李志清，龍香林，付 俊，朱 暉

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

目前，內(nèi)螺紋銅管以其優(yōu)異的換熱性能、節(jié)材等特點已成為空調(diào)中冷凝器和蒸發(fā)器主要換熱元件，并最終取代光管［1-2］?？照{(diào)器的高效節(jié)能、小型化趨勢促進了換熱器所用傳熱管的傳熱強化［3］，為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保要求，必須加大市場開發(fā)力度，進一步擴大銅管的高端市場。Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管屬于銅管行業(yè)的高端產(chǎn)品，也是內(nèi)螺紋銅管行業(yè)的發(fā)展趨勢。因而研究與開發(fā)該型內(nèi)螺紋銅管意義重大。

無縫內(nèi)螺紋銅管總的發(fā)展趨勢是向著薄壁、高齒、米克重輕、細徑、高效傳熱這一方向發(fā)展［4］。提高空調(diào)能效比和節(jié)能最直接的技術(shù)途徑就是提高空調(diào)換熱器（蒸發(fā)器和冷凝器）的傳熱性能［5］。針對Sφ5×0.23×0.12mm規(guī)格內(nèi)螺紋銅管，可以其成型理論為依據(jù)，采用工藝試驗、計算機模擬等關(guān)鍵技術(shù)，從材料性能、有限元模擬、內(nèi)螺紋成型工藝等方面開展系統(tǒng)研究，以實現(xiàn)細徑內(nèi)螺紋銅管成型的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，為企業(yè)占領(lǐng)銅管高端市場打下良好的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計原理及有限元模擬

2.1 設(shè)計原理

采用逆推法進行內(nèi)螺紋成型模具設(shè)計，即根據(jù)要開發(fā)的螺紋管規(guī)格如ΦD0×S0×H0（外徑×底壁厚×齒高），從定徑模開始，從后向前，依次推算出鋼球、旋壓環(huán)、螺紋芯頭、減徑模、管坯等參數(shù)值。計算時應(yīng)結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定這5個參數(shù)值。以逆推法為理論基礎(chǔ)理論，結(jié)合數(shù)據(jù)采集階段獲得的管坯性能以及內(nèi)螺紋成型模具設(shè)計理論和實踐經(jīng)驗，設(shè)計成型模具工藝參數(shù)。

2.2 有限元模擬

由于內(nèi)螺紋銅管的滾珠旋壓成型過程較復(fù)雜，成齒影響因素很多，有必要通過有限元模擬分析，為工藝設(shè)計提供理論指導(dǎo)。按國標管材拉伸試驗法做銅管單向拉伸試驗獲取有限元模擬所需的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，測得彈性模量118.556GPa、屈服強度227MPa、泊松比為0.3、質(zhì)量密度為8.96g/cm3。螺紋芯頭材料為硬質(zhì)合金YG6，彈性模量：700MPa；泊松比0.21；質(zhì)量密度14.8g/cm3，鋼球材料為GCr15。

3 試驗方法

3.1 試驗設(shè)備

內(nèi)螺紋銅管滾珠旋壓成型設(shè)備為正立盤拉拔成型機，拉拔成型機由以下幾部分組成，游動芯頭和螺紋芯頭、拉拔外模、旋壓頭和旋壓高速電機、定徑模和盤管機等。高速電機轉(zhuǎn)速和盤管機的盤拉速度可以通過控制面板調(diào)整。

3.2 小試驗過程

3.2.1 第一次小試

將設(shè)計的Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管產(chǎn)品5球工藝成型模具，委托模具廠家加工完畢后進行樣品試制。通過測試樣品的齒形參數(shù)，觀察樣品的成齒質(zhì)量，為進一步優(yōu)化成型模具參數(shù)、制定成型工藝提供支持。

（1）試驗設(shè)備原料。

試驗在內(nèi)螺紋成型機組進行，模具信息見表1中規(guī)格產(chǎn)品對應(yīng)的5球工藝模具，原始管坯性能及尺寸參數(shù)見表1。

表1 原始管坯參數(shù)

（2）試驗方法。

采用旋模比450、拉伸速度35m/min，進行內(nèi)螺紋銅管成型試驗，并對試制樣品進行米克重、齒形（螺旋角、底壁厚、齒高、齒頂角）等參數(shù)的測試和成齒質(zhì)量觀察。

