二輥斜軋穿孔機從1886年用于工業(yè)生產以來，已成為目前應用最為廣泛的穿孔機型。但是，工業(yè)的發(fā)展對熱軋無縫鋼管的質量和品種提出了新的更高的要求，生產實踐和科學試驗表明：用曼內斯曼穿孔機穿孔時，將出現(xiàn)切向剪切變形、表面扭轉剪切變形和縱向剪切變形；在穿軋連鑄管坯時，管坯的中心疏松不能得到焊合，出現(xiàn)微小的缺陷；在穿軋不銹鋼和高合金鋼時，會產生大量的內表面缺陷，嚴重時，在荒管壁厚中央還會產生明顯的分層缺陷，這種缺陷隨著材料中Ni、Cr、Mo含量的增高而增加。
為了提高鋼管質量、擴大品種和采用連鑄管坯直接穿孔，降低生產成本和提高成材率，近十多年來，經過軋鋼工作者不懈的探索，研制出了新型錐形穿孔機(見圖1)。由于錐形輥的錐底在出口方向，因此軋輥圓周速度由進口到出口是逐漸增加的，這樣的軋輥運動速度和軋件運動速度更為協(xié)調，從而可以減小軋件的軸向滑移，可以減小軋件的周向附加剪切應力，最終使毛管內外表面缺陷顯著減少。實踐證明這種新型錐形穿孔機適合于穿軋連鑄坯和合金量較高的鋼種，在熱軋無縫鋼管生產中取代曼內斯曼穿孔機。
圖1 新型錐形穿孔機簡圖
錐形穿孔機在國內的研制工作開展較晚，一直到20世紀90年代初，成都、大冶分別從美國、德國、意大利引進了錐形穿孔機后，國內才開始研制錐形穿孔機。1992年至1994年，太原重型機械集團有限公司(以下簡稱太重)研制出了TZC200錐形穿孔機組，之后，又先后研制出了巨龍穿孔機組、Φ89錐形穿孔機組、Φ108錐形穿孔機組、Φ140錐形穿孔機組等。根據國內幾大國有企業(yè)引進設備的情況分析，從國外引進主機的價格(包括設計費、軟件費、技術指導費等)約占工程全部投資(包括所有的輔助設備生產線、流體、電氣控制系統(tǒng)、廠房、土建及公輔設施等)的一半左右，如果單獨比較國產設備與進口設備的價格，可節(jié)約投資約60%。
下面，結合太重研制的錐形穿孔機組，對設計做一些初步探討。
設備組成及技術性能
1 設備組成
錐形穿孔機組由進口臺、主機座、主傳動、出口臺一段、出口臺二段、電氣控制系統(tǒng)、流體系統(tǒng)等組成。
進口臺：料槽可根據管坯直徑不同擺動調整，推坯由一個長行程液壓缸或者是由鏈條傳動的推坯機來完成。
本體：軋輥為錐形輥，兩輥立式布置，輾軋角15°，送進角8°~15°(或10°~15°)，無級可調。機架上蓋可移動，能完成快速換輥，導板、進口導套可快速打開更換。工作機座內裝有一套三輥導向裝置，增加頂桿的剛度。軋輥壓上、壓下、左右導板側壓進可以粗調和精調，其開口度可以實現(xiàn)數控，送進角位置可以數字顯示。
主傳動：兩軋輥單獨由直流電機傳動，主減速機為中硬齒面，萬向接軸設計有快速換輥裝置，換輥時接軸由支撐裝置托住并將接軸移出，實現(xiàn)快速換輥。
出口臺一段：由五至六套三輥導向裝置、升降輥道、脫管裝置、頂頭冷卻裝置及撥料裝置等組成。一套三輥導向裝置裝在本體內，并備有快速拉出裝置，三輥導向裝置的開口度可無級調整，升降輥道高度可快速調整。
出口臺二段：由閉鎖裝置、頂桿止推小車、支承車、卷筒裝置、小車傳動裝置、導軌等組成。頂桿小車閉鎖方式為雙向鎖緊，大大增加了軋制的穩(wěn)定性，小車傳動電機為低慣量直流電機，頂頭位置可數控操作。
為了保證設備的運行安全可靠，本機組在機械、電氣、液壓各系統(tǒng)間均設有聯(lián)鎖與保護 ；機械設備上還設計有極限保護措施 ；電氣設計有過載保護等。
2 設備技術性能
1） TZC200錐形穿孔機組
布置形式：兩套錐形輥立式布置，軋輥單獨傳動，導板水平布置。
技術參數：軋輥直徑最大Φ950mm，軋輥轉數最大121r/min，送進角：8°~15°(可調)，輾軋角15°(固定)，軋機輥縫最大開口度350mm，主傳動電機功率DC1600kW×2，電機轉速800r/min~1000r/min，主減速機速比8.2456。
