李旭;姜志宏;许永强;曾艳祥
【摘 要】针对铜管管坯表面存在壁厚不均匀缺陷,为分析壁厚不均匀对铜管游动芯头拉拔过程的影响,采用壁厚不均匀度作为壁厚不均匀评价指标,并利用有限元分析软件MARC,建立壁厚不均匀铜管游动芯头拉拔有限元模型,对铜管游动芯头拉拔过程进行数值模拟.结果表明:随着壁厚不均匀度的增加,拉拔力逐渐减小,且大致成线性递减趋势,并产生波动,波动幅值随着壁厚不均匀度的增加而增大;游动芯头轴向位移和芯头窜动量都随着壁厚不均匀度的增加而增大,但增加的幅值逐渐减小;等效应力在轴向和径向的梯度逐渐增大,容易造成铜管在拉拔过程产生拉裂现象.随着壁厚不均匀度的增加,等效应变在径向和轴向存在严重分布不均匀,应变梯度较大,容易使铜管发生扭曲变形.%Considering the fact that the copper tube has uneven wall thickness defect, by using finite element analysis software MARC, taking the uneven wall thickness uniformity as the evaluation index, the drawing finite element model of copper floating core head is established in order to analyze the impact of uneven wall thickness on the drawing process of copper floating core head. The drawing process of the
copper floating core head is also numerically simulated. The results show that with the increase of the wall thickness, the drawing force linearly decreases;the fluctuation amplitude increases with the increase of wall thickness uniformity;axial displacement of the floating core head increases when wall thickness uniformity increases but the amplitude decreases gradually. Equivalent stress gradient force in axial and radial direction gradually increases, which is easy to cause pipe crack phenomenon in the process of drawing. With the increase of the wall thickness, the distribution of the equivalent strain in the radial direction and the axial direction is uneven, and the strain gradient is large, which will cause the distortion of the copper pipe.
【期刊名称】螺旋槽丝锥《江西理工大学学报》
【年(卷),期】2017(038)005
【总页数】5页(P87-91)
【关键词】壁厚不均匀;游动芯头拉拔;拉拔力;游动芯头轴向位移
【作 者】李旭;姜志宏;许永强;曾艳祥
【作者单位】江西理工大学机电工程学院,江西 赣州 341000;江西理工大学机电工程学院,江西 赣州 341000;江西理工大学机电工程学院,江西 赣州 341000;江西理工大学机电工程学院,江西 赣州 341000远程浏览器隔离
【正文语种】中 文
【中图分类】TG394
行医铜管作为冷凝管的主要材料[1-2]，随着空调产业的迅速发展，需求越来越大，对于铜管产品质量要求越来越高.游动芯头拉拔铜管作为生产铜管主要方式，国内外众多专家学者对其进行了研究.臧勇等[3]针对不同的影响因素对游动芯头拉拔过程拉拔力进行了分析，彭大暑等[4]对薄壁小铝管盘拉过程游动芯头稳定性进行了实验研究，吴恺威[5]探讨了微孔和杂质对铜棒拉拔的影响，铜管壁厚不均度缺陷对游动芯头拉拔过程影响的研究较少.文中针对某一规格产品，利用有限元分析软件MARC，建立壁厚不均匀铜管游动芯头拉拔有限元模型，对游动芯头拉拔过程进行数值模拟，分析壁厚不均匀对铜管拉拔过程的影响.
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1.1 有限元模型的构建
在拉拔铜管过程中，铜管在轴向方向上产生塑性变形，并且为轴对称变形[6].以某一规格产品的其中一个道次建立模型，其坯料的原始规格为Φ50 mm×2.5 mm，拉拔后的尺寸为Φ39 mm×1.8 mm.拉拔模锥角为15°，芯头锥角为10°，铜管管坯设为变形体，拉拔模和芯头都设为刚体，对芯头采用弹簧连接，模拟芯头自适应功能.H62黄铜表示平均含铜量为62%的普通黄铜,具有良好的力学性能和塑性成形性能.其抗拉强度σb为345～460 MPa.在UTM5000电子万能试验机上对H62铜合金进行单轴拉伸实验，得到H62铜合金应力应变曲线图如图1所示，通过对曲线进行拟合分析，采用弹粘塑性本构模型,将模型导入到MARC中.H62铜合金的弹性模量为1.172×105MPa，泊松比为0.33.由于铜管是冷成形，忽略温度对拉拔成形的影响，摩擦类型选择为库仑摩擦，其中铜管与拉拔外模摩擦系数为0.05[7]，铜管与芯头摩擦系数为0.01，拉拔速度为40 m/min.铜管游动芯头拉拔的有限元模型如图2所示.
