高強度銅合金矯直關鍵技術

李俊峰 陳欣|文

本文通過總結小規格、高強度金屬的矯直關鍵技術及調試過程中工藝的優化，為設計、現場調試及后續使用提供幫助。

隨著我國汽車行業的快速發展，高強度耐磨銅合金逐漸替代普通銅合金而應用于該行業，如同步器齒環、變速箱滑塊、閥門部件等，通常這些部件是通過擠壓的管、棒材直接加工而成，往往根據工藝要求需要對高強度銅管、棒材進行矯直等處理。

本文以承接的高強度合金銅棒二輥矯直機生產線這一工程項目為依托，根據調試總結出高強度、小規格銅棒矯直的關鍵技術，并通過調試試驗對工藝流程進行優化。

項目簡介

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

根據待矯料的參數，確定主機采用立式二輥矯直機方案，上凹下凸。下凸輥帶有液壓負荷控制油缸；上凹輥壓下速度可調，壓下量數顯，保證壓下精度；上下輥角度自動調整，角度數顯，調整準確、方便。

高強度、小規格棒材矯直的關鍵技術

矯直機矯直精度實現與否關鍵在于輥形的正確性，目前輥形設計比較成熟，加工方法比較多，在已知材料力學性能的前提下，輥形的設計及加工均能得到保證，除此之外還有其他關鍵技術需要注意，下面根據現場調試總結出以下幾點，供設計參考。

1.側導板

側導板材質。對于高強度、小規格的立式二輥棒材矯直機來說，對側導板的導向、對中要求特別高。矯直過程中，前后側導板為兩對角受力，所以側導板磨損通常從兩對角開始。矯直小規格棒料時，側導板厚度本身就很薄（厚度小于待矯直的棒材直徑），對于銅材料來講，如果采用尼龍導板，前后側導板兩對角磨損特別快。對于強度高的材料，矯直1至2根料后側導板就需要重新修磨、調整，否則導板的導向性變差，進而影響矯直精度及穩定性；其次小規格尼龍側導板的剛度差，也會影響矯直精度及穩定性，所以針對這種高強度、小規格的銅棒，建議采用合金鋼側導板，與棒材接觸的端面淬火、拋光處理，具有剛度好、耐磨等優點。鋼導板經現場使用證實其導向剛度好，耐磨性大大提高，保證了棒材在矯直過程中的穩定性，從而保證了矯直精度。

圖1 二輥反彎輥形工作狀態

側導板形狀。矯直中、低強度時，側導板與棒材接觸的端面一般設計成等厚度，而對于高強度、小規格的棒材，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，棒材所形成的彎曲低于側導板兩端的下底面，容易造成導向不穩及表面劃傷等。所以高強度、小規格的棒材的側導板接觸面為曲面，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-屈服強度，MPa；

Cw-反彎曲率比，1.4～1.6

2.入口、出口導衛

入口導衛基本為固定喇叭狀或可開合式，對于高強度、小規格的棒材矯直而言，無論采用何種導衛形式，關鍵要求入口導衛內孔要小（D導衛內孔=D棒材+5，mm），同時入口導衛要盡可能靠近矯直輥，這樣不但保證棒材好咬入，同時可使棒材的抖動減小。

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

對于高強度、小規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，入口側和出口側棒材明顯傾斜，所以要求導衛孔為傾斜狀；同時為適應不同材質要求，導衛傾斜角度可調。

生產線工藝流程優化

1.優化前的工藝流程

最初，該產品的工藝流程為：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：

冷拉料矯直精度不穩定，矯直缺陷多。矯直前一道工序為液壓拉拔，調試時，對于φ12.7mm、H5908的冷拉料，要求的矯直精度為0.5mm/m，經過現場反復試驗發現：一部分直度能達到要求，一部分出現矯裂、矯斷，一部分直度在0.5～1mm/m之間，且對于矯直過的棒材經過探傷，內部缺陷較多。分析得出該材料冷拉后矯直所需的壓彎量已進入材料的破壞區域，所以不能直接進行矯直，這一點從后續材料性能實驗數據得以驗證（見表1），可以看出，冷拉后材料的屈服強度與抗拉強度很接近，對于矯直來說要使工件超過彈性變形到彈塑性變形，從而達到矯直目地。但此冷拉材料一旦超過彈性極限就接近破壞邊緣，這也是矯直后探傷時內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，由于冷拉料內應力很大，退火，應力釋放，直度被破壞，表2為矯直料退火前后所測的直度數據。后一道工序為無心車床加工成品，無心車床要求：料長≤2m，來料直度≤0.5mm/m，所以退火放在成品加工前一道不合理，無法實現車床加工工序。

表1 不同工藝下的材料拉伸性能實驗數據

表2 矯直料退火前后直度數據

2.優化后的工藝流程

針對上述問題提出退火后增加一道工序：矯直，即表1中的工藝3，通過拉伸試驗測量，得工藝2和工藝3的性能數據基本相同，直度達到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。

根據以上工藝過程試驗可得出：冷拉料特性決定不能直接進行矯直（表1的工藝1），所以需要改變材料狀態進行試驗，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。退火料由于強度降低，矯直精度容易保證，且不會出現矯裂、矯斷及內部產生裂紋等缺陷，并通過拉伸試驗測量其性能數據也滿足要求。

所以，優化后的工藝流程為：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使用，效果良好。

結語

本文主要通過總結高強度、小規格銅合金矯直的關鍵技術，得出以下結論：

（1）側導板剛性及耐磨性要高，且做成曲面形狀，保證接觸、導向良好；

（2）入口導衛內孔設計參考公式：D導衛內孔=D棒材+5，mm ；

（3）出、入口導衛內孔成傾斜狀。