冷拔管材的原理和基本概念

2.1　冷拔生产概念

对金属坯料施以拉力，使之通过模孔，以获得与模孔截面尺寸、形状相同的制品的塑性加工方法，叫做冷拔（图3-1）。在常温下进行的拉拔方式称为冷拔。它是管材、棒材、型材及线材的主要生产方式。

图3-1　圆钢冷拔示意

冷拔成型主要是通过金属的塑性变形来实现的，塑性变形理论是金属压力加工中金属成型工艺的理论基础。塑性力学假定变形材料是均匀的、连续的，所以，应力应变的分布也是连续的，这样才能保证建立必要的方程和采用数学方法来解决金属坯料的塑性问题；同时，多数情况下，也会假定材料是各向同性的。

在材料的弹性变形阶段，应力与应变是服从虎克定律的，是线性关系，而且是可逆的；当变形超过屈服极限，材料变成塑性变形时，材料的性能有如下特点。

（1）应力与应变的关系按曲线规律变化。

（2）应力与应变是不可逆的，当载荷移去后，材料不能恢复到原始状态，发生了永久变形。

（3）金属塑性变形后，屈服点比原来提高了，这种现象叫做加工硬化。硬化后的材料放置一段较长时间后，硬化现象逐渐下降，这种现象叫做恢复。温度越高，恢复越快，硬化现象完全消失叫做退火。

（4）变形速度使材料的变形阻力加大，但是当温度较低时，变形速度的影响将下降，甚至消失。

2.2　冷拔的分类

2.2.1　管材冷拔

按制品的截面形状分为：实心材冷拔与空心材冷拔，管材冷拔即是空心材冷拔。

（1）实心材冷拔：主要包括棒材、型材、线材的冷拔。

（2）空心材（管材）冷拔：管材冷拔主要包括圆形管材及异型管材。

2.2.2　管材冷拔的基本方法。

（1）空拔

如图3-2所示，管材冷拔时，管坯内部不放模具，通过外模后外径减小，管壁一般会略微变化。这种变形方式一般很少使用。

（2）长芯杆冷拔

如图3-3所示，管材冷拔时，将管坯自由的套在经过表面抛光的芯杆上，使芯杆与管坯一起拉过模孔，以实现其减径和减壁。芯杆的长度应略大于延伸后的管坯，生产后，需用脱管法取出芯杆。比较适用于薄壁或塑性较差的管材的生产。

图3-2　钢管空拔示意

图3-3　长芯杆冷拔示意

（3）固定芯头冷拔

如图3-4所示，管材冷拔时，将带有芯头（内模）的芯杆固定，冷拔过程中，芯头位于外模孔不动，管坯通过模孔实现减径和减壁。这种方式冷拔的产品质量比空拔要好，操作方便，所以，此种加工方式广泛使用在生产中。是国内目前冷拔生产高精管的主要生产

（4）游动芯头冷拔

如图3-5所示，管材冷拔过程中，芯头不固定在芯杆上，而是靠本身的外形建立起来的力平衡被稳定在模孔中。此种生产方式对工艺条件与技术支持要求较严格。配模有一定的限制，故在生产中使用范围有限。

