精密銅管性能穩(wěn)定性探究

楊國富，龍香林

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096)

1 引言

TP2內(nèi)螺紋銅管具有良好的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)和冰箱用制冷管、蒸發(fā)器和熱交換器用管等，制冷用內(nèi)螺紋銅管的性能是否穩(wěn)定直接影響空調(diào)生產(chǎn)廠家彎管加工，內(nèi)螺紋銅管在彎管時由于性能不穩(wěn)定造成的圓弧處變扁嚴重(橢圓形)、外側(cè)開裂、內(nèi)側(cè)起皺[1－2](皺紋數(shù)量大于3個)的三種彎管缺陷[3]最為常見 (如圖1、圖2、圖3)。

圖1 圓弧處變扁嚴重

圖2 圓弧處外側(cè)開裂

圖3 圓弧處內(nèi)側(cè)起皺

結(jié)合空調(diào)生產(chǎn)廠家現(xiàn)場彎管過程與銅管生產(chǎn)過程控制，并進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)彎曲斷裂主要是由銅管狀態(tài)偏硬、壁厚不均或偏心、壁厚偏大，內(nèi)徑偏小、表面或內(nèi)部有缺陷、銅管表面粗糙等原因造成。內(nèi)側(cè)起皺主要由銅管狀態(tài)偏軟、壁厚不均或偏心、壁厚偏小，內(nèi)徑偏大等造成。由于內(nèi)螺紋銅管的性能不穩(wěn)定造成的大量不合格工藝廢料，使得銅管生產(chǎn)廠家回收成本增加，同時不利于回爐再加工生產(chǎn)的質(zhì)量控制。針對各種缺陷進行必要的探究，并提出相對應(yīng)的措施以促進整體質(zhì)量的提高。

對制冷用銅管使用性能不穩(wěn)定性進行分析，結(jié)合銅管生產(chǎn)過程，主要有三方面因素:

(1)銅管生產(chǎn)過程中表面質(zhì)量;

(2)銅管生產(chǎn)過程中的機械性能均勻性;

(3)銅管生產(chǎn)過程中尺寸精度。

在銅管的行星軋制法實際生產(chǎn)過程中三方面的因素相互影響，應(yīng)科學(xué)全面的進行工藝和模具控制。

2 銅管生產(chǎn)過程中表面質(zhì)量控制的影響因素

2.1 銅管坯料雜質(zhì)的影響

以國內(nèi)某典型精密銅管生產(chǎn)企業(yè)為例，銅坯料在加工過程中按電解銅板:廢銅壓塊:屑餅料(7∶2∶1)比例投放，雜質(zhì)來源主要是廢銅管在回收過程中夾帶含鋁(Al)、鐵(Fe)元素的物質(zhì)。鋁(Al)、鐵(Fe)元素摻雜在銅坯料內(nèi)以固溶體形式存在，造成局部晶格畸變和硬度增加，影響銅管性能的均勻性，由于銅管的加工工藝主要是減徑減壁和冷加工，因此，越往后面的工序，銅管的壁厚越薄、表面硬度越高，影響就會越明顯，在加工過程中導(dǎo)致銅管表面撕裂，這一缺陷在內(nèi)螺紋成型工序經(jīng)高速滾珠旋壓[4]后產(chǎn)品表面生成鋸齒傷(如圖4)。

圖4 不同形狀鋸齒傷

氣孔現(xiàn)象主要由回爐廢銅管中夾帶空氣和水造成，且熔爐保溫時間短，在溶液冷卻結(jié)晶時形成氣孔，同時結(jié)晶水溫低會產(chǎn)生環(huán)形裂紋。氣孔與裂紋在后續(xù)加工過程中嚴重時導(dǎo)致斷管(如圖5)，沒斷管會拉長成一段段的裂傷，從而形成嚴重的表面缺陷(如圖6)，影響銅管的彎曲性能。

