Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面質量分析與優化*

萬胤明，羅 欣，朱志林，葉酈峰，吳 禮，曾延琦，何 強，劉錦平

（1.江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2.江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 341000；3.江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面質量分析與優化*

萬胤明1，羅 欣1，朱志林2，葉酈峰1，吳 禮3，曾延琦3，何 強3，劉錦平2

（1.江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2.江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 341000；3.江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

通過粗糙度測試、顯微觀察等手段，分析了內螺紋銅管外表面缺陷產生的原因，并通過調整旋壓成形工藝參數對Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面質量進行了優化試驗。研究結果表明：銅管外表面粗糙和鋼球旋壓紋路不均與金屬流動、鋼球運動、旋壓加工率和高速電機的振動有關；在確保成齒質量的前提下采用小球旋壓模具工藝和減小管坯壁厚均可降低內螺紋銅管外表面粗糙度、改善鋼球旋壓紋路，提高表面質量。

內螺紋銅管；外表面質量；表面粗糙度；旋壓紋路；優化

1 引言

TP2內螺紋銅管是一種內表面沿管軸線方向有螺旋齒槽的銅管，它具有優異的導熱性能、耐腐蝕性能和加工性能，現被廣泛用作空調冷凝器和蒸發器的主要換熱元件［1-2］。目前，工業應用的TP2內螺紋銅管主要生產工藝是鑄軋法，銅管內表面的螺紋齒槽是通過鋼球旋壓加工成形。由于內螺紋銅管具有齒高相對管外徑小和齒條數多的特點，同時鋼球旋壓過程中電機高速旋轉而使管坯外表面具有軋制、擠壓和旋壓的效果［3-4］，導致內螺紋銅管成形機理和金屬流動十分復雜，在成形過程中銅管外表面易產生缺陷，如外表面粗糙、鋼球旋壓紋路不均勻等，極大地影響銅管后續的加工和使用性能。張士宏、張寧等人［5-7］通過有限元模擬和試驗研究了薄壁管滾珠旋壓過程中出現的表面起皺、表面波紋等典型表面缺陷，向小勇等人［8］建立了內螺紋銅管滾珠旋壓工藝的三維彈塑性非線性有限元模型分析了銅管成形過程金屬流動的位移規律及應變分布，李茂盛等人［9］對滾珠旋壓工藝中滾珠直徑的選擇原則進行了研究，張曉村［10］對內螺紋銅管旋壓成形裝置進行了改進，使其自重下降約50%，提高了高速電機工作時的穩定性，生產出的管件表面質量穩定。目前，對TP2內螺紋銅管旋壓成形的銅管外表面缺陷分析研究集中在有限元模擬，對缺陷試驗分析和外表面質量優化研究還不夠充分。

本文以Ф7mm TP2內螺紋銅管研究對象，通過粗糙度測試、顯微觀察等手段，觀察和分析了螺紋銅管外表面缺陷產生的原因，并通過調整旋壓成形工藝參數對Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面質量進行了優化試驗。

2 材料與方法

選取外表面質量不佳的Ф7mm TP2內螺紋銅管典型樣管，進行顯微觀察、粗糙度測試，分析表面質量狀況及原因。根據分析結果調整旋壓成形模具參數及管坯尺寸進行Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面優化試驗。粗糙度測試在Mahr M1粗糙度儀上進行測試，顯微觀察在基恩士VHX-1000C 3D金相顯微鏡上進行觀察，銅管內螺紋成形在興榮ZLCX內螺紋成形機組上進行。

3 結果與討論

3.1 外表面質量分析

（1）表面粗糙度。

圖1是現有工藝內螺紋銅管外表面低倍和高倍形貌。從圖中可以看出，樣管外表面鋼球旋壓痕跡明顯，而且旋壓痕跡深淺不一，表面較為粗糙。表1是該樣管外表面粗糙度測試結果，樣管外表面粗糙度Ra平均值為0.529μm，Rz平均值為3.668μm，而外表面質量較好的銅管其外表面粗糙度Ra一般在0.150～0.350μm之間，Rz一般在2.000～3.500μm之間。根據行星旋壓過程中鋼球運動特征和金屬塑性流動規律可初步推測，銅管外表面粗糙度高一方面是由于旋壓成形過程中金屬流動受阻而無法充分進入凹槽而堆積于表面使其變粗糙；另一方面是由于旋壓成形過程中鋼球不能自由運動而造成鋼球旋壓痕跡紊亂且深淺不一（圖1b）。

圖1 外表面粗糙度高的樣管

表1 外表面粗糙度不佳樣管粗糙度測試結果

圖2 鋼球旋壓紋路不均樣管及其紋路間距測量結果

（2）鋼球旋壓紋路。

圖2中左圖給出的是鋼球旋壓紋路不均樣管外表面顯微觀察圖。從圖中可以看出，鋼球旋壓紋路間距的寬窄不一，而且紋路印跡很明顯。圖2中右圖給出的是該樣管旋壓紋路間距測量結果，最大紋路間距為590μm，而最小紋路間距僅為420μm，極差為0.17μm。銅管外表面鋼球旋壓紋路不均主要有兩方面原因：一方面是與旋壓過程中鋼球的大小和表面質量相關。鋼球的大小不均勻和表面劃痕多都可導致銅管外表面螺紋不均；另一方面與旋壓過程高速電機的振動相關。由于旋壓成形時電機的轉速高達24000r/min，高速旋轉必然會造成旋壓成形模具產生振動，因而使銅管外表面紋路不均勻。

