专利名称：插塞、用该插塞扩展金属管的内径的方法、制造金属管的方法以及金属管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扩展金属管(metal pipe or tube)的端部内径的插塞、用该插塞扩展金属管的端部内径的方法、以及制造金属管的方法。
背景技术：
用作干线用管或者石油工业用管材的金属管的端部需要高尺寸精度。在提供该用途时，干线用管通常被焊接到其相邻的干线用管上。如果干线用管的端部的内径不与该相邻的干线用管的内径精确匹配，则会导致焊接困难，从而引起焊接部分的缺陷。普通的石油工业用管材在端部经过攻丝操作，以被连接到其相邻的石油工业用管材。如果母体石油工业用管材内径的精度差，则攻丝操作不能正确地完成。
为了提高金属管端部内径的精度，扩展端部。
如图1A、1B和1C所示，扩径操作的设备包括夹具2、插塞3和圆柱(cylinder)4。从插塞3的头部开始至尾部，插塞3的几何形状包括平滑地连接到平行部32的锥形部31。锥形部31的两端直径为头端D10和尾端D11，D11大于D10。锥形部31的锥角(taper angle)R1为常数。平行部32的直径沿整个纵向均一，以D11表示。
在对金属管1的端部进行扩径操作之前，用夹具2将金属管1紧紧地固定在设备上。在固定金属管1时，将其中心轴线布置成与插塞3的中心轴线精确匹配，如图1A所示。然后，如图1B所示，将插塞3从端点起沿轴向推入金属管1中至预定距离处。通过使用圆柱4将插塞3推入金属管1中。金属管1的端部因此被扩径。
在插塞3从金属管1的端点起行进预定距离之后，沿与推入的方向相反的方向拉回插塞3，如图1 C所示。通过该过程，金属管1的端部被精加工为使其端部内径的精度精确地达到预定值。因此，金属管1的端部内径的尺寸精度得到提高。
然而，有个问题，在金属管的已扩径端部上，内径沿圆周方向有差别，横截面的内侧几何形状不是正圆形。内径沿轴向也有差别。
发明内容
本发明的目的是提供一种确保金属管端部的尺寸精度提高的插塞、一种使用该插塞扩展金属管端部内径的方法、以及一种制造金属管的方法。
为了调查金属管1的已扩径端部内径差别的原因，发明人使用具有传统几何形状的插塞扩展了金属管的端部。结果显示金属管1的已扩径部分的内径D20比插塞3的平行部32的外径D11大，如图2所示。在本说明书的以下部分中，该过量变形被称为过冲变形(overshooting deformation)。
当金属管1的端部通过插塞3被扩径时，金属管上插塞3的锥形部31所经过的部分11经受朝向金属管1外部方向的弯曲变形，结果金属管1的该部分11的内径被扩展。尽管金属管1上插塞3的平行部32所经过的部分12不经受由插塞3的锥形部31引起的弯曲变形，但是金属管1的该部分12受到金属管1的部分11由插塞3的锥形部31造成的弯曲变形的影响。由于该机理，在金属管1的已扩径部分12发生过冲变形。
在过冲变形的整个过程中，金属管1的已扩径部分12的内表面不接触插塞3的平行部32的表面。换句话说，金属管1不对插塞3的平行部32施加约束，因而金属管1不会受到来自插塞3的平行部32的反作用力。因此，金属管1的已扩径部分12的内表面变得不稳定，从而导致不均匀的过冲变形。因为该不均匀的过冲变形，金属管1的已扩径部分12的内径沿圆周方向不为常数，金属管1的已扩径部分12的横截面不是正圆形。由于同样的原因，金属管1的已扩径部分12的内径变得沿轴向不均匀。
发明人得出结论如果防止了当插塞3的平行部32经过时在金属管1的已扩径部分12上发生过冲变形，则提高了金属管1的已扩径部分的内表面的尺寸精度。如果避免了过冲变形，则金属管1的内表面接触插塞3的平行部32的表面，金属管1的已扩径部分12的内径变得与插塞3的平行部32的直径相等。
