由于冲孔之后,冲孔坯存在杯底,且延伸系数小,冲孔坯壁厚又太厚,一般情况下,需要在压力冲孔机和轧管机之间增设斜轧延伸机(大顶管机组和挤压管机组除外)。其目的是减薄冲孔坯的壁厚,延穿冲孔坯的杯底,提高毛管的壁厚精度。对于方坯冲孔而言,还要在冲孔机之前增设定型机,以便对方坯的角部进行压缩定型,保证冲孔坯的壁厚精度。
压力冲孔机分为立式压力冲孔机和卧式压力冲孔机两种。压力冲孔机主要由冲孔机液压系统、冲孔模系统和张力柱系统组成。图4-2所示为卧式压力冲孔机的冲孔过程。
从图4-2可知,压力冲孔时的管坯变形过程如下:冲孔开始时,冲头先与管坯的端面中心部分接触,逐步对管坯施加压力,当冲头作用在管坯上的应力达到材料的屈服强度时,管坯开始发生塑性变形,此时,在冲头的前端形成一个45°的圆锥体不变形X(死区)(图4-2a)。此区对冲孔前方的金属起着尖劈的作用,使得管坯中心部分(与冲头面积相等)的金属沿径向流动而形成管坯的内孔,直到管坯的表面与冲孔模的内壁接触,最终形成图形冲孔坯(图4-2b)。
从压力冲孔的变形过程还不难看出,管坯套入冲孔模之后,在冲头的作用下产生压缩变形,管坯自始至终承受着轴向压应力的作用。当管坯表面还没有与冲孔模内壁发生接触之前,即当管坯横截面的周边总长度小于冲孔模内壁的圆周长时,管坯沿径向产生压应力,沿周向产生拉应力,如图4-4a所示。一旦管坯表面与冲孔模内表面接触,管坯在受到轴向压应
力和径向压应力作用的同时,还受到周向压应力的作用,如图4-4b所示。并且,因为冲孔模的内径与管坯的直径相差很小,在冲头压力的作用下,管坯表面在很短的时间内就会与冲孔模内壁发生接触。因此,管坯的冲孔变形过程主要是在三向压应力状态下完成的。
管坯由于是在三向压应力作用下发生变形的,因此对管坯中心部分的疏松和缩孔会起到压实的效果,其内部的裂纹有可能得以“焊合”,而柱状晶组织在冲孔之后会得到“破碎”。所以,压力冲孔工艺可以改善管坯的低倍组织缺陷,为后续延伸工序(周期轧管机组)和顶管工序(顶管机组)、挤压工序(挤压管机组)提供质量良好的冲孔坯。
对于一些塑性比较差,不适宜采用直接穿孔工艺生产的高合金无缝钢管管坯,可以先进行压力冲孔,再进行延伸轧制。