二辊斜轧穿孔机从1886年用于工业生产以来，已成为目前应用最为广泛的穿孔机型。但是，工业的发展对热轧无缝钢管的质量和品种提出了新的更高的要求，生产实践和科学试验表明：用曼内斯曼穿孔机穿孔时，将出现切向剪切变形、表面扭转剪切变形和纵向剪切变形；在穿轧连铸管坯时，管坯的中心疏松不能得到焊合，出现微小的缺陷；在穿轧不锈钢和高合金钢时，会产生大量的内表面缺陷，严重时，在荒管壁厚中央还会产生明显的分层缺陷，这种缺陷随着材料中Ni、Cr、Mo含量的增高而增加。
为了提高钢管质量、扩大品种和采用连铸管坯直接穿孔，降低生产成本和提高成材率，近十多年来，经过轧钢工作者不懈的探索，研制出了新型锥形穿孔机(见图1)。由于锥形辊的锥底在出口方向，因此轧辊圆周速度由进口到出口是逐渐增加的，这样的轧辊运动速度和轧件运动速度更为协调，从而可以减小轧件的轴向滑移，可以减小轧件的周向附加剪切应力，最终使毛管内外表面缺陷显著减少。实践证明这种新型锥形穿孔机适合于穿轧连铸坯和合金量较高的钢种，在热轧无缝钢管生产中取代曼内斯曼穿孔机。
图1 新型锥形穿孔机简图
锥形穿孔机在国内的研制工作开展较晚，一直到20世纪90年代初，成都、大冶分别从美国、德国、意大利引进了锥形穿孔机后，国内才开始研制锥形穿孔机。1992年至1994年，太原重型机械集团有限公司(以下简称太重)研制出了TZC200锥形穿孔机组，之后，又先后研制出了巨龙穿孔机组、Φ89锥形穿孔机组、Φ108锥形穿孔机组、Φ140锥形穿孔机组等。根据国内几大国有企业引进设备的情况分析，从国外引进主机的价格(包括设计费、软件费、技术指导费等)约占工程全部投资(包括所有的辅助设备生产线、流体、电气控制系统、厂房、土建及公辅设施等)的一半左右，如果单独比较国产设备与进口设备的价格，可节约投资约60%。
下面，结合太重研制的锥形穿孔机组，对设计做一些初步探讨。
设备组成及技术性能
1 设备组成
锥形穿孔机组由进口台、主机座、主传动、出口台一段、出口台二段、电气控制系统、流体系统等组成。
进口台：料槽可根据管坯直径不同摆动调整，推坯由一个长行程液压缸或者是由链条传动的推坯机来完成。
本体：轧辊为锥形辊，两辊立式布置，辗轧角15°，送进角8°~15°(或10°~15°)，无级可调。机架上盖可移动，能完成快速换辊，导板、进口导套可快速打开更换。工作机座内装有一套三辊导向装置，增加顶杆的刚度。轧辊压上、压下、左右导板侧压进可以粗调和精调，其开口度可以实现数控，送进角位置可以数字显示。
主传动：两轧辊单独由直流电机传动，主减速机为中硬齿面，万向接轴设计有快速换辊装置，换辊时接轴由支撑装置托住并将接轴移出，实现快速换辊。
出口台一段：由五至六套三辊导向装置、升降辊道、脱管装置、顶头冷却装置及拨料装置等组成。一套三辊导向装置装在本体内，并备有快速拉出装置，三辊导向装置的开口度可无级调整，升降辊道高度可快速调整。
出口台二段：由闭锁装置、顶杆止推小车、支承车、卷筒装置、小车传动装置、导轨等组成。顶杆小车闭锁方式为双向锁紧，大大增加了轧制的稳定性，小车传动电机为低惯量直流电机，顶头位置可数控操作。
为了保证设备的运行安全可靠，本机组在机械、电气、液压各系统间均设有联锁与保护 ；机械设备上还设计有极限保护措施 ；电气设计有过载保护等。
2 设备技术性能
1） TZC200锥形穿孔机组
布置形式：两套锥形辊立式布置，轧辊单独传动，导板水平布置。
