，则外套加热温度：
t==312.5+28=340.5℃
即：将外套加热到340.5℃，内套保持室温，可将内衬装入
外套。
根据上述计算及模具加热经验，编制了扩孔筒外套热装配加热曲线，见图2。
图2 扩孔筒外套加热曲线
如采用冷装方法将内衬冷却到t，外套保持室温，将内衬装入外套，则内衬冷却温度：
t=
碳钢低温合金钢、合金结构钢冷却线性膨胀系数a为8.5×10-6，目前取a=9×10-6。
但-444℃已在绝对零度之下，所以不可能实现。
即：外套保持室温，仅将内衬冷却，将内衬装入外套是不可行的。
如采用加热和冷却综合技术，分离筒体外套与内衬：
假设将筒体组件加热至400℃，筒体膨胀，外套与内衬过盈量为0.7 mm。
筒体组件保持400℃，内衬用喷淋管喷水，急速冷却内衬，使其收缩，消除外套与内衬过盈量0.7 mm，外套与内衬就会自然而然的分离开来。
根据上述过程，进行理论计算如下：
水的汽化温度为100℃，把内衬经喷水冷却，从400℃下降到100℃以下，实际上下降了300℃。
内衬冷却300℃温度时收缩量δ=d*t*a=350*300*9×10-6=0.94 mm。
上式中材料冷却线性膨胀系数a取9×10-6，内衬外径d为350 mm，内衬降温t为300℃。
经上述计算，内衬温度从400℃下降到100℃以下，内衬收缩了0.94 mm，此时400℃的外套与冷却到100℃以下外套与内衬的间隙为：0.94-0.7=0.24 mm，完全可以
脱离。
经上述理论计算可知，假设以筒体（外套、内衬）处于400℃加热保温状态中，仅冷却内衬且外套热量少量传递或热辐射给内衬的前提下，内衬可以从外套中分离。
3 设计扩孔筒拆装试验方案
为试验论证上述扩孔筒由外套与内衬通过加热及水冷却方法，实现扩孔筒由外套与内衬拆装的理论，设计了扩孔筒外套与内衬拆装试验方案并准备了筒体衬套拆装前的加热设备、筒体衬套冷却分离的冷却水源及场地、筒体移动起重工具等内容，具体见图3。
筒体加热设备台式炉，可以调控加热温度，最高加热温度在600℃。
筒体衬套冷却分离的冷却水源及场地，预设了孔径为DN50的水管为水源，构筑了4 m×4 m×3 m深的。为了防止水量不足，做了一个大约5 m3的水箱，配备了一套新型高效节能的漩涡自吸泵站（流量27 m3/h，扬程21 m，口径50 mm，同步电机1.5 kW，
3?000转/秒，吸程9 m）。
为了防止吊杆下托盘孔平面漏水（会流向筒体外套，会影响冷却效果），分别加放了石棉盘根。为了给吊棒中心定位，荷重起吊时筒体不至于倾歪，加放了垫和弹簧等措施。
4 实施扩孔筒拆装试验并形成拆装标准
完成上述扩孔筒拆装硬件准备工作后，组织多次拆装试验，实现了扩孔筒由外套与内衬拆装，并通过近一年的拆装实践，不断优化，逐步形成了扩孔筒的外套与内衬拆装过程如下关键工序的控制标准：
扩孔筒的外套与内衬零件加工过程中过盈量控制：小于
0.7 mm。
扩孔筒的外套与内衬装配前，外套加热控制：炉温450±200℃；外套出炉温度400±200℃。
扩孔筒外套、内衬组件拆卸前，组件加热控制：炉温500±200℃；扩孔筒组件出炉温度450±200℃。
扩孔筒组件由加热工位运至水冷拆卸工位的时间控制：小于
5 min。
扩孔筒内套水冷却控制：冷却水管径：DN50，水压0.2 Mpa，水温低于250℃。
5 结束语
依据理论计算探索热挤压机扩孔筒拆装的可行性；制定热挤压机扩孔筒拆装试验方案并通过试验证实理论计算的正确性；通过对大量拆装试验成功的数据进行分析，总结形成筒拆装操作标准；在实际拆装过程中不断优化，使扩孔筒拆装成功率达90%以上，有效降低钢管热挤压生产的生产成本。
参考文献
[1]吴承建.金属材料学[M].冶金工业出版社,2009,8.
[2]王文斌.机械设计手册[M].机械工业出版社,2007,2.
