孫磊厚

摘要：介紹高精度冷拔鋼管內(nèi)模設(shè)計(jì)的材料選用，以及幾何參數(shù)選取原則、方法。針對(duì)實(shí)際使用過(guò)程中常出現(xiàn)的模具失效情況，指出設(shè)計(jì)中需要引起重視的問(wèn)題，為提高模具使用壽命及降低冷拔機(jī)組能耗提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：冷拔鋼管；模具；設(shè)計(jì)；高精度

中圖分類號(hào)：TG335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）11-0056-03

1 高精度冷拔厚壁鋼管的工藝流程與加工原理

1.1 工藝流程

高精度冷拔厚壁鋼管有2種：一種是冷拔加工一次即為成品的鋼管，另一種是冷拔加工多次才能成為成品的鋼管。

冷拔加工一次即為成品的鋼管生產(chǎn)工藝流程為：1） 加工鋼管工藝端頭→2） 酸洗除銹除油污等→3） 磷化表面、清洗→4） 皂化表面→5） 晾干表面→6） 冷拔→7） 制品檢驗(yàn)。

冷拔加工多次才能成為成品的鋼管生產(chǎn)工藝流程為：1） 加工鋼管工藝端頭→2） 酸洗除銹除油污等→3） 磷化表面、清洗→4） 皂化表面→5） 晾干表面→6） 冷拔→7） 制品檢驗(yàn)→8） 鋼管退火或回火處理去除材料塑性變形應(yīng)力→2） 酸洗除銹除油污等→3） 磷化表面、清洗→4）皂化表面→5） 晾干表面→6） 冷拔→7） 制品檢驗(yàn)。如此循環(huán)直至合格為止。

1.2 加工原理

高精度冷拔厚壁鋼管的加工原理是：通過(guò)內(nèi)、外模具限制材料的變形拉拔減小壁厚，達(dá)到高精度缸筒管的幾何尺寸要求。冷拔后的鋼管內(nèi)外表面粗糙度介于Ra 0.8～1.6 μm之間。模具正常使用情況下，冷拔后內(nèi)徑100 mm的27SiMn鋼管，如果以內(nèi)模外徑尺寸為基本尺寸，其內(nèi)徑偏差在-0.18 mm～+0.03 mm范圍內(nèi)，與普通機(jī)械加工方式相比，內(nèi)孔的切削余量大大減少，方便內(nèi)孔采用精鏜、滾壓等工藝進(jìn)行后續(xù)加工，并且由于冷拔后鋼管壁厚減小，導(dǎo)致鋼管長(zhǎng)度比冷拔前毛坯狀態(tài)的長(zhǎng)度有不同程度延長(zhǎng)，提高材料的利用率。同時(shí)，由于材料的塑性變形，強(qiáng)度也得到了提高。目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的液壓高精度冷拔機(jī)組額定拔制力在1 000～15 000 kN之間。鋼管冷拔加工示意圖見(jiàn)圖1。

2 模具材料的選擇及加工工藝

冷拔模具材料一般選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，Cr12，Cr12MoV，Cr5Mo1V冷作模具鋼或T7A、T8A等碳素工具鋼。

在冷拔過(guò)程中，雖然鋼管毛坯經(jīng)過(guò)磷化、皂化處理，在一定程度上減小了拔制時(shí)的摩擦力，但模具仍要承受很大的擠壓力和摩擦力。因此，不僅要求冷拔模具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度和耐磨性能，還要具有較長(zhǎng)的使用壽命。合金工具鋼Cr12具有耐磨性高、淬火變形小和淬透性高等特點(diǎn)，多年的實(shí)踐表明，大截面模具制造材料推薦使用Cr12。

為消除材料內(nèi)部缺陷和提高其組織致密性，模具鋼棒材首先應(yīng)經(jīng)過(guò)合理鍛造。譬如Cr12冷作摸具鋼屬萊氏體鋼，碳含量高，鋼中含有大量合金碳化物，經(jīng)軋鋼廠軋制后，碳化物即成帶狀分布，且軋制后的型材直徑越大，碳化物越粗，帶狀分布越嚴(yán)重。在模具制造過(guò)程中，鍛造工序?qū)Ω纳茙罱M織起決定性作用。對(duì)軋制原材料進(jìn)行改鍛，不僅可以得到所需形狀尺寸、節(jié)約鋼材，還能提高金屬組織致密性，將氣孔和疏松壓實(shí)，焊合發(fā)裂部位，形成合理的纖維組織走向。同時(shí)，還能擊碎共晶碳化物，提高鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性，尤其是橫向性能大幅度提高。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，Cr12材料制成的內(nèi)模的失效形式主要有局部崩裂、表面劃傷及過(guò)度磨損尺寸超差等，其中局部崩裂的主要原因是鍛造質(zhì)量缺陷。對(duì)Cr12型模具鋼材料進(jìn)行改鍛可大幅提高模具使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。Cr12鋼宜采用多向鐓拔法，總鐓拔次數(shù)應(yīng)在6～8次，總鍛造比不少于15。模具鍛造、粗加工后經(jīng)熱處理再精磨到最終尺寸，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求的硬度、尺寸精度及粗糙度即可，表面硬度應(yīng)不小于56 HRC。

