管材穿孔方法及装置

摘要

本发明涉及一种管材穿孔方法及装置，该穿孔方法通过控制顶头穿孔时的温度以及穿孔压力，并通过试穿孔检测以调整顶头穿孔时的转速，借助在穿孔过程中实时温度检测，实现了管材的高质量生产。本发明的穿孔装置设置有预热装置，顶头上设置有阴极和阳极接头，通过电流方式加热顶头，配合桶形辊热轧以实现管坯的预热和穿孔工艺的一步成形，大幅减少了管材的生产时间以及生产空间的占用，增加了管材生产过程中的安全性。

权利要求

1.一种管材穿孔方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1：管坯预热：

传动辊以速度V带动管坯在预热装置内匀速行进，预热装置以温度t预对管坯进行预热，温度t预高于管坯穿孔温度t0，管坯的加热时间为 其中L为预热装置加热区长度，预热后管坯到达桶形辊处；

S2：顶头加热：

将顶头阴极接头与阳极接头通电，利用电流加热将鼻部和穿孔锥体加热至预设温度t穿，温度传感器对穿孔锥体的温度进行实时检测，当穿孔锥体的温度达到预设温度t穿时停止加热，预设温度t穿大于穿孔温度t0；

S3：通过试穿孔对电机转速进行调节：推进装置带动顶头至穿孔端，电机带动顶头转动，压力泵对顶头进行加压，压力传感器测量顶头的附加压力，使顶头对穿孔端压力达到穿孔压力，桶形辊转动轧制，维持上述状态一定时间后进行试穿孔，之后顶头退出穿孔端，图像拍摄装置拍取穿孔端热力图像T，记热力图像T的Laplance边缘提取算子为L，通过卷积计算f(H)＝f(T)×f(L)，得到试穿孔温度测定区域，其中，H为提取后图像，利用提取后图像H将热力图像T进行区域划分，区域划分后，圆形边缘内部为试穿孔温度测定区域，圆形边缘外部为未加工区域，根据热力图像T获取试穿孔温度测定区域的温度t1，当获取的温度t1高于穿孔温度t0时转速调整为其中，n为初始转速，单位为r/min；当获取的温度t1低于穿孔温度t0时转速调整为 其中，n为初始转速，单位为r/min；

S4：穿孔：

电机以步骤S3调整后的转速带动顶头转动，推进装置带动顶头再次至穿孔端，压力泵对顶头进行再次加压，压力传感器测量顶头附加压力，使顶头对穿孔端压力达到穿孔压力，桶形辊转动轧制，对实心柱体进行穿孔，在穿孔过程中温度传感器测量顶头的实时温度，当实时温度低于穿孔温度t0时，增加阴极接头与阳极接头之间的电流直至实时温度达到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2×t0时，降低阴极接头与阳极接头之间电流直至实时温度达到穿孔温度t0，在穿孔温度t0下进行穿孔，直至管坯穿孔完毕。

2.根据权利要求1所述管材穿孔方法，其特征在于，管坯的行进速度V依据管坯的穿孔温度t0进行设置，穿孔温度t0越高，行进速度V越小，即相应延长了预热的保温时间，使得管坯的表层在预热装置中能够加热至较高温度，使得管坯表层获取一定的延展性便于穿孔加工。

3.根据权利要求1所述管材穿孔方法，其特征在于，当实时温度低于穿孔温度t0时，将阴极接头与阳极接头之间电流增加为现有电流的1.2倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未达到穿孔温度t0继续增加电流为现有电流的1.2倍，直至实时温度达到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2t0时，将阴极接头与阳极接头之间电流降低为现有电流的0.8倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未降至穿孔温度t0继续减少电流为现有电流的0.8倍，直至实时温度降至穿孔温度t0，重复上述调整直至管坯穿孔完毕，在穿孔过程中由于顶头与穿孔端之间存在摩擦、积热情况，顶头温度的影响是不确定的，因此无法由单一数值的电流对顶头的温度进行确定性控制，需要实时的温度监测进行实际温度调控。

4.根据权利要求1所述管材穿孔方法，其特征在于，步骤S1中的温度t预以及步骤S2中的预设温度t穿为穿孔温度t0的1‑1.2倍，步骤S1中的穿孔温度t0根据管坯的材料进行设定，由于穿孔过程中顶头与穿孔端之间存在摩擦，大部分情况下顶头的温度是要高于t0的，因此在步骤S2中，将预设温度t穿设为穿孔温度t0的1‑1.2倍切合后续穿孔过程，对电机转速的调节结果更切合后续穿孔过程需要。