图3-4　固定芯头冷拔示意

图3-5　游动芯头冷拔示意

（5）扩径拉拔

如图3-6所示，管材冷拔过程中，内模直径大于管坯内径，冷拔后钢管直径增大，壁厚与长度减小，这种方式并不经常使用。

（6）高精度等径拉拔

如图3-7所示，高精度冷拔钢管采用等径冷拔，完全避免了钢管的强迫缩径，钢管内外壁可同时加工，没有普通冷拔的缺点，冷拔后钢管的组织与性能较好、精度高、产品质量好。

图3-6　扩径拉拔示意

图3-7　高精度等径冷拔示意

2.3　冷拔的特点

冷拔加工方式与其他压力加工方法比较有以下一些特点。

（1）冷拔制品尺寸精确、表面光洁。

（2）冷拔生产工具与设备简单、维护方便，在一台设备上可以生产多种规格和品种的产品。

（3）坯料道次变形量和两次退火之间的总变形量受到坯料性能与拔机冷拔力量的限制，使得产品道次多、中间工序多，工艺相对复杂。

2.4　冷拔变形的基本概念

冷拔钢管的成型主要是通过金属的塑性变形来实现的，塑性变形理论是金属压力加工中金属成型工艺的理论基础。塑性力学假定变形材料是均匀的，连续的，所以，应力应变的分布也是连续的，这样才能保证建立必要的方程和采用数学方法来解决塑性问题；同时，多数情况下，也会假定材料是各向同性的。

在材料的弹性变形阶段，应力与应变是服从虎克定律的，是线性关系，而且是可逆的；当变形超过屈服极限，材料变成塑性变形时，材料的性能有如下特点。

（1）应力与应变的关系按曲线规律变化。

（2）应力与应变是不可逆的，当载荷移去后，材料不能恢复到原始状态，发生了永久变形。

（3）金属塑性变形后，屈服点比原来提高了，这种现象叫做加工硬化。硬化后的材料放置一段较长时间后，硬化现象逐渐下降，这种现象叫做恢复。温度越高，恢复越快，硬化现象完全消失叫做退火。

（4）变形速度使材料的变形阻力加大，但是当温度较低时，变形速度的影响将下降，甚至消失。

2.5　冷拔过程中的金属变形

2.5.1　变形区的组成

冷拔模的模孔由入口锥、定径带、出口锥三部分组成，在冷拔过程中金属与模孔接触的部分称为接触变形区，是由减径区、减壁区、定径带组成。主要变形均在接触变形区内完成。

2.5.2　钢管冷拔时的力学图示

无论是空拔还是固定芯棒冷拔，在变形区内金属所受到的外力有拔制力、接触表面上的正压力和摩擦力。因此，变形区内各点的基本力学图示为：单向拉应力（图3-8）和一向拉应力两向压应力（图3-9），最大主应力是拉应力。这就是冷拔应力的主要特征。

由于最大主应力是拉应力，拔制时变形抗力比其他压力变形方式较小，能量消耗较少；可是，拉应力降低了金属的塑性，在拔制时容易产生材料裂纹，所以，冷拔的道次变形量也受到限制。

2.5.3　冷拔过程中金属的流动

冷拔过程中，变形区金属的流动是不均匀的，主要原因是接触表面的摩擦以及模具的形状，还有金属的机械性能与加工硬化等。冷拔方式中，固定芯棒冷拔由于内外均存在模具，特别是高精度冷拔钢管，属于等径冷拔，缩径量很小，变形比较均匀，残余应力较小。

图3-8　单向拉应力

图3-9　一向拉应力两向压应力

固定芯棒冷拔时，管材的应力与应变如图3-10所示。图中Ⅰ区为空拉缩径区，Ⅱ区为减壁区，Ⅲ区为定径区。在Ⅰ区钢管的应力与变形与空拉时相同；而在Ⅱ区，钢管的应力与变形与冷拉棒材相同；在Ⅲ区，钢管只发生弹性变形。

图3-10　冷拔变形区示意

1—外模　2—钢管　3—内模

2.6　冷拔管材拔制力的计算

2.6.1　影响钢管冷拔力的各种因素

（1）被加工金属的特性

冷拔与被拉伸金属的抗拉强度成线性关系，抗拉强度越高，冷拔所需拉力就越大。

（2）变形程度

冷拔力与钢管的变形程度成正比关系。

（3）模具角度

随着模具角度的变化，冷拔力也发生变化，一般来说，冷拔力存在一个最小值，其相应的模角就是最佳模角。随着变形程度的加大，最佳模角值逐渐增大。

（4）冷拔速度

在低速冷拔时，冷拔速度增加，冷拔力随之加大。高精度冷拔钢管一般均为低速冷拔，速度都小于6m/min。所以，冷拔时要特别注意拔制速度，尤其是在开动拔机的瞬间，由于产生冲击现象，拔制力变化最显著，容易发生冷拔事故。

