高強(qiáng)度銅合金矯直關(guān)鍵技術(shù)

李俊峰 陳欣|文

本文通過(guò)總結(jié)小規(guī)格、高強(qiáng)度金屬的矯直關(guān)鍵技術(shù)及調(diào)試過(guò)程中工藝的優(yōu)化，為設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及后續(xù)使用提供幫助。

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度耐磨銅合金逐漸替代普通銅合金而應(yīng)用于該行業(yè)，如同步器齒環(huán)、變速箱滑塊、閥門部件等，通常這些部件是通過(guò)擠壓的管、棒材直接加工而成，往往根據(jù)工藝要求需要對(duì)高強(qiáng)度銅管、棒材進(jìn)行矯直等處理。

本文以承接的高強(qiáng)度合金銅棒二輥矯直機(jī)生產(chǎn)線這一工程項(xiàng)目為依托，根據(jù)調(diào)試總結(jié)出高強(qiáng)度、小規(guī)格銅棒矯直的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目要求的矯直規(guī)格為φ10～40mm的棒材，材料為高強(qiáng)度耐磨銅合金，屈服極限σs≈600MPa，其中代表規(guī)格及材質(zhì)為φ12.7mm、H5908（不同于標(biāo)準(zhǔn)成分，用戶根據(jù)成品性能要求自己增加了一些微量元素），成品為汽車配件。

根據(jù)待矯料的參數(shù)，確定主機(jī)采用立式二輥矯直機(jī)方案，上凹下凸。下凸輥帶有液壓負(fù)荷控制油缸；上凹輥壓下速度可調(diào)，壓下量數(shù)顯，保證壓下精度；上下輥角度自動(dòng)調(diào)整，角度數(shù)顯，調(diào)整準(zhǔn)確、方便。

高強(qiáng)度、小規(guī)格棒材矯直的關(guān)鍵技術(shù)

矯直機(jī)矯直精度實(shí)現(xiàn)與否關(guān)鍵在于輥形的正確性，目前輥形設(shè)計(jì)比較成熟，加工方法比較多，在已知材料力學(xué)性能的前提下，輥形的設(shè)計(jì)及加工均能得到保證，除此之外還有其他關(guān)鍵技術(shù)需要注意，下面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試總結(jié)出以下幾點(diǎn)，供設(shè)計(jì)參考。

1.側(cè)導(dǎo)板

側(cè)導(dǎo)板材質(zhì)。對(duì)于高強(qiáng)度、小規(guī)格的立式二輥棒材矯直機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)側(cè)導(dǎo)板的導(dǎo)向、對(duì)中要求特別高。矯直過(guò)程中，前后側(cè)導(dǎo)板為兩對(duì)角受力，所以側(cè)導(dǎo)板磨損通常從兩對(duì)角開(kāi)始。矯直小規(guī)格棒料時(shí)，側(cè)導(dǎo)板厚度本身就很?。ê穸刃∮诖C直的棒材直徑），對(duì)于銅材料來(lái)講，如果采用尼龍導(dǎo)板，前后側(cè)導(dǎo)板兩對(duì)角磨損特別快。對(duì)于強(qiáng)度高的材料，矯直1至2根料后側(cè)導(dǎo)板就需要重新修磨、調(diào)整，否則導(dǎo)板的導(dǎo)向性變差，進(jìn)而影響矯直精度及穩(wěn)定性；其次小規(guī)格尼龍側(cè)導(dǎo)板的剛度差，也會(huì)影響矯直精度及穩(wěn)定性，所以針對(duì)這種高強(qiáng)度、小規(guī)格的銅棒，建議采用合金鋼側(cè)導(dǎo)板，與棒材接觸的端面淬火、拋光處理，具有剛度好、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。鋼導(dǎo)板經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證實(shí)其導(dǎo)向剛度好，耐磨性大大提高，保證了棒材在矯直過(guò)程中的穩(wěn)定性，從而保證了矯直精度。

圖1 二輥反彎輥形工作狀態(tài)

側(cè)導(dǎo)板形狀。矯直中、低強(qiáng)度時(shí)，側(cè)導(dǎo)板與棒材接觸的端面一般設(shè)計(jì)成等厚度，而對(duì)于高強(qiáng)度、小規(guī)格的棒材，如果接觸端面為等厚度式，由于彎曲曲率半徑ρw較小，矯直時(shí)，棒材所形成的彎曲低于側(cè)導(dǎo)板兩端的下底面，容易造成導(dǎo)向不穩(wěn)及表面劃傷等。所以高強(qiáng)度、小規(guī)格的棒材的側(cè)導(dǎo)板接觸面為曲面，類似于凸輥形狀。