为了防止在金属管1的已扩径部分12上发生过冲变形，使过冲变形在金属管1的内径被插塞3扩展到D11之前开始并结束就足够了。换句话说，使过冲变形仅在插塞3的锥形部31正经过的金属管1的部分11中开始并结束就足够了。
发明人通过使用插塞3扩展具有宽范围的内径和壁厚的金属管1的端部来进行对过冲变形的调查。最新发现的结果显示，当由表达式(A)给出的扩径率等于或小于8％时，过冲变形小于插塞3的平行部32的直径D11的1％。过冲变形的强度既不取决于金属管1的壁厚，也不取决于金属管1的内径。
扩径率＝(D20-D30)/D30×100(％)…(A)其中，D30是金属管1在扩径前的内径，D20是金属管1在扩径后的内径。
基于上述研究和检验结果，发明人制出根据本发明的插塞。
根据本发明的插塞用于扩展金属管的端部的内径。所述插塞具有圆形横截面，并且包括锥形部和连接到所述锥形部的尾端的平行部。所述锥形部的直径从所述锥形部的头端至所述锥形部的所述尾端逐渐增大，在所述锥形部的所述尾端直径为D1。从所述锥形部直径为D2＝D1×0.99的点到直径为D1的所述尾端的轴向距离LR满足表达式(1)。直径为D2的表面的锥角大于或等于在直径为D2的点之后的所述锥形部的尾部表面的锥角，所述平行部的直径为D1。
22≤LR/((D1-D2)/2)≤115…(1)对于本发明的插塞，锥形部中直径为D2的插塞表面上的锥角大于或等于插塞的相接部分的锥角，长度LR满足表达式(1)。因此，金属管在插塞直径为D2的点之后由于插塞表面而经受很小的弯曲变形。结果，当金属管正从插塞直径为D2的点起经过插塞的尾端表面时，插塞符合产生过冲变形的条件。如上所述，过冲变形的强度小于插塞的平行部的直径D1的1％，当金属管正在经过插塞的由插塞直径为D2的点和锥形部的端点定义的区域时，过冲变形结束。换句话说，插塞平行部正经过的金属管部分不经受过冲变形。因此，金属管的内表面接触插塞的平行部的表面。由于该效果的影响，金属管的内径变得等于插塞平行部的直径，金属管的被扩径部的尺寸精度提高。
根据本发明的扩展金属管的端部内径的方法包括以下步骤将插塞从所述金属管的端部沿轴向推入所述金属管内预定距离，停止推所述插塞并沿相反方向将所述插塞收回到所述金属管的外部。
在根据本发明的金属管的端部内径的扩展方法中，通过使用上述插塞扩展金属管。因此，金属管端部内径变得等于插塞平行部的直径，内径的尺寸精度提高。
根据本发明的制造金属管的方法包括以下步骤沿轴向穿孔钢坯来制造空心管坯；沿轴向延伸所述空心管坯；对所述伸长的空心管坯的外径定径，以制造所述金属管；将插塞从所述金属管的端部沿轴向推入所述金属管中预定距离；以及停止推所述插塞并沿相反方向将所述插塞收回到所述金属管的外部。
在根据本发明的制造金属管的方法中，通过使用上述插塞扩展母体金属管的内径。因此，金属管端部内径与插塞的平行部的直径精确匹配，被扩径部的内径的尺寸精度提高。
一种根据本发明的金属管，其包括第一空心圆筒部，其靠近所述金属管的中心部分；第二空心圆筒部，其在所述金属管的两端部至少之一处；和锥形部，其连接所述第一和第二空心圆筒部。所述第一空心圆筒部的外径为DA，所述第二空心圆筒部的外径为DB，其大于所述第一空心圆筒部的外径DA。所述锥形部的外径从所述第一空心圆筒部至所述第二空心圆筒部逐渐增大。在锥形部外径DC＝DB×0.99的点和DB点之间的轴向距离LE满足表达式(2)22≤LE/((DB-DC)/2)≤115…(2)
图1A至1C是示出使用传统插塞扩展管的加工中的第一至第三步骤的图。
图2是用来对通过扩径加工已扩径部分内径不一致的原因进行图解说明的示意图。