3 內(nèi)模形狀幾何參數(shù)的選取

內(nèi)模組件主要由內(nèi)模、固定螺釘和拉桿組成，如圖2所示。內(nèi)模的主要幾何參數(shù)有定徑帶長(zhǎng)度、入口錐角α、定徑帶直徑、出口錐角、內(nèi)模長(zhǎng)度及內(nèi)孔直徑等。

定徑帶的作用是使成品管內(nèi)徑達(dá)到預(yù)定尺寸要求，一般取25～30 mm，太長(zhǎng)會(huì)影響被加工管材的內(nèi)孔尺寸穩(wěn)定性，還會(huì)增加摩擦面積，從而增加拔制時(shí)的拉拔力、加大機(jī)器動(dòng)力損耗。入口錐角α的作用是導(dǎo)入和擴(kuò)張管坯內(nèi)孔，此處受力情況最惡劣，會(huì)影響拉拔力，錐角在7～13°時(shí)，拔制應(yīng)力最小。生產(chǎn)實(shí)踐表明，液壓冷拔機(jī)組的入口錐角6°較為適宜。管坯內(nèi)孔經(jīng)過(guò)拔制脫離模具定徑帶后，受材料彈性變形、熱膨脹等影響會(huì)略有收縮。定徑帶直徑應(yīng)大于成品管內(nèi)徑，具體尺寸可根據(jù)管坯試拔后的成品管尺寸加以修正并最終確定。出口錐角的作用是保護(hù)模具定徑帶，建議采用45°倒角或者4～5 mm圓角。

內(nèi)模整體長(zhǎng)度與定徑帶直徑的比值一般在1.5以下。定徑帶直徑小于28 mm的內(nèi)模，可以設(shè)計(jì)成尾部帶有與拉桿直接連接的外螺紋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。定徑帶直徑較大的空心內(nèi)模內(nèi)孔尺寸，在滿足模具強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡可能取大些，原因是在管坯機(jī)械性能不均、潤(rùn)滑質(zhì)量不良的情況下，拉桿和管坯在拔制過(guò)程中會(huì)發(fā)生抖動(dòng)甚至劇烈跳動(dòng)，容易導(dǎo)致拉桿與固定螺釘連接被破壞。

在管坯內(nèi)孔直徑較小的情況下，內(nèi)模內(nèi)孔與固定螺釘之間應(yīng)采用過(guò)盈配合。在內(nèi)模內(nèi)孔直徑﹤25 mm時(shí)，過(guò)盈量取0～0.01 mm；內(nèi)模內(nèi)孔直徑為25～50 mm時(shí)，過(guò)盈量取0～0.015 mm；內(nèi)模內(nèi)孔直徑﹥50 mm時(shí)，模具裝夾工作量大，可采用過(guò)渡配合，內(nèi)孔兩端采取倒角處理，便于安裝。

定徑帶、入口錐、出口錐3部分的外圓過(guò)渡連接處必須有圓弧平滑過(guò)渡。以拔制30號(hào)碳鋼無(wú)縫鋼管為例，用Cr12材料制造的內(nèi)模如果沒(méi)有在定徑帶與入口錐連接處使用圓弧平滑過(guò)渡，在僅受管坯正壓力的作用下，受力分析結(jié)果證明此處有明顯的應(yīng)力集中，見(jiàn)圖3。與此同時(shí)，模具的實(shí)際使用也證明了這一點(diǎn)。由圖4可見(jiàn)，模具在應(yīng)力集中處疲勞破壞，出現(xiàn)凹痕后逐步擴(kuò)大而導(dǎo)致模具失效。模具的定徑帶尺寸精度取IT7～ IT8，外表面粗糙度取Ra =0.1 ～0.2 μm。適當(dāng)?shù)拇植诙瓤梢詼p小摩擦力，改善成品管的內(nèi)孔質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

冷拔模具材料一般選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，Cr12、Cr12MoV、Cr5Mo1V冷作模具鋼及T7A、T8A等碳素工具鋼。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，國(guó)內(nèi)的Cr12材料制造工藝成熟，但仍需對(duì)其鍛造過(guò)程嚴(yán)格控制。模具粗加工淬火后硬度應(yīng)不低于60 HRC，精車、磨削表面后的最終硬度應(yīng)不低于56 HRC。入口錐角α取值為6°較為適宜。定徑帶長(zhǎng)度取值范圍為25～30 mm。定徑帶直徑需根據(jù)第一次試驗(yàn)拔制后鋼管的實(shí)際尺寸做適當(dāng)修正。對(duì)于工程油缸類制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，合適的定徑帶尺寸可以提高生產(chǎn)效率、降低制造成本。為提高模具的使用壽命，應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，在有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的連接部位采取平滑過(guò)渡等措施。另外，內(nèi)模幾何形狀除傳統(tǒng)樣式外，其定徑帶橫斷面也可以設(shè)計(jì)為五瓣梅花形狀。上述設(shè)計(jì)參數(shù)的選取方法，對(duì)一些特殊形狀的內(nèi)模設(shè)計(jì)也具有一定參考價(jià)值。

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Abstract： This paper introduced the material selection and geometric parameters selection principle and method？of internal mold design for high precision cold-drawn steel tube. According to the？？mold failure condition often occurs in practical use， it put forward some points in the design which should be paid attention to. It provided theoretical reference for increasing die service life of mold and reducing energy consumption of cold-drawing unit.

Key words： cold-drawn steel tube； mold； design； high precision