高端異形(D形)黃銅衛(wèi)浴管的研制

狄大江，何曉明，黃路稠

(1.浙江海亮股份有限公司，浙江 諸暨 311835；2.廣東佛山市華鴻銅管有限公司，廣東 佛山 528234)

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高端異形(D形)黃銅衛(wèi)浴管的研制

狄大江1，何曉明1，黃路稠2

(1.浙江海亮股份有限公司，浙江 諸暨 311835；2.廣東佛山市華鴻銅管有限公司，廣東 佛山 528234)

針對高端異形(D形即面包形)黃銅衛(wèi)浴管尺寸精度、表面硬度方面的特殊要求，探討均勻變形的拉伸工模具設(shè)計(jì)和研制工藝，研制高端D形黃銅衛(wèi)浴管。

黃銅；D形衛(wèi)浴管；均勻變形；尺寸精度；硬度

我國的建筑裝潢、衛(wèi)生潔具行業(yè)起步較晚，2007年制定了YS/T635-2007《衛(wèi)生潔具用黃銅管》行業(yè)專用標(biāo)準(zhǔn)以來，該行業(yè)步入了發(fā)展的快車道。加之國內(nèi)和歐、美、日、韓黃銅衛(wèi)浴管需求較大，為我國建筑裝潢、衛(wèi)生潔具行業(yè)提供了廣闊的市場和發(fā)展空間。

文獻(xiàn)[1-2]對黃銅圓形衛(wèi)浴管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了富有成效的研究與實(shí)踐。隨著國內(nèi)外市場對異形衛(wèi)浴管材品種和數(shù)量的需求日益增多，本文主要針對高端D形即面包形黃銅衛(wèi)浴管的尺寸精度和表面硬度進(jìn)行研究和探討，研制滿足高端衛(wèi)浴市場的異形黃銅衛(wèi)浴管。

1 產(chǎn)品研制

1.1 研制目標(biāo)

H65 D形(面包形)3/4 Y 黃銅衛(wèi)浴管的尺寸和形狀如圖1所示。其中，長軸A為32.9mm、短軸B為

20mm、壁厚S為1mm 、R1為50mm、R2為16.5mm、R3為2.6mm；管材的尺寸精度按照YS/T635-2007高精級(表1、2)標(biāo)準(zhǔn)，管材力學(xué)性能按照表3的規(guī)定,管材表面不允許有有礙外觀質(zhì)量的表面缺陷。

圖1 D形(面包形)高端衛(wèi)浴管Fig.1 High-end D-shaped sanitary pipe

軸長(長軸)/mm壁厚/mm0．40～0．60>0．60～0．90>0．90～1．5>1．5～2．0壁厚允許偏差/%普通級高精級普通級高精級普通級高精級普通級高精級16～25±10±8±10±8±10±7±10±625～35±10±8±10±8±10±8±10±6

注：當(dāng)要求壁厚偏差全為正(+)或全為負(fù)(-)時，其允許偏差為表中對應(yīng)值的2倍。

表2 扁圓管、橢圓管、D形管材壁厚及其允許偏差(YS/T635-2007)

注：當(dāng)要求軸偏差全為正(+)或全為負(fù)(-)時，其允許偏差為表中對應(yīng)值的2倍。

表3 黃銅衛(wèi)浴管力學(xué)性能研制目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

1.2 工模具設(shè)計(jì)

1.2.1 工藝設(shè)計(jì)

高端D形衛(wèi)浴管的工藝設(shè)計(jì)，主要是確定過渡圓管坯和空拉過渡D形管坯的規(guī)格，并根據(jù)客戶的技術(shù)要求和研制產(chǎn)品的合金特性，設(shè)計(jì)、編制研制工藝。