（3）試驗結(jié)果。

表2給出了試驗樣管齒形參數(shù)及齒形質(zhì)量的總體評價。試驗樣管內(nèi)螺紋齒高在0.096～0.110mm、底壁厚在0.213～0.222mm、米克重在33.9～35.1，試制樣品成齒質(zhì)量不理想。

表2 Sφ5×0.23×0.12樣管參數(shù)（單位：mm、g/m）

（4）分析討論。

本次試驗獲得的Sφ5×0.23×0.12mm規(guī)格樣管成齒質(zhì)量較差，表現(xiàn)為齒頭斜，填沖不飽滿，平齒和殘齒數(shù)量占40%。齒形為△型，造成齒頂角大。調(diào)整方案：選取壁厚為0.32～0.34mm的管坯，其它參數(shù)不變。

3.2.2 第二次小試

根據(jù)第一次的小試結(jié)果，分析管坯壁厚偏薄，金屬填充量不夠，第二次小試對管坯壁厚進行了優(yōu)化，壁厚調(diào)整為0.32～0.34 mm，內(nèi)螺紋成型模具、旋模比、拉伸速度及管坯其它參數(shù)不變，進行內(nèi)螺紋銅管成型試驗。

表3 Sφ5×0.23×0.12樣管參數(shù)（單位：mm、g/m）

表3給出了試驗樣管齒形參數(shù)及齒形質(zhì)量的總體評價。試驗樣管內(nèi)螺紋齒高為0.111～0.120mm、底壁厚在0.214～0.229mm、米克重在34.3～35.6，試驗樣品齒形優(yōu)于第一次試驗產(chǎn)品，殘齒數(shù)量占15%，同時存在齒頂角偏大問題。

3.2.3 第三次小試

根據(jù)第二次小試齒頂角偏大的情況，對螺紋芯頭的齒頂角加大，同時旋模比由450提高到500，其它參數(shù)不變。

表4 Sφ5×0.23×0.12樣管參數(shù)（單位：mm、g/m）

表4給出了試驗樣管齒形參數(shù)及齒形質(zhì)量的總體評價。試驗樣管內(nèi)螺紋齒高在0.111～0.120mm、底壁厚在0.214～0.230mm、米克重在34.1～35.7，通過檢測齒高、底壁厚、齒頂角、克重、螺旋角均達技術(shù)標準值，從成齒情況看殘齒、和歪齒徹底解決，之前二次試制都出現(xiàn)齒頂角大現(xiàn)象。試制樣件成齒情況良好為柱狀型。

綜上，Sφ5×0.23×0.12mm最優(yōu)的生產(chǎn)工藝：原始管坯為φ7.5×0.33mm，旋模比為500，大盤拉速35m/min。試生產(chǎn)了Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋管215kg，生產(chǎn)過程中產(chǎn)品齒形參數(shù)、質(zhì)量和外表面質(zhì)量均較穩(wěn)定，并對產(chǎn)品進行了精整和退火包裝，探傷缺陷數(shù)量在允許范圍內(nèi)。

3.3 中試階段成果

Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管成型試驗，根據(jù)三次小試得到的經(jīng)驗，進行了中試試驗，以驗證小試階段獲得的Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管成型模具設(shè)計方法和經(jīng)驗的合理性，以及成型模具和工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中的可行性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。同時根據(jù)客戶提出的Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管新產(chǎn)品（規(guī)格及要求見表5）試用需求訂單，本次中試擬連續(xù)試制0.5t上述銅管新產(chǎn)品。

表5 Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管新產(chǎn)品技術(shù)要求

表6 內(nèi)螺紋成型模具參數(shù)（單位：mm，°）

（1）試驗在內(nèi)螺紋成型機上進行，內(nèi)螺紋成型模具參數(shù)詳見表6所示。

（2）試驗方法：

根據(jù)客戶提出的Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管新產(chǎn)品技術(shù)要求，結(jié)合成型管坯性能、生產(chǎn)模具和工藝特點以及本項目上一階段小試的結(jié)果，設(shè)計了上述5球工藝成型模具，采用成型旋模比為500，大盤拉速35m/min，進行中試。

