CN111069445A - 一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法。本发明先确定管坯原材料规格以及内模定径带直径,然后利用经验公式计算无外模情况下管坯拉拔后的壁厚,最后根据无外模拉拔的壁厚和本道次的目标壁厚确定所采用的外模定径带的内径。本发明涉及的无外模拉拔管坯壁厚计算方法,以及针对目标厚度对内外模扩径拉拔时外模定径带内径的计算方法是发明人多年生产经验的总结,是作为扩径拉拔模具设计的直接依据,用于精确控制每道次拉拔后的管壁厚度,误差率低于0.5%,可为大口径白铜管扩径拉拔道次变形率分配、退火工艺设计以及拉拔模具设计提供直接依据,具有重要的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及铜管扩径工艺,具体涉及一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法。
背景技术
大口径白铜管是海洋工程领域所需关键结构产品,目前,国内仅有极少数企业具有此类产品的生产能力。海洋工程用管在耐蚀性、气密性、焊接性等方面均有很高的要求,所以对于白铜管产品需要在形状及尺寸方面有比较高的精度。大口径无缝白铜管一般采用“挤压-冷轧-拉拔”技术进行生产。通常,生产小口径管材的最终成形一般采用普通的固定短芯头、长芯杆或游动芯头进行减径拉拔,而对于大口径无缝管,采用扩径拉拔技术是实现其扩径减壁的最佳方式。大口径白铜管生产过程中要经过多道工序,主要包括挤压开坯、冷轧、多道次扩径拉拔及退火、精整、矫直、探伤等,其中扩径拉拔是影响产品尺寸和形状精度的关键工序。扩径拉拔的原理图如图1所示。
扩径拉拔工艺分为两类,一类是无外模的扩径拉拔,一类是有外模的扩径拉拔。其中无外模拉拔是一种精度较低的加工方法,因为在无外模拉拔时,模具仅控制管坯内径扩大,而管坯的外径方向则是自由变形,其壁厚如何变化,拉拔后的变形量等参数受到管坯尺寸、边界摩擦、合金状态、回弹等多种因素的影响,通常难以精确预测和控制。而在有外模的扩径拉拔过程中,在外模和芯模(内模)的同时作用下,理论上可以实现对内、外径和壁厚的完全控制,然而,在实际生产中,由于对具体的内/外模的规格、管材内径和壁厚之间的关系不明了,导致外模尺寸的设计难以准确掌握,从而容易造成拉拔后管壁厚度控制不准的技术难题。若外模工作带内径(定径带内径)过大,则可能无法接触到管坯外壁而起不到限制壁厚的作用;若外模工作带内径(定径带内径)太小,则可能因减径变形率太大而显著增大拉拔力和变形的不均匀性和不稳定性,严重时可能导致断管,也有可能损伤制品外表面,严重影响变径拉拔后管的表面质量。
因此,需要提供一套可行的外模设计方案用于合理地设计外模尺寸,使其能够既能有效地控制制品的壁厚,使得铜管的拉拔变形更加均匀,减少残余应力,同时也不会明显增加拉拔力,降低生产难度,保障顺利生产出高尺寸精度、高表面质量的大口径薄壁白铜管产品。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术提供一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,更具体地是针对有外模的扩径拉拔,通过建立内/外模定径带规格与管材扩径前后的内径、壁厚之间的具体关系,从而精确设计内模定径带的外径M、外模定径带内径D,从而达到精确控制每道次拉拔后的管壁厚度,明显减小扩径拉拔误差。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为:一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,采用内模和外模共同作用于管坯对管坯进行扩径拉拔,其中内模位于管坯内部,外模位于管坯外部,外模的定径带和内模的定径带内外配合形成成型环隙,根据内模定径带的外径、管坯的初始规格和目标壁厚,采用如下计算公式计算外模的定径带内径D:
D=M+(2d/M-k)×t1+k×t2(mm) (1)
式(1)中,M为内模定径带的外径,单位是mm;d为管坯的初始内径,单位是mm;t1为无外模扩径拉拔即单独采用内模扩径拉拔所得到的管壁厚度,单位是mm,由由式(2)确定;t2为目标壁厚,单位是mm;k是变径前后壁厚变化参数,由式(3)确定;
t1=[1+ln(M/d)]×t0+C (2)
式(2)中,C为修正系数,取值范围-0.1mm~0.2mm;
k=1-(t2-t0)/t0 (3)
式(3)中,t0为管坯的初始壁厚,t2为目标壁厚。
优选地,式(2)中,修正系数C的取值参照(M-d)确定:
(M-d)<10mm,C=-0.1mm;
10≤(M-d)<20mm,C=0;
20≤(M-d)<30mm,C=0.1;
(M-d)≥30mm,C=0.2。
本申请扩径拉拔壁厚的控制方法受管坯规格、目标规格、管坯材料的限定表现出合理的适用范围。本申请的适用范围:式(1)和式(2)的计算方法适用于初始壁厚d为220mm-320mm、初始壁厚t0为7.0mm-15.0mm的管坯,内模定径带外径M为255mm-355mm,目标壁厚t2为6.0mm-15.0mm。
优选地,所述管坯在所述扩径拉拔前作退火处理,以退火态管坯进行所述的扩径拉拔。
