薄壁銅管游動(dòng)芯頭拉伸模具的改進(jìn)

陳立鵬，劉勁松,，張士宏

（1. 沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

薄壁銅管游動(dòng)芯頭拉伸模具的改進(jìn)

陳立鵬1，劉勁松1,2，張士宏2

（1. 沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

采用游動(dòng)芯頭生產(chǎn)銅管由來(lái)已久，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。主要對(duì)游動(dòng)芯頭拉伸模具的芯頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。運(yùn)用非線性有限元軟件Marc對(duì)游動(dòng)芯頭拉管過(guò)程進(jìn)行模擬。分析芯頭改進(jìn)前后拉拔力和溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)，從模擬角度驗(yàn)證芯頭改進(jìn)方法的可行性。分別對(duì)改進(jìn)前后拉制的銅管材進(jìn)行組織形貌分析，從實(shí)驗(yàn)角度說(shuō)明芯頭改進(jìn)在實(shí)際生產(chǎn)中的價(jià)值。這一研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中薄壁銅管游動(dòng)芯頭拉伸模具的改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。

游動(dòng)芯頭；銅管；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；拉拔力；溫度場(chǎng)；組織形貌

1 引言

目前，我國(guó)對(duì)光銅管的需求量很大，尤其是制冷行業(yè)和水暖行業(yè)?，F(xiàn)在銅管生產(chǎn)企業(yè)普遍采用游動(dòng)芯頭拉伸模具生產(chǎn)銅管。這是由于游動(dòng)芯頭拉伸銅管過(guò)程不需要芯桿固定，可以拉制極長(zhǎng)的管材，極大的提高了生產(chǎn)率。游動(dòng)芯頭生產(chǎn)銅管技術(shù)已經(jīng)趨于穩(wěn)定［1］。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中偶爾也會(huì)出現(xiàn)表面劃痕和縮徑等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)表明銅管生產(chǎn)工藝有待提高。申衛(wèi)華［2］等人已經(jīng)通過(guò)非線性有限元模擬軟件對(duì)游動(dòng)芯頭的角度進(jìn)行了優(yōu)化；馮德明［3］等人利用專門(mén)的試驗(yàn)機(jī)對(duì)銅管游動(dòng)芯頭錐形段的角度做了試驗(yàn)，給出了銅管游動(dòng)芯頭最佳的模具角度，陳大勇［4］對(duì)游動(dòng)芯頭拉拔銅管多道次工藝進(jìn)行了優(yōu)化。這些論文缺少對(duì)拉伸模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究，本文主要通過(guò)對(duì)拉拔模具游動(dòng)芯頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算出銅管穩(wěn)定拉拔時(shí)所受的拉拔力的變化趨勢(shì)和銅管溫度場(chǎng)變化。最后通過(guò)對(duì)管坯微觀組織形貌的觀察，驗(yàn)證改進(jìn)芯頭生產(chǎn)銅管的優(yōu)點(diǎn)。

2 游動(dòng)芯頭拉拔銅管過(guò)程示意圖

游動(dòng)芯頭拉拔銅管過(guò)程示意圖如圖1所示；游動(dòng)芯頭大致分為三大區(qū)域大徑圓柱段，圓錐段，定徑圓柱段［5］。整個(gè)拉拔銅管的過(guò)程中，游動(dòng)芯頭是“固定的”在模具里邊，游動(dòng)芯頭、管材與外模達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)［5-6］。經(jīng)驗(yàn)證銅管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拉拔的條件是芯頭的半錐角β必須大于芯頭與銅管之間的摩擦角γ，還必須要保證拉拔外模半錐角α大于β［7］，只有滿足以上兩個(gè)條件才能保證銅管游動(dòng)芯頭的穩(wěn)定拉伸。

圖1 游動(dòng)芯頭動(dòng)態(tài)平衡示意圖

3 拉伸模具的改進(jìn)及有限元模型的建立

3.1 拉伸模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在芯頭圓錐段與定徑段過(guò)渡處設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)渡圓弧。圓弧半徑小于外模具錐形段1~2mm。芯頭圓錐段與定徑段的過(guò)渡圓角為r=4mm（如圖2）。本文以實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程銅管盤(pán)拉的第一道次為例進(jìn)行有限元模擬。初始管坯規(guī)格為28×1.2mm，經(jīng)過(guò)一道次拉拔后規(guī)格為25×0.93mm。

圖2 游動(dòng)芯頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

3.2 有限元模的建立

運(yùn)用非線性有限元軟件Marc建立銅管游動(dòng)芯頭拉拔過(guò)程中的二維軸對(duì)稱模型（如圖3）。分別設(shè)定芯頭改進(jìn)前后兩種模型為相同的初始條件。有限元模型的一些基本參數(shù)：磷脫氧銅（TP2）材料密度8940kg/m3、楊氏模量117GPa、泊松比0.3、拉拔速度350m/min。將初始管坯加工成縱向弧形片進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)。經(jīng)整理得到初始管坯屈服強(qiáng)度隨溫度變化表（表1）。

