銅管拉拔工藝智能計(jì)算平臺開發(fā)

王 順，劉勁松，，陳 巖，王松偉，張士宏

（1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110016）

1 引言

銅作為一種使用廣泛的金屬材料，在空調(diào)、海洋、電力、航天和建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，年產(chǎn)量逐年增加，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2019 年精煉銅的年產(chǎn)量達(dá)到978.4 萬t。另一方面，銅管的加工制造迅速發(fā)展，生產(chǎn)過程中因游動(dòng)芯頭拉拔工藝具有拉拔力小、變形量高、成品率高、成品管材表面質(zhì)量好的工藝特點(diǎn)被普遍使用。但是在成型過程中影響變形的因素也較多，潤滑方式［1-2］、摩擦系數(shù)［3］、游動(dòng)芯頭和外模具的錐角大小和配合度［4-6］以及變形率、拉拔道次和速度［7］均在不同程度上影響著拉伸力和管材質(zhì)量。對拉拔次數(shù)的研究中，申衛(wèi)華［8］曾指出變形量相同的情況下，低道次有利于降低殘余應(yīng)力和缺陷的產(chǎn)生。

當(dāng)前已有的工作主要集中在銅管材成形機(jī)理與質(zhì)量控制等方面，但在管材拉拔工藝智能化設(shè)計(jì)方面尚未見相關(guān)工作報(bào)導(dǎo)，因此，有必要開展銅管材拉拔工藝計(jì)算平臺的開發(fā)工作。本文使用VB 語言結(jié)合AutoCAD 進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)制作了銅管拉拔設(shè)計(jì)平臺，涵蓋雙遞減法、均等法、ZBL 法、金屬硬化程度法和KD-KS法等工藝計(jì)算方法，直接根據(jù)輸入拉拔前后的管材尺寸及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過界面一鍵計(jì)算得出各道次所需工藝參數(shù)，也可對默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整重新計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，與模具設(shè)計(jì)和制圖聯(lián)系在一起，直接得到工藝設(shè)計(jì)過程中的全部圖紙。平臺集工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、制圖于一體的智能化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高銅管拉拔工藝的設(shè)計(jì)效率。

2 平臺概述

平臺涵蓋從拉拔工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)到模具尺寸設(shè)計(jì)和圖紙的繪制，包含多種道次計(jì)算和模具尺寸計(jì)算的方法，利用模塊化設(shè)計(jì)，使各模塊在單獨(dú)使用的時(shí)也能最大限度發(fā)揮作用，圖1 顯示了平臺架構(gòu)，主頁面包含工藝計(jì)算、模具尺寸計(jì)算和模具繪制三大模塊，根據(jù)銅管尺寸和相關(guān)參數(shù)可得到銅管在拉拔過程所需的相關(guān)工藝。

圖1 平臺架構(gòu)

2.1 拉拔工藝模塊

在銅管生產(chǎn)制造過程中，軋制后的銅管需要經(jīng)過一系列的拉拔道次，進(jìn)行相應(yīng)的減徑減壁才能獲得最終成型的管材。雖然銅管塑性很高，但在拉拔過程中加工硬化的存在，不能使得每道次的塑性變形量相同，因此，平臺中嵌入五種不同的工藝計(jì)算方法，分別為雙遞減法［9］、均等法、ZBL 法［10］、金屬硬化程度法和KD-KS法［11］。

拉拔工藝的計(jì)算主要分為兩部分，拉拔次數(shù)計(jì)算和各道次管材尺寸分配。計(jì)算拉拔次數(shù)n（整數(shù)）時(shí)，五種方法均采用相同的公式：

式中λ∑——兩次退火間總延伸系數(shù)，對于管材：

拉拔次數(shù)四舍五入取整后，計(jì)算可得到實(shí)際的平均道次延伸系數(shù)：

表1 冷拔管材公式計(jì)算參數(shù)

在設(shè)計(jì)計(jì)算各道次的外徑減縮系數(shù)和壁厚減縮系數(shù)時(shí)，五種方法各有特點(diǎn)，表2 顯示了五種算法具體計(jì)算公式，雙遞減法使外徑和壁厚的減縮系數(shù)均按照等差數(shù)列遞減排列；均等法在設(shè)計(jì)過程中使壁厚減縮系數(shù)均等，外徑則使用徑差分配的方式；ZBL 法在計(jì)算減壁時(shí)，壁厚減縮系數(shù)按等比數(shù)列進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比等差數(shù)列而言更接近金屬加工硬化曲線，外徑則按等差數(shù)列遞減，要求初始管坯厚度指數(shù)小于0.7，成品管坯厚度指數(shù)小于0.85；KD-KS法由圓管拉拔的延伸系數(shù)計(jì)算近似計(jì)算方法逐步完善得到，其綜合減縮系數(shù)K=KD·KS較大，可充分利用前幾道次金屬塑性好的特點(diǎn)，能通過修正系數(shù)值對結(jié)果智能判斷是否進(jìn)行二次修正；金屬硬化程度法則直接與金屬加工過程中管材的硬度相關(guān)聯(lián)，將管材成型前后的抗拉強(qiáng)度參與當(dāng)中并進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過程最為繁瑣，關(guān)鍵在于對拉拔道次硬化值的復(fù)合計(jì)算，利用平臺可高度降低求解難度。