5.一种用于权利要求1所述的管材穿孔方法的管材穿孔装置，其特征在于，其包括，传动装置、预热装置和穿孔装置；

所述传动装置包括多个传动辊和支撑架，所述多个传动辊设置在所述支撑架上；

所述预热装置的第一端与所述传动装置相连接，所述预热装置的第二端设置有两个桶形辊和红外热感相机，所述两个桶形辊对称设置，所述红外热感相机设置在所述预热装置第二端的上表面；

所述穿孔装置包括穿孔器和导轨，所述穿孔器设置在所述导轨上，所述穿孔器包括顶头和推进装置；所述顶头与推进装置连接；所述推进装置包括固定架、压力传感器、电机和压力泵，所述固定架由固定板和固定柱组合而成，所述固定板的第一面与所述固定柱的第二端固定连接，所述固定柱的第一端与所述压力传感器连接，所述压力传感器上设置有电机，所述固定板的第二面设置有多个所述压力泵。

6.根据权利要求5所述的管材穿孔装置，其特征在于，所述桶形辊上设置有入口锥体和出口锥体。

7.根据权利要求5所述的管材穿孔装置，其特征在于，所述顶头包括鼻部和穿孔锥体，所述鼻部设置在穿孔锥体的尖端位置，所述穿孔锥体的尾端设置有温度传感器和阳极接头，所述穿孔锥体的内部通过布线孔设置有阴极接头。

8.根据权利要求5所述的一种管材穿孔装置，其特征在于，管坯轴线和所述桶形辊轴线之间夹角为9‑11度，且两个所述桶形辊与所述管坯的夹角方向相反。

说明书

管材穿孔方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及管材生产技术领域，尤其涉及一种管材穿孔方法及装置。

背景技术

[0002] 随着现代对管材穿孔生产要求的不断提高，人们已经不满足于传统的生产工艺，随着时代的进步对于管材的生产穿孔加工工艺提出了新的标准，因此传统的管材穿孔工艺
已经不满足时代的要求，主要表现在以下几个方面的问题上。

[0003] 传统的管材穿孔加工工艺，需要对管材进行长时间的加热保温处理，使管坯整体加热到穿孔温度后才开始进行穿孔，对于管坯而言往往其内部轴心温度不易达到穿孔温
度，只有对管坯进行长时间的保温才能保证其轴心温度，因此在将管坯加热的过程中浪费
了大量的时间，对于管材的生产十分不利。

[0004] 传统管材穿孔工艺中，需要对管坯加热的保温空间以及穿孔的加工空间，还需要留出搬运加热后管坯至加工台的搬运空间，因此对生产空间的需求过多不便于管材的生
产。

[0005] 传统的管材穿孔生产过程中需要将加热后的管坯搬运至加工区域，由于加热后的管坯温度可达近千度，因此在生产过程中存在安全隐患。

[0006] 自动化程度低、加工质量难以保证问题，在传统管材穿孔过程中，管坯的加工存在中断，自动化程度较差，且预热后的管坯在穿孔后期温度降低不利于穿孔工艺的进行对加
工后的管材质量难以保证。

发明内容

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种管材穿孔方法及装置，本发明直接利用顶头对管坯的穿孔端进行加热穿孔，管材的热轧成形一步完成，减少了高温材料的搬运，更加
安全可靠。

[0008] 具体地，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种管材穿孔方法，其包括以下步骤：

[0009] S1：管坯预热：

[0010] 传动辊以速度V带动管坯在预热装置内匀速行进，预热装置以温度t预对管坯进行预热，温度t预高于管坯穿孔温度t0，管坯的加热时间为 其中，L为预热装置加热区长度，预
热后管坯到达桶形辊处；

[0011] S2：顶头加热：

[0012] 将顶头阴极接头与阳极接头通电，利用电流加热将鼻部和穿孔锥体加热至预设温度t穿，温度传感器对穿孔锥体的温度进行实时检测，当穿孔锥体的温度达到预设温度t穿时
停止加热，预设温度t穿大于穿孔温度t0；

[0013] S3：通过试穿孔对电机转速进行调节：

[0014] 推进装置带动顶头至穿孔端，电机带动顶头转动，压力泵对顶头进行加压，压力传感器测量顶头的附加压力，使顶头对穿孔端压力达到穿孔压力，桶形辊转动轧制，维持上述
状态一定时间后进行试穿孔，之后顶头退出穿孔端，图像拍摄装置拍取穿孔端热力图像T，
记热力图像T的Laplance边缘提取算子为L，通过卷积计算f(H)＝f(T)×f(L)，得到试穿孔
温度测定区域，其中H为提取后图像，利用提取后图像H将热力图像T进行区域划分，区域划
分后，圆形边缘内部为试穿孔温度测定区域，圆形边缘外部为未加工区域，根据热力图像T
获取试穿孔温度测定区域的温度t1，当获取的温度t1高于穿孔温度t0时转速调整为
其中，n为初始转速，单位为r/min；当获取的温度t1低于穿孔温度t0时转速
调整为 其中，n为初始转速，单位为r/min；

