1、 不锈钢焊管外径尺寸精度影响因素分析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
2、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 -25400
3、.15 - 0.254063- - 0.304250 - 0.20 -40500.20 - -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 127700.5 0.050.51.0 0.111.02.0 0.172.03.0 7%t3.04.0 6%t4.05.018% t 10%t5%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
4、度精度的影响钢带宽度 W 的计算可用下式表示：（1）btDW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）bt分别对式（2）中的 W 及 t 求偏导数得出：（3）D（4）1t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1: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普通精度 较高精度项目钢带偏差 焊管外径公差 钢带偏差 焊管外径公差钢带宽度 1.0 0.318 0.700 0.223钢带厚度 0.04 0.080 0.035 0.070焊管外径差值合计 0.3
5、98 0.293注：以 31.8 mm2.0 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
6、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）54321fff式中 机座弹性变形量，mm；机座立柱的弹性变形量，mm；1f压下螺丝的弹性变形量，mm；2上下横梁的弹性变形量，mm；3f轧辊轴的弹性变形量，mm；4其 他 零 件 （ 包 括 轴 承 、 轴 承 座 等 ） 的 弹 性 变 形 量 ，mm。5f焊管定径机机座的刚度系数 k 按下式计算：（6）fPk式中 定径轧制力，N；机座的弹性变形量，mm。f2.3.2 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
7、。图 焊 管 定 径 时 微 单 元 体 上 应 力 分 析 图单元体切向应力 单元体径向应力r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0r 0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：0rcp （7）cptD2式中 平均单位压力，N；c焊管平均直径，mm；焊管壁厚，mm。t按来塞斯屈服条件 3，材料开始产生塑性变形时（8）s2式中 材料屈服极限，304 不锈钢的 。s MPas205将式（8）代入式（7）中，得：（9）scDtp22）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
8、性变形区和弹性恢复区，如图 2 所示 4。 塑 性 区弹 性 区 弹 复 区图 2 定 径 变 形 时 弹 性 变 形 区 ， 塑 性 变 形 区 和 恢 复 区 示 意 图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）duDmin21弹性恢复区长度为：（11）min塑性变形区长度为：（12）dDmin21式中 轧辊最小底径，mm；in定径量，mm.d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）214EtPDuc式中 E金属弹性模量， ；MPa310
9、6金属泊桑系数，不锈钢材质的 。28.3）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：P（14） udDdBpPc minmin2121式中 孔型宽度，mm。将 ， ， ， ， 代入式D0min4.0c3mt0.2B8.31（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）12EFplf式中 机座立柱长
10、度，mm；lF1机座立柱的截面积，mm 2。将 ， ， 代入式ml3821034m NMPa，E92.4671063（15）中，得： f .2062531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：2168035 mFf .680203512）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）22fEFpl式中 螺丝长度 mm；2lF2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m，140.,02l,1542m（16）中得： f
11、 9.15402683后来改用的压下螺丝 M20 的有效直径为 螺丝长度为 ，则 ，代,3.17102235F入式（16）中得 。mf.23）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）3EJplf式中 为截面惯性矩 mm4；（18）123bh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：mlhm72,4,3mm4533109.214Jf 0678533 上下横梁的 ，代入式（17） 、 （18）中得：mlhmb72,423f1.3下因此，机架横梁的弹性变形量 。ff062.33下上将焊管定径机机座的上横梁尺寸改为 ，代入
12、式（17） 、mlhmb7,4,53（18）中得 ；下横梁尺寸改为 ，代入式（17） 、mf014.3上 25（18）中得 。因此，改造后焊管定径机机座横梁的弹性变形量为：2下 ff6.33下上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）wPK其中，轧辊轴的抗弯柔度 可按下式进行计算：w（20） bgbgbjggw LDLLED215483236124式中 轧辊轴直径，mm；g1/2 辊身长度,mm；L1/2 辊颈长度,mm；j1/2 孔型宽度,mm。b图 3轧 辊 轴 受 力 图将 ， ， ， ，
13、代入式mDg30Lg.82mLb28j5. NP92.467（19） 、 （20）中得 ，5104.wKf13.4将焊管定径机的轧辊轴改为 ， ， ， ，Dgg.mLb8j5.代入式（19） 、 （20）中得 ， 。NP92.467 5209.wKf42.5）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m3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 弹性变形量/mm零件名称改造前 改造后降低程度/%影响程度/%机架立柱 1f0.004 0.003 25.00 2.30压下螺
14、丝 20.009 0.006 33.33 4.61机架横梁 3f0.062 0.046 25.80 35.38轧辊轴 40.133 0.042 68.42 32.30其他 5f0.070 0.033 52.86 25.38合计 0.278 0.130 53.24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%。54321fff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
15、。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 0.06 0.020轧辊轴径向跳动 0.04 0.010轴承精度 0.02 0.002其 他 0.06 0.020合 计 0.18 0.052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 mm2.0 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）kPdo式中
16、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。输 入 入 口 管 径 、 厚 度设 定 管 径计 算 轧 制 力计 算 弹 性 变 形出 口 管 径 是否 图 4出 口 管 径 计 算 流 程 图结 束表 6 改造前后焊管定径机机架刚度对焊管外径的影响 mm设定外径 入口外径 出口外径 外径公差 定径量定径道次 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 32.10 32.10 32.6131.90 32.6131.90 32.3331.
17、90 32.2331.90 0.70 0.33 0.28 0.38 32.0 32.00 32.3331.90 32.2331.90 32.1931.90 32.0931.90 0.25 0.19 0.14 0.14 31.60 31.70 32.1931.90 32.0931.90 31.8531.77 31.8131.78 0.08 0.03 0.34 0.28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
18、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 外径精度/mm影响因素改造前 改造后精度提高值/mm提高程度/%影响程度/%机座刚度 0.08 0.03 0.05 625 20设备制造精度 0.32 0.
19、12 0.20 6250 80合计 0.4 0.15 0.25 625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改造前 改造后焊管规格最大外径 最小外径 偏差 最大外径 最小外径 偏差31.82.0 32.20 31.70 +0.40-0.10 31.86 31.70 +0.06-0.1025.01.2 25.12 24.84 +0.12-0.16 25.06 24.92 +0.06-0.0819.01.0 19.12 18.96 +0.12-0.14 19.04 18.96 +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。