图3是根据本发明实施例的插塞几何形状的侧视图。
图4是用来对用图3所示的插塞扩径的金属管的变形过程进行图解说明的示意图。
图5是本发明实施例的具有不同几何形状的插塞的侧视图。
图6A至6C是示出用图3所示的插塞扩展金属管的加工中第一至第三步骤的图。
图6D是用图3所示的插塞扩径的金属管的侧视图。
图7A和7B是用图3所示的插塞扩径的金属管的其它例子的侧视图。
图8是根据一个例子所使用的插塞的侧视图。
具体实施例方式
现在，将结合附图详细说明本发明的实施例，在附图中，相同或相应的部分由相同的附图标记表示，并且不再重复相同的说明。
1.插塞参考图3，根据本实施例的插塞，包括以下几何形状从头部开始是锥形部301，接着是连续的平行部302。插塞30的横截面的几何形状为圆形。
锥形部301具有扩展金属管的端部内径的功能。锥形部301的直径从锥形部301的头端起朝向锥形部301的尾端逐渐增大，该尾端的直径为D1。
在锥形部301中，在直径D2＝D1×0.99的点处表面上的锥角R1大于在直径为D2的点之后的锥形部301尾部表面上的锥角。另外，在直径D2处的点和直径D1处的点之间的轴向距离LR满足以下表达式(1)22≤LR/((D1-D2)/2)≤115…(1)为了防止在扩径操作中当金属管经过平行部302时产生过冲变形，使过冲变形在金属管正在经过锥形部301的同时开始，并使之在锥形部301中结束就足够了。通过对给定的(D1-D2)采用大的LR可使锥角R2更小。对于该几何形状，如图4所示，插塞30在插塞直径为D2的点之后尾部区域50的表面上不接触金属管1的内表面。当金属管1在后部区域50中时，在金属管1上发生过冲变形。
当金属管1的扩径率小于或等于8％时，过冲变形的强度小于D1的1％，如上所述。因此，如果发明人允许过冲变形发生在紧接在插塞直径为D2(＝D1×0.99)的点之后的区域50中，则金属管1在过冲变形完成之后的内径不超过D1。
金属管1在过冲变形之后的内表面再次接触插塞的锥形部301，并在区域51中被轻微扩径，直到金属管1到达插塞的平行部的入口点。然而，插塞30表面的锥角R2如上所述为小，给予区域51中的金属管1的扩径率非常小。换句话说，由区域51中的插塞30的锥形部301施加到金属管1的内表面上的接触力非常小。因此，在区域51中几乎不发生由对金属管1内表面施力导致的过冲变形。结果，金属管1的内表面在经过平行部302的同时接触插塞30的平行部302的表面。
因为该机理，当使用具有根据本实施例的几何形状的插塞30进行金属管的端部内径的扩展操作时，内径总是保持常数D1，而不会沿纵向和圆周方向变动。
当轴向距离LR不小于表达式(1)中的下阈值时，最有效地出现上述效果。表达式(1)中的上阈值115的理由(reason)在于，如果轴向距离LR超过该值，则插塞30的总长度变得如此长以致插塞的制造成本和扩径操作用设备的制造成本上升。简而言之，即使当上阈值大于115时，本发明的效果也清楚地显现。
当扩径率小于或等于8％时，最有效地获得上述效果，但是当扩径率高于8％时，也能在某种程度上获得上述效果。
尽管锥形部301的几何形状在图3中是直的，但该部分也允许其它几何形状。例如，如图5所示，也允许锥形部301上的弯曲表面。简而言之，只要满足如下条件即可锥形部301的直径从锥形部301的头端起朝向锥形部301的直径为D1的尾端逐渐增大且满足以下条件锥角R1大于锥角R2且轴向距离LR满足表达式(1)。定义用于图5中在锥形部301上具有弯曲几何形状的插塞30的锥角R是由锥形部301表面上的切线和与插塞30的轴线平行的线所形成的角度。更具体地，由表面上在插塞30的直径为D2的点处的切线和与插塞30的轴线平行的线形成的角度是锥角R1，由锥形部302的在直径为D2的点之后的尾部表面上的切线和与插塞30的轴线平行的线形成的角度是锥角R2。
