无锡冷拔管制造原理关于冷拔管应力状态、变形过程、拔制力等的基本原理。

　　冷拔管时的受力状态 冷拔管的主要方式有无芯棒拔制、短芯棒拔制、长芯棒拉制和游动芯棒拔制等。在稳定拔制阶段，各种拔制方式作用在变形区上的外力及应力状态如图1所示。

　　在外力作用下，金属内产生相应的内力，其轴向为拉应力σ1，径向和周向为压应力σr、σt。拔管过程中金属处于一向拉和两向压的应力状态。作用力是拉力和变形时金属处于一向拉和两向压的应力状态，是拔管变形过程基本的力学特征。一向拉两向压的应力状态使金属的变形抗力降低，由于拉应力存在也使金属塑性降低。所以拔制低塑性金属或加工硬化严重的金属比较困难。

　　拔管时由于作用力是施加在锤头部的拉力，管子离开变形区后则管体上作用着拔制拉应力，称拔制应

　　力。为了建立拔制过程，防止拔断，拔制应力必须小于拔制后管子的屈服极限σs，即

　　KB=F/S1<σs

　　式中KB为拔制应力；S1为拔后管子截面积；F为拔制力。

　　无芯棒拔管时的变形过程 (1)变形区和金属变形。无芯棒拔管时所用的变形工具只是一个拔管模。一般变形区始端a-a(图2)截面管子直径为D’0，而变形区的终端b-b截面处的管子直径定为模孔定径带的直径do。实际上无芯棒拔制时，管子的变形开始于与模壁接触之前，而当管子离开模孔入口锥进入定径带后，仍可能继续有一定程度的变形。一般管子开始接触模壁之前直径已略有减小，壁厚已略有增加，管子离开变形后直径仍继续有某些减小，壁厚也有些减薄。在

　　生产中空拔后管子的直径D1。往往略小于定径带模孔的直径。

　　存在不接触变形区的原因是:设想从管子上沿其轴向切下一窄条单元体(图3)，则该窄单元体在整个变形过程中要经过两次弯曲。在入口处由于模壁压力作用而产生第一次弯曲。弯曲结果使部分金属在接触模壁前就开始变形了，形成前不接触变形区。当窄条单元体离开入口锥进入定径带后在原来方向移动的过程中，由于模壁压力消失，窄条单元体在拔制力的作用下将产生方向与前一次相反的另一次弯曲。在这次弯曲过程终了之前，管子继续有某些变形，导致拔后管子直径小于定径带模孔的直径。

　　(2)拔后管子直径的确定。拔后管子的直径D1，是通过空拔模定径带的模孔直径d0来控制，但D1和d0通常是有差异的。一般D10，在某些情况下其差值还比较大。

　　空拔后管子直径应为:

　　D1=d0-a1+a2

　　式中a1为由于不接触变形造成的缩径量；a2为管材直径弹性增加值，由空拔模的弹性变形量和拔后管子弹性恢复量两部分构成。

　　若以△D／D=(D1-d0)/D1×100来度量D1与d0相差的程度(％)，则影响该值大小的具体工艺因素有模子的锥角a、管子的直径与壁厚之比(D/S)以及变形程度等。

　　(3)壁厚变化及均壁作用。无芯棒拔管时在直径减小的同时管子壁厚也发生着变化，即可能减薄、不变或者增加，其原理参见张力减径变形原理有关部分。

　　一个用于壁厚变化的工程计算方法如下:当外径与壁厚比D/J等于5时，则

　　式中为壁厚变化率，△S=S1-S0，S0，S1为管材空拔前和后的壁厚，D0和D1为管材空拔前后的直径，Dc。

　　也可用下式计算厚壁管空拔时的壁厚变化量:

　　空拔过程中，在壁厚发生变化的同时，管材原始横向壁厚不均的程度能有所减小，称为均壁作用。

　　均壁作用的产生是由于管壁上的不同壁厚处在空拔时有不同的壁厚变化，在增厚的情况下，薄壁处增厚多，厚壁处增厚少；在减壁的情况下则相反，壁薄处减薄少，壁厚处减薄多。

　　(4)空拔时不均匀变形及拔制后管子内部的残余应力。空拔过程中金属流动是不均匀的。由于变形的不均匀性相应产生了附加应力(见附加应力定律)。空拔时外层金属自然延伸时的轴向流动速度小于内层，但由于受整体性的制约，在轴向外层金属承受附加拉应力(σ1)，内层金属承受附加压应力(图4)，又由于外层金属在受到轴向附加应力的同时力图减小壁厚和缩小直径，内层金属力图增加厚度和增大直径，因此在周向，外层产生附加拉应力，内层产生附加压应力(仉)。在径向，外层和内层都产生附加压应力(图4)。另外，由于后不接触变形区存在，在轴向和周向，外层和内层也会分别产生附加拉应力和附加压应力。

