銅合金高效管軋制模擬優(yōu)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(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070）

銅合金高效管的軋制生產(chǎn)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(guī)格一般為12.7~25.4mm，加工前后的體積V0和V1相等，延伸系數(shù)μ一般在1左右。

在二輥周期式冷軋工藝的基礎(chǔ)上嚴(yán)格按照生產(chǎn)專業(yè)化、數(shù)控化的想法，對加工參數(shù)進行調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)品加工流程，建立更加科學(xué)高效的生產(chǎn)單元。通過模擬優(yōu)化和實驗論證的方式，結(jié)合實際加工能力，以最優(yōu)的工藝方案保證產(chǎn)品質(zhì)量和形狀精度[1]。

1 銅合金高效管的軋制生產(chǎn)工藝優(yōu)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(nèi)，另外因為爐內(nèi)溫度的不平衡性，廠家進行實際生產(chǎn)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(jù)變形系數(shù)保證成品的軟硬。

周期式軋制機是銅合金管材生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種生產(chǎn)方法，在一定的頻率控制下，管材送進往復(fù)運動的軋槽，芯棒支撐下的內(nèi)壁依靠不斷收縮的作用碾壓，實現(xiàn)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(fù)運動的軋程中最大限度地運用了金屬的可塑性，充分發(fā)揮了材料的塑性和加工效率[2]。

雖然現(xiàn)在主要的工藝還是冷軋開坯生產(chǎn)，但是在未來的發(fā)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(yīng)用，因此模擬與實驗研究基于這種技術(shù)關(guān)鍵來進行。

2 技術(shù)方案的優(yōu)化與應(yīng)用

銅合金高效管的軋制技術(shù)的目標(biāo)是，保證管產(chǎn)品的性能、形狀，還要保證軋制工作效率。當(dāng)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(chǎn)循環(huán)和質(zhì)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(nèi)，降低了基材進入軋制工序的危險。

根據(jù)銅合金的性能要求，高速軋制時循環(huán)送回設(shè)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(huán)的回轉(zhuǎn)期時間降低到0.06秒，在軋制過程中，系統(tǒng)處于送進―啟動―加速―減速―終止的頻繁循環(huán)中，傳動必須依靠可靠性高的結(jié)構(gòu)。

目前，先進的高效軋機一般采用直流調(diào)控凸輪和變速、絲杠，間斷的回轉(zhuǎn)取代連續(xù)回轉(zhuǎn)形式，在傳送機運行停止的過程中，減輕沖擊和回轉(zhuǎn)距離，及時提升運行速度和送進效率。軋制孔型對軋制的穩(wěn)定性和軋制質(zhì)量影響比較大，按照生產(chǎn)公式結(jié)合軋制經(jīng)驗系數(shù)進行計算，將軋制孔型和芯棒的系數(shù)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(shù)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(guān)注的一點是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)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(guī)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(guān)鍵參數(shù)就是軋制機齒輪的開口大小選取，在設(shè)定時可以根據(jù)已經(jīng)得到驗證和廣泛使用的經(jīng)驗公式進行節(jié)園直徑估算。

從制作過程看來，胚管變形指數(shù)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(xiàn)有程度時，軋制行程在10m時分散系數(shù)在15即可，這對于銅合金高效管的生產(chǎn)已經(jīng)足夠了。

3 軋制前后的試驗對比分析

軋管機的主要指標(biāo)是生產(chǎn)效率，這是考察其先進程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。先不考慮軋制的合金管數(shù)p，高效軋制的技術(shù)為：

其中μ是延伸系數(shù)，m是與延伸系數(shù)和生產(chǎn)管孔狀相關(guān)的輸入量，n是與運行穩(wěn)定性和軋制機相關(guān)的循環(huán)次數(shù)，κ是與輔助用時相關(guān)的設(shè)備利用系數(shù)。

為了尋求各種主要因素對銅合金高效管的軋制成型產(chǎn)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(zhuǎn)角度和摩擦系數(shù)等因素對銅合金高效管的影響，根據(jù)軋制過程中銅合金所包含的各類金屬情況，探究設(shè)備角度、內(nèi)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(jié)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(jù)不同摩擦系數(shù)、偏轉(zhuǎn)角、軋制轉(zhuǎn)速的影響，產(chǎn)生不同軋制系數(shù)下的軋制力，采用對比的試驗方式設(shè)計模擬方案，建立有限元訓(xùn)練樣本，確定隱含節(jié)點數(shù)，分析不同參數(shù)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(biāo)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(xué)性能的符合程度。

4 結(jié)語

通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，銅合金高效管的生產(chǎn)一般選擇在加工軋制過程中嚴(yán)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(yīng)力，更加合理的計算方式是最大強度變化量與安全因數(shù)的商。在初始設(shè)備較小改動的前提下，通過優(yōu)化基材，改進軋制工藝，探索更穩(wěn)定的軋制及冷卻技術(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的銅合金管生產(chǎn)，帶動了數(shù)百萬元的經(jīng)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(yōu)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(jié)軋制成形熱力耦合模擬和工藝分析[J].燕山大學(xué)學(xué)報,2017，41(2):116-120.