内螺纹铜管生产制造技术Word下载.docx
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由于工业技术的保密需要，国外对这方面的报道基本上只限于应用结果。
在我国，对工艺的改进大多凭经验，很大一部分的工艺参数是通过试错法得到的，技术含量都不高，要使该技术在我国实用化，对内螺纹成形机理进行深入的工艺研究就更有其实际的意义了。
二、内容与可行性分析
2.1技术基本原理
2.1.1内螺纹铜管的应用与成形工艺研究概况
内螺纹管的发展大致经历了如下几个发展阶段：
（1）山形齿内螺纹管；
（2）梯形槽内螺纹管；
（3）小顶角型内螺纹管；
（4）细高齿型内螺纹管。
从90年代空调也开始快速发展，内螺纹铜管主要靠进口，到90年代末国内开始引进内螺纹铜管的拉拔成形设备并开展自主研发，到本世纪初内螺纹铜管的拉巴成形法在国内得到了广泛的应用。
之后，经过铜管加工行业技术人员的创新和改进，形成了目前的主流工艺：
行星钢球旋压-拉拔法。
迄今，行星钢球旋压法是生产无缝内螺纹关铜管的主要方法。
采用行星钢球超高速悬崖内螺纹成形工艺加工内螺纹铜管的设备主要有三种形式：
（1）直线拉伸成形机；
（2）倒立式盘拉成形机；
（3）V形槽圆盘拉伸成形机。
在国内华南理工大学的汤永教授对润滑和工艺做了系统实验和理论研究。
提出了使用充液旋压成形工艺改善铜管外表面的质量和减少拉拔力。
一些铜管的生产企业和设备制造商较多的报道了内螺纹铜管的旋压成形，但大多基于经验和实验。
随着行业的发展，内螺纹铜管将逐渐向薄壁化、细径化、高齿化和小齿顶角化发展。
从工装上考虑，内螺纹成形机的发展趋势主要有两个趋势
（1）旋压高速的提高：
据估计，随着新型高速电极的出现，旋压速度将由20000r/min提高到30000r/min以上，旋压更容易成齿，内螺纹管齿型更饱满，纹路更均匀，表面质量更好；
（2）墨菊的精细化制作。
通过对成型砂轮的改进，内螺纹芯头齿顶、齿根弧度设计制作将得到保证，每米克重将更容易控制。
随着空调行业的发展，毋庸置疑，对内螺纹铜管的需求量将会有很大的提升，对内螺纹铜管本身的质量要求也会有一个新的高度。
2.1.2内螺纹生产铜管工艺流程图
图2-1
2.2技术内容
2.2.1熔铸工序
2.2.1.1熔铸工序的原理
铜管的熔铸技术属连续铸造，是将溶融的铜连续的浇入一种叫做结晶器的特制水冷的模具中，形成的铸件不断的从结晶器中拉出。
铜液从溶化锅炉倒入保温炉，流入转浇杯，连续均匀地注入内结晶器与外结晶器的间隙（管子壁厚）中，铜液在水冷却的内外结晶器的接触面间逐渐凝固或有一定的强度的硬壳，而内部的铜液尚处半凝固的状态，借助电子将成型的铜管以相应的速度从结晶器与外结晶器内拉出，拉到管子标准长度为止。
连续铸造的特点
连续铸造与一般铸造方法相比，冷却迅速，晶粒细化，易于机械化自动化，生产效率很高，减轻了工人的劳动强度，免去了浇口和冒口，因而减低了金属材料的消耗，还可以连铸连轧，减少了工序。
纯铜的特点
纯铜具有面心立方晶格，无同素异形转变，有良好的塑性。
电极电位是正值（CU++时+0.344）具有良好的耐腐蚀性
连续铸造的性能
凝固和收缩：
铸件中表面一层层向内凝固，流动性好，易于补缩，体积收缩率大（4.5%）易于形成缩孔。
氧化倾向：
