异型管生产技术

1、有色金属生产牌号及品种

⑴ 牌号：T2、TU2、TP2、H62、H65、H68等 ⑵ 规格：达几千种

2、异型管主要用途

⑴ 航空、航天、医疗、电子、电工 ⑵ 机械

⑶ 家具、灯饰、装饰 ⑷ 制冷、热交换等 3、异型管分类 ⑴ 等壁异型管 ⑵ 异壁异型管

⑶ 纵向变断面异型管

4、异型管制造方法：⑴ 挤压 ⑵拉伸 ⑶焊管 ⑷旋轧 5、有色金属异型管生产现状与展望

异形管：凡断面不是圆形的管材,或虽是圆形但沿长度方向直径或壁厚发生变化的管材,统称为异形管。 二、生产方法

1、挤压成型

⑴正向挤压：偏心管。 异型管

⑵conform挤压：内螺纹管，有口琴管、D形管等内螺旋铜管 2、拉伸异型管：

1)常用异型管过渡圆的确定 椭圆形：D过=（a+b）/2 六角形：D过=6a/π=1.91a 方 形: D过=4a/π=1.27a方 形: D过=4a/π=1.27a

• 矩 形: D过=2(a+b)/π=0.(a+b) 2)、固定模拉伸成型

⑴空拉——过渡圆确定，尺寸精度要求不高的产品

⑵衬拉——尺寸精度要求较高的产品，如：扁管生产 3)、辊式模拉伸成型

辊式模拉伸是指在由辊子组成的孔型中进行拔制，它与固定模拔制的不同点在于被拔管子与辊子之间是滚动摩擦，而固定模与管子之间是滑动摩擦；固定模模孔为一完全封闭孔型，而辊模的孔型有辊缝存在，为非完全封闭孔型。辊模更适宜于拔制带棱角的异型管，常用在二辊、三辊和四辊式的。 ⑴特点：

①变滑动摩擦为滚动摩擦，从而可增加其道次延伸系数② 成本低，生产效率高 ③ 复杂型管可用辊模拉伸

④ 不衬芯头可拔制出高精度的异型管 ⑤ 拉伸时壁厚变化较小

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⑥ 模子寿命长，产品质量好

⑦ 辊模拉伸金属变形均匀，拔后管子较直

⑧ 辊模可调正管材尺寸（通过调整辊逢来进行调整） ⑵ 在设计滚模装置时应遵循如下原则

① 辊径要尽可能地小，在保证强度和变形合理的条件下可减小拉伸机的吨位。 ② 辊子数目的选择决定于异型管的形状

③ 防止辊子相互串动是保证管子尺寸精度的关键。

④ 异型管拉伸时的变形参数：λn=Fn-1/Fn λΣ=F0/Fk 4)、圆管断面的形状的稳定性、变形特点和变形规格选择 ⑴ 断面形状的稳定性

由受力情况可知：作用于圆管的径向应力q达到某一值 时，管壁将发生塑性弯曲，即断面形状丧失稳定性（失稳），管壁产生周期性弯曲，而开始失稳的载荷强度为 临界应力qk，可按下式确定：

qk=(N2-1)Sσs/R(1+4σsR2/EtS2)------P20

式中：S、R —— 分别为圆管的壁厚和半径

σs、Et —— 分别为圆管材料的屈服极限和正切模量

N —— 大于或等于2的整数（受压圆管支撑点对数） 说明：⑴ S/R值愈大，则qk愈高，圆管型状愈稳定

⑵ 圆管材质的σs、Et 值愈大，则qk愈高，稳定 性增加

⑶ N愈大，则qk愈大，同时N还决定着圆管失稳 后周边弯曲形状

• 于四辊辊模作用于水平面上的力不应超过相邻面允许的负对荷极限值，根据力平衡

条件可以求出切向和径向应力，并依塑性条件最终确定出圆弧半径R和挠度值h的关系式：

式中：β——中间主应力影响系数 S0——坯管壁厚

b ——边长

实际：以道次延伸系数确定 λn=Fn-1/Fn 铜及铜合金：λn=1.2～1.45 铝及铝合金: λn=1.25～1.5

除了上述分析结论外，还与下述因素有关：

① 管壁的最终曲率：如果为正曲率则其稳定性最佳。例如：椭圆断面异形管全由正曲率构成，比较稳定；具有直线边的异形管的稳定性次之；具有负曲率的复杂断面异形管稳定性最差,必须增加支承点,即采用带芯棒拔制法,增加道次,严格控制变形规格的尺寸才能成型 ② 模孔的入口锥角(模角)：模角太大将引起缩径现象，缩径后来料管就会脱离了模孔的支承，因而更加容易产生失稳，所以模角一般不得大于13 ° ③ 壁厚压缩问题：对于用固定模拔制复杂断面异形管或宽高比较大的异形管，且角部圆弧半径小于1.5S的

简单断面管，必须增加内支承点，即采用带芯棒拔制法才能稳定地成型。在带芯棒拔制时，必须给以一定的减壁量，作用有二：①如果不给以一定的减壁量，当在管壁与芯棒接触之前已出现管壁失稳，由于来料管的弹性恢复，失稳情况不可能得到完全纠正；②消除由于在延伸阶段引起的不均匀增厚。一般取减壁量为0.05～ 0.3mm ⑵ 异型管拉伸时的变形特点

拔制异形管时金属质点的运动主要是横向移动,纵向移动却很小.金属产生径向移动是靠模壁给予的径向压力实现的。径向压力由拔制力产生。金属在径向压力 作用下产生横向移动，同时还受模壁摩擦阻力作用。

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因此，拔制等壁厚异形管的应力状态也是一拉二压的应 力状态。在由圆管拔制异形管时圆管开始进入异形模的 接触面积和沿圆周上开始接触的位置是各式各样的，为 了减小沿周长上变形的不同时性，在设计拉模入口道槽 时应尽量增加同时接触面积，以防止管子在变形中失稳。 异型管拉伸时的金属变形是很不均匀的,这是由于 各部位的变形量不同,内外层的金属变形不同所致。如 拔制矩形管时，由于角部和平面部分的金属延伸不同， 一般角部金属延伸大，平面部分延伸小，则角度受轴向