其中，內(nèi)螺紋成型工序通過調(diào)整墊片厚度將試制產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)和要求，如齒形、成齒質(zhì)量和外表面質(zhì)量等調(diào)至合格再進行連續(xù)試生產(chǎn)。在試生產(chǎn)開始階段、中間階段和最后階段均取樣檢測齒形、成齒質(zhì)量和外表面質(zhì)量等參數(shù)是否合格、穩(wěn)定。在中試階段，共進行了二次試驗，合格產(chǎn)品的重量為0.997t，經(jīng)計算，中試產(chǎn)品的合格率為78.8%。

3.4 客戶試用情況

據(jù)客戶訂單要求，配送Sφ5×0.23×0.12mm樣品管4盤送往客戶進行彎管機脹管試驗，以驗證新樣品管的性能一致性和穩(wěn)定性。

Sφ5×0.23×0.12mm樣品管同時開料彎管試用在珠海格力10#長U彎管機上進行。開始彎制時，個別盤管出現(xiàn)輕微內(nèi)皺，經(jīng)調(diào)整彎管芯頭位置后輕微內(nèi)皺基本消除，且變形量較大區(qū)域也未出現(xiàn)暗裂現(xiàn)象，隨即在此工藝條件下彎制了約100根U形管，經(jīng)目測，其全部合格，見圖1。隨機選取了若干根長U管穿鋁箔做成2片兩器片后進行脹管和擴口，無擴口開裂的情況，見圖2。

綜上，Sφ5×0.23×0.12mm樣管性能在一致性和穩(wěn)定性方面均能夠滿足客戶彎U形管、脹管和擴口工藝技術(shù)要求。

圖1 彎成的長U管

圖2 長U管制成的兩器片

3.5 規(guī)模生產(chǎn)階段成果

綜合中試階段的成型模具參數(shù)及工藝參數(shù)，最終確定了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)參數(shù)。見表7。

3.6 經(jīng)濟效益分析

截止目前，江銅加工事業(yè)部已生產(chǎn)Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管260多噸。每噸利潤是φ7×0.25×0.18mm的2.09倍，能夠為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。

隨著國家節(jié)能環(huán)保的要求，節(jié)能、高效成為制冷領(lǐng)域的發(fā)展方向，為了適用客戶高效節(jié)能、小型化和環(huán)保型空調(diào)的迫切要求，開發(fā)Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管生產(chǎn)技術(shù)具有重要的意義。Sφ5×0.23×0.12mm內(nèi)螺紋銅管在環(huán)保節(jié)能要求的推動下，市場將逐步擴大，在未來銷售量會穩(wěn)步增長，江銅加工事業(yè)部會加大市場開發(fā)力度，開發(fā)新的用戶，進一步擴大銅管的高端市場。

表7 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成型技術(shù)參數(shù)（單位：mm，°）

4 結(jié)論

（1）利用逆推法進行計算，從成品參數(shù)出發(fā)，逆向思維，按照成品尺寸→定徑模直徑→鋼球直徑→滾壓環(huán)內(nèi)徑→螺紋芯頭外徑→減徑模內(nèi)徑→管坯外徑→游動芯頭直徑的流程，設(shè)計了兩套成型模具。

（2）采用有限元模擬軟件，建立內(nèi)螺紋滾珠旋壓成型過程旋壓螺紋起槽道次有限元模型，模擬成型成齒規(guī)律及齒形缺陷成因，為改善成型齒形提供了理論支撐。

（3）經(jīng)過理論推算及生產(chǎn)反復(fù)驗證，最終確定了Sφ5×0.23×0.12mm成型工藝，使用設(shè)計模具（表7中模具參數(shù)），旋模比為500，大盤拉速35m/min。

（4）根據(jù)設(shè)計生產(chǎn)規(guī)范進行了現(xiàn)場規(guī)模生產(chǎn)，進行了Sφ5×0.23×0.12mm產(chǎn)品齒形，性能符合江銅加工事業(yè)部內(nèi)控要求，產(chǎn)品合格率達79.87%。

（5）內(nèi)螺紋銅管將向著高效化、細徑化即耐腐蝕方向發(fā)展［6］。