氧化倾向大，易产生“氢脆”采取了除气和脱氧措施。
P对铜的影响
P溶于α固溶体，但溶解度很低，、当P量超过固溶度极限时组织中析出CU3P，CU3P与δ相似为硬而脆的灰白色质点，它常与α，δ相形成二元或三元共晶体。
能够提高金属的强度，降低抗拉强度和延伸
2.2.1.2技术要点
铜的性能和应用
铜是人类最早使用的金属材料，至今也是应用最为广泛的金属材料之一。
铜具有良好的导电、导热性、耐蚀性和可焊性；
并具有高的塑性，可冷、热压力加工成管、棒、线、板、带等各种形状的半成品。
工业上广泛应用于制作导电、导热、耐蚀的器材，铜也是制作各种铜合金的原材料。
室外温下铜的大气中的氧化速度很慢，表面生成一层黑色的氧化性保护膜。
温度高于130℃后，铜的氧化速度才开始增加。
高温下铜的表面生成一层致密的红色氧化亚铜（Cu2O）膜。
铜在许多介质中的化学稳定性很高。
铜的晶体结构为面心立方晶格。
它没有同素异晶转变。
杂质及微量元素对铜压力加工性能的影响
铜中杂质的存在，不仅对使用性能有很大影响，而且对铜的工艺性能也有极为不利的作用。
为了改善铜的性能，往往在铜中添加某些微量元素。
纯铜中的杂质大致可以分为三类：
①固溶于铜的杂质及微量元素，如铁、铝、镍、锡、锌、银、镉、砷、锑、磷等；
②很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质，如铅和铋等；
③几乎不固溶于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质，如硫和氧等。
杂质元素对铜压力加工性能的影响，主要取决于铜与杂质元素的相互作用。
当杂质元素固溶于铜时，一般影响不大，只是略为降低铜的塑性，而其强度、硬度和变形抗力则有所提高；
若杂质元素与铜形成低熔点共晶时，则会产生“热脆”；
若杂质元素与铜形成脆性化合物分布于晶界时，则产生“冷脆”。
铅（Pb）基本上不溶解于铜（图1），微量的铅与铜形成低熔点共晶组织（Cu+Pb），共晶温度为326℃，这些共晶体最后结晶，集中在晶界上，呈网状、薄层状或点状分布（图2）。
当铜加热到800～950℃时，上述共晶体早已处于液态，使晶间的结合力大大削弱，锻造时容易沿着晶界开裂（热脆）。
所以铅含量一般限制在0.005%～0.05%。
铋（Bi）的熔点为271℃，Bi与Pb一样，实际上不溶于Cu中，在270℃与Cu生成低熔点共晶（Cu+Bi）（图3）。
铋一般呈薄膜状分布在铜的晶界上（图4），锻造时，薄膜溶化而造成“热脆”。
铋本身也是脆性相，使铜在冷态下也会变脆，所以，铋不但造成“热脆”也造成“冷脆”。
比铅危害严重。
铜中铋的极限含量应不大于0.002%。
氧和硫是与铜形成脆性化合物的元素。
它们在固态铜中的溶解度极小，氧和铜化合成氧化亚铜（Cu2O），硫与铜形成硫化亚铜（Cu2S），两者分别以Cu+Cu2O和Cu+Cu2S的共晶体形式分布在铜的晶界上。
这类共晶体的熔点较高，分别为1065℃和1067℃，在热加工温度下不会发生熔化，故当其含量较少时，不影响铜的热加工性能。
但Cu2O和Cu2S硬而脆，使冷变形产生困难，致使铜发生“冷脆”。
不同含氧铜的铸造高倍组织见图所示。
图1
Cu-Pb相图
图2含0.3%铅的铸铜高倍组织×
200
图3
Cu-Bi相图