（5）摩擦与润滑

冷拔过程中，金属与模具之间的摩擦系数大小对冷拔力有很大影响，模具材料越硬，抛光质量越好，金属越容易冷拔。

2.6.2　拔制力的理论计算

（1）拔制力计算

冷拔力是冷拔变形的基本参数，确定冷拔力的目的就在于提供设计冷拔生产工艺，保证冷拔力在拔机能力范围之内，尽量减小冷拔道次；另外，冷拔力还被用来校核钢管的断头、模具与夹具的承受与否，所以，冷拔力的计算是必不可少的。

高精度冷拔钢管由于是采用等径冷拔，在理想状况下，可以简化成平面变形，经过使用微积分方法，最终推导出拔制力计算公式如下：

冷拔力：P＝σxa*A1，A1：拔后钢管截面积

式中　σxa——冷拔应力，S是变形硬化抗力值，可查图3-11；

　　　ε=（A0-A1）/A0——截面变形率；

　　　B=f1/tgα，f1——摩擦系数，α：模具夹角。

（2）冷拔油缸与主机的工况与载荷分析

冷拔油缸与主机简化模型如图3-12所示。工作时，首先使液压缸将吊臂顶起，并在达到某高度后停止，此时液压缸与竖直方向的夹角为θ；启动卷筒动力系统，使工作负载以速度v0上升至预定高度；切断卷筒动力系统使其静止以保持工作负载位置。

图3-11　冷拔拔制力计算示意

图3-12　冷拔油缸与主机受力简化模型示意

实际在工作时，冷拔油缸与主机起吊的重物具有一定的速度，故实际上在卷筒被固定的时刻重物不能立即停止，而是以某加速度向上做减速运动，因此作用在吊臂上的外力减小。而液压缸内油压不变，故液压缸处产生受力失衡，活塞杆有伸出的趋势，并将增大吊臂仰角。当重物运动到最高点，由于液压缸内油压变小，不能平衡重物作用力，于是重物开始以某加速度下降。重物在最低点速度达到零的时候，液压油受到过压缩，其压力已超出外载荷，使得重物再次上升。如此重复，直到摩擦力消耗掉一定能量后，外载荷与液压缸油压的差值小于静摩擦力时，系统回到平衡状态。

①冷拔油缸与主机各种工况下的载荷分析

冷拔油缸与主机械在运行过程中，要承受各种载荷（如静载、动载、交变载、冲击载、振动载等），各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过一定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而造成危险事故。

冷拔油缸与主机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着冷拔油缸与主机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是冷拔油缸与主机及其组成零部件正常工作受力分析的原始依据，也是零部件报废和事故原因判断分析的依据，载荷确定得准确与否将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。

②动载荷系数

a.运行冲击系数α1

冷拔油缸与主机或小车通过不平道路或轨道接缝时的铅垂方向的冲击效应。在考虑这种工况的载荷组合时，应将自重载荷和起升载荷乘以运行冲击系数。运行冲击系数与冷拔油缸与主机或小车的运行速度、轨道或道路状况有关。

运行冲击系数可按下式计算：

式中　v——运行速度，m/s；

　　　Δh——轨道接缝处两轨道面的高度差，mm；

　　　β——经验系数，β=0.058，10-3 s·mm2。

起升冲击系数 α2

起升质量突然离地起升或下降制动时，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用。在考虑这种工况的载荷组合时，起升冲击系数与冷拔油缸与主机自重载荷相乘。α2的数值范围如下：

0.9≤α2≤1.1

b.起升载荷动载系数 α3

起升质量突然离地起升或下降制动时，考虑被吊物品重力的动态效应的起升载荷增大系数。在考虑这种工况的载荷组合时，起升载荷动载系数与起升载荷相乘。α3值的大小与起升速度、系统刚度以及操作情况有关，一般在1.0～2.0范围内。起升速度越大，系统刚度越大，操作越猛烈，α3值也越大。α3值可用如下公式估算：