3.2 優化試驗

為降低Ф7mm TP2內螺紋銅管外表面粗糙度，改善鋼球旋壓紋路，提高銅管表面質量，設計了一套小球旋壓模具工藝，分別以Ф9.52mm×0.36mm（原旋壓模具工藝使用的管坯）和Ф9.52mm×0.34mm進行了工藝試驗。

圖3是用小球旋壓模具和Ф9.52mm×0.36mm管坯制備的樣管外表面及其紋路間距測試結果。從圖3可以看出，較圖1和圖2中的樣管，該樣管外表面的鋼球旋壓紋路印跡明顯變淡，紋路間距極差為110μm，變得明顯均勻了。表2給出的該樣管外表面粗糙度Ra平均值為0.342μm，Rz平均值為2.800μm，與表1對比可知，在該工藝條件下制備的樣管外表面粗糙度明顯降低。而且，紋路的間距波動較優化工藝前明顯降低，這說明優化后銅管紋路的均勻性明顯得到了提高。

圖3 用小球旋壓模具，Ф9.52mm×0.36mm管坯制備的樣管外表面及其紋路間距測試結果

表2 圖3所示樣管外表面粗糙度測試結果

圖4是用小球旋壓模具和Ф9.52mm×0.34mm管坯制備的樣管外表面及其紋路間距測試結果。從圖4可以看出，較圖3中的樣管，該樣管外表面的鋼球旋壓紋路印跡變得更淡，紋路的間距也變得更加均勻，紋路間距極差僅為65μm。表3給出的該樣管外表面粗糙度Ra平均值為0.294μm，Rz平均值為2.181μm，均小于表2所示樣管的外表面粗糙度。

圖4 用小球旋壓模具，Ф9.52mm×0.34mm管坯制備的樣管外表面及其紋路間距測試結果

表3 圖3所示樣管外表面粗糙度測試結果

根據以上工藝試驗結果可知，在確保成齒質量的前提下采用小球旋壓模具工藝和減小管坯壁厚均可降低內螺紋銅管外表面粗糙度，改善鋼球旋壓紋路，提高表面質量。這是因為，采用小球旋壓工藝可以降低旋壓力，根據旋壓力計算法，如（1）-（3）式［11］：

式中K為減薄率函數、t0為管坯壁厚、f為進給率，σm材料平均應力、DP為鋼球直徑、α為旋壓角?？芍撉蛟叫?，旋壓過程中鋼球對管坯外表面的徑向和軸向旋壓分力越小，管坯外表面受力越均勻，有利于減弱鋼球旋壓痕跡深淺程度。此外，采用小球模具可減輕旋壓模具的重量，減少原有高速電機的配重，使得電機在高速旋轉時電機主軸振動幅度減小，進而可使鋼球旋壓紋路更均勻，生產出的管材外表面質量更好［10，12］。

同時，通過對比可知，管坯壁厚為0.34mm旋壓成形內螺紋管的表面質量較管坯壁厚為0.36mm的更好（見表2和表3）。由此可知，在確保成齒質量的前提下減小管坯壁厚，一方面可以減小旋壓成形加工率，使金屬量盡量接近成形所需金屬量，大大降低旋壓過程中金屬隆起、起皺的概率；另一方面，鋼球運動更自由，會降低旋壓過程中金屬流動的紊亂程度，從而降低管材外表面粗糙度，改善管材外表面質量。

4 結論

（1）銅管外表面粗糙和鋼球旋壓紋路不均與金屬流動、鋼球運動、旋壓加工率和高速電機的振動有關；

（2）在確保成齒質量的前提下采用小球旋壓模具工藝和減小管坯壁厚均可降低內螺紋銅管外表面粗糙度、改善鋼球旋壓紋路，提高表面質量。

［1］羅欣， 劉錦平， 朱暉， 等. 小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優化［J］.銅業工程， 2015（5）：1-4+32.

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External Surface Quality Analysis and Optimization of Ф7mm TP2 Inner Grooved Copper Tube

WAN Yin-ming1， LUO Xin1， ZHU Zhi-lin2， YE Li-feng1， WU Li3， ZENG Yan-qi3， HE Qiang3， LIU Jin-ping2
（1. JCC Processing Business Division， Nanchang 330096， Jiangxi， China； 2. School of Material Science and Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， Jiangxi， China； 3. Jiangxi Copper Technology Research Institute Co.， Ltd，Nanchang 330096， Jiangxi， China）

the causes of defects on the outer surface of inner grooved copper tube were investigated by surface roughness test and microscopic observation. And the outer surface quality of Ф7mm TP2 inner grooved copper tube was optimized by adjusting the parameters of the spinning forming process. The results showed that surface roughness and the uneven ball spinning linesof the tube were related with metal flow， steel ball movement， spinning process rate and vibration of the high-speed electric machine. Under the premise of ensuring the quality of tooth， adopting the ball spinning mold technology and reducing wall thickness of the blank tube can reduced surface roughness， improved the steel ball spinning lines， and improved the surface quality for the inner grooved copper tube.

inner grooved copper tube；external surface quality；surface roughness；ball spinning line；optimization

TG33

A

1009-3842（2016）04-0037-04

2016-05-12

江西省博士后科研擇優資助項目（2014KY37）；江西省大學生創新訓練項目（201710407033）

萬胤明（1987-），男，江西東鄉人，本科，主要從事精密銅管生產管理和技術開發。E-mail：463530305@qq.com