图4含0.2%铋的铸铜高倍组织×
此外，含氧铜在氢或还原气氛（CO，CH4）中加热时，会出现“氢病”。
“氢病”的本质是由于加热时，氢或还原性气氛易于渗入铜中与氧化铜中的氧化合而形成蒸气或二氧化碳气（Cu2O+H2=2Cu+H2O或Cu2O+CO=2Cu+CO2），产生很大的气体内压力，使铜发生显微裂纹，在随后变形时成为裂纹源。
（a）含氧＜0.05%，共晶Cu+Cu2O沿晶界分布，×
150；
（b）含氧0.15%，晶粒间呈现共晶Cu+Cu2O，×
（c）含氧0.39%，Cu+Cu2O共晶加黑色Cu2O小颗粒分布在亮的Cu基底上，×
（d）含氧0.5%，初晶Cu2O加共晶Cu+Cu2O，×
150
2.2.1.3熔铸设备的主要参数
铜管加工就工艺而言，基本上都是铸造管坯→热加工→冷加工，但在设备的配置和选型上比较复杂，这要根据对铜管质量要求或所生产铜管的规格而定，最常见的配置为半连续铸造设备→挤压机→直拉机→盘拉机（也有的厂家用斜轧穿孔机代替挤压机而进行热加工），这种配置既可以生产紫铜管也可以生产黄铜管。
另有配置为水平连铸→挤压机或轧机→直拉机→盘拉机，这种配置选择了水平连铸的好处在于直接铸造出空心锭坯，免去了挤压或轧制时的穿孔过程，从而降低能耗，提高生产效率，但紫铜管生产和黄铜管生产在水平连铸中电炉的配置是不相同的，因为二者对炉膛气氛要求和有无成份化验存在区别。
也有的厂家采用上引法铸造管坯，但这只适用于对质量要求不高的铜管，如果说生产的铜管是用于做水管的，通常对铜管的耐压要求较低，于是少数企业就采用上引法铸造管坯，尔后直接拉伸，省去了中间的轧制加工，从而降低生产成本，提高了生产效率。
也有的企业上引出铜管坯后再进行冷轧加工，最后拉抻，这种铜管质量相对无冷轧加工来说质量有所提高。
所以说铜管材的生产究竟选用哪几种设备主要取决于所生产管材的质量要求，同时也应兼顾企业本身的技术和已有的部分设备，只有在合理选择设备、熟练掌握技术的前提下才能控制好生产成本，也才能保障铜管质量。
序号
项目
参数
项目
1
熔化炉额定功率
520（KW）
4
保温炉容量
3（T）
2
熔化炉容量
7（T）
5
牵引机液压站工作压力
15（MPA）
3
保温炉额定功率
150（KW）
6
飞据液压站工作压力
2.2.1.4熔铸的工艺流程：
木炭覆盖→煤气或氮气保护→石墨片保护
加料→溶化→经流槽转注→保温→铜液进入石墨模具→经结晶器冷却成铸丕→牵引机牵引→定尺切割
2.2.2铣面工序
2.2.2.1铣面设备的主要参数
铣刀电机功率
15（KW）
伺服电机功率
4（KW）
推进小车电机功率
2.2（KW）
2.2.2.2铣面的工艺流程
推料小车的复位→铸坯翻转到位→内夹胀头启动→小车推进→铣刀对零→调整铣削量→铣削→铸坯及推料小车退回→铸坯旋转复位→再铣削→至铸坯铣削干净→铣好铸坯进入轧制出料架→推料小车退回
2.2.2.3铣面的原料及产品要求
铸坯表面不能有深度超过0.5的裂纹
铸坯不能有气孔和明显的弯曲
2.2.4轧制工序
2.2.4.1轧制工序的原理
冷斜轧是一种适应中小型无缝钢管企业改进工艺的新型钢管冷加工工艺。