　　变形结束后，附加应力保留在管体内形成残余应力。轴向残余应力σ1周向残余应力σt和径向残余应力诉的定性分布图如图4所示。在外表面σ1和σt均为拉应力(+)，并具有最大值，且沿壁厚由外向内逐渐减小。在内表面σ1和σt均为压应力(一)，并具有最大值，且沿壁厚由内向外逐渐减小。在壁厚的某一截面矾和吼为零。沿壁厚均为压应力，且在内外表面为零。在壁厚中间具有最大值。外表面轴向和周向残余应力

　　有时可以达到很大的值，它是造成拔后管子爆裂废品的主要原因。

　　金属较脆、变形量过大、环境温度低、拔前管存在较大的加工硬化或者退火时加工硬化没有完全消除以及受冲击等因素，都会增加空拔管的爆裂产生。生产中防止爆裂主要措施是合理确定空拔的变形量，根据需要及时退火，注意打头质量，避免形成蹄形管尾等。采用滚模拔制工艺可使变形过程中外摩擦明显降低，金属不均匀变形明显减小，拔后管内的残余应力σ1和σt可减至固定模拔管时的1／4～1／5。

　　短芯棒拔管时的变形过程 (1)变形区和过程的建立。短芯棒拔管一般使用锥形外模和圆柱形芯棒(图5a)构成变形区，也有使用弧形外模和锥形芯棒的(图5b)，或在生产中两者配合使用。

　　建立短芯棒拔制过程的关键是能否把芯棒带入变形区中。芯棒前端形状是影响芯棒带入条件的主要因素。芯棒前端倒棱的形状应该保证管子内壁与芯棒接触时，作用在芯棒上的正压力尸与摩擦力r合力的水平分力朝向拔制方向。为此，应把芯棒前端倒成锥形(倒角一般为45。)，以防止倒成弧形。

　　在稳定拔制阶段，管的变形过程是先减径，继之减壁，最后定径。因而短芯棒拔制时的变形区由减径区(图5中的I)、减壁区(图5中的Ⅱ)和定径区(图5中的Ⅲ)3部分组成。

　　(2)金属流动和变形。短芯棒拔制时，管壁要减薄，同时管子内外表面都存在摩擦阻力，在空拔时造成金属不均匀变形的因素，在短芯棒拔制时都减弱了，因而金属变形较空拔时均匀，所产生的附加应力和残余应力也小。

　　(3)拔制时的抖动现象。在短芯棒拔制时(主要是使用圆柱形芯棒时)，在一定条件下芯棒一拉杆系统会产生抖动。抖动会使管子表面产生明暗交替的环纹，损坏模具并发出很大的噪声。产生抖动的基本原因在于这种拔制方式的芯棒～拉杆系统是一个弹性振动系统。在拔制过程中作用在芯棒上的总摩擦力与拉杆弹性拉伸的反力相平衡。若在拔制过程中作用在芯棒上正压力和摩擦系数频繁变化，则上述的平衡条件将不断改变，拉杆的弹性变形和芯棒位置也随之不断改变，引起芯棒一拉杆系统的强迫振动进而产生抖动。

　　生产中促使抖动产生的主要因素有:拔前退火、酸洗、清洗和润滑的质量差；拉杆的直径过小和长度过大以及拔制时变形量过大。当拔制速度过高时也容易产生抖动。

　　长芯棒拔管时的变形过程 长芯棒拔管时芯棒随管子一起运动，从而可以降低拔制力和增加道次变形量，变形较均匀且由于芯棒是运动的，内表面质量好。长芯棒拔制的缺点是:长芯棒制造较困难，拔后需要脱棒。