式中　b——操作系数，b=v0/v；

　　　v0——起升重物离地瞬间的速度，m/s；

　　　v——额定起升速度m/s；

　　　σ——结构质量影响系数；

　　　g——重力加速度，m/s2；

　　　β0——在额定起升载荷作用下，下滑轮组对上滑轮组的位移量，m；

　　　x0——在额定起升载荷作用下物品悬挂处的结构静变位移，m。

③突然卸荷冲击系数 α4

当起升质量部分或全部突然卸载时，将对结构产生动态减载作用。这种工况对金属结构和冷拔油缸与主机抗倾覆的稳定性计算非常有用。减小后的起升载荷等于突然卸载的冲击系数与起升载荷的乘积。α4值可用如下公式估算：

式中　Δm——起升质量中突然卸去的那部分质量，kg；

　　　m——起升质量，kg；

　　　γ——冷拔油缸与主机的系数，对于电磁冷拔油缸与主机或类似的冷拔油缸与主机，类似超重机γ=1.0；对于抓斗冷拔油缸与主机或类似冷拔油缸与主机γ=0.5。

④风载荷

露天工作的轮式冷拔油缸与主机受到风载荷的作用，会给起重作业造成干扰，引发事故，有时甚至给冷拔油缸与主机带来灾难性的后果。

冷拔油缸与主机的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两类。工作状态风载荷是冷拔油缸与主机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力；非工作状态风载荷是冷拔油缸与主机非工作时所受的最大计算风力（如暴风产生的风力）。在计算冷拔油缸与主机风载荷时，应考虑风对冷拔油缸与主机是沿着最不利的方向作用的。风载荷按下式计算：

式中　FN——作用在冷拔油缸与主机上或物品上的风载荷，N；

　　　η——风力系数；

　　　W——风压高度变化系数；

　　　p——计算风压，N/m2；

　　　S——冷拔油缸与主机或物品垂直于风向的迎风面积，m2。

⑤提高缸筒使用性能的措施

根据以上分析的冷拔油缸与主机的工况，可以知道冷拔油缸与主机的载荷情况非常复杂，载荷又是动态分布，在起吊过程中，还会受到风力、设备惯性、起吊状态、卸载冲击等因素的影响，所以，在设计与研究冷拔油缸与主机用缸筒的组织与性能的时候，不仅仅要考虑到强度指标，还要更多关注材料的韧性指标、抗冲击指标，可以通过以下措施，强化材料，提高缸筒的使用性能。

a.材料的强化

常规液压缸在工作时，由于工作行程短、结构尺寸小、自重轻、加工方便等原因，不会产生或只产生极少的侧向力。而在大型冷拔油缸与主机上使用的液压缸则会产生足够影响液压缸使用的侧向力。这是由冷拔油缸与主机用液压缸的大工作行程，大结构尺寸、大自重、加工困难等特性所造成的。

用弹性强化的方法提高强度，是使零件在受外载荷之前，产生与外载荷的作用相反的弹性预变形（当然存在预应力），受外载荷后，预应力部分地抵消外载荷产生的应力，从而降低最大应力。

塑性强化是使零件在工作状态下应力最大的那部分材料预先经塑性变形产生与工作应力符号相反的残余应力，以此来部分地抵消工作应力。

当梁受横向力F时，断面上产生弯曲应力，上面的材料纤维受压缩，下面的纤维受拉伸，见图3-13 a。若先加一足够大的力F′，使梁上下边部的纤维产生塑性变形（图3-13 b）。当F′力去掉后，因塑性变形使上边的纤维缩短，下边的纤维变长，中心的纤维保持原来的长度，从而在梁的截面中存在残余应力，如图3-13 c所示。此时，施加工作载荷F，它产生的应力与梁内残余应力叠加（图3-13 d），最终的应力比未经塑性强化时减小了（图3-2 e）。