確定空拉過渡D形管坯規(guī)格，其外形尺寸A1、B1、RD1、RD2、RD3、即是空拉過渡D形模定徑尺寸。設(shè)計(jì)空拉過渡D形管坯規(guī)格，把D型管的長軸A(32.9mm)、短軸尺寸B(20mm)、壁厚尺寸S(1mm)，以及圓弧半徑R1(50mm)、R2(16.5mm)、R3(2.6mm)等參數(shù)，代入表4中的設(shè)計(jì)計(jì)算公式(1)～(10)進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算結(jié)果為，空拉過渡D形管坯的長軸A1=35.2mm、短軸B2=22.3mm、圓弧半徑R1=51.15mm、R2=17.65mm、R3=3.75mm，則空拉過渡D形管坯的設(shè)計(jì)壁厚S1=S0=1.15mm，即完成了空拉過渡D形管坯規(guī)格的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)過渡圓管坯，先確定過渡圓的直徑，在遵循能保證成品D形芯頭順利無阻礙穿管的前提下，盡量減小減徑方面的變形，適當(dāng)增加壁厚減縮變形的設(shè)計(jì)思想，本設(shè)計(jì)采用過渡D形管坯周長等于過渡圓管坯周長的原則。經(jīng)過表4中公式(13)～(16)的運(yùn)算，計(jì)算出空拉過渡D形管坯的周長為92.98mm，并將其代入表4中公式(20)，計(jì)算出過渡圓管坯直徑D0為29.6mm；根據(jù)表4中公式(21)，計(jì)算出過渡圓管坯的設(shè)計(jì)壁厚為1.15mm 。

表4 高端D形衛(wèi)浴管工藝與模具設(shè)計(jì)計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果

續(xù)表

表4公式中，a 為 D形芯頭長軸尺寸，mm；b為D形芯頭短軸尺寸，mm；r1為D形芯頭圓弧半徑，mm；r2為D形芯頭圓弧半徑，mm；r3為D形芯頭圓弧半徑，mm；C為D形芯頭與過渡D形管內(nèi)腔單邊間隙，C=1mm；S0為過渡圓管坯壁厚，mm；A1為空拉過渡D形模定徑帶長軸尺寸，mm；B1為空拉過渡D形模定徑帶短軸尺寸，mm；RD1為空拉過渡D形模定徑帶圓弧半徑，mm；RD2為空拉過渡D形模定徑帶圓弧半徑，mm；RD3為空拉過渡D形模定徑帶圓弧半徑，mm；α為圓心角，°；β為圓心角，°；θ為圓心角，°；L為空拉過渡D形模定徑周長，mm；Ar為空拉過渡D形模變形區(qū)入口長軸尺寸，mm；Br為空拉過渡D形模變形區(qū)入口短軸尺寸，mm；Rr為空拉過渡D形模變形區(qū)入口圓弧半徑，mm；D0為過渡圓管坯直徑，mm；S0為過渡圓管坯壁厚，mm。

高端D形衛(wèi)浴管的工藝設(shè)計(jì)時，還須保證產(chǎn)品硬度達(dá)到力學(xué)性能研制目標(biāo)的要求。在深入研究了H65力學(xué)性能與加工率關(guān)系的基礎(chǔ)上(圖2)，選取高端H65黃銅衛(wèi)浴管的加工率和延伸系數(shù)(表5)，確定管坯退火后成品道次拉伸的加工率即延伸系數(shù)，并制定了H65高端D形衛(wèi)浴管研制工藝(表6)。

表5 H65高端黃銅衛(wèi)浴管的加工率和延伸系數(shù)

圖2 H65力學(xué)性能與加工率關(guān)系Fig.2 Relationship diagram of mechanical properties and processing rate of H65 brass

序號工序名稱工藝流程/mm延伸系數(shù)加工率/%工藝參數(shù)1軋管Φ55×3．0---2退火、酸洗Φ55×3．0--退火前脫脂除油，完全再結(jié)晶軟化退火。3制頭、拉伸Φ48×2．501．371--4扒皮Φ47．5×2．40---5拉伸Φ43×1．951．352--6拉伸Φ39×1．551．379--7退火、酸洗Φ39×1．55--退火前脫脂除油，完全再結(jié)晶軟化退火。8制頭、拉伸Φ34×1．301．366--9過渡圓拉伸Φ30×1．11．337--10空拉過渡D形35．2×22．3×1．11．015-退火前脫脂除油，除凈表面油污。11退火、酸洗35×22．5×1．1--網(wǎng)帶爐單層擺放，爐膛溫度510℃，加熱時間30min。12成品拉伸32．9×20×11．19116．04-13定尺、整理----14成品檢驗(yàn)---成品檢驗(yàn)，尺寸偏差、硬度HB130±5，表面質(zhì)量。15包裝入庫----