圖3 游動(dòng)芯頭拉伸過(guò)程有限元模型

表1 初始管坯屈服強(qiáng)度隨溫度變化表

4 芯頭改進(jìn)前后模擬結(jié)果對(duì)比

4.1 芯頭改進(jìn)前后銅管所受拉拔力的比較

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到改進(jìn)芯頭前后銅管在進(jìn)入錐形段后所受平均拉拔力隨時(shí)間變化的曲線圖（圖4）。在整個(gè)拉拔過(guò)程中，采用改進(jìn)芯頭拉拔銅管的平均拉拔力明顯小于原始芯頭的拉拔力，并且原始芯頭拉制銅管過(guò)程中拉拔力呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。銅管在經(jīng)過(guò)改進(jìn)芯頭的錐形段時(shí)與芯頭存在一定的間隙，減少了銅管與芯頭的接觸面積，這樣使得銅管與芯頭之間的摩擦力減小，從而降低了拉拔力。由于過(guò)渡圓弧的作用，銅管在經(jīng)過(guò)錐形段時(shí)金屬內(nèi)部流動(dòng)相比之前均勻緩和，金屬內(nèi)部由于金屬流動(dòng)塑性變形產(chǎn)生的變形抗力變得穩(wěn)定，所以拉拔力相對(duì)穩(wěn)定。改進(jìn)芯頭拉拔力的降低有利于拉管的順利進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率；改進(jìn)芯頭拉拔力的穩(wěn)定有利于提高銅管表面的質(zhì)量與生產(chǎn)精度。

圖4 兩種銅管拉拔力隨時(shí)間變化的曲線

4.2 芯頭改進(jìn)前后銅管溫度場(chǎng)分析

從圖5、圖6可以看出銅管在拉拔過(guò)程中最大溫度出現(xiàn)在銅管通過(guò)錐形端進(jìn)入定徑段后，由于這段時(shí)間銅管發(fā)生劇烈的塑性變形，產(chǎn)生大量的塑性熱，導(dǎo)致溫度迅速升高。改進(jìn)芯頭拉制的銅管在錐形段與芯頭接觸處的溫度遠(yuǎn)低于改進(jìn)前的，并且采用改進(jìn)芯頭拉拔銅管在整個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)低于用原始芯頭拉拔的銅管。由于改進(jìn)芯頭過(guò)渡圓角的作用，銅管進(jìn)入錐形段后變形程度相對(duì)以前并沒(méi)有那么激烈，銅管變形產(chǎn)生的塑性熱隨之降低。銅管在經(jīng)過(guò)過(guò)渡圓角時(shí)，銅管的一小部分區(qū)域未與芯頭發(fā)生接觸，這樣就減少了銅管與芯頭之間產(chǎn)生的摩擦熱。本文僅僅通過(guò)對(duì)銅管盤(pán)拉的第一道次進(jìn)行模擬，在隨后拉拔道次中，銅管溫度不斷升高，這極有可能達(dá)到銅管的再結(jié)晶溫度，這對(duì)銅管成形是非常不利的。

圖5 原始芯頭銅管溫度場(chǎng)分布

圖6 改進(jìn)芯頭銅管溫度場(chǎng)分布

銅管拉拔過(guò)程中溫度的升高同樣會(huì)對(duì)模具產(chǎn)生不利的影響。溫度升高會(huì)使芯頭發(fā)生膨脹，芯頭沿徑向脹大。由于芯頭發(fā)生的膨脹會(huì)導(dǎo)致拉制出的銅管壁厚相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)銅管變薄，影響銅管的生產(chǎn)質(zhì)量。此外，由于溫度的急劇升高會(huì)使模具內(nèi)應(yīng)力增加，極容易使模具發(fā)生失效，嚴(yán)重影響模具的壽命。