压应力，平面部分是轴向拉应力，在变形很不均匀的情况下，则平面部分就会产生裂纹。 造成这种各部位延伸不均的原因是：圆管料的弧形表面弯成平面，平面部分内表面金属要流向角部，而角部处外表面金属要流向平面部分，由于前者要大得多，故造成角部延伸大。 5)、 周边压缩系数

周边压缩系数μ：表示圆管周长和成品管周长的关 系。按下式确定： μ=πD0/L1

式中：D0、L1——分别为管坯直径和成品管横断面周长 故：μ>1

μ值选择是否合理直接影响拉伸后异形管角部处半径的大小，对产品质量有着直接的影响，若μ太大，则成品管平面部分容易出现凹陷，μ太小，角部半径充不满，只有将μ控制在一个适当范围才能生产出合格的产品。 举例：拔制方形管，设方形管边长为A，壁厚为S，则芯头边长为： a=A-2S 为了能将芯头顺利进入管坯内， 则圆管坯内径必须大于芯头的外接 圆直径，若取2mm间隙，这样，管 坯直径D0按下式确定： 方管的周长为：

L1=4（A-2r）+2πr

式中：r—方管的圆角半径取1.5S 则:周边压缩系数为:

在衬拉时, μ值不应小于上式计算值,否则芯头进入管坯困难,甚至不可能,但μ也不能太大,否则管坯在孔型入口处就已充满,并使平面部位起绉,这样芯棒不能进入定径带，而拔成废品。 μ取值可参照P25表6和图18.有色金属异型管适当可取大些,各种异型管的周长计算可参照P26～27,若已知μ,则可确定来料直径D0=μL1/π。 三、等壁异型管成型时的变形过程 a、固定拉伸过程

如方管的变形过程，分三个阶段。

压扁阶段：圆管在模壁压力作用下首先变形，即管壁产生塑性弯曲变形，圆管被压扁。此阶段的变形特点是：

来料管仅改变断面形状，而无周边压缩变形和轴向延伸，壁厚基本不变。 延伸阶段：随来料管压扁变形增加，管壁与模壁的接触面积增大，模壁对管壁的支撑作用增加，压扁变形随之困难，切向压缩应力相应增加。当达到屈服极限时，伴随着压扁变形的同时来料管周边出现压缩变形，产生轴向延伸，壁厚增加，并随压缩过程逐渐加大。 定型阶段：

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图中断面至出口部分，相当于圆管拔制的定径带。其作用是稳定异形断面。 b、 四辊辊模拉伸过程

矩形管的拔制过程：

圆管进入变形区首先同上下辊在A、B点接触，这时在集中力的作用下产生压扁变形。压扁变形是在高度方向管径减小，而在宽度方向上管径增加，金属断面积不发生变化，因而属于纯弯曲变形。随着金属进入变形区程度的增加，金属与上下辊的接触宽度逐渐增加，直至与左右辊在C、D两点接触。这时为两对辊同时对管子压扁弯曲，使之成角。当角部接近充满时变形阻力显著增加，因此要伴随着延伸变形才能充满圆角。周边压缩系数愈大，则角部充满愈好。 例：生产变压器用T2扁管, 尺寸如右图:

可采用拉伸:固定模(空拉、衬拉)或辊模，轧制等方法生产。 请分别说出各种生产方法的优缺点,并确定加工前管坯的尺寸 计算管坯直径D0

扁管周长L1=20+πD=20+π×5=35.7

取μ=1.1 D0=μL1/π=1.1×35.7/3.14=12.5mm λ=F0/F1=[π/4(D02-d02)]/[2×10×1+(52-32)] 取λ=1.3 F1=12.56+20=32.56 D0=14.5 取λ=1.2 D0=13.4 取λ=1.1 D0=12.5

四、等壁异形管生产工艺拟定

等壁异形管生产工艺拟定的主要参数包括选择成型方法、确定道次、选择变形规格(圆管坯的尺寸)、周边压缩系数以及各道次的断面形状。 ⑴ 成型方法的选择

① 空拔法：它的优化方法是选用滚模拔制。

② 芯棒拔制：带芯棒拔制增加了对管壁的支撑作用，提高了拔制稳定性，同时也提高了对变形规格的适应能力。这种方法常用来拔制复杂断面异形管。优化方法根据形状复杂程度，选用滚模或固定模拔制。 ⑵ 拔制道次确定

品种规格繁多，不一一例举。必须指出，在多道次成型的情况下，各道管断面形状的设计必须遵循下面两条原则 ： ① 尽量把管壁的弯曲变形集中在第一道，以后的道次仅起整形和局部加工的作用。 ② 对存在多处负曲率的复杂断面管，由于稳定性差，应采用分阶段成型法，暂时不成型的周边应尽量保持正曲率。 ⑶ 周边压缩系数的选择

选取周边系数时应注意以下几个问题：

① 产品断面周长大、壁厚小时周边系数取低些，反之，则取高些，因为前者更易失稳。 ② 管材质的屈服极限高时，周边系数取高些。 ③ 管断面的形状。为了保证成形，当成品管的周边长度和壁厚相同而断面形状不同时，周边系数也应取不同的值。例如：周长与壁厚相同的方管与矩形管，由于矩形管径向变形

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大，周向压缩也较大，故在拔制时，其周边系数值应比方管取得大些，矩形管的宽高比越大，则周边系数也相应的增大。 ⑷ 各道管断面的设计

一般应遵循以下原则进行：

① 每一道次均应采用一定的周边压缩系数。

② 任一道次周边各组成部分的边长压缩系数基本相等，一般各道采用较大的圆角半径过渡以简化设计。 ③ 必须保证芯棒顺利伸入管的内孔，若第一道空拔，第二道带芯棒拔制，则第一道拔后断面的内孔应比第二道芯棒大一定的间隙量，或直接根据芯棒尺寸设计第一道拔后的断面。 五、等壁异型管拉伸模具设计 ⑴ 空拉模设计

为了提高管壁的稳定性，空拔模一般采用弧形模。现以方管空拉模为例

空拉模由入口锥、定径带、出口锥三部分组成。

其中：定径带为一方柱体,长度为a=10～15mm,有色金属a=5～10mm,出口锥为一方锥体,出口角γ=30～45°.

