穿孔顶头设计方法的探讨

穿孔顶头设计方法的探讨

生产无缝钢管穿孔顶头一直采用传统的铸造工艺，该工艺具有工作

流程短，生产技术稳定，易于掌握，成本较低等特点，但金属收得率低、

顶头使用寿命不长的明显缺陷。无缝钢管生产中穿孔顶头的工作条件是相

当恶劣的，在穿孔过程中，顶头直接跟高温管坯内壁相接触，和管坯反向

旋转，要承受压应力、切应力、表面摩擦力的作用，其表面工作温度在900℃，因此非常容易被破坏，同时会造成管坯表面受到损伤，从而影响

产品质量和生产效率。针对以上情况，我主要从以下两个方面改善顶头的

质量。

一、研制的新型顶头采用了热模锻造成型加工，能够消除顶头材料的

内部缺陷，使组织致密，力学性能提高，让顶头在穿孔过程中有更好的承

受能力。它是顶头制造的第一道关键工序，在加热时要避免材料产生加热

缺陷，即使是轻微的局部过热过烧，也会导致顶头在使用中早期开裂失效。另外，模锻内孔偏心也将明显地影响顶头的使用几乎所有的偏心顶头，在

壁薄的一侧都会产生开裂。

二、顶头形状尺寸及冷却条件

（一）形状尺寸

为了取得更好顶头使用效果，顶头制造厂家一般要根据钢管生产厂家

的设计方案，结合具体的使用条件对顶头设计进行相应的改进。顶头的外

形尺寸主要取决于穿孔机辊形和穿孔工艺参数。一般情况下，对外形尺寸

改动较小，而顶头的内孔形状尺寸和连接部位的设计则较为灵活，改动、

选择的范围较大。

1.鼻部——为一圆柱棒或球面体。其作用是对正管坯中心和防止管坯

最初形成的孔腔暴露。其直径推荐采用d =（0.15~0.25）Dp，（Dp为管坯

直径），长度L 取0.8～1.0d。

2.穿孔锥——为一球面体。其作用是完成毛管主要变形。它的长度对

穿孔时变形量有很大影响，过长或过短都不利于穿孔变形。一般L取1～

2.5Dr（Dr为顶头直径），这佯可以减缓穿孔变形，提高顶头寿命

3. 辗轧锥——为一斜锥体。其作用是均整毛管壁厚和内外表。一般L

取1.5~1.75Zc（Zc为穿孔时的螺距值）其锥底圆直径为顶头直径Dt，上顶

锥圆直径D（即与穿孔锥连接部）等于Dt减去2Ltgα（α为反向锥锥角）。

4.反向锥——为一球面体。其作用是防止毛管划伤和保证毛管尾部自

由离开顶头。一般L取5~15mm，r取1/2Dt。

内孔的合理与否，很大程度上决定着顶头的使用效果和使用寿命。合

理的内孔设计应做到：①尽量保证顶头有较好的强度指标，②必须保证

顶头有良好的冷却条件，③考虑顶头冷热加工方便、合理、经济。

（二）冷却条件

目前我们采用鼻部钻喷水孔的内、外水冷式顶头，并配有2~2.5MPs

高压水冷却，当顶头穿孔一支钢管后，便随顶杆回退到后极限位置，在

设置的高压水套内进行外表面冷却，使顶头冷却充分，以便在较低的温

度下参与穿孔过程。

1. 外水冷却

水冷顶头的冷却，分内水冷、外水冷和内外水冷三种。内外水冷顶头，在其喷水孔附近形成冷却水环冷却顶头鼻部和工作锥。喷入水环中的冷却

水温度急剧升高并逐渐汽化成蒸气，随着穿孔过程的进行，水与蒸气的混

合物迅速由毛管内壁与顶头之间的间隙向毛管前端排出，继续冷却顶头的

工作锥和辗轧锥。从顶头喷水孔到辗轧锥，水的外水冷程度急剧减小。

2.影响外水冷却作用的因素

在穿孔过程中，在鼻部与工作锥交界的喷水孔附近形成冷却水环。水

环有宽广的水域，其宽度取决于鼻部的长度；鼻部越长，冷却水域越宽。

水域深度主要取决于顶头工作母线的陡升程度，陡升程度越大，水域越深。只有当导板距较小，该部位的椭圆度较小，水环中水和高压蒸气排出通道时，喷水孔处于封闭或半封闭状态。增大冷却水的水压和喷水孔的孔径，

能增大进入水环中的水量，从而增大了外水冷的程度。减轻顶头工作锥受

热软化的程度，抑制工作锥起皱。

3.充分发挥内水冷的作用

图2.2.3 冷却水管安装位置

从冷却水管进入顶头内孔的冷却水，部分通过喷水孔流入冷却水环，

实现顶头的外水冷，另一部分由顶头、接手、顶杆的内壁与水管外壁之间

构成水道返回，实现顶头的内水冷。

综上所述，热模锻造成型加工能够消除顶头材料的内部缺陷，提高使

用性能；设计、制造顶头必须针对具体的使用条件。合理的顶头设计，

应综合考虑设备、工艺条件，尤其是现场的冷却条件。

科学意义：穿孔顶头是无缝钢管生产的关键工具之一，其质量的好坏、使用寿命的高低直接影响钢管的产量和质量。国内目前使用的穿孔顶头使

用寿命和质量大多较低，远远达不到国外先进指标。研制高质量、高寿命

的顶头是钢管生产中的一项重要课题。