高强度铜合金矫直关键技术

2014-04-12李俊峰陈欣

中国有色金属 2014年24期

关键词：棒材导板高强度

李俊峰陈欣|文

本文通过总结小规格、高强度金属的矫直关键技术及调试过程中工艺的优化，为设计、现场调试及后续使用提供帮助。

随着我国汽车行业的快速发展，高强度耐磨铜合金逐渐替代普通铜合金而应用于该行业，如同步器齿环、变速箱滑块、阀门部件等，通常这些部件是通过挤压的管、棒材直接加工而成，往往根据工艺要求需要对高强度铜管、棒材进行矫直等处理。

本文以承接的高强度合金铜棒二辊矫直机生产线这一工程项目为依托，根据调试总结出高强度、小规格铜棒矫直的关键技术，并通过调试试验对工艺流程进行优化。

项目简介

该项目要求的矫直规格为φ10～40mm的棒材，材料为高强度耐磨铜合金，屈服极限σs≈600MPa，其中代表规格及材质为φ12.7mm、H5908（不同于标准成分，用户根据成品性能要求自己增加了一些微量元素），成品为汽车配件。

根据待矫料的参数，确定主机采用立式二辊矫直机方案，上凹下凸。下凸辊带有液压负荷控制油缸；上凹辊压下速度可调，压下量数显，保证压下精度；上下辊角度自动调整，角度数显，调整准确、方便。

高强度、小规格棒材矫直的关键技术

矫直机矫直精度实现与否关键在于辊形的正确性，目前辊形设计比较成熟，加工方法比较多，在已知材料力学性能的前提下，辊形的设计及加工均能得到保证，除此之外还有其他关键技术需要注意，下面根据现场调试总结出以下几点，供设计参考。

1.侧导板

侧导板材质。对于高强度、小规格的立式二辊棒材矫直机来说，对侧导板的导向、对中要求特别高。矫直过程中，前后侧导板为两对角受力，所以侧导板磨损通常从两对角开始。矫直小规格棒料时，侧导板厚度本身就很薄（厚度小于待矫直的棒材直径），对于铜材料来讲，如果采用尼龙导板，前后侧导板两对角磨损特别快。对于强度高的材料，矫直1至2根料后侧导板就需要重新修磨、调整，否则导板的导向性变差，进而影响矫直精度及稳定性；其次小规格尼龙侧导板的刚度差，也会影响矫直精度及稳定性，所以针对这种高强度、小规格的铜棒，建议采用合金钢侧导板，与棒材接触的端面淬火、抛光处理，具有刚度好、耐磨等优点。钢导板经现场使用证实其导向刚度好，耐磨性大大提高，保证了棒材在矫直过程中的稳定性，从而保证了矫直精度。

图1 二辊反弯辊形工作状态

侧导板形状。矫直中、低强度时，侧导板与棒材接触的端面一般设计成等厚度，而对于高强度、小规格的棒材，如果接触端面为等厚度式，由于弯曲曲率半径ρw较小，矫直时，棒材所形成的弯曲低于侧导板两端的下底面，容易造成导向不稳及表面划伤等。所以高强度、小规格的棒材的侧导板接触面为曲面，类似于凸辊形状。

棒材的弯曲半径ρw按下式计算：

其中：ρt-弹性曲率半径，mm；

E-材料弹性模量，MPa；

d-棒材直径，mm；

σs-屈服强度，MPa；

Cw-反弯曲率比，1.4～1.6

2.入口、出口导卫

入口导卫基本为固定喇叭状或可开合式，对于高强度、小规格的棒材矫直而言，无论采用何种导卫形式，关键要求入口导卫内孔要小（D导卫内孔=D棒材+5，mm），同时入口导卫要尽可能靠近矫直辊，这样不但保证棒材好咬入，同时可使棒材的抖动减小。

目前的二辊矫直机凸凹辊形大都采用单向单曲率反弯的空间曲线，其辊缝形态如图1所示。

对于高强度、小规格棒材的弯曲曲率半径ρw较小，在二辊辊缝中形成的压弯量δ非常大，入口侧和出口侧棒材明显倾斜，所以要求导卫孔为倾斜状；同时为适应不同材质要求，导卫倾斜角度可调。

生产线工艺流程优化

1.优化前的工艺流程

最初，该产品的工艺流程为：挤压—冷拉—矫直—退火—高速车床加工成品。该工艺流程缺陷有以下几点：

冷拉料矫直精度不稳定，矫直缺陷多。矫直前一道工序为液压拉拔，调试时，对于φ12.7mm、H5908的冷拉料，要求的矫直精度为0.5mm/m，经过现场反复试验发现：一部分直度能达到要求，一部分出现矫裂、矫断，一部分直度在0.5～1mm/m之间，且对于矫直过的棒材经过探伤，内部缺陷较多。分析得出该材料冷拉后矫直所需的压弯量已进入材料的破坏区域，所以不能直接进行矫直，这一点从后续材料性能实验数据得以验证（见表1），可以看出，冷拉后材料的屈服强度与抗拉强度很接近，对于矫直来说要使工件超过弹性变形到弹塑性变形，从而达到矫直目地。但此冷拉材料一旦超过弹性极限就接近破坏边缘，这也是矫直后探伤时内部缺陷多的原因所在。

退火后直度破坏。初始确定的工艺为表1中的工艺2，按此工艺即使矫直合格，由于冷拉料内应力很大，退火，应力释放，直度被破坏，表2为矫直料退火前后所测的直度数据。后一道工序为无心车床加工成品，无心车床要求：料长≤2m，来料直度≤0.5mm/m，所以退火放在成品加工前一道不合理，无法实现车床加工工序。

表1 不同工艺下的材料拉伸性能实验数据

表2 矫直料退火前后直度数据

2.优化后的工艺流程

针对上述问题提出退火后增加一道工序：矫直，即表1中的工艺3，通过拉伸试验测量，得工艺2和工艺3的性能数据基本相同，直度达到0.1～0.3mm/m，所以矫直工序放在最终工序前是可行的、合理的。

根据以上工艺过程试验可得出：冷拉料特性决定不能直接进行矫直（表1的工艺1），所以需要改变材料状态进行试验，即矫直前增加退火（表1中的工艺2、3），矫直后材料的性能及直度满足要求，于是确定最终的工艺流程，即表1中的工艺4。退火料由于强度降低，矫直精度容易保证，且不会出现矫裂、矫断及内部产生裂纹等缺陷，并通过拉伸试验测量其性能数据也满足要求。

所以，优化后的工艺流程为：挤压—冷拉—退火—矫直—车床加工成品，目前用户已按此工艺流程投产使用，效果良好。