入口锥的设计：入口锥是由四个相同的二次曲面组成的喇叭口，二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区，其长度为q。 设方形的边长为A，变形规格的外径为D0，则各部分的尺寸设计如下： ① 入口平面:入口平面由四个圆弧组成的弧方形,取弧方形的最大高度为A′,A′= D0。但为了增加接触点，A′应取略小于D0。弧方形的弧边曲率半径R1为了使弧边稳定地过渡到直边,一般取近似的等于D0，。设成品管的角部圆弧半径为r,则弧方角部的圆弧半径r1 =（1～2）r。 ② 入口锥的锥角α及圆弧半径R 一般取α=12～13°,在拔制矩形管时，由于长边上的减径量大，则α=15～20° 圆弧一端与定径带相切,另一端通过入口平面上弧方孔弧边的中点,则圆弧半径的公式： R=ΔA/4sim2α=（A′-A）/4sim2α

③ 在定径带入口平面上入口锥（称为过渡区，它属定径带的一部分）弧方形弧边的曲率半径为R2

• 在定径带入口平面上，锥方形弧边的宽度等于A，弧边的凸起高度为Δ，与定径带的相贯线的宽度为q，q=2～7mm。

④ 入口锥的圆弧锥面尺寸：

入口锥的长度：L=（A′-A）/2tgα-q

入口锥面任一断面的弧方形弧边的曲率半径： Rx=[（R2-R1)（q+L）q/Lx]-R1-〔（R2-R1）q/L 〕 ⑵ 带芯棒拉伸模具设计

衬拉模设计与普通圆管模设计相似，如图：

a、固定外模的设计

外模的模孔一般为锥形模。一般取定径带长a=5～10mm，入口锥角度α=10-13°，最大不超过20°。

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b、芯头的设计

由于在等壁管成型过程中失稳往往只发生在局部位置，芯头只要在这些位置予以支撑，就能保证稳定变形，

因此芯头的断面不一定必须与异形管内形状一致。但对简单断面，芯头断面必须与型管内孔一致。以保证芯棒在模孔内位置稳定。如： 方管:

为了便于使芯头进入模孔定径带，芯头前端倒角2×45°,角部倒角3～5×45°，l1比定径带长1～2mm，r=型管壁厚，β=0～5°。

辊模的孔型设计：由于没有定径带变得简单得多，只是单一圆弧构成变形区，变形区长度只决定于辊子的直径和产品形状。 六、冷轧

LD（多辊式）冷轧管机结构简单、换工具方便且工具消耗小，在LD冷轧管机上轧制等壁异形管时，仅仅是改变一下辊子孔型形状和芯棒形状。辊轧方法很近似于冷拔，同时还可保持冷轧的优点。 冷轧法最适用于生产如六边管，三角管等多边产品。具体的设计方法见书P56。 七、异壁异型管生产

1、 异壁异型管分类 P71

品种繁多，一般可分为：⑴外圆内异管（简称内异管） ⑵内圆外异管（简管外异管） ⑶带筋管 ⑷内外异型管 ⑸偏心管

生产方法有①拉伸法：a、固定模适用生产外圆内异管，内外带沟槽管；b、辊模生产外异管；②挤压法：生产偏心管，不对称异型管；③冷轧法：生产带内外纵筋管。 2、拉伸异壁异型管的变形原理 ⑴ 拉缩与起槽

• 当以圆管拉伸异壁管时，由于沿管壁存在不均匀变形，将产生附加应力。在拔制过

程中，在变形区内的金属，在周向及径向处于压应力状态，拔制方向处于拉应力状态。由于薄壁部分金属流动快而受附加压应力，而厚壁部分由于金属流动慢而受附

加拉应力，当该拉应力超过材料的бb时，则产生附加的拉缩塑性变形，使厚度减小，甚至起槽，如下图：

影响拉缩与起槽的主要因素有：

① 断面积的分配：当厚壁部分的断面积占整个型管断面总面积的比例越大，厚壁部分承受附加拉应力越小，拉缩与起槽现象减小. ② 断面上各部分的变形量：厚壁与薄壁部分的相对变形量相差越大，即壁厚差越大，变形越不均匀，产生拉应力越大，则拉缩与起槽现象增大。 ③ 拉伸道次n：n越多，可减小每一道次的变形不均匀程度，从而使拉缩与起槽现象减少。 ④ 拉伸方法：辊式模拉伸与固定模拉伸相比，因为辊式模在拉伸时变形更均匀，所以拉缩减小，长芯棒与短芯拉伸相比，则长芯棒拔制时减轻了管内孔表面的轴向张应力，因此使拉缩与起槽现象减小。

⑤ 减径量ΔD：ΔD越大，一方面管在减径区内处于空拔状态，使管壁弯曲而加深内槽深度；另一方面，在减径过程中，薄壁部分的壁厚有所增加，增加了减壁区的不均匀变形，也使得拉缩与起槽现象增大。 ⑥ 管与模具的接触情况。当模孔或芯棒与管之间存在空隙时，大变形量部分将向小变形量部分流动，这种附加的流动常使拉缩量减小，但起槽现象有所增大 ⑦ 管坯状态：Y状态比M状态拉缩减小，但起槽增大。 (2) 滚模拔制异壁异形管的变形特点 变形规律有如下特点：