在钢管冷斜工艺试验室研究的基础上开展了钢管冷斜轧理论的研究，建立了考虑应变、应变率、润滑条件等因素的钢管冷轧过程的数学模型，利用塑性成形问题的刚塑性有限元算法计算了钢管冷斜轧过程中塑性变形区的各种分布量，如速度场、应力、应变场等，其结果对辊形设计、选择合理工艺参数、生产高精度冷轧钢管具有重要的指导意义。
无缝钢管的生产方法大致分为斜轧法（孟内斯曼法）和挤压法。
前法是先用斜轧辊将管坏穿孔，然后用轧机将其延伸。
这种方法生产速度快，但对管坯的可加工性要求较高，主要适用于生产碳素钢和低合金钢管。
后法则是用穿孔机将管坯或钢锭穿孔，再用挤压机挤压成钢管，这种方法比斜轧法效率低，适用于生产高强度合金钢管。
斜轧法和挤压法都必须先将管坯或钢锭加热，生产的钢管称为热轧管。
用热加工法生产的钢管有时候可根据需要再进行冷加工。
冷加工有两种方法：
一种是冷拔法，就是将钢管通过拔管模拉拔，使钢管逐渐变细、伸长；
另一种方法是冷轧法，它是将孟内斯曼兄弟发明的热轧机应用于冷加工中的方法。
无缝钢管的冷加工，可以提高钢管的尺寸精度和加工光洁度，改善材质的机械性能等。
本技术铜管的轧制属斜轧，就是轧件在同向旋转且轴心线相互成一定角度的轧辊缝隙间进行塑性变形的过程，轧件眼沿着轧辊交角的中心线方向进入轧辊缝隙。
在变形过程中，轧件除绕其轴线做旋转运动外，还要沿其轴线方向前进运动。
斜轧技术原理：
两个带有螺旋孔型的轧辊，其轴线交叉配置，以同方向旋转，带动棒料旋转前进；
棒料在孔型的作用下，经成形、精整及切断，轧制成各种回转体零件。
楔横轧技术原理：
两个装有楔块的轧辊，其轴线平行配置，以同方向旋转，带动棒料作旋转运动；
棒料在楔形模具的作用下，经成形、精整及切断，轧制成各种阶梯轴。
该技术主要用于生产各种形状尺寸的轴类件，包括各种合金钢、普碳钢、有色金属实心和空心件；
可代替锻造与粗车生产毛坯，亦可代替精车生产精制件。
2.2.4.2三辊行星轧制运动和管坯变形规律
三辊行星轧机（PlanetSchrä
geWalzwerk,简称PSW）最初是由德国施罗曼－西马克公司于1974年研制成功，用于轧制钢棒材，后应用到轧制钢管材。
90年代初，芬兰奥托昆普公司将该型轧机应用到铜管材生产的铸轧法中，成功地轧制出完全再结晶的细晶铜管材，使“水平连铸－行星轧制”工艺成为现今典型的铜管铸轧生产线。
然而，目前三辊行星轧制在模具和工艺设计等方面主要基于有限的经验和试错基础上，产品的组织性能和工艺缺陷不能有效控制，生产的稳定性和成品率还有待提高。
90年代初期三辊行星轧制的理论研究集中于三辊行星轧管机（PSW）的结构和运动特点的分析，建立了轧制过程中轧辊的速度方程；
通过平面断面假设对三辊行星轧制力能参数进行理论推导计算；
在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基础上，进行轧制实验研究轧出预期管材等等。
董顺德等对于轧机芯棒运动的控制及管坯宏观组织的变化进行了分析。
台湾的Chi-KangShih等利用LS-DYNA3D建立起三辊行星轧制钢棒材数值模拟模型，对钢棒材变形过程中的应力应变分布规律进行了分析。
Chi-KangShih等还利用塑性泥作为轧制实验原料对三辊行星轧制棒材进行实验模拟并就轧件变形尺寸、螺旋纹的间距和偏转角度等与模拟结果进行了对比分析。
本文作者对于铜管坯三辊行星轧制的有限元模型建立和咬入阶段变形情况已进行了一定的模拟分析。
