[科普中國]-拔管

拔管是把較粗的鋼管用工藝?yán)斐奢^細(xì)的管子，用此工藝生產(chǎn)出來的鋼管稱之為拔管。與之相對的工藝是擴管。即把細(xì)管子用工藝加工成較粗的管子。材質(zhì)多為碳鋼和不銹鋼及合金鋼。

冷拔管高精度冷拔鋼管技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用于煤礦單體液壓支柱缸筒及工程機械油缸的制造中，由于油缸的機械加工不僅費時、費力，而且還浪費材料和能源，因此，近年來國內(nèi)開始研究、應(yīng)用高精度冷拔鋼管技術(shù)，并使其產(chǎn)品在我國的煤礦和工程機械等行業(yè)推廣應(yīng)用。

拔制原理1、金屬學(xué)原理

冷拔鋼管工藝屬于冷加工范疇，因為拔制時的溫度遠(yuǎn)低于金屬的再結(jié)晶溫度。

由Baily_Hirsch關(guān)系式可知，流變應(yīng)力=0+ aGbρ0.5

式中G———切變彈性模量，MPa；

b———位錯強度，A；

0———無加工硬化時的流變應(yīng)力，MPa；

ρ———平均位錯密度；

a———常數(shù)，a≈0.5。

金屬的流變應(yīng)力即強度與位錯密度的平方根成正比，它反映了形變時加工硬化的實質(zhì)。加工硬化是指由塑性變形引起的強度升高，塑性降低的現(xiàn)象。冷拔加工鋼管正是發(fā)生了加工硬化。冷拔時金屬發(fā)生塑性變形，晶體內(nèi)部有多個滑移系啟動，位錯運動彼此攔截，許多位錯被釘扎住，造成位錯塞積，同時位錯源停止動作。上述一系列過程導(dǎo)致了位錯的可動性降低，晶體中的位錯密度顯著增加。當(dāng)塑性變形進一步發(fā)生，應(yīng)力增加并足以使釘扎的位錯開始運動，螺位錯交滑移，刃位錯不能交滑移，這樣發(fā)生位錯交截，使不動階數(shù)增加。

所以，通過冷拔加工金屬內(nèi)部位錯密度增加，位錯可動性降低，既難于產(chǎn)生位錯又難于移動位錯，因而金屬材料硬度、強度提高。這就是冷拔加工的金屬學(xué)原理。

2、力學(xué)原理

冷拔時鋼管在力的作用下通過一定形狀、尺寸的模具，發(fā)生塑性變形。目前，在生產(chǎn)中的拔制方法大致可分成3種：縮徑拔管、減外壁拔管和減內(nèi)壁拔管，冷拔時，鋼管在拉拔力、正壓力和摩擦力的作用下，發(fā)生相應(yīng)的變形，大都經(jīng)過縮徑、減壁和定徑3個階段，而且變形區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，其中軸向為拉應(yīng)力，徑向和周向為壓應(yīng)力，拔管過程中金屬處于一向拉和兩向壓應(yīng)力狀態(tài)[2]，這是冷拔管變形過程的基本力學(xué)特征。拔制的最大主應(yīng)力是拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力是壓應(yīng)力，兩者符號相反。根據(jù)塑性方程式σ1-σ3=βσ5。

式中σ1———最大主應(yīng)力，MPa；

σ3———最小主應(yīng)力，MPa；

β———中間主應(yīng)力σ2的影響系數(shù)，取β=1～1.5；

σ5———單向拉伸時的屈服極限，MPa。

可知變形過程中任一方向的主應(yīng)力，其絕對值都不會大于βσ5，所以冷拔的變形抗力較低，同時應(yīng)力狀態(tài)中存在拉應(yīng)力，變形時金屬塑性較差，對于低塑性的或因加工硬化而降低塑性的，拔制比較困難。

冷拔管拔制的關(guān)鍵因素1、選材

冷拔缸筒是以熱軋管為材料拔制而成的，熱軋管的材質(zhì)、規(guī)格、質(zhì)量的選取合適與否直接影響著拔制進行和成品質(zhì)量。

選材時應(yīng)注意以下幾點：（1）在選材時一般在強度保證的情況下，選取硬度低、塑性好的材料；（2）鋼管規(guī)格應(yīng)根據(jù)成品的規(guī)格選定，保證其延伸率在20%～ 40%；延伸率過小，成品表面的強度不能保證，過大，使拔制難以進行；（3）材料表面不能有凹坑、裂紋、裂縫、折疊、結(jié)疤、橢圓等嚴(yán)重缺陷；（4）最好選取熱軋后放置0.5～2a的鋼管，時間過短，鋼管表面銹蝕淺薄，時間過長，鋼管表面銹蝕過深，這些都會導(dǎo)致鋼管表面前處理不充分，從而影響成品表面質(zhì)量。

2、前處理

未經(jīng)前處理的鋼管，冷拔時因鋼管表面與模具之間摩擦系數(shù)過大而使拔制不能進行；只有經(jīng)過前處理工序，使鋼管先進行除銹，并通過磷化、皂化等處理，使其內(nèi)、外表面形成一種致密的金屬皂膜，以減小鋼管與模具之間的摩擦，從而保證拔制的順利進行。同時，通過前處理還可以減少模具的損耗率，提高成品率和工作效率，并且使加工后的成品表面光滑均勻，防銹效果好。

鋼管前處理應(yīng)注意以下幾點：（1）酸洗除銹要徹底，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)未除凈的銹，則需重新酸洗。（2）生產(chǎn)中，應(yīng)經(jīng)常測試磷化液和皂化液的成分濃度，保證磷化液和皂化液的生產(chǎn)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)達不到指標(biāo)時，應(yīng)及時進行調(diào)配。（3）要嚴(yán)格控制處理液的溫度與操作時間。

3、模具的設(shè)計

冷拔管是在力作用下，通過一定形狀、尺寸的模具拔制而成的，模具尺寸精度、表面質(zhì)量直接影響成品的尺寸精度和質(zhì)量。模具設(shè)計要注意以下幾個方面：（1）內(nèi)、外模具定徑尺寸的確定應(yīng)考慮冷拔后成品的回彈量，一般硬度低、變形量小的材料，其回彈量小，硬度高、變形量大的材料，其回彈量大；（2）模具的表面要有較低的粗糙度要求，一般取值比成品低一到兩級；（3）模具材料選用高強耐磨材料，目前常用的有GCr12、GCr15和Cr12MoV等。

目前，高精度冷拔管處于開發(fā)階段，掌握其拔制原理和拔制中的關(guān)鍵因素，對研究、開發(fā)不同材料和形狀的冷拔產(chǎn)品，提高冷拔管質(zhì)量，拓寬冷拔管市場，具有重要的意義和作用。12

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所