2） Φ108錐形穿孔機組
布置形式：兩套錐形輥立式布置，軋輥單獨傳動，導板水平布置。技術參數：軋輥直徑最大Φ760mm，軋輥轉數最大164r/min，送進角10°~15°(可調)，輾軋角15°(固定)，軋機輥縫最大開口度160mm，主傳動電機功率DC1500kW×2，電機轉速750r/min~1000r/min，主減速機速比5.76。
3） Φ140錐形穿孔機組
布置形式：兩套錐形輥立式布置，軋輥單獨傳動，導板水平布置。技術參數：軋輥直徑最大Φ800mm，軋輥轉數最大164r/min，送進角10°~15°(可調)，輾軋角15°(固定)，軋機輥縫最大開口度200mm，主傳動電機功率DC1500kW×2，電機轉速750r/min~1000r/min，主減速機速比5.76。
設備結構特點
(1) 軋輥軸線與穿孔中心線傾斜的同時并交叉，即既有輾軋角又有送進角，見圖1。
(2) 具有采用大輾軋角和大送進角穿孔的結構，主傳動上下立體布置，占地面積小。
(3) 軋輥形狀為錐形，入口小，出口大，穿孔速度快。
(4) 穿孔機的主電機可調速，不管軋輥直徑多大，都能確保定速穿孔，并能提高咬入和拋出時的穩(wěn)定性。
(5) 由于軋輥直徑由入口到出口不斷增加，圓周速度也逐漸增大，能使毛管直徑的增大與圓周速度的增加相一致，所以滑動小，表面質量好。
(6) 軋輥圓周速度的增加與金屬在變形區(qū)內的流動方向一致，且軋輥沒有倒錐部分，這就減少了毛管的扭轉現(xiàn)象，減少了毛管的外折疊。
(7) 由于采用了大的輾軋角和送進角，抑制了橫鍛效應，消除了切向變形和表面扭轉剪切變形，能實現(xiàn)與擠壓一樣的金屬流動，即使是穿孔加工性很差的難加工金屬，荒管內表面也不會產生缺陷。如果能選擇合適的加熱溫度和合理調整軋機，則對于不銹鋼和高合金鋼，也不會產生內表面缺陷，能實現(xiàn)穩(wěn)定穿孔。
(8) 延伸系數大，可達5~6 ；毛管的擴徑量與減徑量均可增大，可達±(10%~15%)，作業(yè)率高，事故少。
(9) 自動化程度高，能實現(xiàn)自動化生產，效率高。
錐形穿孔機關鍵技術分析
(1)采用大輾軋角，通常用15°，送進角調整范圍要大，8°~15°或10°~15°，這樣既能提高穿孔速度，又能滿足較大范圍品種規(guī)格的調整需要。
(2)工藝工具(如軋輥、導板、入口導套等)的更換要方便、快捷，這樣可節(jié)省輔助時間，提高軋制節(jié)奏。
(3)盡量減少輔機的動作時間。如頂桿小車的傳動，我們采用低慣量電機，加快運行速度 ；出料的撥料鉤，采用“S”形，電機傳動，既安全，速度又快等等。
(4)要保證運動機構的安全，重要的調整機構設有兩道甚至三道保險，有接近開關、凸輪開關，還有電氣限位。
(5)檢測元件要保證靈敏可靠，編碼器和接近開關一般都選用進口件。
(6)尤其要重視電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的先進性和可靠性。
目前穿孔機組的輔機一般為國產，主機分進口和國產兩大類。從20世紀90年代初至今，據不完全統(tǒng)計，國內幾個主要國有鋼管生產的大企業(yè)共進口錐形穿孔機七臺套，而國內則生產制造了一大批同類設備，廣泛裝備于全國各地的國有、民營、外資企業(yè)。僅太原地區(qū)的設備制造單位就生產制造了錐形穿孔機17臺套，而且種類更加齊全，覆蓋的范圍更加廣泛。從使用情況看，國產設備完全能夠滿足生產要求，所軋毛管(半成品)的尺寸精度明顯高于國家標準規(guī)定的成品鋼管尺寸精度要求，這一事實充分證明新型錐形穿孔機具有廣闊的發(fā)展前景。