由于三辊行星轧制的运动和坯料的变形流动非常复杂，无法直接观测，通过应用有限元模拟的方法来研究和再现三辊行星轧制这一复杂的变形过程有很大的生产实际和理论研究意义。
本文结合生产实际情况，利用商业化CAE软件MSC.MARC建立起三辊行星轧制仿真模拟模型，对行星轧制稳态阶段进行了有限元模拟分析。
一、轧制工艺参数的确定
计算中采用更新的Lagrange算法、Prandtl-Reuss流动方程以及vonMises屈服准则处理行星轧制过程三维大变形成形问题。
选择8节点6面体等参单元划分有限元网格。
轧辊与轧件之间采用剪切摩擦模型,铜管坯的泊松比0.35,密度8.94g/cm3,弹性模量110GPa,初始屈服强度100MPa。
其它相关轧制工艺参数如表1所示。
表1
轧制工艺参数
倾斜角β（°
）
偏转角α（°
轧辊转速rad/sec
小车速度mm/sec
轧辊与坯料间摩擦系数
50
8
15.7
20
0.4
二、三辊行星轧制过程中坯料断面变形规律分析
经过有限元仿真模拟可观察到三辊行星轧机轧制铜管坯时，管坯从咬入、减壁到辗轧抛出的全过程中要经受一个由圆形、三角形、再归到圆形的变形过程，如图3所示。
管坯在轧辊入口锥被咬入后，首先径向受到压缩减径，使空心管坯的内表面逐渐贴紧芯棒，并初步形成一个接近三角形的断面形状，为经过轧辊的集中变形段聚集足够的轧制咬入力。
管坯接近并达到辊缝最小的轧辊集中变形区后，受到集中段强制性的减径减壁，并出现最大的变形和三角形压扁。
随后进入平整段后，由于轧辊母线平行于芯棒，此时管壁受到均匀辗轧。
在轧辊的出口锥定型段，孔喉逐渐放大，铜管横向变形加剧，三角形压扁逐渐消失，直到铜管被归圆抛出轧辊。
由上述分析可知当推料小车推进速度过快时，轧辊辊缝处的三角形效应显著，容易造成生产轧卡。
掌握如上断面变形规律对于分析三辊行星轧制过程中坯料变形缺陷的产生原因很有帮助。
图3坯料断面变形图
a）初始坯料断面形状；
b）辊缝中坯料的变形状态；
c）变形后坯料的断面形状
三、三辊行星轧制过程中坯料受力分析
三辊行星轧制过程中坯料受到三向压应力的作用，这样有利于坯料的变形和对铸坯中微小气孔和疏松的压合，但具体这种压应力的分布、大小和非接触区应力状态却很难获知。
通过模拟计算可以获得三个主应力的大小和方向，进而得知应力分布状态，图4为轧制过程中辊缝下坯料断面应力图。
其中：
－轴向主应力；
－切向主应力；
－径向主应力；
应力值－正负值表示应力的状态，其中负值表示压应力，正值表示拉应力；
图4轧制过程中辊缝下坯料断面应力图
a）
坯料断面应力图；
b）现场辊缝下坯料变形照片；
c）坯料圆周各点处主应力曲线
在与轧辊相接触的位置，如图4的1、2和3处，为三向压应力状态，有利于坯料的集中变形；
在即将与轧辊接触和即将与轧辊分离的过渡区，为一向拉应力两向压应力状态，即轴向处于拉应力状态，切向和径向处于压应力状态，有利于坯料的轴向前进。
在两辊间的坯料由于受到两侧坯料应力的影响，处于三向拉应力的状态，由于该数值较小约200MPa，仅为三向压应力1000MPa的1/5左右，同时随着坯料的旋转处于拉应力状态的坯料又很快旋转到轧辊下而转变为三向压应力状态，因此局部的较小的拉应力的状态不会影响到坯料的成形质量。
通过与生产中获取的照片相对比，证明有限元模拟结果具有很好的参考价值。