[0015] S4：穿孔：

[0016] 电机以步骤S3调整后的转速带动顶头转动，推进装置带动顶头再次至穿孔端，压力泵对顶头进行再次加压，压力传感器测量顶头附加压力，使顶头对穿孔端压力达到穿孔
压力，桶形辊转动轧制，对实心柱体进行穿孔，在穿孔过程中温度传感器测量顶头的实时温
度，当实时温度低于穿孔温度t0时，增加阴极接头与阳极接头之间的电流直至实时温度达
到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2×t0时，降低阴极接头与阳极接头之间电流直至实
时温度达到穿孔温度t0，在穿孔温度t0下进行穿孔，直至管坯穿孔完毕。

[0017] 进一步的，管坯的行进速度V依据管坯的穿孔温度t0进行设置，穿孔温度t0越高，行进速度V越小，即相应延长了预热的保温时间，使得管坯的表层在预热装置中能够加热至较
高温度，使得管坯表层获取一定的延展性便于穿孔加工。

[0018] 进一步的，当实时温度低于穿孔温度t0时，将阴极接头与阳极接头之间电流增加为现有电流的1.2倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未达到穿孔温度t0继续增加电流为现有
电流的1.2倍，直至实时温度达到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2t0时，将阴极接头与
阳极接头之间电流降低为现有电流的0.8倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未降至穿孔温度
1.2t0继续减少电流为现有电流的0.8倍，直至实时温度降至穿孔温度1.2t0，重复上述调整
直至管坯穿孔完毕，在穿孔过程中由于顶头与穿孔端之间存在摩擦、积热等情况，顶头温度
的影响是不确定的，因此无法由单一数值的电流对顶头的温度进行确定性控制，需要实时
的温度监测进行实际温度调控。

[0019] 进一步的，步骤S1中的温度t预以及步骤S2中的预设温度t穿为穿孔温度t0的1‑1.2倍，步骤S1中的穿孔温度t0根据管坯的材料进行设定，由于穿孔过程中顶头与穿孔端之
间存在摩擦，大部分情况下顶头的温度是要高于t0的，因此在步骤S2中，将预设温度t穿设
为穿孔温度t0的1‑1.2倍比较切合后续穿孔过程，对电机转速的调节结果更切合后续穿孔
过程需要。

[0020] 结合上述方法，可得到一种管材穿孔装置，其包括，传动装置、预热装置和穿孔装置；所述传动装置包括多个传动辊和支撑架，所述多个传动辊设置在所述支撑架上；所述预
热装置的第一端与所述传动装置相连接，所述预热装置的第二端设置有两个桶形辊和红外
热感相机，所述两个桶形辊对称设置，所述红外热感相机设置在所述预热装置第二端的上
表面；所述穿孔装置包括穿孔器和导轨，所述穿孔器设置在所述导轨上，所述穿孔器包括顶
头和推进装置；所述顶头与推进装置连接；所述推进装置包括固定架、压力传感器、电机和
压力泵，所述固定架由固定板和固定柱组合而成，所述固定板的第一面与所述固定柱的第
二端固定连接，所述固定柱的第一端与所述压力传感器连接，所述压力传感器上设置有电
机，所述固定板的第二面设置有多个所述压力泵。

[0021] 进一步的，所述桶形辊上设置有入口锥体和出口锥体。

[0022] 进一步的，所述顶头包括鼻部和穿孔锥体，所述鼻部设置在穿孔锥体的尖端位置，所述穿孔锥体的尾端设置有温度传感器和阳极接头，所述穿孔锥体的内部通过布线孔设置
有阴极接头。

[0023] 进一步的，管坯轴线和所述桶形辊轴线之间夹角为9‑11度，且两个所述桶形辊与所述管坯的夹角方向相反。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0025] 1、本发明能够大幅减少管材穿孔时间，通过预热装置对管坯进行预热使得管坯具有一定的外延展性，再配合顶头进行对穿孔端轴心穿孔区域进行加热，二者配合加热，使得
管坯能够在较短的时间内加热到便于穿孔的合适温度，与现有技术相比，本发明省去了传
统方法中长时间的保温步骤以及搬运步骤，能够节省大量时间。