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① 拔制外缘带角的管比拔制圆管有利，这是由于孔型车成多边形，变形中金属能够向棱角部位扩张流动，可减少向辊缝处流动的金属量，从而在辊缝处不会出现很大的凸起楞子。 ② 沿变形区管子几何尺寸的变化规律：在孔型直线部分有较大的减壁量，未与芯棒接触前管壁稍增厚。而在孔型角部处也稍有减壁，这决定于减壁量的大小 在辊缝处沿变形区长度上壁厚变化很小，甚至稍有增壁。因此拔制这种管的关键在于控制角部和辊缝处的壁厚差，使之不超过允许的公差。在拔制过程中，外径的变化与壁厚的变化是相一致的。

③ 在拔制过程中金属的流动具有不均匀性，在拔制时，管在轴向为伸长，径向为收缩。同一圆周长各单元体的变化基本一致，差异较小（但还是有差异，这主要是由于辊缝处与辊槽、辊壁处的金属宽展变形不同所致）。这说明虽然沿断面上存在管壁压下不均，但由于各部分金属互相牵制，最终仍为均匀延伸变形，因而滚拔外异管的质量是好的。

3、异壁异形管生产工艺拟定

异壁异形管生产工艺根据其变形规律进行编制，其内容包括断面设计，选择成型方法与变形规格、分配变形量、确定生产工序和模具设计等。 ⑴ 异壁异形管生产方法的选择

① 冷轧冷拔成型

在异壁异形管中，对于壁厚相差不大、断面对称、形状比较简单的异壁异形管均可采用全部冷拔法。由于异壁异形管的成型主要在于减壁，因此，在绝大多数情况下，采用带芯棒拔制法或LD冷轧法。冷轧法可以一道次成型。 短芯棒拔制应用最广，虽然长芯棒对成型有利，但由于拔后需要脱棒，这道工序比较难，一般不用。若使用，长芯棒的脱棒一般采用倒拔法。 ② 联合成型

a、挤压—冷拔：通过挤压生产异壁异形管坯，然后用冷拔控制产品形状和尺寸，改善表面质量。此方法综合了挤压与冷拔的优点，可以生产各类异壁异形管。 b、热轧—冷拔：指用热轧生产方法生产某些异壁异形管坯，后经冷拔整形。 c、热拔—冷拔：当拔制某些大断面异壁异形管时，由于受到冷拔机能力的，每道只能采用很小的变形量，这不仅增加了成型道次，而且变形不能深透到整个断面（主要集中在表面），增加了不均匀变形，影响产品质量。在这种情况下，采用热拔法，即将管加热到热加工温度范围，连拔数道，可以加大道次的变形量，提高成型速度，最后用2-3道冷拔整形和提高表面质量。 d、拉铸法：对内外表面质量要求不高的异型管,常来用该方法. ⑵ 异壁异型管过渡方法

异壁异型管拉伸一般均采用衬拉，有时要经多道次拉伸，有时采用等壁圆管坯，有时又采用与成品管相似的管坯，关键需要控制好过渡坯料的形状与尺寸。 形状过渡有如下几种方法： ① 内孔过渡法：

该法的优点是：

a、模具设计简单（外模均为圆模，芯头断面与成品形状一致）；

b、工艺编制简单。

缺点是：a、芯棒受力较大；

b、由于厚壁处在整个拉伸过程中处于空拉状态，因此附拉应力较大，易出现拉缩甚至拉断。 ② 等壁管过渡法

该法： 优点是：成型效果好，各道次减壁量较大，故可减小管坯尺寸，从而减少道次。

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缺点是：模具设计相对复杂。 ③ 外异型过渡法：

此法可先用空拉成形为外异内圆管，再衬拉外圆内异管，该法一般用来生产小断面异型管，道次较多、工艺编制较为复杂。 ⑶ 异壁异型管拉伸坯料的确定 ① 管坯壁厚的确定

成品最大壁厚确定：S0=Smax+ξ+（0.2～0.5）mm 式中: Smax——成品最大壁厚

ξ——补偿系数，一般取ξ=0.3～2mm 则：S0=Smax+（0.5～2.5）mm ② 管坯内径的确定

必须保证每道内径与芯棒外接圆的差Δdi，一般取0.5～2mm， Δdi取得大，对操作有利，但减径量大对成型不利。 当全部采用衬拉时，d0=dn+∑Δdi 式中：dn——成品管内孔外接圆直径 ∑Δdi——所有成形道次Δdi之和 则管坯外径为：D0=d0+2S0 ③ 拉伸道次n的确定

n=[（S0-Smin）/ΔSm]+（0～2）

式中：ΔSm——平均减壁量，一般异型管ΔSm=0.5～1mm，带筋管和小口径管或薄壁管ΔSm=0.5～0.7mm

（0～2）——指空拉道次 例：拉伸ф26×13内方管

解：⑴断面形状分析：由于产品内孔较小，壁厚较厚，壁厚差也较大，故采用外异型过渡法

⑵ 外异型管规格和各道次断面尺寸确定

外异管S′max和S′min确定:

S′max为提高质量，必须给一定的减壁量，一般其总减壁量为1～2mm为宜（当成品壁厚大，取上限，小则取下限）

S′max=Smax+2=8.5 S′min=3.9(在薄壁部分处在空拉) 道次:n=ΔSΣ/ΔSm=2/0.7=3 增加一道次空拉，故n=4道次 d的大小决定于各道芯棒间隙Δd

当Smin较小时，Δd不宜取大；当Smin较大时，Δd可取大些。具体见P110表14

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道次

1 2 3 4

ΔD ΔS 0.50.75 0.75

Δd

3 2

4.2

5 4.5 3.5

空拉道 成品道

次

估计:管坯为Ф43.2×8.5mm 3、异壁异形管模具设计

模具设计的内容：

① 根据异形管断面形状和表面质量要求选择模具形式；

② 据工艺卡的管材断面形状和尺寸确定外模和芯头形状和尺寸； ③ 确定各道次的模具结构参数

④ 选择模具材料和提出模具技术要求。 ⑴ 选择模具形式

① 整体式外模（又称死模）

具有结构简单，使用与更换方便，刚性好，产品尺寸精确高等优点，但易磨损，寿命较短。 ② 组合模

由于异壁异形管拉伸时，各部的变形量不同，导致模具不均匀磨损，从而降低了模具寿命，为此，可采用组合模，即变形量大处则磨损快处，作成可拆卸的镶块，当镶块磨损后更换镶块可继续使用。