1.2.2 模具設(shè)計(jì)

高端D形衛(wèi)浴管的模具設(shè)計(jì)，從追求成品道次拉伸變形均勻性、提高成品管材尺寸精度和硬度均勻性出發(fā)，在設(shè)計(jì)空拉過渡D形管拉伸模和D形管成品拉伸模時，考慮空拉過渡D形管坯進(jìn)入D形管成品拉伸模的瞬間，各方向同時與D形管成品拉伸模模壁接觸，為了確保成品拉伸的過程中，各方向的變形量相等， D形管成品拉伸模變形區(qū)入口與空拉過渡D形拉伸模定徑區(qū)的尺寸和形狀應(yīng)完全一致。

高端D形衛(wèi)浴管的模具設(shè)計(jì)主要包括，空拉過渡D形拉伸模、D形管成品拉伸模和D形管成品拉伸芯頭。

空拉過渡D形拉伸模設(shè)計(jì)如圖3，其定徑區(qū)的尺寸與形狀，根據(jù)表4中公式(6)～(10)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行繪圖；其變形區(qū)入口的尺寸與形狀設(shè)計(jì)，根據(jù)表4中公式(17)～(19)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行繪圖。實(shí)際變形區(qū)入口的尺寸與形狀就是以Rr為半徑、以空拉過渡D形拉伸模的中心為圓心的圓；空拉過渡D形拉伸模長軸方向的模角為90°，短軸方向的模角不宜大于25°。

圖3 空拉D形過渡模Fig.3 D-shaped transitional mould

D形衛(wèi)浴管的成品模設(shè)計(jì)見圖4，其變形區(qū)的入口與空拉過渡D形拉伸模定徑區(qū)的尺寸和形狀完全一致。根據(jù)表4 中公式(6)～(10)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行繪圖；D形衛(wèi)浴管成品模定徑區(qū)的尺寸與形狀，按照表4中A、B、R1、R2、R3的尺寸參數(shù)繪制。為了減緩成品拉伸的不均勻變形，成品模其長軸與短軸方向的模角相等，其模角≤6°。

圖4 D形衛(wèi)浴管成品模Fig.4 D-shaped sanitary pipe mould

D形衛(wèi)浴管的成品芯頭設(shè)計(jì)如圖5，其設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)表4中公式(1)～(5)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行繪圖。成品芯頭高度根據(jù)其截面尺寸大小選擇，截面尺寸大的其高度應(yīng)大些。成品芯頭內(nèi)孔尺寸的選擇，首先要考慮成品拉伸時，芯頭受力大小即連接桿的連接強(qiáng)度，還要考慮成品芯頭的材質(zhì)。成品芯頭材質(zhì)選YG8的，其內(nèi)孔應(yīng)選Φ8mm。成品芯頭連接桿選高強(qiáng)度連接螺栓，以保證其連接強(qiáng)度和硬質(zhì)合金芯頭的支撐強(qiáng)度。

1.3 工藝試驗(yàn)及研制結(jié)果

為了探討研制工藝中，空拉過渡拉伸前和后退火對成品管材尺寸精度以及硬度的影響，采用表6和表7研制工藝進(jìn)行對比試驗(yàn)，以確定最佳研制工藝。

圖5 D形成品芯頭Fig.5 Core print in D-shaped finished product

序號工序名稱工藝流程/mm延伸系數(shù)加工率/%工藝參數(shù)1軋管Φ55×3．0---2退火、酸洗Φ55×3．0--退火前脫脂除油，完全再結(jié)晶軟化退火。3制頭、拉伸Φ48×2．501．371--4扒皮Φ47．5×2．40---5拉伸Φ43×1．951．352--6拉伸Φ39×1．551．379--7退火、酸洗Φ39×1．55--退火前脫脂除油，完全再結(jié)晶軟化退火。