1.2 壁厚不均匀度评价指标的建立
在实际拉拔生产中铜管存在壁厚不均匀缺陷，为了描述壁厚不均匀程度，常用不均匀度W
来描述[7]，其中，
式（1）中：W 为不均匀度；tmax、tmin为铜管拉拔前的最大壁厚、最小壁厚，mm；为铜管拉拔前的平均厚度，mm.在实际生产中，由于不均匀变形使得管表面产生附加校应力导致的表面裂纹，存在于管坯内壁，呈月牙形周期性分布.针对管坯壁厚不均匀度缺陷，则定义管坯缺陷为管坯内表面为周期性月牙形曲线，外表面为直线，据此建立存在壁厚不均匀缺陷的管坯模型，管坯模型截面如图3所示.
2.1 有限元模拟试验方案设计
为了较为全面的分析管坯质量缺陷对铜管游动芯头拉拔过程的影响，保持原有工艺参数不变的基础上，分别建立壁厚不均匀度为3%、6%、9%，12%，15%的5个不同壁厚均匀度铜管游动芯头拉拔有限元模型，并且和无壁厚不均匀缺陷（壁厚不均匀度为0%）铜管进行对比分析.
2.2 有限元模拟试验结果与分析
提取拉拔外模反用力作为拉拔力[8-9]，铜管壁厚无不均匀缺陷和有不均匀缺陷的拉拔力时
可得性序图如图4所示.其中壁厚不均匀缺陷度为9%.从图4可以看出铜管拉拔过程中的拉拔开始阶段与稳定拉拔阶段.随着铜管进入拉拔内外模具中的孔隙中，拉拔力急剧增大到拉拔力最大值，这是因为铜管管坯与拉拔模具接触面积不断增大，相应的拉拔模模具对管坯的挤压力和管坯的所受到的摩擦力也增大，当铜管进进入拉拔稳定阶段，铜管壁厚不均匀度为0%的拉拔力值总体趋于稳定，成一定周期上下波动，且波动范围幅值较小，而铜管壁厚不均匀度为9%（有不均匀缺陷）的拉拔力稳定值小于铜管壁厚不均匀度为0%（无不均匀缺陷）的拉拔力值，且拉拔力波动范围明显大于无不均匀缺陷时拉拔力，这是由于管坯壁厚不均匀缺陷导致铜管在稳定拉拔阶段的塑性流动不稳定，从而拉拔力产生较大的波动.
选取拉拔稳定阶段拉拔力平均值作为不同壁厚不均匀度下拉拔力值，从图5可以看出，随着壁厚不均匀度的的增加，拉拔力逐渐减小，且大致呈线性递减趋势.壁厚不均匀度为0%时，拉拔力为72994 N，壁厚不均匀度为15%时，拉拔力为67998 N，拉拔值减小了6%.说明壁厚不均匀缺陷对拉拔力有较大影响.
随着壁厚不均匀度的的增加，不均匀缺陷导致铜管在稳定拉拔阶段的塑性流动不稳定，从而拉拔力产生较大的波动，拉拔力波动幅值也逐渐增大，且也大致呈线性递增趋势，如图6
所示.壁厚不均匀度为0%时，拉拔力波动幅值为508 N，壁厚不均匀度为15%时，拉拔力波动幅值为8311 N，大致是壁厚不均匀度为0%时拉拔力波动幅值的16倍.