缺点：a、结构复杂；

b、对配合精度和技术的要求较高。 ③ 辊模：二辊式，三辊式，四辊式

辊子的确定根据成品的断面形状来确定，它的优点：拔制力小、外模寿命高、管材外表面质量好。 a、辊缝t对应于管材断面上最大壁厚处（即不减壁部分），而辊面对应于管材断面上最薄壁处。 b、拔制时由于辊子和模架产生弹跳和辊子工作表面的磨损，所以模孔尺寸增大。为了补偿弹跳量和磨损量，拔制前要加大辊子压下。因此，设计的辊缝值应大于弹跳量和磨损量，才能进行补偿压下，但t↑，调整余地越大，但管材尺寸精确越差 c、辊径：D↑，芯棒的接触长度↑，阻力↑，同时模子的外形尺寸↑； D↓，强度↓ 故在满足强度的前提下，D尽量取小些。 ⑵ 模具孔型断面选择 遵循以下四条原则： ① 尽量简化模孔断面形状 ② 有利于提高模具的共用性

③ 减少拉缩和起槽

④ 有利于减小拔制力，减少模具的磨损

模孔或芯棒断面角部圆弧半径的确定原则是：当模具专用性强、拔制力很大或断面形

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状比较复杂时，为了减小应力集中、防止模具热处理时淬裂和拔制时爆裂、增加模具的使用寿命，宜采用圆弧过渡（圆弧半径顺拔道次依次减小）。当孔型断面形状简单拔制力较小时，为提高模具共用性，宜采用小圆角半径过渡。 ⑶ 模具结构参数

① 定径带长hd，由于拉伸异壁异形管其入口较小，为提高稳定性减轻磨损，hd可取长些，一般hd=5～15，最大可达hd=20。 ② 模角α，同理α可取小些，以增大变形区长度，使变形较为平稳，减轻拉缩和起槽现象。

③ 变形区长度L L=ΔD/tgα+5～10㎜ ④异形芯棒

例：拉伸φ63.5×ф58×60×φ50锁圈管的设计 解:⑴ 断面形状分析： ① 有三处不同壁厚

② 但能找到两个对称轴,芯头位置易控制 ③ 小壁厚断面占总断面较小，拉缩较小 ④ 为保证质量，管坯规格与壁厚取大些 ⑵ 管坯规格确定 S0=Smax+1.75=6.75+1.75=8.5 ΔSΣmax=S0-Smin=8.5-4=4.5

取ΔS m=0.65 故n=ΔSΣmax/ΔSm=4.5/0.65=7道次 各道芯头与管材内孔间隙取Δdi=1㎜ 则D0=dk+ΣΔdi+2S0=50+7×1+2×8.5=74 ⑶ 各部位总的减壁量为:ΔSˊΣ=8.5-4=4.5

ΔSˊˊΣ=8.5-5=3.5 ΔSΣ= S0-S max=8.5-6.75=1.75 各部位总的减径量:ΔDΣ=D0-D=74-63.5=10.5

ΔDˊΣ=D0-Dˊ=74-58=16 ΔDˊˊΣ=D0-H=74-60=14

变形量分配按一般原则进行，最大壁厚处开始几道不给减壁量，有利于槽部成形，具体分配见下表：

变形量

Δd

ΔS 1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0.5 0.5 0.5

0.25

减壁量

Δsˊ

ΔSˊˊ

减径量 ΔD 1 1 1 2 2 2 1.5

ΔDˊ

ΔDˊˊ

1 2 3 4 5 6 7

1 1

0.75 0.75

0.75 0.75

3 3 2.5 2.5 2 1.5 1.5

2.5 2.5 2 2 2 1.5 1.5

10

0.5 0.5 0.5

0.25 0.25

0.5

0.25 0.25

⑷拉伸工艺：管坯为φ74×φ57×8.5

道次

断面尺寸

D 73 72 71 69 67 65

63.5

d 56 55 53 52 51 50

D′

H

71.5

B

6.2 6.2 6.1 6.1

S

7.5 6.5

5.75

打

中间工序 锯退

酸

1 2

3 4 5 6 7

71

65.5

68 63 61 58

69 67 65 63 60

59.5 61.5

6 6 6

4.5

4.25

5

4

（5）模具的设计

根据产品断面形状，采用锥形外模和柱形芯棒，外模定径带断面形状和尺寸与各道管断面一致。取各部位入口锥角α=13° 。为了避免由于加工误差造成相邻道次在管槽部产生少量错位，外槽凸缘部分在入口锥部分内倾斜2 ° 。为了增加凸缘部分强度和增加拔制时变形的稳定性，减小产品扭转，取定径带长度为15mm。 八、高效散热管生产

1、高效散热管品种

高效散热管一般采用T2、TU2、TP2牌号，因为纯铜其散热效果好，品种有： ⑴ 内螺旋管、内直筋管、内来复线管等 ⑵ 外翅片管、外花纹管、外波纹管 ⑶ 内螺旋外翅片、外花纹、外波纹管等 ⑷ 内铝外铜管、内铜外铝管等 (5) 多头螺纹管 2、内螺旋管生产技术 ⑴内螺旋管成形特点

内螺旋管成形技术历经了 ①固定短芯头拉伸成形

②游动芯头拉伸成形，③旋轧成形，④低速行星轧机滚压成形，⑤高速行星轧辊滚压成形几个阶段。现在，成熟的成形设备有①链式直线拉伸，②舒马格联合拉伸成形，③倒立式圆盘拉伸成形，④履带式连续拉拔成形，⑤V型槽拉拔成型等，虽然生产方法不同，但成形特点基本相似。

