冷拔钢管配模的关键设计要素

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：冷拔配模设计或称冷拔道次设计，就是根据产品的要求和坯料的尺寸，来确定冷拔的道次与各道次所需的模具。若冷拔拉力过大而超过钢管前端金属的屈服强度，则可能引起产品出现细颈、甚至拉断。冷拔钢管，σS的确定也不方便。图3-33高精度冷拔钢管车头示意1.2冷拔配模设计的内容1.2.1坯料尺寸的确定冷拔钢管生产前，如果能够确定出总加工率，那么根据钢管的尺寸，就可以确定出坯料的尺寸。

为了获得一定尺寸、形状、机械性能和表面质量的优质冷拔钢管，一般需要将坯料经过几次冷拔才能完成。冷拔配模设计或称冷拔道次设计，就是根据产品的要求和坯料的尺寸，来确定冷拔的道次与各道次所需的模具。

正确的配模设计，除满足上述要求外，还应保证在尽量减少管料的断头、拉断、裂纹和裂口等缺陷的前提下，再减少冷拔道次，以提高生产率和设备利用率。

1.1　实现高精度冷拔过程的必要条件

钢管冷拔是借助被加工金属前端施加拉力来实现的。若冷拔拉力过大而超过钢管前端金属的屈服强度，则可能引起产品出现细颈、甚至拉断。因此，σL必须满足：

式中　σL——作用在被拉金属出口断面上的冷拔应力；

　　　PL——冷拔力；

　　　F1——被冷拔金属出模口断面面积；

　　　σS——金属出模口后的屈服强度。

被拉金属屈服强度σS与冷拔应力之比，称为安全系数K：

K=σs/σL

所以，实现冷拔过程的必要条件是K＞1，经验数值是K=1.4～2.0之间。若K值太小，可则能出现断头、拉断现象；而K值过大，表示金属道次加工率小，未能够充分发挥金属的性能，则会造成生产能力的浪费。

冷拔钢管，σS的确定也不方便。σS是一变量，取决于变形的大小。一般来说，习惯采用冷拔钢管的断面强度σb（即冷拔前材料的强度极限）来确定冷拔必要条件较为方便。实际上，冷拔的主要问题就是管料断头。冷拔高精度钢管时，因为采取的变形工艺是等径拉拔，其管头采用车床车削加工（图3-33），所以，与传统的打头冷拔方式不同，冷拔安全系数的确定主要根据实际经验，一般需要稍微取大一点，经验是取K=1.1～1.25。

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图3-33　高精度冷拔钢管车头示意

1.2　冷拔配模设计的内容

1.2.1　坯料尺寸的确定

冷拔钢管生产前，如果能够确定出总加工率，那么根据钢管的尺寸，就可以确定出坯料的尺寸。在确定坯料的尺寸时，要考虑如下方面的实际情况：

（1）产品特性的保证

冷拔时，加工率对产品的机械性能和物理性能影响很大，冷拔的总加工率（退火后）决定了产品的机械性能。一般可以根据产品的性能要求，查阅材料加工硬化曲线，确定出生产所需的总加工率，再以此为依据，推算出坯料的尺寸。

（2）操作方面的要求

高精度冷拔钢管的生产是等径冷拔，一般都选用与成品外径相近的热轧钢管规格、壁厚比成品大3～5mm，这样可以保证坯料的外径与内径都有一定的加工余量，经过管头加工后，很方便地进行冷拔。若热轧钢管外径过大，则车头加工后，钢管的外径车削过多，坯料头部太薄，易发生管头断裂；而外径过小，车头加工后，钢管的内径车削过多，坯料头部同样太薄，也易发生管头断裂。

（3）产品质量的保证要求

高精度冷拔钢管所选择的坯料一般是表面质量较好的热轧钢管。但因国内热轧无缝钢管存在壁厚差大、内孔螺纹道严重，故加大其变形可以改善产品的质量。而加大变形，必然要增加冷拔道次和生产成本。根据实际生产经验，高精度冷拔管的最优变形率为25%，延伸系数为1.3，就可以达到以最小的变形道次，生产出最优的产品。

（4）热轧钢管标准与市场坯料情况

热轧钢管囿于设备的限制，其规格数量不多，GB/T 8163-2008有规定。在实际冷拔生产中，按照国家标准选择合适的坯料，再到钢厂定做非标的热轧钢管这是不现实的。当市场没有最合适的热轧坯料时，就需要灵活改变生产工艺，用相近的热轧钢管规格代替，也要依靠实践经验和平时的积累。

总之，坯料选择的原则就是要在保证产品质量的前提下，努力提高生产率，坯料断面尺寸尽可能应小一些。

而坯料长度的选择，要根据设备条件以及定尺的需要，尽量选择更长一些的坯料，以减少管头消耗，提高成材率。

1.2.2　中间退火次数的确定

因钢管坯料规格的限制以及产品质量的要求，在冷拔过程中，有时候还会需要通过中间退火，消除坯料在冷拔过程的加工硬化，使其金属塑性提高，以便下次冷拔。

根据坯料到产品的总延伸系数λ∑和两次退火间的平均总延伸系数值λ′，退火次数N可用下面的公式确定：

1.2.3　冷拔道次及道次延伸系数分配

（1）冷拔总道次的n确定

根据坯料到产品的总延伸系数λ∑和道次延伸系数值λ，可以用下面的公式计算出冷拔道次：

（2）各道次延伸系数的分配

在分配道次延伸系数时，应考虑金属加工硬化、金属原始组织状况、坯料表面情况和尺寸公差。对于钢管来说，其加工硬化速度快，因此，退火后第一道次变形应尽可能加大，以后道次逐渐减小。实践中，为了提高成品的表面质量，保证产品的机械性能满足工程要求，成品道次的延伸系数一般取1.1～1.15，中间道次延伸系数取1.15～1.25，具体情况还要具体对待。

高精度冷拔钢管一般都是采用固定芯棒冷拔，金属与内外模具充分接触，所以，摩擦力较大，道次延伸较小，由坯料生产到合格的产品，一般需要2~4个道次，钢管加工硬化比较严重，一般生产2道次就必须进行退火处理，使钢管软化。按照这种设计思路，从成品向前面倒推，便可以分别设计出每一道次的内模、外模，完成高精管冷拔的生产工艺设计。

冷拔钢管配模的关键设计要素

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