技术参数：轧辊直径最大Φ950mm，轧辊转数最大121r/min，送进角：8°~15°(可调)，辗轧角15°(固定)，轧机辊缝最大开口度350mm，主传动电机功率DC1600kW×2，电机转速800r/min~1000r/min，主减速机速比8.2456。
2） Φ108锥形穿孔机组
布置形式：两套锥形辊立式布置，轧辊单独传动，导板水平布置。技术参数：轧辊直径最大Φ760mm，轧辊转数最大164r/min，送进角10°~15°(可调)，辗轧角15°(固定)，轧机辊缝最大开口度160mm，主传动电机功率DC1500kW×2，电机转速750r/min~1000r/min，主减速机速比5.76。
3） Φ140锥形穿孔机组
布置形式：两套锥形辊立式布置，轧辊单独传动，导板水平布置。技术参数：轧辊直径最大Φ800mm，轧辊转数最大164r/min，送进角10°~15°(可调)，辗轧角15°(固定)，轧机辊缝最大开口度200mm，主传动电机功率DC1500kW×2，电机转速750r/min~1000r/min，主减速机速比5.76。
设备结构特点
(1) 轧辊轴线与穿孔中心线倾斜的同时并交叉，即既有辗轧角又有送进角，见图1。
(2) 具有采用大辗轧角和大送进角穿孔的结构，主传动上下立体布置，占地面积小。
(3) 轧辊形状为锥形，入口小，出口大，穿孔速度快。
(4) 穿孔机的主电机可调速，不管轧辊直径多大，都能确保定速穿孔，并能提高咬入和抛出时的稳定性。
(5) 由于轧辊直径由入口到出口不断增加，圆周速度也逐渐增大，能使毛管直径的增大与圆周速度的增加相一致，所以滑动小，表面质量好。
(6) 轧辊圆周速度的增加与金属在变形区内的流动方向一致，且轧辊没有倒锥部分，这就减少了毛管的扭转现象，减少了毛管的外折叠。
(7) 由于采用了大的辗轧角和送进角，抑制了横锻效应，消除了切向变形和表面扭转剪切变形，能实现与挤压一样的金属流动，即使是穿孔加工性很差的难加工金属，荒管内表面也不会产生缺陷。如果能选择合适的加热温度和合理调整轧机，则对于不锈钢和高合金钢，也不会产生内表面缺陷，能实现稳定穿孔。
(8) 延伸系数大，可达5~6 ；毛管的扩径量与减径量均可增大，可达±(10%~15%)，作业率高，事故少。
(9) 自动化程度高，能实现自动化生产，效率高。
锥形穿孔机关键技术分析
(1)采用大辗轧角，通常用15°，送进角调整范围要大，8°~15°或10°~15°，这样既能提高穿孔速度，又能满足较大范围品种规格的调整需要。
(2)工艺工具(如轧辊、导板、入口导套等)的更换要方便、快捷，这样可节省辅助时间，提高轧制节奏。
(3)尽量减少辅机的动作时间。如顶杆小车的传动，我们采用低惯量电机，加快运行速度 ；出料的拨料钩，采用“S”形，电机传动，既安全，速度又快等等。
(4)要保证运动机构的安全，重要的调整机构设有两道甚至三道保险，有接近开关、凸轮开关，还有电气限位。
(5)检测元件要保证灵敏可靠，编码器和接近开关一般都选用进口件。
(6)尤其要重视电控系统、液压系统、润滑系统的先进性和可靠性。
目前穿孔机组的辅机一般为国产，主机分进口和国产两大类。从20世纪90年代初至今，据不完全统计，国内几个主要国有钢管生产的大企业共进口锥形穿孔机七台套，而国内则生产制造了一大批同类设备，广泛装备于全国各地的国有、民营、外资企业。仅太原地区的设备制造单位就生产制造了锥形穿孔机17台套，而且种类更加齐全，覆盖的范围更加广泛。从使用情况看，国产设备完全能够满足生产要求，所轧毛管(半成品)的尺寸精度明显高于国家标准规定的成品钢管尺寸精度要求，这一事实充分证明新型锥形穿孔机具有广阔的发展前景。