与拉伸光面管相比，其磨擦力增加较大。

A：若为直线拉伸

该法通过小车使管材作纵向运动，而芯头同时作旋转运动，因而形成连续的内螺旋凸筋铜管。故该方式属于拔制和轧制相结合的方式。 该成型技术的关键是金属流动规律，合理的工具设 计以及合理的工艺条件（管坯的选择、拉伸润滑等）。

a、技术之一：获得足够的凸筋高度

内螺旋是在外模和带螺旋沟槽的内模构成的变形区中通过拔制变形而实现的，要形成沟槽，金属必须沿径向变形，但由于拉伸的应力状态决定，延伸变形为主变形，

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沿径向的金属流动较难，即是成形也在轴向拉应力的作用下，凸筋很易被拉薄。据试验，凸筋高度只能达到减壁量的1/4到1/2，所以在制订工艺时，尽量取小的减径量，而取大的减壁量。 P80图73、74、75分别示出了凸筋高度与减壁量、减径量、模角间的关系。

从图看出：①减壁量↑，凸筋高度↑，当减壁量为 40%时，曲线呈平滑变化，故一般取25%左右；②ΔD增 加，对凸筋高度反而不利；③α↑，凸筋高度↑，α=12°时，较好。

b、技术之二：防止内壁凸筋侧边刮伤

在芯头与管坯接角区内，管内壁凸筋与芯头咬合在一起，凸筋沿拉拔方向运动迫使芯头旋转，如果芯头处在某种原因与拉伸速度不同步或芯头卡在金属内不旋转则管子会刮伤甚至被拉断。

显然:芯头的转速应与拔制速度同步,并成正比

即：芯头转数=拉伸速度/凸筋管导程（每转一圈所走的行程） 金属在变形区内沿拉伸方向的流速是变化的，设芯头始终以同一转数旋转，因此在变形区中芯头的沟槽不是一条直线，而是一条螺旋曲线，如图：

沿变形区芯头表面切向速度是相同的，即：U1=U=U0，金属沿变形区流速为v1>v>v0。这样，螺旋沟槽曲线的升角γ从入口到出口是逐渐增加的(导程角θ逐渐减小),为了防止刮

筋侧壁,芯头螺旋沟槽曲线必须符合金属流动规律,且使变形区出口导程角 为产品所要求的导程角(一般称螺旋角β)。 因为：U=U1，tgθ=U/v，U=vtgθ 所以：vtgθ= v1tgθ1……………⑴

据秒体积相等得：v1A1=vA=v0A0（A为截面积）…⑵ 由⑴⑵得：θ=arctg（Atgθ1/A1）

由上式可知： 若芯头全部处在定径带区

即：A1=A 则：θ=θ1=β

若芯头处在定径区内外，其沟槽曲线则解下式方程即可得出 y=-∫[u0/f(x)]dx 从上分析可得：即是沟槽螺旋曲线设计合理，但芯头在拉伸过程中位置的变化（由拉伸力所引起的芯杆弹性变形），也很难保持凸筋侧边不被刮伤，所以保证工艺条件的稳定性是很关键的。 c、技术之三：防止凸筋畸变 如图:

衡量凸筋畸变程度用下式表示：

Δ=（h2-h1）/h

造成凸筋畸变的原因是芯头转动阻力矩大，芯头转动阻力矩愈大则侧边的压力也愈大，当超过金属屈服极限时则产生畸变。

造成阻力矩大的因素：① 磨擦与润滑

② 芯头光洁度 ③ 芯头与模孔的对中度 ④ 芯杆的直度 ⑵内螺旋铜管直拉工艺 例1:Φ16×1 T2、y、y2

购置管坯Φ25×1.5(M)→Φ21×1.3→Φ18×1.20～ 1.25→Φ16×1.0

例2: Φ9.52×0.35 T2、y2

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购置管坯Φ25×1.5→Φ20×1.2→Φ18×1.0→Φ16×0.8 →Φ14×0.65→Φ12.5×0.5→Φ11.5×0.42～ 0.45→Φ9.52×0.35

⑶模具设计： 1)外模 α=12° 则有：对Φ16×1

hd=4㎜ D=15.96㎜ 对Φ9.52×0.35 hd=3㎜ D=9.5㎜ 2) 芯头: a、圆柱式 β=制品螺旋角+0.5°

标准的有三种:①β=30°②β=25° ③β=18° l=hd+2～5㎜

对Φ16×1 有D=14.15㎜ 对Φ9.52×0.35 有D=8.97㎜

该芯头的特点:①操作较方便 ②凸筋应设计成曲线 ③拉伸力较大,芯头旋转阻力较大,易拉断,卡芯头 b、锥式

a=hd-（0.5～1）㎜ 特点:

① 操作较难(因始终要在定径区内) ② 凸筋可设计成直线

③ 拉伸力较小,芯头旋转阻力小,旋转较为自如,产品质量较好,但凸筋高度较小 3) 芯杆：

应选用弹性变形较小的圆钢，如45#、20Cr、冷拉圆钢，芯杆直径与芯头直径差应选小些，尤其对小管来说。

B：游动芯头带旋（滚）压拉伸内螺旋铜管

a、受力分析 ① 游动芯头受力状态，如图

游动芯头们伸时应满足拉伸的稳定条件，即：α>β>ρ N1—铜管对芯头的正压力 T1——铜管对芯头的磨擦力

F1——连接杆旋加给芯头的拉力 同理：ΣN1sinβ-ΣT1cosβ=ΣF1 T1=fnN1 ΣN1>1 ΣF1>0 所以 sinβ>fn cosβ 即:tgβ>fn β>ρ b、螺纹芯头受力状态，如图：

N2——铜管施加给螺纹芯头表面正压力

N3——铜管施加给螺纹芯头齿槽正压力，其周向分力m1为提供芯头旋转动力 T2——铜管给芯头表面的磨擦力 T3——铜管给芯头齿槽的磨擦力 F2——为连接杆施加给芯头的反拉力 并ΣF2=ΣF1