尽管在图3中，两个锥角R1和R2不同，但允许这些锥角具有相同值。当由具有恒定的锥角R2和满足表达式(1)的插塞扩展金属管时，在经过插塞的锥形部和平行部的金属管上几乎不发生过冲变形。因此，可有效地获得本发明的效果。然而，因为插塞从锥形部的头端到直径为D2的点的轴向长度对于这样的插塞来说较大，因此扩径设备的成本高。
简而言之，锥角满足关系R1≥R2且轴向距离LR满足表达式(1)就足够了。
对于插塞材料没有限制。例如，材料可以是高速钢或者硬质合金。对于插塞30的表面粗糙度没有限制，通过涂覆得到的精加工表面也可以接受。
2.制造方法下面将说明根据本实施例的金属管的制造方法。通过高炉或者电炉生产钢水，然后用传统方法精炼该钢水。
在精炼完成之后，通过连续铸造法或铸锭法将钢水加工成例如板钢(slab)、钢块、钢坯(billet)或钢锭。
通过热加工将板钢、钢块或钢锭加工成钢坯。热加工工艺可以是热轧工艺或热辊锻工艺。
在以下加工中，由穿孔机将钢坯穿孔为空心管坯(穿孔加工)。通过芯棒式无缝管轧机使空心管坯沿纵向伸长(伸长加工)。在伸长加工之后，空心管坯的外径被定径(size)至规定值(定径加工)。
在定径加工之后，空心管坯(金属管)的端部被扩径(扩径加工)。在以下段落中，给出扩径加工也就是扩展金属管端部的方法的说明。
如图6A至6C所示，用于扩径操作的设备包括夹具2和圆柱4。在定径加工之后提供的金属管1通过夹具2被固定到扩径设备。插塞30通过众所周知的方法被定位在扩径设备的圆柱4的顶部。进行调节使得金属管1的轴线和插塞30的轴线精确对准(图6A)。
在将插塞30和金属管1的两轴线调节为一致之后，将插塞30从一端推入金属管1中至规定位置。由于该操作，金属管1的端部被插塞30扩径(图6B)。在插塞30被推到规定位置之后，通过使用圆柱4将插塞30沿相反方向拉回并从金属管1中取出(图6C)。
由上述加工制造的金属管1包括第一空心圆筒部101；第二空心圆筒部102，其位于金属管1的端部；以及锥形部103，其平滑地连接第一和第二空心圆筒部(图6D)。第一空心圆筒部101的外径是DA，被扩径的第二空心圆筒部102的外径DB比DA大。
被扩径的管1的锥形部103的几何形状由插塞30的几何形状确定。金属管1的锥形部103的内径从第一部分101的内径起逐渐增大到第二部分102的内径D1。在金属管1的内径为D2＝D1×0.99的点到金属管1的内径为D1的点之间的轴向距离LR满足表达式(1)。简而言之，金属管1的锥形部103的内侧几何形状与插塞30的锥形部103的外侧几何形状近乎相同。
金属管1的锥形部103的外侧几何形状与金属管1的锥形部103的内侧几何形状近乎相同。精确地说，锥形部103的外径从在第一空心圆筒部101上的值DA逐渐增加至第二空心圆筒部102上的值DB。另外，在锥形部103的外径为DC＝DB×0.99的点和锥形部103的外径为DB的点之间的轴向距离LE满足以下表达式(2)22≤LE/((DB-DC)/2)≤115…(2)通过上述扩径方法被扩径的金属管1的几何形状既可以像图6D所示的那样，又可以像图7A所示的那样具有两个扩径端102。可选择地，也可以像图7B中所示的那样，一端具有被扩径的第二空心圆筒部102，另一端具有被缩径的第三空心圆筒部104，且圆筒锥形部105平滑地连接第三空心圆筒部104和第一空心圆筒部101。例如通过使用金属管1的端部被推入模具中的方法来形成第三空心圆筒部104和圆筒锥形部105的几何形状。