优选地,该方法适用于退火态的白铜管坯的扩径拉拔。尤其是退火态BFe10-1-1白铜管坯。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明涉及的铜管扩径拉拔的壁厚计算与控制方法,是以金属塑性变形的力学原理为基础,并结合发明人多年实践经验总结而成的,形成了经验公式(1)、(2)。扩径拉拔时塑性变形区金属处于一种较为复杂的三维应力应变状态,同时非塑性变形区处于一种显著的弹性变形状态,且拉拔力是通过已变形管坯传递给模具间隙中的塑性变形区。在无外模扩径拉拔时,模具仅控制管坯内径扩大,而管坯的外径方向则是自由塑性变形,其壁厚变化率和拉拔后的变形量等参数受到管坯尺寸、边界摩擦、合金状态等多种因素的影响,通常难以精确预测和控制。而在有外模的扩径拉拔中,在外模和芯模(内模)的同时作用下,理论上可以实现对内、外径和壁厚的完全控制,然而,实际生产中,由于缺少具体的内/外模尺寸、管坯内径和壁厚之间的量化对应关系,使外模尺寸的设计难以准确掌握,外模尺寸通常只是凭经验设计,容易造成拉拔后管壁厚度控制不准的技术难题。采用传统经验方法设计模具,通常拉拔后管材的壁厚与预期的目标尺寸之间误差率达1~5%。
本发明的优势在于,发明人在力学理论指导下,结合有限元数值模拟和生产经验的总结,建立了扩径拉拔的内/外模尺寸、管坯内径和壁厚之间的量化关系,可以便捷、准确地确定每个道次拉拔外模的内径尺寸,使壁厚误差率小于0.5%。与原来的模具设计方法相比较,采用本发明的方法指导模具设计的效率显著提高,同时扩径拉拔后管壁厚度的误差率低于0.5%,明显提升了产品的扩径拉拔精度。
附图说明
图1为采用内模和外模共同作用的扩径拉拔示意图;
图中,1夹头、2塞心、3外模、4管坯、5衬芯、6芯杆、7推杆。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。下面通过描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
以下为无外模扩径拉拔时管坯壁厚计算方法
实施例1
将规格为内径Φ220mm、壁厚t0=7.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ255mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
实施例2
将规格为内径Φ260mm、壁厚t0=9.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ275mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
实施例3
将规格为内径Φ260mm、壁厚t0=9.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ285mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
实施例4
将规格为内径Φ260mm、壁厚t0=9.5mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ285mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
实施例5
将规格为内径Φ320mm、壁厚t0=9.5mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ355mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
实施例6
将规格为内径Φ260mm、壁厚t0=15mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ275mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
对比例1
将规格为内径Φ220mm、壁厚t0=9.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ245mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
对比例2
将规格为内径Φ260mm、壁厚t0=9.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ375mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
对比例3
将规格为内径Φ270mm、壁厚t0=6.5mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ285mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
对比例4
将规格为内径Φ270mm、壁厚t0=15.5mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯(管坯实际尺寸有所偏差,因此在利用经验公式计算时,需要对管坯再进行测量,以实际测量值为准)在定径带直径为Φ285mm的芯模作用下进行无外模扩径拉拔试验,测量管坯的初始壁厚,确定本次拉拔所使用芯模的定径带直径,利用本发明的经验公式(2)计算壁厚的预测值。拉拔完成后测量其真实壁厚值。