棒材的彎曲半徑ρw按下式計(jì)算：

其中：ρt-彈性曲率半徑，mm；

E-材料彈性模量，MPa；

d-棒材直徑，mm；

σs-屈服強(qiáng)度，MPa；

Cw-反彎曲率比，1.4～1.6

2.入口、出口導(dǎo)衛(wèi)

入口導(dǎo)衛(wèi)基本為固定喇叭狀或可開(kāi)合式，對(duì)于高強(qiáng)度、小規(guī)格的棒材矯直而言，無(wú)論采用何種導(dǎo)衛(wèi)形式，關(guān)鍵要求入口導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)孔要?。―導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)孔=D棒材+5，mm），同時(shí)入口導(dǎo)衛(wèi)要盡可能靠近矯直輥，這樣不但保證棒材好咬入，同時(shí)可使棒材的抖動(dòng)減小。

目前的二輥矯直機(jī)凸凹輥形大都采用單向單曲率反彎的空間曲線，其輥縫形態(tài)如圖1所示。

對(duì)于高強(qiáng)度、小規(guī)格棒材的彎曲曲率半徑ρw較小，在二輥輥縫中形成的壓彎量δ非常大，入口側(cè)和出口側(cè)棒材明顯傾斜，所以要求導(dǎo)衛(wèi)孔為傾斜狀；同時(shí)為適應(yīng)不同材質(zhì)要求，導(dǎo)衛(wèi)傾斜角度可調(diào)。

生產(chǎn)線工藝流程優(yōu)化

1.優(yōu)化前的工藝流程

最初，該產(chǎn)品的工藝流程為：擠壓—冷拉—矯直—退火—高速車床加工成品。該工藝流程缺陷有以下幾點(diǎn)：

冷拉料矯直精度不穩(wěn)定，矯直缺陷多。矯直前一道工序?yàn)橐簤豪?，調(diào)試時(shí)，對(duì)于φ12.7mm、H5908的冷拉料，要求的矯直精度為0.5mm/m，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：一部分直度能達(dá)到要求，一部分出現(xiàn)矯裂、矯斷，一部分直度在0.5～1mm/m之間，且對(duì)于矯直過(guò)的棒材經(jīng)過(guò)探傷，內(nèi)部缺陷較多。分析得出該材料冷拉后矯直所需的壓彎量已進(jìn)入材料的破壞區(qū)域，所以不能直接進(jìn)行矯直，這一點(diǎn)從后續(xù)材料性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證（見(jiàn)表1），可以看出，冷拉后材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度很接近，對(duì)于矯直來(lái)說(shuō)要使工件超過(guò)彈性變形到彈塑性變形，從而達(dá)到矯直目地。但此冷拉材料一旦超過(guò)彈性極限就接近破壞邊緣，這也是矯直后探傷時(shí)內(nèi)部缺陷多的原因所在。

退火后直度破壞。初始確定的工藝為表1中的工藝2，按此工藝即使矯直合格，由于冷拉料內(nèi)應(yīng)力很大，退火，應(yīng)力釋放，直度被破壞，表2為矯直料退火前后所測(cè)的直度數(shù)據(jù)。后一道工序?yàn)闊o(wú)心車床加工成品，無(wú)心車床要求：料長(zhǎng)≤2m，來(lái)料直度≤0.5mm/m，所以退火放在成品加工前一道不合理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)車床加工工序。

表1 不同工藝下的材料拉伸性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 矯直料退火前后直度數(shù)據(jù)

2.優(yōu)化后的工藝流程

針對(duì)上述問(wèn)題提出退火后增加一道工序：矯直，即表1中的工藝3，通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)量，得工藝2和工藝3的性能數(shù)據(jù)基本相同，直度達(dá)到0.1～0.3mm/m，所以矯直工序放在最終工序前是可行的、合理的。

根據(jù)以上工藝過(guò)程試驗(yàn)可得出：冷拉料特性決定不能直接進(jìn)行矯直（表1的工藝1），所以需要改變材料狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，即矯直前增加退火（表1中的工藝2、3），矯直后材料的性能及直度滿足要求，于是確定最終的工藝流程，即表1中的工藝4。退火料由于強(qiáng)度降低，矯直精度容易保證，且不會(huì)出現(xiàn)矯裂、矯斷及內(nèi)部產(chǎn)生裂紋等缺陷，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)量其性能數(shù)據(jù)也滿足要求。

所以，優(yōu)化后的工藝流程為：擠壓—冷拉—退火—矯直—車床加工成品，目前用戶已按此工藝流程投產(chǎn)使用，效果良好。

結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)總結(jié)高強(qiáng)度、小規(guī)格銅合金矯直的關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）側(cè)導(dǎo)板剛性及耐磨性要高，且做成曲面形狀，保證接觸、導(dǎo)向良好；

（2）入口導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)孔設(shè)計(jì)參考公式：D導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)孔=D棒材+5，mm ；

（3）出、入口導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)孔成傾斜狀。