圖5 斷管

圖6 表面缺陷

另外的雜質(zhì)主要是碳渣清理不當(dāng)而夾入坯料，是后續(xù)加工中造成斷管或穿透式表面缺陷的主要原因。屑餅料中附帶處理不干凈的切削液在高溫下產(chǎn)生氧氣、氫氣等氣體，并殘留在鑄坯中。

因此嚴格控制銅管坯料的雜質(zhì)含量是提高表面質(zhì)量的有效手段。

2.2 工裝模具[5]對銅管表面質(zhì)量的影響

銅管加工各工序涉及的工裝模具較多。如鑄坯的石墨模，當(dāng)石墨模表面粗糙時，造成銅坯產(chǎn)生縱向流槽及其它縱向性缺陷。當(dāng)軋機3個軋輥裝配角度和相對位置不均勻時，直接影響銅管表面紋路與尺寸，而當(dāng)軋輥存在表面裂紋、砂眼時，直接影響軋出銅管的表面裂紋、毛刺。三聯(lián)拉、盤拉、成型都是采用硬質(zhì)合金模與芯頭，并單道拉伸，影響銅管表面質(zhì)量主要表現(xiàn)為毛糙。

3 銅管機械性能穩(wěn)定性的影響因素

現(xiàn)有的熱交換用精密銅管的機械性能測試項目中主要有伸長率、抗拉強度、晶粒度等。通過對某企業(yè)日常測試數(shù)據(jù)進行分析，得知伸長率與抗拉強度數(shù)據(jù)相差不大，不能完全反映機械性能差異性。空調(diào)生產(chǎn)廠首先要將銅管彎成U型彎，在彎管過程中銅管只產(chǎn)生彎曲變形(塑性變形)而不是彎斷，所以其變形應(yīng)力介于屈服強度與抗拉強度之間即可，一般安全系數(shù)是屈服強度1.2～1.5倍。為了更加準確的描述銅管的彎曲性能，該企業(yè)增加了晶粒度與屈服強度兩項目進行分析，表1列出了Φ9.52×0.38規(guī)格在線退火后的測量數(shù)據(jù)。

表1 Φ9.52×0.38機械性能

根據(jù)表1數(shù)據(jù)觀察比較，晶粒度在0.015～0.030mm 間;屈服強度最小 73MPa，最高 89MPa，相差16MPa(22%偏差)，數(shù)值上可反映出產(chǎn)品機械性能差異性。結(jié)合銅管生產(chǎn)工序特點，可知影響因素主要有生產(chǎn)速度、變形程度及退火溫度均勻性。

3.1 生產(chǎn)速度

生產(chǎn)速度一與生產(chǎn)速度二時數(shù)據(jù)差異很大，可知速度對性能穩(wěn)定性影響較大。銅管加工工序速度主要有熔鑄牽坯速度、軋機軋管速度、三聯(lián)拉速度、盤拉速度、在線退火速度、內(nèi)螺紋成型速度與成品退火速度(時間)。以上七種加工速度中，成品退火速度(時間)控制較為準確，其它六種加工速度某企業(yè)兩條生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度不一樣;依據(jù)操作工人經(jīng)驗把握，不同的班組、不同的操作人員生產(chǎn)速度不一樣。后來，該企業(yè)規(guī)范技術(shù)工藝與生產(chǎn)過程控制管理，將兩條線平行自產(chǎn)自控改為盤拉前集中坯料生產(chǎn)管理與盤拉后專門成型生產(chǎn)管理，兩條線熔鑄、軋機、三聯(lián)拉相同工序統(tǒng)一生產(chǎn)速度;盤拉、在線退火每班定額生產(chǎn)促進了生產(chǎn)速度的統(tǒng)一控制。成型生產(chǎn)工藝以前只限定速度上限，在生產(chǎn)過程中碰到缺陷多時，都常識性認為降速生產(chǎn)有利于產(chǎn)品質(zhì)量控制，通過實踐觀察分析，實際上低速生產(chǎn)時產(chǎn)品差異性更大，且對于表面缺陷問題沒有得到彌補，所以，適當(dāng)提速對于內(nèi)螺紋齒形的成型更合適。因此成型工藝拉拔速度在以前基礎(chǔ)上適當(dāng)提高3～5m/min，實行定速生產(chǎn)，有利于產(chǎn)品機械性能均勻性。