同理，内部受压力的厚壁筒，也可预先在筒内加适当的、足够大的压力，使应力最大的内壁附近的材料产生塑性变形。此压力去掉后，筒的截面中存在残余应力（图3-13 f、g）。此时，在筒内加工作压力，它产生的工作应力与残余应力叠加（图3-13 h），最终应力如图3-2 i所示。

由以上举例可以看出，塑性强化（也称过载强化）的塑性变形，产生在最大应力附近的材料中，残余应力抵消工作应力也是在最大应力附近的区域内。所以，塑性强化的效果，是降低最大应力，使应力分布趋于均化。

图3-13　钢管的塑性强化示意

注意：只有当材料具有足够的塑性时才能采用过载强化。在脆性材料中，越限应力会在受拉层引起使零件损坏的微观裂纹和断裂。在塑性材料中，过度的变形也会导致发生同样的现象。因此，为限制塑性变形，超限应力不得超过 1.1～1.2σ0.2。

还应该考虑到：每一种方式的越限应力只能强化作用载荷对面那一个方向的材料；若作用载荷反向，原先的越限应力反而是削弱了材料。因此，这种方法，只适用于定向载荷、脉动载荷和具有一个方向优势的（不对称的）交变载荷。

所以，在设计缸筒冷拔变形工艺时，要加大缸筒内孔冷拔变形量，使缸筒在内孔产生较大的压力，冷拔后，就会在钢管内孔存在很大的残余拉应力，从而在油缸受油压时，抵消部分油压，达到提高材料性能的目的。

b.改善缸筒表面状况可以提高材料的疲劳强度

●降低表面粗糙程度

表面加工粗糙留有刀痕，零件受力后会产生应力集中。若零件受力后其最大应力又发生在表面（如受弯曲），则表面很容易成为疲劳裂纹的起始点。所以，提高表面光洁程度可使零件的疲劳强度得到改善。由于强度高的钢材塑性低，对应力集中更敏感，因此，表面粗糙度对高强度钢材疲劳强度的影响更为显著。

图3-14根据实验结果得出的疲劳强度折减因子b（钢材）与材料的抗拉强度σb及表面粗糙度Ra之间的关系曲线。它以高度抛光的钢表面（Ra=1μm）为标准，即b=1，依次画出了Ra=2，4，6.....］直至毛坯面时的b-σb曲线。

图3-14　钢的b-σb曲线

图3-15是交变应力下淬火—回火钢及正火钢的b-σb曲线。

图3-16是拉—压及弯曲应力（非交变）下淬火—回火钢的b-σb曲线。

图3-17是铸铁材料毛坯面时的b-σb曲线。

●表面处理提高疲劳强度

表面处理即采用滚压、喷九、碳化和氮化等方法强化表面层，以提高疲劳强度。

表面经处理后形成硬化层或氮化层，并在表面形成压应力。当工作载荷使表层存在拉应力时，固有残余压应力，拉应力被部分地抵消。总的效果是提高了疲劳强度。

图3-15　交变应力下淬火—回火钢及正火钢的b-σb曲线

图3-16　拉—压及弯曲应力（非交变）下淬火—回火钢的b-σb曲线

c.提高抗冲击强度

由于机械零件承受具有冲击性质的外载荷，或零件之间有间隙，都会因冲击而使零件受力增大，大于静载荷产生的应力和应变。冲击在机械工程中是经常遇到的，但关于它的计算目前还不够成熟。机械中的冲击一般是弹性应力波的问题，但考虑到机械各构件的实际情况（材料、结构、间隙、刚度、油膜等），用应力波传播原理求解，是一个计算的难题。一般的简化，仍不能避免计算的复杂，而大量的简化又难以较好地反映实际情况。