在上述制造方法中，扩径加工置于定径加工之后，但是允许将用于矫直空心管坯的弯曲部分的加工或者用于提高空心管坯的圆度的加工放置在定径加工之前。例如，可通过使空心管坯通过矫直装置来获得平直的空心管坯。
也允许在定径加工和矫直加工之间对空心管坯进行热处理以调节或提高空心管坯的强度或延展性。
为了在矫直加工之后调节空心管坯的内部几何形状，允许通过型锻加工缩小金属管的端部。例如，允许通过将空心管坯推入模具来调节空心管坯在金属管端部的内径，然后可进行扩径加工。
为了消除在被扩径端部上可由扩径加工产生的剩余应变或残余应力，允许使被扩径部分经受热处理。也可在扩径加工之后进行热处理以调节金属管的例如强度和韧性等特性。
在上述用于制造金属管的方法中，制造无缝钢管以经受扩径加工，也允许使用焊接钢管作为用于扩径加工的空心管坯。
例子对于通过使用各种几何形状的插塞扩径的金属管，对其内表面的圆度和精度、以及外表面的精度进行测量。
检验方法用于该测试的插塞的几何形状在图8和表1中给出。外径D1和D2、锥角R1和R2以及轴向距离LR的定义与图3中的相同。直径D0是插塞头端的直径。轴向距离LB是插塞的平行部的长度。表1中的值F1由下式(3)计算F1＝LR/((D1-D2)/2)…(3)样品插塞1至3号、6至8号的几何形状落入本发明的几何形状范围，而样品插塞4、5、9和10的几何形状在本发明的几何形状范围之外，值F 1小于表达式(1)的阈值。参考样品插塞5和10号的几何形状，锥角R1和R2为常数，且F1值不满足表达式(1)。
为测试各插塞而准备的金属管的外径为300mm，长度为4000mm。内径D100和壁厚的值在表1中给出。
插塞逐个被装到测试机上，使用装在机器上的样品插塞来扩展金属管的端部。从端部将插塞推入金属管中直到从插塞的头端到金属管的端部之间的距离变成200mm。在将插塞拉出金属管之后，在端部测量金属管的内径D200，该端部等价于图6D中的第二空心圆筒部102。使用测径规在沿圆周方向以相同间距分布的八点测量被扩径部分的内径。采用测量得的八个内径的平均值作为被扩径部分的内径D200。内径D200的测量值在表1中示出。
表1
*在本发明定义的范围之外由沿圆周方向的直径的最大测量值和最小测量值之差给出圆度的定义。当圆度小于或等于0.5mm时，在表1中由圆圈标记，被扩径的管是可以接受的，当圆度超过0.5mm时，在表1中由“x”标记，被扩径的管不可以接受。
还测量了第二圆筒部的外径DB。更具体地，通过使用测径规，在沿圆周方向以恒定间距分布的八点测量外径，采用八个测量值的平均值作为被扩径部分的外径DB。通过使用值DB，计算出值DC＝DB×0.99。还用测径规测量了外表面上在外径DC处的点和外径DB处的点之间的轴向距离LE。通过使用测量得的外径DB和DC、以及轴向距离LE，通过以下表达式(4)计算表1中表示的值F2F2＝LE/((DB-DC)/2)…(4)检验结果如表1所示，由1至3号插塞扩径的金属管的内径D200都是288.4mm，且都等于各管所用插塞的平行部的直径D1。对于所有管，圆度都小于0.5mm。
由6至8号插塞扩径的金属管的内径D200都是247.2mm，且都等于各管所用插塞的平行部的直径D1。对于所有管，圆度都小于0.5mm。
样品插塞1至3号、6至8号的锥形部的几何形状等于图5D中的金属管的锥形部103，该几何形状与用于扩径的各插塞的锥形部的几何形状近乎相同。值F2落入由表达式(2)给出的范围内。
样品管4、5、9和10号的内径D200都大于插塞的平行部的直径D1。该不一致的原因归因于在插塞的整个平行部上出现的过冲现象。对于所有管，圆度超过0.5mm，值F2小于表达式(2)的下阈值。
壁厚不影响尺寸精度和被扩径部分的圆度。