为研究铜管壁厚不均匀对游动芯头的影响分析，保持工艺参数不变进行模拟试验[10-14].试验结果如图7～8所示.从图7可以看出，随着拉拔时间的进行，铜管与芯头接触，游动芯头沿轴向后退，后进入稳定拉拔阶段，游动芯头位移稳定在一值上下波动，但壁厚不均匀度为0%时游动芯头位移窜动很小，壁厚不均匀度为9%时游动芯头位移窜动较大，波动波形类似三角锯齿波形.
从图8可以看出，随着壁厚不均匀度的的增加，芯头轴向位移波动幅值也逐渐增大，但增加的幅值逐渐减小，壁厚不均匀度为0%时芯头轴向位移波动幅值0.013 mm，壁厚不均匀度为15%时，芯头轴向位移波动幅值为0.488 mm.
为分析壁厚不均匀对等效应力应变的影响，保持工艺参数不变进行模拟试验.试验结果如图9所示.从图9可知，壁厚不均匀度0%时，等效应力的范围为260～414 MPa；壁厚不均匀度6%时，等效应力的范围为231～414 MPa；壁厚不均匀度12%时，等效应力的范围为217～414 MPa；随着壁厚不均匀度的增加，等效应力在轴向和径向的梯度逐渐增大，从而致
使铜管屈服强度和抗拉强度有所降低，容易造成铜管在拉伸过程产生拉裂现象.壁厚不均匀度0%时，等效应变的范围为0.45～0.47，壁厚不均匀度6%时，等效应变的范围为0.41～0.60，壁厚不均匀度12%时，等效应变的范围为0.36～0.75，等效应变在径向和轴向严重存在分布不均匀，应变梯度较大，导致残余应力分布不均匀，容易使铜管发生扭曲变形.
文中借助MSC.MARC有限元分析软件，分别建立不同铜管管坯壁厚不均匀度有限元模型，分析了壁厚不均匀度对拉拔力和游动芯头轴向位移的影响，针对本模型，得出以下结论：
1）随着壁厚不均匀度的的增加.拉拔力逐渐减小，且大致成线性递减趋势，并产生波动，波动幅值随着壁厚不均匀度的增加而增大，壁厚不均匀度为15%和壁厚不均匀度为0%相比，拉拔力减小了6%，前者拉拔波动幅值是后者的16倍，壁厚不均匀缺陷对拉拔力有较大影响.
2）游动芯头轴向位移和芯头窜动量随着壁厚不均匀度的增加而增大，但增加的幅值逐渐减小.
3）随着壁厚不均匀度的增加，等效应力在轴向和径向的梯度逐渐增大，从而致使铜管屈服强度和抗拉强度有所降低，容易造成铜管在拉伸过程产生拉裂现象.
4）随着壁厚不均匀度的增加，等效应变在径向和轴向严重存在分布不均匀，应变梯度较大，导致残余应力分布不均匀，容易使铜管发生扭曲变形.
【相关文献】
[1]曾艳祥，姜志宏，许永强，等.H62铜合金本构模型构建及游动芯头拉拔力影响分析[J].科学技术与工程，2016，16(28)：171-174.
[2]唐伟东，张士宏，刘劲松，等.游动芯头拉拔工艺参数对模具磨损影响模拟[J].锻压技术，2011，36(4)：116-118.
[3]臧勇，张新其，谢志伟.薄壁铜管游动芯头拉拔过程拉拔力影响因素分析[J].塑性工程学报，2010，17(3)：143-147.
[4]彭大暑，王红兵.薄壁小铝管盘拉过程游动芯头稳定性的实验研究[J].中南矿冶学院学报，1994，25(2)：208-212.
[5]吴恺威，邓沛然，翟靖，等.微孔和杂质对拉制铜线断裂的影响[J].热加工工艺，2016，45(19)：259-261.
[6]Swiatkowski K,Hatalak R.Study of the new floating-plug drawing process of thin-walled tubes[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,151：105-114.
[7]曾艳祥，姜志宏，刘志刚，等.薄壁铜管固定芯头振动拉拔过程中的摩擦分析[J].锻压技术，2016，41(5)：117-120.
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