图3-17　铸铁材料毛坯面时的b-σb曲线

杆受纵向冲击时的动载系数kd定义如下：

式中　δ——杆受质量为m的物体纵向冲击时的最大变形；

　　　δc——杆受质量为m的物体纵向冲击压力作用时产生的静应变。

　　　kd可由下式计算得到：

d.提高材料的冲击韧度

在摆锤式冲击冷拔生产机上，冲断标准试件所消耗的功Ak（单位J）与试件断口横截面积（cm2）之比，称为冲击韧度αk（单位J/cm2）。

当环境温度降低时，材料由韧性状态转入脆性状态，冲击韧度显著下降。提高冲击韧度的途径有：降低钢铁金属中碳（C）、磷（P）等的含量，采用细晶粒，采用低碳马氏体组织，采用高温回火马氏体组织等。

消除金属内部缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹、白点等）可以提高冲击韧度，降低冷脆转变温度。降低冷脆转变温度的途径还有：提高合金钢中Ni、Mn、Cu、Nb等的含量，采用细晶粒、高温回火马氏体（索氏体）组织，要求V、Ti的含量超过一定值等。

表面热处理（如高、中温感应淬火）和化学热处理（渗碳、氮化等）一般会降低冲击韧度。

e.降低设计油缸的重量

冷拔油缸与主机和泵车中所使用的液压缸往往具有很大的重量。大的质量不仅是对材料的浪费，违背了液压缸设计准则中的绿色设计准则，同时也不利于液压缸设计的经济性。而且在振动分析和侧向力分析中可以看到，过大的重量不利于液压缸的工作。为此，应尽可能地降低液压缸的重量。

液压缸的质量主要分布在缸筒、活塞杆上；当活塞杆全部伸出后缸筒内的液压油也具有一定质量，但和缸筒、活塞相比较要小得多，由于在缸筒材料上面选择冷拔钢管，所以就不讨论其他重量对液压缸减重的影响。

●缸筒内径

从液压缸缸筒内径的设计过程可以看到，决定缸筒内径的因素主要是工作负载以及油压系统压力，同时还有液压缸的工作效率和容积效率等。其中工作负载是设计所要达到的目的，所以不能改变。从公式：

可以看到，想要减小缸筒内径，在外载荷不变的情况下就应该增大机械效率、容积效率和油压系统压力。

影响系统机械效率的因素主要是系统中有相对运动部件间的摩擦、力传递路径的长短及安装精度等。为提高机械效率，应当尽量减小粗糙度，并在设计液压缸时遵守力流最短准则。在振动分析报告中看到活塞密封环与缸筒间的摩擦会影响到系统的振动，所以在改变缸筒内壁的粗糙度时应谨慎。而耳环与销轴间摩擦力的存在对系统只有害处，降低该处的摩擦力不仅可提高机械效率，还有助于减小侧向力，因此要着重考虑减小液压缸耳环内壁的粗糙度。

在影响容积效率的因素中，很重要的因素是液压油。为增大容积效率，可以查阅有关资料，选择合适的液压油。

在油压系统压力方面，在经济允许的情况下可以适当提高系统压力。

●缸筒壁厚

根据缸筒壁厚公式：

可以得到，影响缸筒壁厚的因素有油压系统压力、缸筒内径以及许用应力和材料。而此时油压系统压力对壁厚的影响与对缸筒内径的影响时相反的。显而易见，增大系统压力会减小缸筒内径，而它们对壁厚的作用都是正比例关系，所以系统压力对壁厚的影响可忽略。从公式中可以看出，增大许用应力可以减小缸筒壁厚。而由公式：

得到若要增大许用应力，应该选择强度高的材料。合理利用安全系数选择方法并考虑可靠性可以确定出满足安全性能的最经济的安全系数。此时可有效增大许用应力。

●缸筒长度

缸筒的长度是由液压缸的行程、缓冲机构、导向机构等决定的。其中液压缸的行程由工况和活塞杆长度共同决定。由于活塞杆长度过长可能导致液压缸失稳，所以在利用加长活塞杆的时候应充分考虑液压缸的稳定性。由于缓冲机构和导向机构都有很多种，可以通过比较找到适合液压缸使用而又会减小缸筒长度的缓冲机构及导向机构。