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薄壁黄铜管两端壁厚沿径向内增厚技术研究、试验结果与结论

[ 关键词:薄壁黄铜管 发表日期:2013-02-25 12:05:33 ]

  薄壁黄铜管两端壁厚沿径向内增厚技术研究、试验结果与结论。采用热压缩加工工艺,并通过研究 H62黄铜塑性变形的规律,在模具设计、夹具设 计、加热器设计和加工方法上进行改进和创新,克服加工中的技术难题,实现铜管两端壁厚 沿径向内增厚的目的,从而提高了材料的利用率,提高经济效益。

1.引言

  由于铜质材料价格在我国金属材料市场中一直居高不下,原材料成本较高,所以目前 铜质水管在我国使用不是很广泛。 但随着人们生活水平的提高, 再加之铜质材料的优秀性能, 人们对这种材料的需求也越来越大, 所以这也刺激了很多铜管接头生产企业, 它们为了追求 效益,减少材料的消耗,试图在保证强度的前提下,尽量采购最薄的管件作为加工原件。 图 1.1 管毛坯件 如图 1.1 所示就是壁厚只有 0.8mm 的 H62黄铜管,现在要在其两端套丝,然后弯曲一 定角度,加工成一个水管接头。在生产中发现,如果在这种管的两端上直接套丝的话,套丝 后壁更薄了,甚至可能会套穿,造成这一段因强度不够而成废品。为了解决这个问题,我们 设想将管两端套丝段壁厚加厚,由于这是标准件,套丝后,管两端的外径是不能变的,即始 终为Ф20.5mm。所以想使管两端的壁厚沿径向外增厚从而保证套丝段的强度的想法是不可 能了,只能沿径向内增厚,如图 1.2 所示。 图 1.2 管接头成品 目前,最为可行的办法也只有通过压力压缩管的两端实现管两端壁厚沿径向内增厚, 但如果采用冷压缩工艺,常态下,铜管各部分的强度一样,变形区域很不稳定,而且 H62黄铜在常温下,塑性不是很好,塑性变形抗力很大,所以冷压缩的办法是不可行了,只好采用热压缩变形。 在变形区加热, 而在非变形区要冷却以防止因热传递而使非变形区温度升高, 从而导致因温差而产生强度差,使变形尽量发生在套丝段。 有了上述主体思想后,在实际工作中我们还要克服以下技术难题。

① 模具设计。模具要能够耐高温,不能发生粘结现象。由于管两端都要沿径向内增厚, 几乎不可能构建完全封闭模进行加工, 所以模具设计要充分考虑金属塑性变形的规律, 能够 很好地使金属朝预定区域变形,使金属充满模腔,达到壁厚增加的目的,但金属塑性变形过 程是很复杂的。
② 夹具设计,要能够装卸方便,而且由于铜是热的良导体,变形区的热量会很快传到 非变形区,而夹具夹持部分是非变形部分,因此还要求夹具对非变形区有冷却的功能。
③ 要能够有效克服加热氧化,因为铜管壁非常薄,一旦氧化就会对产品的质量产生很 大的影响。 国内外在薄壁管两端都沿径向内增厚的研究几乎没有,但研究的意义却很重大,这种 管件局部段壁厚增厚技术, 可以保证关键部位强度的基础上可以大大减少其他部位原材料的 消耗,充分利用资源,提高经济效益,提高生产效率。

2 塑性变形的影响因素

2.1 材料的组织结构

  材料的晶体结构是影响塑性变形的根本因素。黄铜是Zn溶入Cu中形成的固溶体,如图 2.1 所示,H62 黄铜在室温下是 α + β ' 、 双相黄铜,在中低温时是α相,在高温时是 α + β 双 相组织,再高温就开始熔化成液相了。α相属于面心立方晶体结构,在常温下具有很高的塑 性, 但α相在中低温区存在温脆现象。 β相也是面心立方晶体结构, 在高温下具有很高的塑性。 它只存在于高温状态下。当温度降低时,它会发生β→β′的相变。β′属于体心立方晶体 结构,在常温下具有良好的强度,但塑性较差,所以 α + β 双相黄铜不太适合塑性加工, ' α相由于在中低温下存在温脆区,也不太适合中低温塑性加工。所以, α + β 双相组织最 适合塑性加工了。这说明了H62 黄铜最适合热塑加工,而且从图 2.1 中可以看出,热加工温 度为 730℃左右。

