供稿|闞開，王德勇 / KAN Kai, WANG De-yong

AISI 4145H鉆鋌用鋼在石油天然氣工程中用于制造油田鉆井工具石油鉆鋌。隨著我國石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)鉆鋌鋼的需求呈上升趨勢(shì)。過去用戶采購φ175 mm鋼材加工168 mm加重鉆桿成品，考慮到用戶降成本需求，新開發(fā)規(guī)格φ173 mm鋼材滿足用戶的需要。為了保證用戶的加工余量以及鋼材表面質(zhì)量的影響因素，根據(jù)技術(shù)協(xié)議的要求，φ173 mm公差±1.8 mm，因此孔型按照φ174 mm公差0～0.8 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼材實(shí)際尺寸控制在φ174.0 mm～φ174.8 mm國標(biāo)Ⅰ組范圍內(nèi)，來滿足用戶的需求。傳統(tǒng)的軋制技術(shù)很難保證產(chǎn)品尺寸精度達(dá)到超國標(biāo)Ⅰ組的水平，即使通過嚴(yán)格的輥縫調(diào)整，保證在軋件高度方向上的精度達(dá)到GB702Ⅰ組的水平，但也保證不了圓鋼的另外兩個(gè)尺寸參數(shù)寬度和橢圓度的精度達(dá)到GB702Ⅰ組的水平。這主要是由于圓鋼孔型本身設(shè)計(jì)存在但無法改變的缺陷、軋件頭尾溫度變化、機(jī)架間張力波動(dòng)、孔型磨損等因素的影響。

定徑技術(shù)簡(jiǎn)介

定徑技術(shù)工藝就是通過采用橢圓－圓－圓孔型系統(tǒng)[1-3]（見圖1），定徑圓與成品圓設(shè)計(jì)同一孔型尺寸，這樣保證定徑圓對(duì)軋件規(guī)圓時(shí)，產(chǎn)生小變形量，是無寬展軋制，減小產(chǎn)品的橢圓度和尺寸波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品尺寸影響的生產(chǎn)工藝過程。在軋制過程中，孔型、軋件溫度、材質(zhì)、張力、孔型磨損等因素的影響，軋件在長(zhǎng)度方向上直徑發(fā)生變化，造成最終產(chǎn)品尺寸不合，通過定徑軋制系統(tǒng)，消除這方面的影響，提高產(chǎn)品尺寸精度。

定徑技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)際生產(chǎn)過程中，軋件材質(zhì)、頭尾溫度變化引起機(jī)架間張力波動(dòng)和軋件寬展系數(shù)變化、孔型磨損以及成品圓孔存在缺陷等都將造成圓鋼局部尺寸不能達(dá)到預(yù)期的精度。

圖1 定徑原理簡(jiǎn)圖

孔型設(shè)計(jì)自身缺陷對(duì)產(chǎn)品尺寸精度的影響

在孔型設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證軋件便于咬入，一般孔型設(shè)計(jì)在基圓兩旁做一對(duì)稱的擴(kuò)展圓弧[4]。但這種設(shè)計(jì)無法解決其擴(kuò)展圓弧范圍內(nèi)直徑尺寸大于產(chǎn)品公稱直徑尺寸的問題，見圖2。由圖2可知擴(kuò)展圓弧直徑比基圓直徑尺寸大1.2～1.3 mm，經(jīng)過軋制，鋼材兩旁熱尺寸基本達(dá)到177.3 mm，高度方向尺寸176.1 mm，50°角范圍擴(kuò)展圓弧所對(duì)應(yīng)直徑為177.3～177.4 mm，橢圓度為1.2～1.3 mm，產(chǎn)品斷面尺寸出現(xiàn)橢圓度超差，局部尺寸不合問題。

圖2 孔型擴(kuò)展圓弧造成產(chǎn)品φ174 mm尺寸偏大示意圖

寬展系數(shù)對(duì)產(chǎn)品尺寸精度的影響

根據(jù)Wusatowski寬展公式可知，溫度對(duì)寬展的影響在生產(chǎn)過程中不可避免地出現(xiàn)以下兩種狀態(tài)，一是在730 ℃時(shí)，軋件兩側(cè)直徑小于標(biāo)準(zhǔn)合格直徑0.56～0.78 mm，見圖3。二是在850 ℃時(shí)軋件兩側(cè)直徑大于標(biāo)準(zhǔn)合格直徑0.56～0.78 mm，見圖4。由圖3和圖4可見，由于標(biāo)準(zhǔn)的熱尺寸為176.08～176.89 mm，所以在生產(chǎn)過程中軋件溫度變化出現(xiàn)175.3 mm或177.67 mm兩種不同的熱尺寸產(chǎn)品，出現(xiàn)冷尺寸超差問題，這種問題在實(shí)際生產(chǎn)過程很難解決。

