新型冷拔鋼管打頭機(jī)

郝潤元，許曉浩

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

冷拔鋼管因其具有表面精度高、機(jī)械性能好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各種汽缸、油缸、石油用管、鍋爐用管等方面［1］。在冷拔鋼管生產(chǎn)過程中需先將管坯頭部縮徑，使頭部先通過拔模，然后由拉拔小車夾持住頭部進(jìn)行拉拔，該管坯頭部縮徑工序稱為打頭。國內(nèi)現(xiàn)有的打頭設(shè)備多為汽錘、夾板錘、各種擠壓機(jī)等，工作環(huán)境差，生產(chǎn)效率不高，很難保證鋼管頭部和拔模的同心度，容易劃傷模具，易造成管端錘實(shí)，不利于后續(xù)酸洗、清洗、潤滑等處理［2-4］。本文將從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理等方面入手，介紹一種新型冷拔鋼管打頭機(jī)，并分析其縮徑成型力計(jì)算公式及生產(chǎn)實(shí)踐工藝參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該新型冷拔鋼管打頭機(jī)主要由夾送機(jī)構(gòu)、主機(jī)及控制裝置組成。

（1） 夾送機(jī)構(gòu)。檢測裝置檢測到鋼管來料后，液壓系統(tǒng)控制兩個夾緊模具夾緊管料，同時液壓缸推動裝置向前送進(jìn)，送進(jìn)的同時連桿機(jī)構(gòu)帶動夾具和管料做一定角度的周期性擺動，保證打頭均勻。

（2） 主機(jī)。主機(jī)通過一臺大功率電機(jī)傳動，電機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上裝有偏心套，偏心套上裝有4 個支撐環(huán)，每個支撐環(huán)上都裝有一個球形支撐，支撐環(huán)和擺臂一端通過球形支撐接觸；擺臂另一端連接打頭模具，中間通過銷軸和機(jī)身鉸接；擺臂上方連接彈簧缸，實(shí)現(xiàn)壓下復(fù)位。當(dāng)偏心套轉(zhuǎn)動時，球形支撐做正弦線提升運(yùn)動，擺臂則在球形支撐和彈簧缸的共同作用下帶動模具擺動。4 個模具對稱分布在管料周圍，主軸高速旋轉(zhuǎn)時，相應(yīng)的4 個錘頭做張開合攏運(yùn)動，對管料頭部進(jìn)行高頻鍛打。打頭機(jī)主機(jī)及錘頭部分的工作原理分別如圖1～2 所示。

圖1 打頭機(jī)主機(jī)工作原理示意

圖2 錘頭部分工作原理示意

4 個錘頭沿材料同一斷面徑向高頻鍛打，使變形區(qū)的金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)［5］，進(jìn)而產(chǎn)生徑向壓縮和軸向延伸，有利于提高管料頭部的塑性。同時高頻鍛打的變形量小，變形速度低，這一特點(diǎn)使坯料變形時金屬流動的路徑變短，摩擦阻力小，容易變形，極大地減少了所需的變形力和消耗的變形功［6］。最終縮徑的形狀由錘頭模具控制。

（3） 控制裝置。控制裝置由接近開關(guān)、位移傳感器、溫度傳感器等各種檢測裝置組成，以檢測來料、控制送進(jìn)行程、檢測溫度，保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 主要優(yōu)點(diǎn)

（1） 可用于碳鋼、合金鋼、工具鋼等多種材料的鍛打［7］，可在冷、熱狀態(tài)下鍛打。熱狀態(tài)下的鍛打溫度一般為800～1 000 ℃，冷狀態(tài)一般是常溫打頭。

（2） 熱狀態(tài)下鍛打的最大管料規(guī)格為Ф127 mm，通過模具調(diào)整和工藝參數(shù)調(diào)整，打頭后管料規(guī)格可以在Ф29～72 mm。

（3） 打頭周期短。根據(jù)鋼管尺寸和頭部長度要求，可在10～30 s 完成打頭。

（4） 脈動加載使金屬變形過程中摩擦阻力降低，變形速度小，變形均勻；三向受壓，有利于提高金屬塑性，避免管料在打頭過程中出現(xiàn)裂紋，提高了管料頭部強(qiáng)度和拉拔性能。

（5） 打頭后管料頭部圓整，能夠很好通過拔模，避免劃傷模具，且避免了管端錘實(shí)，有利于后續(xù)酸洗、清洗等工序。

（6） 打頭過程由液壓及電氣系統(tǒng)控制，便于實(shí)現(xiàn)自動化操作，設(shè)備完全可以投入到生產(chǎn)線建設(shè)，降低了勞動成本。

3 錘頭模具設(shè)計(jì)