續(xù)表

序號工序名稱工藝流程/mm延伸系數(shù)加工率/%工藝參數(shù)8制頭、拉伸Φ34×1．301．366--9過渡圓拉伸Φ30×1．11．337--10退火、酸洗35×22．5×1．1--網(wǎng)帶爐單層擺放，爐膛溫度510℃，加熱時間30min。11空拉過渡D形35．2×22．3×1．11．015-退火前脫脂除油，除凈表面油污。12成品拉伸32．9×20×11．19116．04-13定尺、整理----14成品檢驗(yàn)----15包裝入庫----

表7研制工藝試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)測長軸為32.78、32.81mm，短軸為20.18、20.21mm，壁厚為1.04、0.95mm；硬度HB為140、158；檢驗(yàn)表面，無有礙客戶使用的缺陷 。

表6研制工藝試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)測長軸為32.88、32.90mm，短軸19.99、19.96mm，壁厚為1.03、0.96mm；硬度HB為130、127；檢驗(yàn)表面，無有礙客戶使用的缺陷。

按表6研制工藝組織生產(chǎn)，經(jīng)全面質(zhì)量檢驗(yàn)，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和研制目標(biāo)。

2 討論分析

(1)表7研制工藝試驗(yàn)結(jié)果顯示，其實(shí)測長軸和短軸尺寸嚴(yán)重超差，尤其是短軸尺寸，實(shí)測硬度HB值嚴(yán)重不均；分析其原因，主要是由于過渡圓到空拉D形過渡不均勻變形造成的。

表7研制工藝中，過渡圓管坯經(jīng)過完全再結(jié)晶軟化退火，由Φ30mm×1.10mm直接空拉變形至35.2mm×22.3mm×1.10mm的過渡D形,其過渡圓管坯表面一進(jìn)入空拉過渡D形模的變形區(qū)，在短軸方向受到空拉過渡D形模壁的強(qiáng)烈壓力，產(chǎn)生劇烈壓縮變形；而在長軸方向則未接觸到空拉過渡D形模的模壁，遵循最小阻力定律，變形金屬產(chǎn)生向長軸方向的非接觸延伸變形，直至管坯表面接觸長軸方向的模壁為止。因?yàn)樵O(shè)計(jì)過渡圓管坯的周長等于空拉過渡D形模定徑區(qū)的周長，故該空拉D形過渡變形前后的截面積沒有變化，但卻發(fā)生了遠(yuǎn)超出圓形管材的嚴(yán)重不均勻變形，其殘留在空拉D形過渡管坯的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)比圓形管材大得多。

該銅管在不經(jīng)過消除應(yīng)力或軟化退火處理的情況下繼續(xù)成品拉伸，其銅管內(nèi)部的殘余應(yīng)力與成品拉伸時的不均勻變形聚集、疊加，使銅管內(nèi)部的殘余應(yīng)力大大增加，致使拉伸后的D形衛(wèi)浴銅管幾何形狀歪扭、尺寸精度大幅度降低，并對其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

拉伸過程中由于材料內(nèi)不均勻變形而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，在拉伸后殘留在制品內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，異形材的拉伸變形更甚，對產(chǎn)品力學(xué)性能和尺寸精度的影響愈加顯著，這不僅使管材尺寸超差，甚至使管材形狀產(chǎn)生歪扭[3-5]。

綜上所述，減小成品拉伸過程的不均勻變形，是工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的首要任務(wù)；

(2)分析表4中的計(jì)算公式(6)～(10)，成品D形芯頭的r1、r2、r3分別與成品D形拉伸模定徑區(qū)的R1、R2、R3和空拉過渡D形模定徑區(qū)的RD1、RD2、RD3圓心重合，且不難推導(dǎo)出成品拉伸時，各方向的變形壓縮量均為C+(S0-S1)；即可以確認(rèn)成品拉伸時，成品管材截面360°任意方向的變形是均等的(假設(shè)過渡圓管坯的壁厚是均等的)，故可從模具設(shè)計(jì)上保證成品拉伸的均勻化變形；