圖3 φ174 mm棒材在730 ℃時(shí)尺寸情況示意圖

圖4 φ174 mm棒材在850 ℃時(shí)尺寸情況示意圖

定徑孔規(guī)圓軋制，解決尺寸波動(dòng)問題

在生產(chǎn)過程中成品孔型、鋼溫及鋼種變化等因素影響軋件尺寸波動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)圖3、圖4情況。圖4所示情況可直接用定徑孔進(jìn)行軋制，但出現(xiàn)圖3情況無法用定徑直接軋制彌補(bǔ)軋件所缺部分金屬，而且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中，圖3和圖4兩種情況經(jīng)常會(huì)交錯(cuò)出現(xiàn)，因此無法直接利用規(guī)圓技術(shù)消除成品孔型、鋼溫及鋼種變化影響的軋件尺寸波動(dòng)問題。如果將成品前軋件尺寸提前預(yù)調(diào)0.4～0.5 mm，則可保證成品軋件尺寸輥縫方向尺寸增大到176.49～177.4 mm，這樣可保證預(yù)留出定徑機(jī)組孔型進(jìn)行定徑軋制所用的壓下量，最終熱尺寸達(dá)到176.08～176.89 mm的正圓產(chǎn)品，即冷尺寸精度達(dá)國標(biāo)Ⅰ組正差0～0.8 mm標(biāo)準(zhǔn)要求。

定徑軋制結(jié)果分析

產(chǎn)品尺寸精度分析

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證定徑軋制對(duì)產(chǎn)品尺寸精度及穩(wěn)定性的控制效果，生產(chǎn)過程中在線取20塊試料，進(jìn)行各項(xiàng)尺寸參數(shù)檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見表1 。所抽檢產(chǎn)品中，非定徑軋制的產(chǎn)品尺寸很不穩(wěn)定，有70%的產(chǎn)品尺寸精度達(dá)不到國標(biāo)Ⅰ組公差尺寸要求的范圍，有80%的產(chǎn)品橢圓度達(dá)不到國標(biāo)Ⅰ組要求。產(chǎn)品尺寸合格率低，主要是軋制線長(zhǎng)，軋件溫降變化大，尤其頭尾溫差超過70～90 ℃，機(jī)架間張力波動(dòng)大，并且鋼種更換頻繁等因素影響軋件尺寸精度。經(jīng)過定徑軋制后產(chǎn)品尺寸偏差及橢圓度均在超國標(biāo)Ⅰ組公差0～0.8 mm范圍內(nèi)，合格率達(dá)到100%。雖然產(chǎn)品寬度方向尺寸受軋件溫度、機(jī)架間張力關(guān)系等因素影響，變化幅度較大，但經(jīng)小變形量無寬展定徑軋制后，產(chǎn)品尺寸精度均控制在標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)，并達(dá)到超國標(biāo)Ⅰ組正差0～0.8 mm標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 φ174 mm產(chǎn)品尺寸抽檢試驗(yàn)數(shù)據(jù)

合格率對(duì)比分析

為了更清楚說明產(chǎn)品尺寸指標(biāo)合格情況，根據(jù)表1中測(cè)試數(shù)據(jù)，分別抽取非定徑和定徑軋制的數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)量尺寸進(jìn)行分析比較。φ174 mm產(chǎn)品滿足技術(shù)協(xié)議Ⅰ組正公差的直徑尺寸范圍：174 mm（D下限）～174.8 mm（D上限）。非定徑技術(shù)軋制φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸D值分布見圖5，其中棒材尺寸小面（D1線）全部都分布在D下限界限之下，大面(D2線)有40%多分布在D上限界限之上，而且D線的波動(dòng)很大，說明軋件尺寸很不穩(wěn)定，并且局部超差嚴(yán)重。

定徑技術(shù)軋制φ174 mm圓產(chǎn)品直徑尺寸D值分布圖6所示，其中棒材尺寸小面（D1線）全部都分布在D上限界限之上，大面(D2線)有85%多分布在D上限界限之下，D線波動(dòng)較小，并且在公差帶范圍內(nèi)波動(dòng)，這說明產(chǎn)品直徑尺寸的合格率達(dá)到100%。

從以上對(duì)比分析看，采用定徑技術(shù)軋制大規(guī)格圓棒材，在控制產(chǎn)品尺寸精度和尺寸的穩(wěn)定性方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 非定徑技術(shù)的φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸情況

結(jié)論

（1）定徑技術(shù)的應(yīng)用，保證φ174 mm成品尺寸精度達(dá)到合同技術(shù)協(xié)議尺寸要求和國標(biāo)Ⅰ組正差尺寸精度，橢圓度可控制在≤0.8 mm范圍內(nèi)。

（2）在生產(chǎn)中應(yīng)用定徑技術(shù)，軋件溫度，機(jī)架間張力、孔型形狀等因素對(duì)產(chǎn)品尺寸影響明顯減小。產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性達(dá)到較高水平。

（3）對(duì)矯直產(chǎn)品頭部彎曲有明顯的效果。

圖6 定徑技術(shù)的φ174 mm產(chǎn)品直徑尺寸情況

[1] 王延?。堜摴に噷W(xué)．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1981

[2] 曹乃光．金屬塑性加工原理．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1983

[3] 趙志業(yè)．金屬塑性變形與軋制理論．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1980

[4] 鞍鋼孔型設(shè)計(jì)室．鋼材孔型設(shè)計(jì)．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1959

[5] 白光潤，欒瑰馥，朱殿強(qiáng)．孔型設(shè)計(jì)．沈陽: 東北工學(xué)院出版社,1992