已通过图解本发明示出和简单说明了本发明的实施例。因此，本发明不限于上述实施例，在不偏离本发明的范围的情况下可进行各种改变和变形。
工业应用性根据本发明的插塞可广泛用于扩展金属管，更具体地，其可应用于干线用管和石油工业用管材的扩径。
权利要求
1.一种插塞，其用于扩展金属管的端部的内径，所述插塞具有圆形横截面，所述插塞包括锥形部和连接到所述锥形部的尾端的平行部，其中，所述锥形部的直径从所述锥形部的头端至所述锥形部的所述尾端逐渐增大，在所述锥形部的所述尾端直径为D1，从所述锥形部直径为D2＝D1×0.99的点到直径为D1的所述尾端的轴向距离LR满足表达式(1)22≤LR/((D1-D2)/2)≤115...(1)直径为D2的表面的锥角大于或等于在直径为D2的点之后的所述锥形部的尾部表面的锥角，以及所述平行部的直径为D1。
2.一种扩展金属管的端部内径的方法，其包括以下步骤将插塞从所述金属管的端部沿轴向推入所述金属管内预定距离；以及停止推所述插塞并沿相反方向将所述插塞拉回到所述金属管的外部，其中，所述插塞具有圆形横截面，并且包括锥形部和连接到所述锥形部的尾端的平行部，所述锥形部的直径从所述锥形部的头端至所述锥形部的所述尾端逐渐增大，在所述锥形部的所述尾端直径为D1，从所述锥形部直径为D2＝D1×0.99的点到直径为D1的所述尾端的轴向距离LR满足表达式(1)22≤LR/((D1-D2)/2)≤115...(1)直径为D2的表面的锥角大于或等于在直径为D2的点之后的所述锥形部的尾部表面的锥角，以及所述平行部的直径为D1。
3.一种制造金属管的方法，其包括以下步骤沿轴向穿孔钢坯来制造钢坯；沿轴向延伸所述空心管坯；定径所述伸长的空心管坯的外径以制造所述金属管；将插塞从所述金属管的端部沿轴向推入所述金属管预定距离；以及停止推所述插塞并沿相反方向将所述插塞拉回到所述金属管的外部，其中，所述插塞具有圆形横截面，并且包括锥形部和连接到所述锥形部的尾端的平行部，所述锥形部的直径从所述锥形部的头端至所述锥形部的所述尾端逐渐增大，在所述锥形部的所述尾端直径为D1，从所述锥形部直径为D2＝D1×0.99的点到直径为D1的所述尾端的轴向距离LR满足表达式(1)22≤LR/((D1-D2)/2)≤115...(1)直径为D2的表面的锥角大于或等于在直径为D2的点之后的所述锥形部的尾部表面的锥角，以及所述平行部的直径为D1。
4.一种金属管，其包括第一空心圆筒部，其靠近所述金属管的中心部分；第二空心圆筒部，其位于所述金属管的两端部至少之一处；和锥形部，其连接所述第一和第二空心圆筒部，其中，所述第一空心圆筒部的外径为DA，所述第二空心圆筒部的外径为DB，其大于所述第一空心圆筒部的外径DA，所述锥形部的外径从所述第一空心圆筒部至所述第二空心圆筒部从DA逐渐增加至DB，以及在直径DC＝DB×0.99的点和DB点之间的轴向距离LE满足表达式(2)22≤LE/((DB-DC)/2)≤115...(2)。
全文摘要
一种插塞，用于扩展金属管的端部的内径。其横截面为圆形，包括锥形部和连接到该锥形部的尾端的平行部。该锥形部的直径从该锥形部的头端至该锥形部的该尾端逐渐增大，在该锥形部的该尾端直径为D1。从直径为D2＝D1×0.99的点到直径为D1的该尾端的轴向距离LR满足表达式22≤LR/((D1－D2)/2)≤115。直径为D2的表面上的锥角大于或等于在直径为D2的点之后的该锥形部尾部表面上的锥角。该平行部的直径为D1。
文档编号B21D39/08GK101022902SQ20058003178
公开日2007年8月22日 申请日期2005年9月15日 优先权日2004年9月21日
发明者奥井达也, 黑田浩一, 秋山雅义 申请人:住友金属工业株式会社