新型无缝钢管冷拔复合模具的研究与应用

【摘要】在无缝钢管生产中，冷拔工序是过程控制的重要生产工序，而冷拔模具是钢管冷拔生产所用的重要用具。笔者结合中式和苏式模具特点，设计了新型复合模具应用于钢管冷拔生产，进一步缩短了钢管生产周期，降低了产品成本，提高产能，为企业创造良好的经济效益。

【关键词】无缝钢管；冷拔复合模具；应用；提高效益

目前，我国无缝钢管在冷拔生产中一直使用中式弧形模具和苏式锥形模具，变形量比较小，导致拔制道次多、生产周期长、成本高、效率低，制约了钢管产能的提高。为了缩短生产周期、提高冷拔效率、降低生产成本，满足市场需求，笔者为所在企业研究了一种新型冷拔复合模具替代现有模具，生产周期平均缩短1/4-1/3，每吨钢管可降低成本200元，效果非常明显，现愿与国内同行共同探讨。

一、改进背景

随着钢管市场的发展，旺盛的客户需求对企业冷拔能力提出新的考验。而传统的中式、苏式冷拔模具允许每个拔制道次的延伸系数为1.2-1.6，钢管生产周期长，导致企业生产能力无法完全满足客户需求。为提高钢管生产效率和经济效益，笔者结合多年机械和生产经验，决定以增加拔制延伸系数的方式，研究设计一种新式冷拔复合模具替代中式模具和苏式模具，并制定与之配套的冷拔工艺，实现缩短生产周期、降低生产成本、提高产能，满足市场需求的目的。

二、现用冷拔模具特点

无缝钢管生产特点是多道次循环生产，生产周期比较长。冷拔作业是钢管生产的核心，冷拔时所用的变形工具主要是拔管模具，钢管在冷拔机的拔制力作用下，在模具限定的区域内通过挤压发生塑性变形，达到设定的形状尺寸。

拔管时模具直接对钢管进行加工，它们对冷拔钢管的产量、质量、消耗和成本有很大影响。目前，国内钢管厂在拔制无缝钢管过程中，所需的模具有中式模具和苏式模具两种，二者各有特点。

1、中式模具优缺点：中式模具的优点是定径带较长，在与锥形芯头配合拔制过程中，钢管实现了减径、增壁到定径、减壁两个变形过程。由于变形区长，钢管横截面变形时间长，内部应力较小，使拔制后的钢管表面质量较好，缺陷少。但是，中式拔管模具由于采用弧形入口，并且定径带长，导致在拔制中拔制力较大，同时拔制速度相对而言较慢。

2、苏式模具优缺点：苏式模具定径带短，在与柱形芯头配合使用中，钢管基本只实现减径到定径、减壁过程。由于定径带短，钢管在变形过程中横截变形小，钢管与模具、芯头之间的摩擦力较小，因此，苏式模具与中式模具相比，最大的优点就是在拔制同样规格钢管时，拔制力小，拔制速度较快。苏式模具的缺点是：当钢管表面酸洗或不良时，芯杆与芯头系统会产生抖动，使钢管表面产生明暗交替的环纹并且导致纵向钢管壁厚波动。

三、新型复合模具的研究及应用

1、复合模具的原理

笔者从中式模具和苏式模具优缺点出发，从钢管冷拔物理变形入手，综合两者优点设计一种复合模具，减少拔制阻力，采用长度适中的定径带，实现单道次大变形量，并可在提高拔制速度、减少拔制道次的同时，保证钢管拔制质量。

2、复合模具的设计要求

模具设计是否合理，对无缝钢管外形尺寸、加工质量、产量及成本起着至关重要的作用。为了保证模具设计合理，笔者首先制定了设计要求：

（1）孔型设计合理，满足变形需要，拔制力小，拔制过程稳定，变形均匀和磨损均匀；（2）几何形状和尺寸精确；（3）工作表面有光洁，不允许有缺陷；（4）工作表面足够的硬度和耐磨性；（5）有足够的强度，要求耐冲击和便于加工。

3、复合模具的孔型设计

冷拔模具的孔型设计是关键，其结构包括三部分：

a、入口段：作用是导入和压缩钢管外径，使钢管变形；

b、定径段：起定径作用，使拔制后的钢管达到要求的外径；

c、出口段：作用是保护定径带，防止定径带出口一侧的边缘损坏，并避免钢管出口时被模具划伤。

笔者融合中式模具、苏式模具的孔型设计优点，本着减少模具对钢管拔制阻力、提高单道次拔制量的原则，对复合模具孔型做如下设计：

1）入口段：分两部分，第一部分借鉴中管模具，采用弧形母线，目的是为了使钢管在拔制过程中直径压缩率沿入口部分的长度分布均匀；第二部分借鉴苏式模具采用带有锥角的圆锥段，有利于夹持钢管、防止拔制时管尾的甩动。2）定径带：借鉴苏式拔管模具采用较短的定径带。定径带的长度对拔制力及拔管模的寿命有影响。长度愈长，所需拔制力愈大；长度短，则拔制力小，但易磨损而难以保持本身的形状，因而会降低使用寿命。根据经验取3-7毫米，并随所拔钢管外径的增加而增加。孔型直径与所要达到的钢管直径一致。3）出口段：为保护定径带，防止定径带出口一侧的边缘损坏，并避免划伤钢管外表面，出口段设计成与入口锥方向相反的倒锥形。出口段的长度与定径带长度接近。4）其他方面：根据理论计算和实际经验，确定了圆弧段的半径和长度以及圆锥段的锥角和长度等参数；考虑到模具的强度，确定了模具的外径和厚度尺寸。最终，设计完成了复合模具。

4、制定生产工艺，进行拔制试验

复合模具试制后，笔者结合模具特性重新制定了冷拔工艺，并对φ25×2.5、φ19×2等6种规格钢管进行测试。通过1100支钢管生产试验，复合模具实现了一次拔制两次减径，比原拔制工艺减少一个连拔道次或一个单拔道次，并且减径段较长，钢管横截面金属变形相对中式及苏式模具缓慢，可以使钢管承受较大的变形系数，实现了单道次大变形量，同时保证钢管表面质量。

四、复合模具的应用效果

通过生产验证，复合模具比普通模具拥有更好的性能，与普通模具相比具有如下特点：

1、单道次变形量大。单道次延伸系数由1.2-1.6提高到1.6-1.9，减少了冷拔道次。钢管实现了两次减径，变形过程为：一次减径（入口圆弧段实现）；二次减径（入口圆弧段与入口圆锥段之间过渡实现）；定径、减壁。

2、拔制力较小。复合模具采用了与苏式模具相同的定径带，具备了与苏式模具相同的拔制力小的特点，拔制速度较快，生产能力提高15%。

3、拔制质量好，并降低了生产成本。复合模具配合圆柱芯头使用时，由于采用弧形入口，对拔制的钢管有一定的稳定作用，有效缓解了在苏式模具拔制中经常发生的抖动现象，提高了拔制质量，并降低了生产成本。

五、结论

实践证明，使用复合模具可以增加钢管拔制变形量，比原拔制工艺普遍减少一个连拔道次或一个单拔道次。经过专家技术鉴定，加强复合模具的研究及应用项目，达到了国内同类技术领先水平。在社会同类企业无缝钢管生产中，应用该复合模具无需对冷拔设备进行改动便可实现进一步缩短生产周期、降低生产成本、提高产量、创造更好的经济效益和社会效益。

作者简介

迟洪波，男，1971年6月8日出生，汉族，山东省招远市人。大学本科，学士学位，高级工程师，现供职单位：山东省北墅监狱，研究方向：机械电气。