5 游動(dòng)芯頭拉拔銅管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了探究原有芯頭拉拔工藝和改進(jìn)工藝對(duì)銅管微觀組織的影響。實(shí)驗(yàn)選用同一種28×1.2mm的管坯，分別選用原始芯頭和改進(jìn)芯頭拉拔一道次管坯。分別對(duì)原始管坯和拉制成形的銅管取樣進(jìn)行金相組織分析。從圖7可以看出銅管的橫向組織是分布均勻單相α組織，縱向組織是沿軸向的條狀晶粒，呈流線波浪型，晶界模糊不明顯。銅管的經(jīng)過(guò)一道次拉拔后縱向組織條狀晶粒變薄、均勻，數(shù)量增多，橫向組織晶粒更加細(xì)小。芯頭改進(jìn)前后銅管變形程度相差無(wú)幾，經(jīng)計(jì)算改進(jìn)前后經(jīng)拉拔后銅管的晶粒尺寸大小相當(dāng)分別為7.5μm和7μm，但是改進(jìn)后銅管晶粒更加均勻。因?yàn)殂~管在經(jīng)過(guò)有過(guò)渡圓弧的芯頭時(shí)，金屬內(nèi)部流動(dòng)緩和均勻，所以經(jīng)過(guò)改進(jìn)芯頭拉制的銅管內(nèi)部晶粒相比之前更加均勻。在金屬塑性加工過(guò)程中，晶粒均勻有助于提高金屬制品的力學(xué)性能和機(jī)械性能。由以上的銅管微觀金相組織分析，說(shuō)明經(jīng)過(guò)改進(jìn)芯頭生產(chǎn)的銅管質(zhì)量性能都有所提高。

圖7 銅管橫縱向截面顯微組織

6 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)薄壁銅管游動(dòng)芯頭改進(jìn)，銅管所受拉拔力下降，拉拔力變得平穩(wěn)，這些對(duì)穩(wěn)定拉拔銅管，提高銅管質(zhì)量和生產(chǎn)效率有積極意義。

（2）通過(guò)對(duì)拉拔過(guò)程中銅管溫度場(chǎng)的模擬，得到改進(jìn)芯頭拉制的銅管在整個(gè)拉拔過(guò)程中溫度有所下降。此外，模具溫度的下降，有利于提高模具的壽命，降低生產(chǎn)成本。

（3）分別采用原始芯頭和改進(jìn)芯頭生產(chǎn)的銅管進(jìn)行金相組織分析，得出通過(guò)改進(jìn)芯頭拉制出的銅管晶粒更加均勻，所以其力學(xué)性能和機(jī)械性能都有所提高。從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了改進(jìn)芯頭的可行性。

［1］黃東男, 張士宏, 王鵬程, 等. 游動(dòng)芯頭拉拔模具受力和溫度分布的數(shù)值模擬[A]. 中國(guó)機(jī)電研究院、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì). 第九屆全國(guó)塑性工程學(xué)術(shù)年會(huì)、第二屆全球華人先進(jìn)塑性加工技術(shù)研討會(huì)論文集(二) [C]. 中國(guó)機(jī)電研究院、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì):2005:2.

［2］申衛(wèi)華, 李章剛, 劉化民, 等. 銅管游動(dòng)芯頭拉拔模具角度優(yōu)化的有限元模擬[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2005(2):61-64.

［3］馮德明, 王文斌, 于鵬. 浮動(dòng)芯頭拉拔銅管拉拔力及穩(wěn)定性[J]. 金屬成形工藝, 1992, 10(3):135-139

［4］陳大勇. 基于TP2銅管材性能控制的拉拔工藝研究[D]. 沈陽(yáng)理工大學(xué), 2015

［5］ K.?wia, tkowski, R.Hatalak.Study of thenew floating-plug drawing process of thin-walled tubes[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2004, 1511.

［6］R.Bihamta, Q.H.Bui, M.Guillot, G.D Amours, A.Rahem, M.Fafard. A new method for production of va-riable thickness aluminium tubes: Numerical and experimental studies[J]. Journal of Materials Process-ing Tech, 2010, 2114

［7］臧勇, 張新其, 謝志偉. 薄壁銅管游動(dòng)芯頭拉拔過(guò)程拉拔力影響因素分析[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2010(3):143-147.

Improvement of Drawing Die for Thin Wall Copper Tube Floating Plug

CHEN Li-peng1, LIU Jin-song1,2, ZHANG Shi-hong2
（1. Science and Technology University of ShenYang, Shenyang 110159, Liaoning, China; Institute of Metal Research, Chinese Academia of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China）

The production of copper tube with floating plug has been long time, and has realized industrial production. the structure improvement of floating plug is carried out. By using the nonlinear finite element software Marc to simulate the floating plug drawing process. The change trend of drawing force and temperature field before and after improving floating plug are analyzed. The feasibility of floating plug improvement method is verified by simulation. The drawing copper material microstructure before and after the improvement are analyzed respectively. The value of floating plug improvement in industrial production is illustrated from the view of experiment. This study provides a scientific basis for the improvement of the thin wall copper tube in the actual production process of the drawing die with floating plug.

floating plug；copper tube；structure improvement；drawing force；temperature field；material microstructure

TG34

A

1009-3842（2015）05-0008-04

2015-07-06

陳立鵬（1989-），男，河北萬(wàn)全人，碩士研究生，主要針對(duì)銅管連鑄連軋生產(chǎn)工藝方面進(jìn)行研究。E-mail:lipengchen824@163.com