圖2 為平臺使用雙遞減法計(jì)算管坯外徑為38mm，壁厚1.85mm，抗拉強(qiáng)度為445MPa，成品管外徑為9.52mm，壁厚為0.75mm，抗拉強(qiáng)度為548MPa 的工藝計(jì)算結(jié)果，在結(jié)果中添加顯示了道次的徑差和厚度指數(shù)，也可快速導(dǎo)入到常用的Excel 表格當(dāng)中。另外，為了更直觀的表示各方法拉拔道次的工藝信息，表3 顯示了平臺計(jì)算結(jié)果。

表2 五種拉拔工藝算法公式

圖2 工藝計(jì)算界面

表3 各方法計(jì)算Φ38.00×1.85～Φ9.52 × 0.75 工藝

在初始管坯與成品管坯尺寸相同的情況下，由圖3 可以看出五種計(jì)算方法都可實(shí)現(xiàn)紫銅管的加工。由于初始管坯較大，成品管坯較小，所以拉拔道次與管坯外徑尺寸、管坯壁厚尺寸的關(guān)系趨勢都是隨著拉拔次數(shù)的增加而下降。基于算法的不同，各曲線前幾道次的下降趨勢有所不同，但整體趨于一致，浮動(dòng)不大。均等法一般要求成品管厚度指數(shù)大于0.85，而例中小于0.85，因此使延伸系數(shù)增大，出現(xiàn)明顯差異；KD-KS法中修正誤差可能導(dǎo)致徑差分配出現(xiàn)不合理，故最后道次尺寸有所不同。技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行靈活選擇。

圖3 拉拔道次與管材尺寸關(guān)系

2.2 模具尺寸計(jì)算

游動(dòng)芯頭拉拔模具由芯頭和外模具兩部分組成，其中外模具分為四個(gè)工作帶即潤滑帶、壓縮帶、定徑帶和出口帶，芯頭由大圓柱段、圓錐段和定徑段三段組成，如圖4 所示。

圖4 游動(dòng)芯頭拉拔模具結(jié)構(gòu)

模具主要根據(jù)管材在單道次拉拔前后管材的外徑(D0、Dn)和壁厚（S0、Sn）尺寸并結(jié)合部分參數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該模塊嵌入兩種不同的計(jì)算方法，具體公式對比如表4。兩種算法的不同主要體現(xiàn)在定徑段長度的計(jì)算，有文章［12］也指出，定徑段的的長度對拉拔力有一定影響，平臺設(shè)置兩種計(jì)算方法供選擇。

表4 兩種模具設(shè)計(jì)方法公式 mm

模具尺寸設(shè)計(jì)界面如圖5 所示，顯示了管坯外徑為38mm，壁厚1.85mm 拉拔形成外徑為33mm壁厚1.4mm 管的模具尺寸，在右側(cè)顯示出計(jì)算方法。表5 顯示了兩種算法單道次拉拔過程的結(jié)果，不同心系數(shù)法通過計(jì)算可以提供模具設(shè)計(jì)過程中所需的全部參數(shù)，而純模角法在計(jì)算芯頭尺寸時(shí)，部分參數(shù)只能給出范圍值，另外的值仍需人為定義，因此平臺中嵌入部分可更改的默認(rèn)值，可便捷快速計(jì)算。

圖5 模具尺寸計(jì)算模塊

表5 Φ38.00×1.85～Φ30.00 × 1.4 模具尺寸參數(shù)

圖6 模具設(shè)計(jì)頁面

2.3 CAD 二次開發(fā)

通過在VB 中引用Auto CAD 的庫實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)內(nèi)部連接，進(jìn)行圖形繪制實(shí)現(xiàn)模具繪制的功能。繪圖前對基本信息進(jìn)行預(yù)設(shè)置，例如適宜大小的圖紙、圖層和標(biāo)題欄等，繪制時(shí)與模具尺寸計(jì)算模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，根據(jù)數(shù)值使用基本曲線命令對游動(dòng)芯頭和外模具進(jìn)行圖形輪廓繪制及尺寸標(biāo)注，圖6顯示了二次開發(fā)模塊界面，通過此界面可單獨(dú)在文本框中寫入各段參數(shù)進(jìn)行繪制。

3 結(jié)論

（1）采用Visual Basic 6.0 程序語言開發(fā)了管材拉拔平臺，利用多種模塊實(shí)現(xiàn)管材從管坯到成品的工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，基于AutoCAD 二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)拉拔模具參數(shù)化圖紙的繪制。

（2）提供多種工藝算法與模具算法，涵蓋了多種組合方式，實(shí)現(xiàn)拉拔工藝參數(shù)的智能化設(shè)計(jì)，各模塊之間聯(lián)系緊密，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞。平臺的使用可縮短周期，加快生產(chǎn)速率，提高生產(chǎn)效率。

（3）平臺的建立對生產(chǎn)制造有一定的指導(dǎo)意義，管坯到成品不再局限于經(jīng)驗(yàn)。本文采用的方法也同樣適合類似的參數(shù)化平臺設(shè)計(jì)，如拉拔成型的模擬過程，為開發(fā)者提供參考。