(3) D形衛(wèi)浴管成品拉伸模，其變形區(qū)的入口與空拉過渡D形拉伸模定徑區(qū)的尺寸與形狀完全相等，即從拉伸模設(shè)計(jì)上保證，在拉伸過程中變形區(qū)與銅管表面100%全接觸，并能實(shí)現(xiàn)最大限度的減小拉伸模角；采用≤6°的小模角和變形區(qū)與銅管表面100%全接觸設(shè)計(jì)，可通過減小拉伸模工作表面對其中心線的傾角來減小不均勻變形[6]，同時還可減小拉伸過程金屬在變形區(qū)的流線急劇轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致非接觸變形增大；增加成品拉伸時銅管坯表面與成品拉模變形區(qū)接觸面積的最大化，能減小成品拉伸時管坯尾部的擺動，提高拉伸的穩(wěn)定性，提高成品管材的直度；

(4)分析表6中的研制工藝，采用“擠壓管坯→軋管→拉伸→扒皮+多道次拉伸→空拉過渡D形管坯→均勻化再結(jié)晶退火，進(jìn)行成品拉伸”的研制工藝流程。通過對擠壓管坯進(jìn)行軋管加工，最大程度的減小了管坯壁厚的偏心；采用扒皮工序，是為了消除管坯表面的缺陷，但扒皮拉伸又增加了壁厚的偏心程度，故通過多道次拉伸進(jìn)一步提高壁厚的均勻程度，以提高成品拉伸變形的均勻性。

空拉過渡D形管坯經(jīng)均勻化再結(jié)晶退火后，再進(jìn)行成品拉伸，是為了消除空拉過渡D形管坯嚴(yán)重的不均勻變形，以及殘留在其內(nèi)部的殘余應(yīng)力和管坯各位置硬度的不均勻性，以實(shí)現(xiàn)成品拉伸過程管材的均勻變形，最終達(dá)到D形衛(wèi)浴管的研制目標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)采用≤6°的小模角和變形區(qū)與銅管表面100%全接觸的異形拉伸模具設(shè)計(jì)，對減小拉伸過程金屬的不均勻變形和殘余應(yīng)力、提高異形管材的尺寸精度和直度是有益的；

(2)管材截面360°任意方向變形均等的工模具設(shè)計(jì)，經(jīng)工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，對提高異形管材拉伸的均勻變形是有效的；

(3)實(shí)踐證明，以均勻拉伸變形為理念的工模具設(shè)計(jì)和研制工藝，是切實(shí)有效的，是研制高端D形黃銅衛(wèi)浴管的可靠途徑之一。

[1] 楊繼德，劉琥.高檔黃銅衛(wèi)浴管的生產(chǎn)工藝[J].銅加工，2005,(3):15-20.

[2] 盧燕.高精度黃銅衛(wèi)浴管研發(fā)及應(yīng)用[J].有色金屬加工.2014,(5):38-42.

[3] 馬懷憲.金屬塑性加工學(xué)-擠壓、拉拔與管材冷軋[M].冶金工業(yè)出版社，1997.167.

[4] 徐計(jì).獲得高質(zhì)量波導(dǎo)管的途徑[J].銅加工，1982,(3):42.

[5] 狄大江.高精度薄壁橢圓形銅管拉伸工藝及工具設(shè)計(jì)[J].銅加工，2007,(2):54.

[6] 〔蘇聯(lián)〕А.К.舒魯波夫 等著.石云山,鍾錫漢譯.經(jīng)濟(jì)斷面鋼管生產(chǎn)[M].中國工業(yè)出版社，1965.36.

Development of High-End Specially-Shaped (D-shaped) Brass Sanitary Pipe

DI Dajiang1, HE Xiaoming1, HUANG Luchou2

(1.Zhejiang Hailiang Co., Ltd., Zhuji 311835, China；2. Foshan Huahong Copper Tube Co., Ltd., Foshan 528234, China)

In light of special requirements for high-end specially-shaped (D-shaped) brass sanitary pipe, including dimensional accuracy and surface hardness, the paper presented the design of tool and die with the characteristic of uniform deformation as well as the processes for the development.

brass; D-shaped sanitary pipe; uniform deformation; dimensional accuracy; hardness.

2015-02-15

狄大江(1949-)，男，高級工程師，主要從事銅及銅合金管棒型材的加工技術(shù)研究、工藝研究和產(chǎn)品研發(fā)工作。

TG359

B

1671-6795(2015)06-0039-07