　　游动芯棒拔管时的变形过程 如改变短芯棒的设计，使芯棒由前圆柱段I、圆锥段Ⅱ和后圆柱段Ⅲ组成(图6)且将各主要参数设计恰当，则拔制过程中作用在芯棒上的各轴向力会自相平衡，虽不用拉杆作轴向固定，芯棒能稳定地保持在变形区的一定位置，这种芯棒叫游动芯棒，拔制过程叫游动芯棒拔管。游动芯棒拔制时拔制力较小，道次变形量大，可带芯棒拔制小口径管和长管(卷筒拔制)。

　　(1)实现稳定拔制的条件，游动芯棒拔制时芯棒能

　　否自行稳定地处于变形区中，取决于作用在芯棒上的轴向力是否平衡。当芯棒处于稳定位置时，设在它的前圆柱段和圆锥段上分别作用着单位正压力户。和p及单位摩擦力r。和r(图6)，则必须满足下列力平衡方程:

　　或

　　式中a1为圆锥段芯棒母线的倾斜角；f2为芯棒与管材内表面之间的摩擦系数。

　　因∑p和∑τ，均大于零，所以在满足上述力平衡方程的条件(过程建立条件)是:

　　此式为实现稳定拔制的第一个基本条件。式中β为摩擦角。如果不能满足上述条件，则芯棒将进入模孑L过深造成拔断。

　　实现稳定拔制的第二个基本条件是:游动芯棒的锥角必须小于或等于外模的锥角，即

　　α1≤α

　　不符合此条件，在拔制开始时芯棒上建立不起足够的推力，芯棒将顺着拔制方向移动并在外模入口锥挤压管材而造成拔断。即使不发生断管，在拔制过程中，由于轴向力的变化，芯棒往复移动会将管材内表面挤出明显的环状纹。当外模锥角“a=11o～15o时，可取“a1=9o～13o.

　　(2)道次变形量。若润滑条件良好，在其他条件相同的情况下，游动芯棒拔制时的拔制应力比短芯棒拔制时低，可取较大的道次变形量。与短芯棒拔制相比，游动芯棒拔制时必须具有更大的减径量。

　　影响拔制力的主要因素 生产中为了确定拔管时拉拔机的吨位和拔制应力的大小，以便估计是否存在拔断的危险，必须计算拔制力。可以认为拔制力由3部分组成:

　　F=F’+F’’+F’’’

　　式中F’为单纯消耗于形状和尺寸变化所需的力；F’’为克服摩擦所需的力；F’’’为消耗于不均匀变形所需的力。影响拔制力的因素均与上述3种力有关，主要有:

　　(1)管材本身的力学性能及变形程度。金属屈服极限高、变形程度大时拔制力增大。

　　(2)摩擦条件。拔管时用于克服摩擦力的拔制力，占总拔制力的很大一部分。无芯棒拔制时约为40％；短芯棒拔制时约为60％。在生产中创造条件改善摩擦条件，对降低拔制力有重要意义。为此，必须提高工具工作表面硬度，并降低粗糙度；改善拔制前酸洗、冲洗和润滑等工序的工作质量。

　　(3)模具形状。拔管模的形状对拔制力的大小有影响。对锥形外模试验证明，对应于一定的变形条件，都有一个最佳的锥角范围，这时拔制力最小，小于或大于这个锥角范围拔制力都较大。一般外模定径带愈宽，拔制力愈大。使用弧形外模时，由于这种模具定径带宽，在入口部分圆锥的锥角小，而圆弧段为变动的锥角，只有一部分属于最佳角度范围，因此拔制力比使用锥形外模时大。

　　(4)拔制方式。短芯棒拔制比长芯棒和无芯棒拔制力大。

　　(5)管子的几何尺寸。管材的几何尺寸主要是通过壁厚与直径的比值S/D对拔制应力及拔制力产生影响。短芯棒拔制时，S/D值小则拔制应力大。无芯棒拔制时由于主要是压缩外径，在S/D较小时，S/D对拔制应力的影响不大，但在S/D值很大时，拔制应力比较大，管材容易拔断。

　　拔制力的工程计算 计算拔制力的公式很多，在生产中常用以下经验式进行工程计算:

　　F=K(Q0-Q1)

　　式中K为拔制力系数；Q0和Q1为拔制前和拔制后管子的截面积。

　　K值是根据试验或经验确定的。显然，K值的选取是很重要的，因为影响拔制力的因素很多，而上式中的(Q0-Q1)仅考虑了变形程度的影响，其他因素的影响则全包括在K内。