2.2 ' 温度

  温度是塑性变形的重要因素。由图 2.1 可知,对于 H62 黄铜随温度的升高,依次发生 了 α + β 相、α 相、 α + β 相、 L + α 相、L 相的相变。从而使材料的晶体结构发生了变 化,由此塑性也产生了变化。 图 2.2 是 H62 和 H70 黄铜塑性变形能力随温度变化的规律,从中可以很明显地看出, H62黄铜最适合塑性变形的温度区域在高温区,即在 650℃~850℃之间。 再之,H62黄铜在冷却的过程中冷却速度对工件的质量也会产生很大的影响, 冷却速度 快一点,金属组织比较细腻,强度比较高。所以热加工完毕之后,尽可能采用水冷。

2.3 摩擦力

  摩擦力是影响塑性变形的另一重要因素,伴随塑性变形的摩擦,主要产生以下影响: 1) 使塑性变形抗力增大。 2) 使材料在压缩过程中容易产生死区。 3) 增大模具的磨损,降低产品的质量。 4) 使加工后的工件脱模困难,而且容易产生附加应力。 所以摩擦力对工件的质量、模具的寿命、加工时的能量消耗都有很大影响,必须对摩擦 力进行有效的控制,使之尽量有利于塑性变形。从以上塑性变形影响因素的分析中,我们得出以下几条重要结论: 1) H62黄铜最合适的热加工温度范围为 650℃~850℃之间。 2) 选择合适的润滑剂,比较好的润滑条件可以有效防止变形死区的产生。这种润滑剂 能够抗高温,能够有很好的防止氧化,能够具有良好的附着性能。 3) 热加工后的工件采用迅速冷却的方式(如水冷)可以有效地提高工件强度。

3 塑性变形规律研究为了说明问题,我们把黄铜管两端进行压缩变形部分分离出来, 它基本上等价于图 3.1 (a)所示的原理图。在开始试验时,我们采用的是图 3.1(a)中的平顶模,结果发现很多 加工后的工件局部没有充满模腔,而且几乎都在图 3.1(b)中的 A 区。对此我们用力学原理 来分析其中的原因。首先,根据各个区域受力的不同,把它分成 A、B、C、D、E 五个不同的 变形区域,如图 3.1(b)所示,然后对其进行受力分析如图 3.1(c)所示。 A 区—承力区。当平顶模向下压,产生向下的压应力 σ 1 ,材料要向内外两边扩展,但 由于向外受到外套筒的阻碍。所以会产生一个反作用应力 σ 2 ,从而更加速了金属质点向内 移动。但移动的过程中受到的摩擦力也是很大的,从受力分析图中可以知道,在外力 F 一定 的情况下,A 区金属质点向中心移动的能力关键取决于摩擦力 f,如果当向内的压应力不足 以克服静摩擦力 f 时,A 区的金属质点就会停止流动,从而产生死区。这也验证了为什么 A 区不容易充满。 1.平顶模 2. 外模套 3. 薄壁管 4. 平顶模芯 5. 下模垫 图 3.1 采用局部开放模具对铜管进行压缩式的变形示意图 B 区—主变形区。由于处于中间,受上下金属质点的共同压缩,因此受到向内的压应力 是最大的,所以它是主变形区,这些金属质点一般最终都移动到 E 区。 C 区—不变形区。C 区受力与 A 区很相似,但不同的是,C 区与自由变形的 D 区相接, 所以根据阻力最小原理,E 区的金属质点向下流动的阻力很小,所以要优先 C 区流动到 D 区,因为 D 区没有完全封闭,所以该区所受到的阻力最少,流动最为顺畅,从而导致 C 区 成为不变形区,但这不影响该区域填满相应的区域,因为原本就是填满的。 D 区的下方没有封闭,因而流动阻力较小,所以加工完后 D 区的金属往往会溢出。 E 区在承受平顶模和模芯的压力的作用下,原本可以向上和向下均匀分流,但模芯向下 的摩擦力和 D 区的不封闭,所以向下流动的金属要多于向上流动的金属,所以这也是造成 A 区容易产生死区的另一原因。