ΣF2=ΣT2+ΣT3cosγ+ΣN3sinγ ΣN3sinγ=Σm2 拉伸工艺： ⑴外模组配：

减径模：α=12～15° 整径模：α=9～12°

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⑵内模组配 组配经验公式为：

D1-D2=0.38～0.46 大管取上限D2-d=2×Tw+Δ 式中：D1——滚压前外径 D2——滚压后外径 d——螺纹芯头外径

Tw——内螺纹铜管的槽底壁厚 Δ——为修正值，一般取±0.02 ⑶成型配模

生产φ9.52×0.28×0.15(φ×0.35) 选内螺纹芯头为φ9.78×0.15

据经验和计算得：D0=φ12.7 d1=φ11.6 D3=9.52 D1=φ10.78 D2=φ10.36 D1-D2=0.42 d=φ9.78 则工艺为: φ12.7×0.45→φ10.78×0.40→φ10.36× 0.28×0.15→φ9.52×0.28×0.15

3、沿长度上变截面异型管 ⑴旋轧设备 ① 进口

具有自动进料卸料装置、中间光面停轧系统、定尺装置、内外润滑冷却装置，生产单一产品。② 轧制速度较慢，轧辊角度调节器正较难，可生产多规格产品 铜铝复合高翅管（图）略 内螺旋外花纹管 （图）略 1) 翅片管成形技术 ① 翅片管材尺寸表示方法

a、如有光面段，通常以光面段尺寸表示φD0×S0该产品规格，另附：齿距t、齿高，槽底壁厚S1和成形后外径D1，若作为空调、冷冻机等散热器用管材D1一般比光面段小0.01～0.05㎜

如:D0为16㎜，则：D1=15.85～15.95㎜

b、如无光面段，一般用D1×D2×d×t表示。 ② 翅片管成形变形特点

轧件在轧辊的带动下作螺旋直线运动，通过轧辊轧槽与芯棒组成的孔型逐渐加工成翅片管，其变形过程具有如下特点：

a、周期性反复加工：轧件上任一点金属每旋转一 周与三个轧辊各接触一次，因此会出现单头和三头产品 单头：三个轧辊沿同一路线旋转。

三头：三个轧辊沿各自路线旋转，故容易乱齿。

b、集中表面变形:在冷轧条件下,单位压缩量受到旋转条件的，集中表面变形轧件的变形很不深透，造成横截面上严重的不均匀变形，严重时造成齿顶部裂纹。 c、小延伸：由于旋轧时，迫使金属向径向变形(例翅片增高)，故延伸变形很小，一般在1.05～1.1之间(铜、铝产品)，延伸系数小，显然对翅征成型有利，为了正确反映实际变形程度的大小，通常以表面增加系数来表示，即：μb=Fb/Fb0 式中：μb—— 表面增加系数

Fb—— 一个螺距长度翅片管的外表面积 Fb0—— 一个螺距长度管坯的外表面积

显然：μb愈大，齿高就愈大，但成型难度亦愈大，在实际生产中，高齿管比低翅管的生产难度更大。 ③ 翅片管成型过程

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根据其变形过程，在旋轧时采用咬入、辗轧、整形三个阶段

a、咬入阶段a

此阶段自轧件与轧辊接触开始至槽底壁厚减小到成品壁厚为止，该阶段由于管坯与芯棒存在一定的间隙Δ，开始使管坯压扁管坯与芯头接触才成型，故在内壁存在压槽，其中Δ的选取相当重要 Δ↑，翅片相对较低，但可保证成形后的外径D1比管坯D0小，若Δ↑↑，压扁↑↑，出现轧卡。 Δ↓,翅片相对较高，但D1可能比D0大，底壁厚随之减薄. 例：现生产φ16×1.2翅片管，要求齿高h=0.9，底壁厚S1=0.6， 成型后外径为15.9。 芯头直径：

d=16-2（0.05+0.9+0.6）=12.9

Δ=(16-2×1.2)-12.9=0.7 b、辗轧阶段b

在辗轧阶段轧辊凸缘（刀片）停止向径向切槽，而是通过增加刀片的厚度或改变刀片的形状迫使金属向刀片与刀片之间的间隙高度方向变形，从而使翅片逐渐增高。 c、整形阶段c

当通过咬入段和辗轧段后，其断面形状和尺寸基本定形，最后通过几个整形刀片使产品断面得到规正，同时使轧件内孔逐渐转圆而使芯棒与内孔全部脱离接触。 ① 坯料尺寸确定 a、对于有光面段的翅片管，其坯料尺寸即为光面段尺寸（一般为低翅片管） b、对于无光面段的中翅片或高翅片管，其坯料尺寸可按下式确定（据体积不变推出）

式中：μ——延伸系数1.05～1.1 h——翅片高度

B、b——翅片根部和顶部宽度 t——翅片螺距（齿距） d1、d——翅片根部和内孔直径 r——翅片根部圆弧半径 d为芯头直径=成品内径，比d0小0.3～1㎜ 即: d0=d+(0.3～1)㎜ 所以:S0=(D0-d0)/2

图A：轧辊由入口锥、辗轧段和整形段三部分组成，

其中：入口锥：ψ=2～4° 长度a≥(D0-d1)/2tg4° 其中：d1—槽底直径

例如：φ16×1翅片管

a =（16-14.45）/2 tg4°= 11㎜

如果齿距为1，则刀片数为11～12片

辗轧段：刀片数一般取5片 整形段：刀片数一般取2～3片 b、刀片的设计

低翅片管：H——为翅片管齿距

φ=（4～6）d1 或 φ=2h+2Δ+2e+ds 式中：Δ=0.4～1㎜ e=6～12㎜ ds——轧辊直径 φ1=φ-2h-Δ B、b按产品尺寸设计

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r=0.5b

中、高翅片管：应变化b的尺寸或变化齿顶角α 若b变化：则在辗轧段逐渐增大

若α变化：则在辗轧段逐渐减小 (P161有例可证) 2) 外花纹（轧花管）生产 3）外波纹管生产 4）内螺旋、外翅、外花、外波纹生产 d比光面管芯头大0.5～0.8㎜