作者简介
周强（1966—），男，大学本科，高级工程师，研究方向：冶金机械。
关键词 钢管热挤压；扩孔筒；拆装
中图分类号 TG375 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0184-02
热挤压扩孔筒为挤压高端无缝钢管生产的关键生产备件，该备件内腔在钢管挤压生产中与钢管坯料反复摩擦，极易磨损；为减少钢管热挤压生产过程中扩孔筒消耗成本，将热挤压扩孔筒设计成由外套与内衬组成，通过更换磨损的内衬，来修复扩孔筒的精度。
1 提出问题
因该扩孔筒体积大，更换磨损的内衬，修复扩孔筒操作难度大，有较高的技术要求，目前国内尚无成功的拆装的报道。拆装前如不过通过理论计算论证，制定拆装的方案，精心组织试验，总结实践经验，形成筒拆装操作标准，来指导、规范拆装扩孔筒外套与内衬的拆装过程，在拆装过程中不能准确掌控工艺参数，极易造成扩孔筒报废的后果。因此，开展扩孔筒体拆装理论计算论证及实际拆装试验很有必要。
2 理论计算论证
热挤压扩孔筒由外套与内衬组成，见图1，扩孔筒外套及内衬的材料均为X38CrMoV5-1。首先通过理论计算论证钢管热挤压扩孔筒拆装的可行性。
该扩孔筒外套与内衬的设计过盈量为2‰，内衬尺寸A1、A2，如图1所示，分别为：
A1=410+410*2‰=410.82；A2=350+350*2‰=350.70。
按内衬实际加工、热装配前测量的尺寸：A1=φ410.80+0.05；A2=φ350.70+0.05。
经热装，实际过盈量不足2‰，约为1.8‰左右。
热装依据及加热曲线：
扩孔筒外套及内衬的材料均为X38CrMoV5-1，该材料的热膨胀系数为a（200℃～300℃时，a=12.6×10-6；200℃～400℃时，a=12.8×10-6）。
该材料的回火温度为650℃，为保证扩孔筒经热装后的材料性能，扩孔筒外套及内衬加热最高温度应控制在650℃以下。
热装配前扩孔筒外套加热温度计算：
t=
式中：δ为热装过盈量；δ0为热装间隙；d为包容直径；t0为室温。
理论计算及实际测量，外套与内衬过盈配合的过盈量≤0.7mm。
如采用热装方法将外套加热到t，内套保持室温，将内衬装入外套，则外套加热温度：
t==312.5+28=340.5℃
即：将外套加热到340.5℃，内套保持室温，可将内衬装入
外套。
根据上述计算及模具加热经验，编制了扩孔筒外套热装配加热曲线，见图2。
图2 扩孔筒外套加热曲线
如采用冷装方法将内衬冷却到t，外套保持室温，将内衬装入外套，则内衬冷却温度：
t=
碳钢低温合金钢、合金结构钢冷却线性膨胀系数a为8.5×10-6，目前取a=9×10-6。
但-444℃已在绝对零度之下，所以不可能实现。
即：外套保持室温，仅将内衬冷却，将内衬装入外套是不可行的。
如采用加热和冷却综合技术，分离筒体外套与内衬：
假设将筒体组件加热至400℃，筒体膨胀，外套与内衬过盈量为0.7 mm。
筒体组件保持400℃，内衬用喷淋管喷水，急速冷却内衬，使其收缩，消除外套与内衬过盈量0.7 mm，外套与内衬就会自然而然的分离开来。
根据上述过程，进行理论计算如下：
水的汽化温度为100℃，把内衬经喷水冷却，从400℃下降到100℃以下，实际上下降了300℃。
内衬冷却300℃温度时收缩量δ=d*t*a=350*300*9×10-6=0.94 mm。
上式中材料冷却线性膨胀系数a取9×10-6，内衬外径d为350 mm，内衬降温t为300℃。
经上述计算，内衬温度从400℃下降到100℃以下，内衬收缩了0.94 mm，此时400℃的外套与冷却到100℃以下外套与内衬的间隙为：0.94-0.7=0.24 mm，完全可以
脱离。
经上述理论计算可知，假设以筒体（外套、内衬）处于400℃加热保温状态中，仅冷却内衬且外套热量少量传递或热辐射给内衬的前提下，内衬可以从外套中分离。
3 设计扩孔筒拆装试验方案
为试验论证上述扩孔筒由外套与内衬通过加热及水冷却方法，实现扩孔筒由外套与内衬拆装的理论，设计了扩孔筒外套与内衬拆装试验方案并准备了筒体衬套拆装前的加热设备、筒体衬套冷却分离的冷却水源及场地、筒体移动起重工具等内容，具体见图3。
筒体加热设备台式炉，可以调控加热温度，最高加热温度在600℃。
筒体衬套冷却分离的冷却水源及场地，预设了孔径为DN50的水管为水源，构筑了4 m×4 m×3 m深的。为了防止水量不足，做了一个大约5 m3的水箱，配备了一套新型高效节能的漩涡自吸泵站（流量27 m3/h，扬程21 m，口径50 mm，同步电机1.5 kW，
3?000转/秒，吸程9 m）。
为了防止吊杆下托盘孔平面漏水（会流向筒体外套，会影响冷却效果），分别加放了石棉盘根。为了给吊棒中心定位，荷重起吊时筒体不至于倾歪，加放了垫和弹簧等措施。
4 实施扩孔筒拆装试验并形成拆装标准
完成上述扩孔筒拆装硬件准备工作后，组织多次拆装试验，实现了扩孔筒由外套与内衬拆装，并通过近一年的拆装实践，不断优化，逐步形成了扩孔筒的外套与内衬拆装过程如下关键工序的控制标准：
扩孔筒的外套与内衬零件加工过程中过盈量控制：小于
0.7 mm。
扩孔筒的外套与内衬装配前，外套加热控制：炉温450±200℃；外套出炉温度400±200℃。
扩孔筒外套、内衬组件拆卸前，组件加热控制：炉温500±200℃；扩孔筒组件出炉温度450±200℃。
扩孔筒组件由加热工位运至水冷拆卸工位的时间控制：小于
5 min。
扩孔筒内套水冷却控制：冷却水管径：DN50，水压0.2 Mpa，水温低于250℃。
5 结束语
依据理论计算探索热挤压机扩孔筒拆装的可行性；制定热挤压机扩孔筒拆装试验方案并通过试验证实理论计算的正确性；通过对大量拆装试验成功的数据进行分析，总结形成筒拆装操作标准；在实际拆装过程中不断优化，使扩孔筒拆装成功率达90%以上，有效降低钢管热挤压生产的生产成本。
参考文献
[1]吴承建.金属材料学[M].冶金工业出版社,2009,8.
[2]王文斌.机械设计手册[M].机械工业出版社,2007,2.
作者简介
周强（1966—），男，大学本科，高级工程师，研究方向：冶金机械。