3.2 變形程度

銅管加工完全屬于壓延變形加工過程，三輥行星軋制[6－8]、三聯(lián)拉變形程度相當(dāng)，盤拉工序因規(guī)格多，不同規(guī)格道次配模變形程度對穩(wěn)定有一定的影響，通過行業(yè)慣例配模表進行統(tǒng)一計算，計算出有些規(guī)格道次加工延伸率變化不平穩(wěn)。表2、表3分別列出了 Φ11.0×0.38規(guī)格與 Φ9.52 ×0.38 規(guī)格銅管在盤拉各道次的斷面延伸率。

表2 Φ11.0×0.38配模工藝及延伸率

表3 Φ9.52×0.38配模工藝及延伸率

由表2、表3 可知 Φ11.0 ×0.38 延伸率從53.8%～39.9%均勻變化，而 Φ9.52 ×0.38 加工率第4、5 道很小，第6道很大，最后1道很小，波浪形不穩(wěn)定，由于金屬的塑性隨著總變形程度的增加而降低，延伸率應(yīng)當(dāng)均勻遞減比較正常。對Φ9.52×0.38規(guī)格可以依據(jù)表格中第4列做適當(dāng)調(diào)整，降低不同規(guī)格銅管加工時受力差異性。

3.3 退火溫度均勻性

銅管的光亮退火不僅要獲得光潔的表面質(zhì)量，同時還要提高其塑性和降低硬度，這就要求，退火設(shè)備必須具有非常好的爐溫均勻性，使銅管在退火溫度范圍內(nèi)，任何一點的退火溫度都控制的非常準確和均勻，這樣才能得到所要求的合適的硬度值和性能均勻性，以便為后續(xù)工序提供良好工藝性能的坯料。因此，退火設(shè)備的選擇非常重要，經(jīng)過試驗證明只有爐溫均勻性小于±5℃時，銅管才能獲得特別均勻的機械值和工藝值。

4 銅管尺寸精度控制

銅管生產(chǎn)過程中尺寸都是通過控制模具和裝配精度來實現(xiàn)的，在生產(chǎn)前首先按《模具檢測規(guī)范》檢查后再使用，能有效預(yù)防控制成品尺寸。例如某企業(yè)熔鑄工序石墨模具每48h裝配一次，且每次安裝前都檢測合格，但在某批次產(chǎn)品中出現(xiàn)大批蛇形管，主因是爐體角度傾斜15～20°，模具裝備的模座(三孔磚)裝備與爐體不平行，模具裝好后恢復(fù)水平牽引時，銅坯結(jié)晶時延長線與牽引機水平線不在一條直線上，因此受牽引機壓力發(fā)生扭曲。在管坯引出20m后切鋸，管頭與管尾相差很大。蛇形管直接影響到銑面氧化皮銑不干凈，軋機軋制時影響三個軋輥磨損不平衡，導(dǎo)致軋出銅管表面毛糙、管壁厚不均勻等缺陷。

三聯(lián)拉、盤拉、成型機均采用硬質(zhì)合金模與芯頭，且為單道拉伸，事先做好模具檢查，在使用時定好模位就能得到很好的控制，在此就不一一贅述。

5 結(jié)論

現(xiàn)銅管加工行業(yè)裝備水平相近，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性控制是滿足客戶需求與提高產(chǎn)品競爭力的重要手段。找出生產(chǎn)過程中的影響因素并提出解決措施對于成品率的提高有直接的意義。

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