4 模具设计通过以上分析,可以知道只有 A 区最容易产生死区而不能很好地充满模腔,所以要对 这种模具要加以改进,以克服这种情况的发生。为 减少摩擦力, 我们将原先的平顶模设计成斜刃口模, 而且这样产生一个凹槽,且模芯设有拔模斜度,如 图 4.1 所示。采用这种结构,至少可以有以下好处: 1)斜刃口可以增大对金属质点的剪切力,有助 于金属的滑移,使塑性变形更容易发生,还可以明 显减少摩擦力对金属质点流动的影响,从而可以有 效地防止死区的产生。 2)斜刃口还可以减少压缩力。 3)由于斜刃口的存在产生了凹槽,这个凹槽可 以容纳多余的金属,使金属更容易充满模腔,从而 保证壁的厚度。 4)模芯设有拔模斜度,有利于拔模。 图 4.1 改进后的模具结构图 模具采用的材料是 GH132B,这种材料具有红硬性高,耐高温,耐磨性好,使用中不变 形,不氧化,表面光滑不粘铜,所挤制的产品表面质量好,尺寸精确度高,为拉伸工序和定 尺控制提供了良好条件。消除了使用热作钢模具时的粘铜、划伤等现象。

5 试验 1.左压缩头 2.夹具上半部分 3.夹具下半部分 4. 加热器外盖 7.线圈 8.右压缩头 图 5.1 试验机原理图 5.加热器内圈 6. 绝缘垫片 斜刃口模具设计好后,我们重新改进了试验机,又针对性地设计了夹具和加热器,试 验机的原理图如图 5.1 所示。此试验机有三大特点: 1)夹具套筒的上半部分采用孔式通风结构,下半部分采用缸套结构,在缸套中灌有冷 却水。 这两大措施足可以保证非变形部分温度保持在低温段, 从而实现变形部分与非变形部 分有显著的温度差。 2)加热器既充当加热的角色,又充当外模套的角色。加热器选择高频感应加热炉,因 为这种加热方式不但可以实现局部加热,方便地控制其温度,而且加热速度很快,环保,能 源利用率高。 3)采用左右两个压缩头同时向上压缩加工的方法,不但能提高加工效率,而且可以减少夹具的受力, 所以对夹具的夹紧力要求不是很高。 更可贵的是, 在加工完之后进行抽模时, 不会导致工件随模具一起抽出。 还有选择了 SN-01 抗高温石墨润滑剂,该润滑剂采用了胶质微粒化的高纯度天然石墨, 用特殊的方法进行加工处理, 加入了水溶性的结合添加剂精制而成。 该剂依靠水性结合添加 剂的作用,使石墨在被润滑面上平滑分散后形成非常牢固的保护膜。该剂由于是水溶性的,所 以渗透性极强,能充分填平耐火材料和金属表面的小凹坑,使被润滑面实现稳定低负荷摩擦。 而且脱模效果和防氧化效果优良。 此外,在进行压缩时,采用边加热边压缩,一则几乎构成了与外界空气隔绝的封闭环 境,可以有效地防止氧化,二则这种方式压缩可以明显减少压缩后的残余应力,压缩后得到 的工件质量比较好。

6.试验结果与结论经过一系列改进之后的试验机, 压缩出来的工件合格率达到 98.5%, 取得了很好的效果, 证明该实验机是可行的,可以在生产中进行推广。 通过对 H62黄铜塑性变形机理和规律的研究、有针对性地改进模具设计;还有巧妙设 计加热器和夹具、 针对加工工件的特点采用特殊的加工方法、 选用合适的润滑剂等众多措施, 充分克服了壁薄、易氧化、容易产生塑性加工死区和两端局部加工等技术难题,实现了薄壁铜管两端增厚的目的。

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