銅合金高效管軋制模擬優化與實驗研究

寧德華，刁明立，賽因陶格圖

（單赤峰寶山能源（集團）賀麒銅業有限責任公司，內蒙古 赤峰 024070）

銅合金高效管的軋制生產工藝通常從材料到管成品采取一次成型的軋制方式，管材的常用規格一般為12.7~25.4mm，加工前后的體積V0和V1相等，延伸系數μ一般在1左右。

在二輥周期式冷軋工藝的基礎上嚴格按照生產專業化、數控化的想法，對加工參數進行調整，優化產品加工流程，建立更加科學高效的生產單元。通過模擬優化和實驗論證的方式，結合實際加工能力，以最優的工藝方案保證產品質量和形狀精度[1]。

1 銅合金高效管的軋制生產工藝優化

銅合金高效管的通用加工工藝一般為：成品胚管→軋絲→檢查→清洗→鋸切→二次清潔→檢查光潔度→耐壓力測試→干燥→成品高效管。

銅合金高效管在退火時一般采取的是真空無氧退火，溫度控制在500度左右，保溫時間在兩個半小時范圍內，另外因為爐內溫度的不平衡性，廠家進行實際生產的時候都不會采取直接退火的方式，基本是先退好火再根據變形系數保證成品的軟硬。

周期式軋制機是銅合金管材生產中應用最為廣泛的一種生產方法，在一定的頻率控制下，管材送進往復運動的軋槽，芯棒支撐下的內壁依靠不斷收縮的作用碾壓，實現減徑變斷面。在軋制過程中，銅合金金屬受到多個方向的壓力作用，在往復運動的軋程中最大限度地運用了金屬的可塑性，充分發揮了材料的塑性和加工效率[2]。

雖然現在主要的工藝還是冷軋開坯生產，但是在未來的發展趨勢中，高速度的二輥周期式冷軋一定會得到更廣泛的應用，因此模擬與實驗研究基于這種技術關鍵來進行。

2 技術方案的優化與應用

銅合金高效管的軋制技術的目標是，保證管產品的性能、形狀，還要保證軋制工作效率。當前的工藝條件和壓制控制能力，銅合金高效管的初選長度在20幾米為最佳，能夠保證生產循環和質量，避免溫降不平衡造成頭尾溫差大，難以控制管型。將銅合金原料的重量控制在2t~2.4t的范圍內，降低了基材進入軋制工序的危險。

根據銅合金的性能要求，高速軋制時循環送回設置必須與軋制周期有良好的匹配性，送進量控制在小于12%的誤差下，整個軋制周期的頻率在0.7秒左右，在循環的回轉期時間降低到0.06秒，在軋制過程中，系統處于送進―啟動―加速―減速―終止的頻繁循環中，傳動必須依靠可靠性高的結構。

目前，先進的高效軋機一般采用直流調控凸輪和變速、絲杠，間斷的回轉取代連續回轉形式，在傳送機運行停止的過程中，減輕沖擊和回轉距離，及時提升運行速度和送進效率。軋制孔型對軋制的穩定性和軋制質量影響比較大，按照生產公式結合軋制經驗系數進行計算，將軋制孔型和芯棒的系數利用計算機編制，使胚管軋制孔下半部分的延伸符合軋制指數變化的曲線。

孔型一般采取11個界面計算和25左右的截面計算，這樣可以保證軋制孔壓下的均勻平滑，在這里需要關注的一點是根據經驗設計端口開放度，選擇合適的開口度反映在實際操作上會影響到銅合金管軋制形狀變化前后的受力。

為了有助于管棒的變形均勻，適用更多的規格，更多地使用錐形芯棒進行軋制。另外，還有影響軋制成效的關鍵參數就是軋制機齒輪的開口大小選取，在設定時可以根據已經得到驗證和廣泛使用的經驗公式進行節園直徑估算。

從制作過程看來，胚管變形指數達到一定程度后，沒有必要增加軋制行程，在軋制機運行速率維持現有程度時，軋制行程在10m時分散系數在15即可，這對于銅合金高效管的生產已經足夠了。

3 軋制前后的試驗對比分析

軋管機的主要指標是生產效率，這是考察其先進程度的衡量標準之一。先不考慮軋制的合金管數p，高效軋制的技術為：

其中μ是延伸系數，m是與延伸系數和生產管孔狀相關的輸入量，n是與運行穩定性和軋制機相關的循環次數，κ是與輔助用時相關的設備利用系數。

為了尋求各種主要因素對銅合金高效管的軋制成型產生影響的情況和改進方案，本實驗采用正交實驗法進行，考慮到軋機偏轉角度和摩擦系數等因素對銅合金高效管的影響，根據軋制過程中銅合金所包含的各類金屬情況，探究設備角度、內凸筋高度等對改善性能的可能影響。其中參與實驗的因素單方面分析結果如下表所示。

表1 取樣分析軋制信息

表2 取樣分析強度等胚管信息

根據不同摩擦系數、偏轉角、軋制轉速的影響，產生不同軋制系數下的軋制力，采用對比的試驗方式設計模擬方案，建立有限元訓練樣本，確定隱含節點數，分析不同參數對軋制力的影響。同一根銅合金管的不同熱處理方式可以通過強度、硬度和屈服極限等指標判斷，取一段成品銅合金高效管的樣品進行試驗，可以判斷出其力學性能的符合程度。

4 結語

通過本文的研究可以發現，銅合金高效管的生產一般選擇在加工軋制過程中嚴格控制管壁的厚度和變形程度，實際反映出來的銅合金材料強度變化并不突出，對它的塑形過程倒是有較為明顯的硬化，這一過程加大了材料的承載力。

銅合金加工軋制過程的許用應力，更加合理的計算方式是最大強度變化量與安全因數的商。在初始設備較小改動的前提下，通過優化基材，改進軋制工藝，探索更穩定的軋制及冷卻技術，實現了高質量、高效率的銅合金管生產，帶動了數百萬元的經濟效益。

[1]陳健,汪兵,劉清友.耐硫化氫腐蝕X80管線鋼軋制工藝的模擬優化[J].機械工程材料,2016，40(7):102-108.

[2]陳素文,劉宏民,孫建亮,等.大型筒節軋制成形熱力耦合模擬和工藝分析[J].燕山大學學報,2017，41(2):116-120.