[0026] 2、本发明的装置能够节省生产空间，本发明将预热装置、桶形辊、顶头安装在同一生产线上，对管坯预热后直接进行穿孔，将加热管坯和穿孔流程相结合在一套生产装置上
节约了大量的生产空间，与现有技术相比，本发明减少了管坯加热的保温空间以及搬运空
间的占用，便于管材加工厂生产制造。

[0027] 3、与现有技术相比，本发明直接利用顶头对管坯的穿孔端进行加热穿孔，管材的热轧成形一步完成，减少了高温材料的搬运，更加安全可靠。预热后管坯无需搬运，降低了
生产风险。

[0028] 4、本发明的自动化集合程度较高，管材穿孔质量好，通过压力传感器与压力泵精确控制顶头穿孔的压力保证受力均衡，通过电机控制顶头的转速进而控制顶头与穿孔端产
生的摩擦热以达到控制温度的效果，穿孔过程中，通过温度传感器实时检测顶头温度，并通
过控制阴极接头与阳极接头通电电流实现对顶头温度的反馈调节保证了顶头良好的工况，
也防止了管坯在加工过程中由于温度下降导致后期穿孔质量下降的问题，与现有技术相
比，本发明通过对压力、转速、温度的调节进而保证了穿孔的质量，保温与穿孔工艺集中在
同一装置上，使得管材加工过程不必中断，装置具有较高的自动化程度。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1是本发明的操作流程图；

[0031] 图2是本发明的整体示意图；

[0032] 图3是本发明的整体结构中顶头和桶形辊的示意图；

[0033] 图4是本发明的整体结构中部分零件的剖面图；

[0034] 图5是本发明的整体结构中顶头的剖面图。

[0035] 附图标号：1‑传动辊，2‑预热装置，3‑桶形辊，301‑入口锥体，302‑出口锥体，4‑红外热感相机，5‑管坯，501‑穿孔端，502‑实心柱体，6‑顶头，601‑阳极接头，602‑温度传感器，
603‑布线孔，604‑鼻部，605‑穿孔锥体，606‑阴极接头，7‑电机，8‑推进装置，801‑压力传感
器，802‑压力泵，9‑导轨。

具体实施方式

[0036] 下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领
域普通技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护
的范围。

[0037] 如图1所示，一种管材穿孔方法，包括以下步骤：

[0038] 为清晰的表述本发明的实施方法，下述实施例中以钢材管坯为具体实施参考，即管坯材质为钢材，实际应用中不局限于钢材管坯穿孔。

[0039] 步骤一：管坯预热：

[0040] 传动辊1以速度V带动管坯5在预热装置2内匀速行进，预热装置2以温度t预对管坯5进行预热，温度t预高于管坯5穿孔温度t0，管坯5的加热时间为 其中L为预热装置2加热区
长度，预热后管坯5到达桶形辊3处；

[0041] 步骤二：顶头加热：

[0042] 将顶头6阴极接头606与阳极接头601通电，利用电流加热将鼻部604和穿孔锥体605加热至预设温度t穿，温度传感器602对穿孔锥体605的温度进行实时检测，当穿孔锥体
605的温度达到预设温度t穿时停止加热，预设温度t穿大于穿孔温度t0；

[0043] 步骤三：通过试穿孔对电机转速进行调节：

[0044] 推进装置8带动顶头6至穿孔端501，电机7带动顶头6转动，压力泵802对顶头6进行加压，压力传感器801测量顶头6的附加压力，使顶头6对穿孔端501压力达到穿孔压力，桶形
辊3转动轧制，维持上述状态一定时间后进行试穿孔，之后顶头6退出穿孔端501，图像拍摄
装置拍取穿孔端501热力图像T，记热力图像T的Laplance边缘提取算子为L，通过卷积计算f
(H)＝f(T)×f(L)，得到试穿孔温度测定区域，其中，H为提取后图像，利用提取后图像H将热
力图像T进行区域划分，区域划分后，圆形边缘内部为试穿孔温度测定区域，圆形边缘外部
为未加工区域，根据热力图像T获取试穿孔温度测定区域的温度t1，当获取的温度t1高于穿
孔温度t0时转速调整为 其中，n为初始转速，单位为r/min；当获取的温度t1低
于穿孔温度t0时转速调整为 其中，n为初始转速，单位为r/min；