6）细翅片花纹管（图略）

7）外花波纹管（图略） 8）连接管

外波纹管是用在空调,电冰箱中的万向连接管件,并且比光面管的散热效果增加30%左右,能源消耗降低10%左右.随着我国经济的飞速发展,人们的收入不断提高,空调、电冰箱等这些过去的高消费产品,逐渐进入了普通百姓家庭,并从城镇进入农村,因此有很大的市场潜力[1].所以外波纹管加工的市场前景很好.鉴于上述原因,笔者探索了在普通车床上利用滚压原理的方法加工外波纹管[2].用该种方法加工设备简单、操作简便、投资少、加工效率高,加工出的外波纹管的波纹平滑、均匀,并且波纹的高度大于吃刀深度,其形状如图1 所示图1 加工出的外波纹管（图）略 9）多头螺旋管（图略）

2 外波纹管的成形过程

本次实验采用滚压成型的原理，设计了一套加工装置。外波纹管利用三把成一定角度的行星刀来加工，行星刀能依靠卡盘的三个爪子同时吃进，同时退出[3]。加工时，三把刀先压入管坯，管坯旋转时，就有力作用在刀口上，这个力的轴向分量使得成型刀沿轴向移动，切向分量使得刀能旋转，以此加工出外波纹管。加工装置简图如图2所示。 图2 加工装置简图

2.1实验条件

实验是在普通车床上进行，车床型号为C6132A，工件材料为挤压拉伸后外径为ø20mm、厚度为1mm的紫铜管，刀具材料为Cr12，材料为45#的芯棒和芯棒套 2.2管坯的准备

将紫铜在电阻炉石墨坩埚中熔炼，浇注成铸锭，在300吨立式挤压机上进行挤压，再拉伸成ø20×1mm的铜管后，将管坯锯成500mm长，然后放入箱式加热炉中进行退火，温度为570℃，保温1个小时。时间达到之后将管子取出，用自来水冲去表面氧化皮，再放入浓度为18%（体积百分数）的硫酸溶液中，浸泡2～5分钟后取出并用自来水冲洗，吹干待用。 2.3 车床和刀具的调整

将车床调整到螺纹加工状态，螺距选择6mm，转速为12转/分，调整刀具的旋转角度和压下量，成型刀放在靠近卡盘一边，启动车床，这样就可以进行外波纹管加工了。 加工时，由于刀具的进给运动和工件的旋转运动，刀具沿进给反方向挤压凸边，使凸边产生塑性变形而在其表面形成一段挤凸物，称之为“鼓包”，如图3所示。它的大小由刀具挤压面的形状、挤压倾角和刀具进给量所决定。由于运动的连续性，沿轴向成螺旋状，其外形看起来成波纹状，所以称之为外波纹管。 3 外波纹管成形的影响因素和分析

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3.1 刀具旋转角度与外波纹管参数的关系

刀具的旋转角度α和外波纹管的参数如图4所示.旋转角度α越小,波纹的倾斜角度β就越大,波距t也越小，在同样的进给量的情况下,齿高h值就小.如果角度α小，波纹的圆弧度不好,即R1和R2半径小,看起来比较尖锐,并且波纹的一边带有滑伤的痕迹。但是旋转角度也不能过大，

否则波纹过大。三把刀具的旋转角度应该一致,否则加工出的波纹的宽度不均匀。根据多次加工实验，角度一般选在60～70º之间，波纹宽度比较均匀、弧度平滑、深浅一致。 图4 刀具的旋 转角度α和外波纹管的参数 3.2 刀具进给量与铜管成形的关系

我们刚开始做实验的时候,进给量一次性放到很大的尺寸,既刀具接触到芯棒套.加工出的产品在加工的方向上明显的滑伤痕迹,并且沿加工方向的波纹圆弧度小,接近于平面走到波峰,再以较大的圆弧度进行到波谷,波纹间距小,图5所示.并且受到刀具强度及系统刚性等条件的,过大的进给量回很快使刀具变形或发生偏移,从而减少了刀具的使用寿命[4].所以必须进行多次加工,本实验比较了两次和三次加工,以三次加工出的外形形状最好看,并且符合外波纹管的尺寸要求,加工出产品形状如图1所示. 3.3 刀具的运动方向与铜管成形的关系

将车床调到自然旋转（不加工螺纹）状态，成型刀放在靠近卡盘的位置，将成型刀压入管坯1mm左右，使刀能在管坯旋转的同时也旋转，并能沿远离卡盘的方向移动。加工出来的三条波纹宽度均匀、圆弧平滑。如果沿顶针的地方向卡盘方向移动，波纹宽度有差别，有的宽，有的窄；有的深，有的浅，很不均匀，并且还有滑伤的痕迹， 如图6所示，所以刀具必须背离卡盘的方向移动。

图6 产品外形 （图略）

3.4 管坯的不同状态对外波纹管成形的影响

将锯好的管坯不经退火直接套到芯棒及芯棒套上，并且夹在车床卡盘上。调整好三把成型刀，使其与管坯之间接触。启动车床使其反转，转速为12转/分，调整刀的压下量，使她能随着管子旋转，并且可以沿轴向移动（由卡盘方向靠近向顶针的方向移动）。加工出来的 管子表面波纹不明显，刀的压痕很浅，并且很难压下，刀具会很快损坏，所以管坯必须为软态成形才较为理想。 4 结论

（1）刀具的旋转角度一般选在60～70º之间，波纹宽度比较均匀、弧度平滑、深浅一致。（2）铜管成形分三次加工，过大的进给量会很快使刀具变形或发生偏移，从而减少了刀具的使用寿命，并且波纹圆弧度小，一边接近于平面，有滑痕。（3）成型刀放在靠近卡盘的位置，并能沿远离卡盘的方向移动，加工出来的三条波纹宽度均匀、圆弧平滑。（4）管坯必须为软态，否则加工出来的管子表面波纹不明显,刀的压痕很浅,并且很难压下，刀具会很快损坏。

九.环保无铅铋黄铜图片（图略）

十.电脑散热片新材料

十一.铜粉导电胶

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