錘頭模具設(shè)計(jì)如圖3 所示。錘頭材料為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，錘頭工作表面由凹圓錐面構(gòu)成的預(yù)成型段和凹圓柱面構(gòu)成的整型段組成［8］。圓錐形工作面一方面可以增大成型時與毛坯的接觸面積，加快成型，減少變形的不均勻性；另一方面，毛坯可以逐漸均勻而平穩(wěn)地變形，有利于提高鍛件表面質(zhì)量。整型段的圓柱面可以使鍛打后的坯料表面保持圓整。在熱狀態(tài)下鍛打時錘頭的預(yù)成型段錐角α 取8°～15°，冷狀態(tài)下鍛打時不要超過8°。模具在閉合時，應(yīng)保證模具間隙盡可能小，以防止在鍛打過程中模具間隙部分出現(xiàn)肋筋。本次設(shè)計(jì)模具間隙e 為0.021 mm，整型段長度一般取15～20 mm。整型段的橫截面是凹圓弧狀，為防止錘頭兩側(cè)啃料，在繼續(xù)鍛打時造成折疊，可將該處圓弧半徑比鍛打后的管料半徑R 增大1～2 mm。

圖3 錘頭模具設(shè)計(jì)示意

4 縮徑成型力計(jì)算

縮徑成型力力學(xué)模型如圖4 所示。縮徑成型力F 的計(jì)算按照主應(yīng)力法進(jìn)行［9］，不考慮材料厚度的變化；假設(shè)變形力主要集中在預(yù)成型段，則已變形區(qū)域處于自由狀態(tài)，基本上不再受到變形力的作用；管件與錘頭間的摩擦作用在交界面上產(chǎn)生一個恒定的摩擦剪應(yīng)力，剪應(yīng)力大小與摩擦因數(shù)μ 成正比［10］。接觸面上的壓力q 為：

圖4 縮徑成型力力學(xué)模型

在縮口變形時，變形區(qū)的管徑總是縮小，而軸向伸長；此時，周向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr雖同為壓應(yīng)力，但前者的絕對值大于后者。因此，按絕對值列米塞斯屈服方程，具體為：

式中 β —— 中間主應(yīng)力影響系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在1.000～1.155 之間選取；

Y —— 真實(shí)應(yīng)力。

由于變形區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力是隨著變形程度的不同不斷變化的，所以常用線性硬化形式表達(dá)真實(shí)應(yīng)力Y：

式中 σs—— 屈服強(qiáng)度；

B —— 硬化系數(shù)；

ε —— 對數(shù)應(yīng)變。

由于真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有普遍意義，式（3）中的ε 等效于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的等效應(yīng)變ε。為了簡化計(jì)算，設(shè)ε≈（R-R0）/R0，取其絕對值代入式（3）得：

將式（2）、（4）代入式（1）得：

錐形凹模接觸面上微分段的面積dS 為：

與該微分段相應(yīng)的徑向鍛打力dFy、軸向鍛打力dFx分別為：

5 生產(chǎn)實(shí)踐工藝參數(shù)

該新型打頭機(jī)投入生產(chǎn)線使用后，通過不斷試驗(yàn)和改進(jìn)，最終確立了其合理的工藝參數(shù)范圍。

（1） 鍛打頻次。該打頭機(jī)的鍛打頻率可以達(dá)到560 次/min。

（2） 軸向進(jìn)給速度。軸向進(jìn)給速度直接影響管件的徑向壓下量。若軸向進(jìn)給速度過小，則生產(chǎn)效率低；若速度過大，又很容易造成變形不均勻，表面質(zhì)量不好。熱狀態(tài)下鍛打時取軸向進(jìn)給速度為2～3 m/min，冷狀態(tài)下鍛打時取0.06～0.20 m/min。如果提高軸向進(jìn)給速度，則相應(yīng)的需提高鍛件轉(zhuǎn)速。

（3） 夾頭轉(zhuǎn)速。徑向鍛造時，毛坯隨著夾頭旋轉(zhuǎn)，管料轉(zhuǎn)速即是夾頭轉(zhuǎn)速，錘頭每打擊一次，管件轉(zhuǎn)過一個角度，可以控制管件做周期性擺動，也可控制其做周期性旋轉(zhuǎn)，這樣可以保證模具間隙部分的管料也可以得到鍛打。夾頭轉(zhuǎn)速越高，鍛件外表面越光滑，但夾頭轉(zhuǎn)速過高，鍛打過程中可能將坯料扭彎。試驗(yàn)證明：一般將夾頭轉(zhuǎn)速控制在每分鐘幾十轉(zhuǎn)，即可保證鍛件表面光滑又不致將管坯扭彎。

（4） 鍛造溫度。由于錘擊頻率高，錘頭與管件接觸時間短，所以錘頭帶走的熱量損失少，而打頭過程中由于熱效應(yīng)會使管件升溫。實(shí)踐證明：鍛造后管件的溫度會稍有升高，在制定鍛造工藝時，可適當(dāng)降低鍛造的初始溫度。

6 結(jié) 語

生產(chǎn)實(shí)踐證明：該新型冷拔鋼管打頭機(jī)能夠很好的應(yīng)用于冷拔鋼管打頭上，打出的管料頭部圓整，能夠順利通過拔模，并滿足拉拔要求，打頭速度快、效率高。因此，此種新型冷拔鋼管打頭機(jī)值得在冷拔鋼管生產(chǎn)中大力推廣。

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