[0045] 步骤四：穿孔：

[0046] 电机7以S3调整后的转速带动顶头6转动，推进装置8带动顶头6再次至穿孔端501，压力泵802对顶头6进行再次加压，压力传感器801测量顶头6附加压力，使顶头6对穿孔端
501压力达到穿孔压力，桶形辊3转动轧制，对实心柱体502进行穿孔，在穿孔过程中温度传
感器602测量顶头6的实时温度，当实时温度低于穿孔温度t0时，增加阴极接头606与阳极接
头601之间的电流直至实时温度达到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2×t0时，降低阴极
接头606与阳极接头601之间电流直至实时温度达到穿孔温度t0，在穿孔温度t0下进行穿孔，
直至管坯5穿孔完毕。

[0047] 管坯5的行进速度V依据管坯5的穿孔温度t0进行设置，穿孔温度t0越高，行进速度V越小，即相应延长了预热的保温时间，使得管坯5的表层在预热装置2中能够加热至较高温
度，使得管坯5表层获取一定的延展性便于穿孔加工。

[0048] 当实时温度低于穿孔温度t0时，将阴极接头606与阳极接头601之间电流增加为现有电流的1.2倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未达到穿孔温度t0继续增加电流为现有电流
的1.2倍，直至实时温度达到穿孔温度t0，当温度高于穿孔温度1.2t0时，将阴极接头606与阳
极接头601之间电流降低为现有电流的0.8倍，间隔5‑10秒，如果实时温度仍未降至穿孔温
度1.2t0继续减少电流为现有电流的0.8倍，直至实时温度降至穿孔温度1.2t0，重复上述调
整直至管坯5穿孔完毕，在穿孔过程中由于顶头6与穿孔端501之间存在摩擦、积热等情况，
顶头6温度的影响是不确定的，因此无法由单一数值的电流对顶头6的温度进行确定性控
制，需要实时的温度监测进行实际温度调控。

[0049] 步骤一中的温度t预以及步骤S2中的预设温度t穿为穿孔温度t0的1‑1.2倍，步骤一中的穿孔温度t0根据管坯5的材料进行设定，由于穿孔过程中顶头6与穿孔端501之间存
在摩擦，大部分情况下顶头6的温度是要高于t0的，因此在步骤二中，将预设温度t穿设为穿
孔温度t0的1‑1.2倍比较切合后续穿孔过程，对电机7转速的调节结果更切合后续穿孔过程
需要。

[0050] 如图2‑5所示，一种管材穿孔装置，包括；传动装置、预热装置2和穿孔装置；传动装置包括多个传动辊1和支撑架，多个传动辊1设置在支撑架上；预热装置2的第一端与传动装
置相连接，预热装置2的第二端设置有两个桶形辊3和红外热感相机4，两个桶形辊3对称设
置，每个桶形辊3上均设置有入口锥体301和出口锥体302，红外热感相机4设置在预热装置2
第二端的上表面；穿孔装置包括穿孔器和导轨9，穿孔器设置在导轨9上，穿孔器包括顶头6
和推进装置8；顶头6与推进装置8连接，顶头6包括鼻部604和穿孔锥体605，鼻部604设置在
穿孔锥体605的尖端位置，穿孔锥体605的尾端设置有温度传感器602和阳极接头601，穿孔
锥体605的内部通过布线孔603设置有阴极接头606；推进装置8包括固定架、压力传感器
801、电机7和压力泵802，固定架由固定板和固定柱组合而成，固定板的第一面与固定柱的
第二端固定连接，固定柱的第一端与压力传感器801连接，压力传感器801上设置有电机7，
固定板的第二面设置有多个压力泵802。

[0051] 本发明一种管材穿孔方法及装置与现有技术中装置的不同之处在于：创新性的采用可加热式顶头对穿孔端501轴心穿孔区域进行加热，通过顶头自身发热并传递给管坯5，
使得管坯5轴心穿孔区域受热至穿孔温度，即管坯5能够被顶头加热的同时又经受顶头和桶
形辊的共同热轧作用，使得管坯5轧制成形为管材坯，这样的加工方式能够节省大量生产时
间，并且减少对生产空间的占用，相应带来十分可观的经济效益。

[0052] 本发明一种管材穿孔方法及装置与现有技术中装置的不同之处在于：创新性的将预热与穿孔加工工艺集中至同一装置上，管坯5放置于本装置后直接热轧成形出管材坯，自
动化程度高，预热后的高温管坯5不必搬运，大大降低了生产风险。

[0053] 本发明一种管材穿孔方法及装置与现有技术中装置的不同之处在于：创新性的对管坯穿孔时的穿孔压力、顶头的转速、顶头穿孔时的温度进行控制，在穿孔过程中做到实时
监测顶头的穿孔温度，并通过电流调整的方式进行控制顶头穿孔时的温度，对管材穿孔有
了进一步的保证。

[0054] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方
案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。