将上述实施例及对比例得到无外模拉拔的壁厚计算值t1和拉拔后的壁厚实测值tc列在下表中,利用下列公式计算其误差率η:
η=∣tc-t1∣/t1
将结果记录在表1中:
表1实施例与对比例工艺及结果
由表1可见,实施例1~6采用本发明的无外模扩径拉拔壁厚计算方法(式2),均可使初始壁厚范围为7.0-15.0mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯,在芯模外径Φ255mm~Φ355mm范围内准确预测扩径拉拔后的壁厚值,其误差率小于0.7%。而对比例1~2由于芯模定径带外径过小或过大,对比例3~4由于壁厚过厚或过薄,均超过了本发明的适用范围,误差率较大,达到了1.8~2.6%。
综上,采用无外模扩径拉拔,管坯壁厚的控制精度,与芯模定径带外径、管坯初始壁厚、初始内径有关,在适用范围内,采用本发明的经验公式(2)可以指导无外模扩径拉拔时所采用的芯模定径带外径的确定,或者可用于对管坯扩径拉拔后目标壁厚的精准预判。
以下部分为内/外模共同作用下扩径拉拔的壁厚控制方法
实施例7
本实施例采用内模和外模共同作用于管坯对管坯进行扩径拉拔。将内径Φ290mm、壁厚8.80mm的退火态BFe10-1-1白铜管坯,经一次扩径拉拔成内径Φ305mm、壁厚8.30mm的管材。本实施例采用如下步骤确定芯模及外模的定径直径,具体是指芯模定径带外径、外模定径带内径的确定:
1.测量管坯的初始直径d、初始壁厚t0、确定本道次拉拔的芯模直径M、目标壁厚t2分别为:d=290mm;t0=8.80mm;M=305mm;t2=8.30mm;
2.利用壁厚控制的经验公式(式2)计算无外模情况下管坯经过扩径拉拔后的壁厚t1(此实施例中C取0值):
t1=[1+ln(M/d)]×t0+C=8.36mm
3.外模定径带内径设计:
根据公式(1)和(3)确定外模定径带内径D:
k=1-(t2-t0)/t0=0.943
D=M+(2d/M-k)×t1+k×t2=320.8mm
4.确定了拉拔芯模外径为Φ305mm,外模定径带内径为Φ320.8mm之后,加工好模具并对三个退火态管坯进行扩径拉拔实验;先测量其实际壁厚,然后在拉拔之后再测量其壁厚,将拉拔后的实测壁厚t与目标壁厚8.30mm作比较,用以下公式计算实际壁厚与预期壁厚的偏差率η:
η=∣t-8.30∣/8.30
并记录在表2中。
表2扩径拉拔管壁厚度及偏差
由表2可知,尽管管坯拉拔前壁厚与其名义尺寸存在一定的偏差,但是经过有外模限制的扩径拉拔之后,管壁厚度与预期设计的壁厚偏差率仍可控制在0.5%以下。表明采用本发明设计的扩径拉拔模具是合格的,可以投入生产。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例,但是应该清楚地理解,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,其特征在于:采用内模和外模共同作用于管坯对管坯进行扩径拉拔,其中内模位于管坯内部,外模位于管坯外部,外模的定径带和内模的定径带内外配合形成成型环隙,根据内模定径带的外径M、管坯的初始内径d、初始壁厚t0和目标壁厚t2,采用如下计算公式计算外模的定径带内径D:
D=M+(2d/M-k)×t1+k×t2(mm) (1)
式(1)中,M为内模定径带的外径,单位是mm;d为管坯的初始内径,单位是mm;t1为无外模扩径拉拔即单独采用内模扩径拉拔所得到的管壁厚度,单位是mm,由由式(2)确定;t2为目标壁厚,单位是mm;k是变径前后壁厚变化参数,由式(3)确定;
t1=[1+ln(M/d)]×t0+C (2)
式(2)中,C为修正系数,取值范围-0.1mm~0.2mm;
k=1-(t2-t0)/t0 (3)
式(3)中,t0为管坯的初始壁厚,t2为目标壁厚。
2.根据权利要求1所述的铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,其特征在于:式(2)中,修正系数C的取值参照(M-d)确定:
(M-d)<10mm,C=-0.1mm;
10≤(M-d)<20mm,C=0;
20≤(M-d)<30mm,C=0.1;
(M-d)≥30mm,C=0.2。
3.根据权利要求1所述的铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,其特征在于:式(1)和式(2)的计算方法适用于初始内径d为220mm-320mm、初始壁厚t0为7.0mm-15.0mm的管坯,内模定径带外径M为255mm-355mm,目标壁厚t2为6.0mm-15.0mm。
4.根据权利要求1所述的铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,其特征在于:所述管坯在所述扩径拉拔前作退火处理,以退火态管坯进行所述的扩径拉拔。
5.根据权利要求1所述的铜管扩径拉拔的壁厚控制方法,其特征在于:该方法适用于退火态的白铜管坯的扩径拉拔。
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GR01 | Patent grant | ||
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