通过有限元模拟分析可对不同工艺参数下坯料的变形情况预测分析。
当轧辊辊缝和推车速度的参数调整不合理时，通过有限元模拟可以预测出产生的缺陷，防止问题的产生。
四、三辊行星轧制过程中坯料运动轨迹分析
掌握三辊行星轧制过程中坯料上一点运动轨迹对于更好地掌握该种轧制工艺的规律十分有益。
图5为通过模拟计算获得的轧制过程中坯料上一点的运动轨迹曲线。
由于轧辊的倾斜角β和偏转角度α的作用，坯料上一点的运动不但绕着轴线旋转，同时沿着轧制线的方向前进，形成了螺旋形的运动轨迹。
图5轧制过程中坯料运动轨迹图
坯料上一点运动轨迹图；
b）现场辊缝下坯料变形照片
由图5可观察到在变形的初期坯料上一点的周向运动快，轴向速度较慢。
随着变形的不断深入，周向旋转速度不断降低，而轴线速度且不断增大，增大到一定值后，在轧制出口处轴向速度达到最大且保持稳定。
轧辊上一点的出口运动轨迹表现出间距过窄时，则轧管纹路也过窄且轧管纹路不匀，调整的办法是适当增加轧管推进速度，通过有限元模拟可以预测轧管的推进速度的控制范围，保证轧制出纹路均匀的铜管材。
2.2.4.3轧制设备的主要参数
轧机主驱动电机的功率
180（KW）
轧机辅助驱动电机的功率
喂进小车的泵压
200BAR
2.2.4.4轧制的工艺流程
打开轧管、轧辊冷却水→充氮气→启动轧机主、附电机→启动飞剪及成卷机→将铜坯输送到喂料设备→穿心杆→喂料小车推进→二次进给喂进→轧制→剪头→成卷→涂油→剪尾→扩口→喂料小车返回→芯杆返回→吊卸装有轧管的料管→吹净轧管内的存水。
2.2.4.5作业程序
一、生产前准备
检查成卷及喂料液压站液位是否正常，运行压力及声音是否正常，检查润滑中心压力是否正常，油泵运行声音是否正常，确保轧机良好的供油。
检查一次、二次冷却水泵运行是否正常，水位是否合格，确保轧机良好的供水。
检查飞剪片是否良好，发现刀片有崩刀、端口现象及时更换。
检查成卷机矫直辊、弯曲辊的工作面是否良好。
保证不划伤管子。
检查芯棒头的情况，摆正其表面光滑，无坑。
二、实际操作
扣上保护罩，连接一次、二次冷却水和氮气管，并启动冷却泵，打开三个氮气进气口，打开主动驱动机械制动装置，启动轧机。
启动成卷及喂料液压站，复位后切换成自动状态，使喂料小车及芯杆退回初始位置。
轧机空转5分钟后，放下喂料机构支撑轮。
按下勾式输送机返回按钮。
勾式输送机返回至铜坯支撑轮处自动停止，同时铜坯支撑轮自动抬起。
轧管头部经飞剪剪切后进入料框成卷，当一根轧管轧制结束后要对轧管尾部进行剪切、扩口、当轧管全部进入料框后，吊出，将水吹出
轧制完成后，将小车和芯棒退回到初始位置、将成卷及飞剪部分进行复位。
停机时，旋转至辅助驱动电机旋钮，使其速度逐渐降低，当转动停止后，关闭电机开关，并将制动器开关切换至锁紧状态，关闭喂料，成卷机构液压站，关闭冷却水和氮气。
三、更换轧辊
首先对轧辊进行检查并清洗，表面不得有碰伤，并用压缩空气吹扫螺纹孔，检查孔内是否有杂物，螺纹不得碰伤。
断开行星轧机冷却水及氮气连接软管。
打开小门，将轧辊转换至更正位置，锁定主驱抱闸制动位置，卸下座第的后段帽，接通液压工具将拉杆冲轧辊中旋出。
放入专用木箱。
安装新的轧辊时，要对底座孔面进行检查并清理干净。
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