铜管拉拔工艺智能计算平台开发

王 顺，刘劲松，，陈 岩，王松伟，张士宏

（1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 110016）

1 引言

铜作为一种使用广泛的金属材料，在空调、海洋、电力、航天和建筑等领域有着广泛的应用，年产量逐年增加，根据数据显示，2019 年精炼铜的年产量达到978.4 万t。另一方面，铜管的加工制造迅速发展，生产过程中因游动芯头拉拔工艺具有拉拔力小、变形量高、成品率高、成品管材表面质量好的工艺特点被普遍使用。但是在成型过程中影响变形的因素也较多，润滑方式［1-2］、摩擦系数［3］、游动芯头和外模具的锥角大小和配合度［4-6］以及变形率、拉拔道次和速度［7］均在不同程度上影响着拉伸力和管材质量。对拉拔次数的研究中，申卫华［8］曾指出变形量相同的情况下，低道次有利于降低残余应力和缺陷的产生。

当前已有的工作主要集中在铜管材成形机理与质量控制等方面，但在管材拉拔工艺智能化设计方面尚未见相关工作报导，因此，有必要开展铜管材拉拔工艺计算平台的开发工作。本文使用VB 语言结合AutoCAD 进行二次开发，设计制作了铜管拉拔设计平台，涵盖双递减法、均等法、ZBL 法、金属硬化程度法和KD-KS法等工艺计算方法，直接根据输入拉拔前后的管材尺寸及默认参数进行计算，通过界面一键计算得出各道次所需工艺参数，也可对默认参数进行调整重新计算，在此基础上，与模具设计和制图联系在一起，直接得到工艺设计过程中的全部图纸。平台集工艺设计、模具设计、制图于一体的智能化设计，可进一步提高铜管拉拔工艺的设计效率。

2 平台概述

平台涵盖从拉拔工艺参数的设计到模具尺寸设计和图纸的绘制，包含多种道次计算和模具尺寸计算的方法，利用模块化设计，使各模块在单独使用的时也能最大限度发挥作用，图1 显示了平台架构，主页面包含工艺计算、模具尺寸计算和模具绘制三大模块，根据铜管尺寸和相关参数可得到铜管在拉拔过程所需的相关工艺。

图1 平台架构

2.1 拉拔工艺模块

在铜管生产制造过程中，轧制后的铜管需要经过一系列的拉拔道次，进行相应的减径减壁才能获得最终成型的管材。虽然铜管塑性很高，但在拉拔过程中加工硬化的存在，不能使得每道次的塑性变形量相同，因此，平台中嵌入五种不同的工艺计算方法，分别为双递减法［9］、均等法、ZBL 法［10］、金属硬化程度法和KD-KS法［11］。

拉拔工艺的计算主要分为两部分，拉拔次数计算和各道次管材尺寸分配。计算拉拔次数n（整数）时，五种方法均采用相同的公式：

式中λ∑——两次退火间总延伸系数，对于管材：

拉拔次数四舍五入取整后，计算可得到实际的平均道次延伸系数：

表1 冷拔管材公式计算参数

在设计计算各道次的外径减缩系数和壁厚减缩系数时，五种方法各有特点，表2 显示了五种算法具体计算公式，双递减法使外径和壁厚的减缩系数均按照等差数列递减排列；均等法在设计过程中使壁厚减缩系数均等，外径则使用径差分配的方式；ZBL 法在计算减壁时，壁厚减缩系数按等比数列进行设计，相比等差数列而言更接近金属加工硬化曲线，外径则按等差数列递减，要求初始管坯厚度指数小于0.7，成品管坯厚度指数小于0.85；KD-KS法由圆管拉拔的延伸系数计算近似计算方法逐步完善得到，其综合减缩系数K=KD·KS较大，可充分利用前几道次金属塑性好的特点，能通过修正系数值对结果智能判断是否进行二次修正；金属硬化程度法则直接与金属加工过程中管材的硬度相关联，将管材成型前后的抗拉强度参与当中并进行计算，其计算过程最为繁琐，关键在于对拉拔道次硬化值的复合计算，利用平台可高度降低求解难度。

图2 为平台使用双递减法计算管坯外径为38mm，壁厚1.85mm，抗拉强度为445MPa，成品管外径为9.52mm，壁厚为0.75mm，抗拉强度为548MPa 的工艺计算结果，在结果中添加显示了道次的径差和厚度指数，也可快速导入到常用的Excel 表格当中。另外，为了更直观的表示各方法拉拔道次的工艺信息，表3 显示了平台计算结果。

表2 五种拉拔工艺算法公式

图2 工艺计算界面

表3 各方法计算Φ38.00×1.85～Φ9.52 × 0.75 工艺

在初始管坯与成品管坯尺寸相同的情况下，由图3 可以看出五种计算方法都可实现紫铜管的加工。由于初始管坯较大，成品管坯较小，所以拉拔道次与管坯外径尺寸、管坯壁厚尺寸的关系趋势都是随着拉拔次数的增加而下降。基于算法的不同，各曲线前几道次的下降趋势有所不同，但整体趋于一致，浮动不大。均等法一般要求成品管厚度指数大于0.85，而例中小于0.85，因此使延伸系数增大，出现明显差异；KD-KS法中修正误差可能导致径差分配出现不合理，故最后道次尺寸有所不同。技术人员可根据实际生产情况进行灵活选择。

图3 拉拔道次与管材尺寸关系

2.2 模具尺寸计算

游动芯头拉拔模具由芯头和外模具两部分组成，其中外模具分为四个工作带即润滑带、压缩带、定径带和出口带，芯头由大圆柱段、圆锥段和定径段三段组成，如图4 所示。

图4 游动芯头拉拔模具结构

模具主要根据管材在单道次拉拔前后管材的外径(D0、Dn)和壁厚（S0、Sn）尺寸并结合部分参数值进行设计计算。该模块嵌入两种不同的计算方法，具体公式对比如表4。两种算法的不同主要体现在定径段长度的计算，有文章［12］也指出，定径段的的长度对拉拔力有一定影响，平台设置两种计算方法供选择。

表4 两种模具设计方法公式 mm

模具尺寸设计界面如图5 所示，显示了管坯外径为38mm，壁厚1.85mm 拉拔形成外径为33mm壁厚1.4mm 管的模具尺寸，在右侧显示出计算方法。表5 显示了两种算法单道次拉拔过程的结果，不同心系数法通过计算可以提供模具设计过程中所需的全部参数，而纯模角法在计算芯头尺寸时，部分参数只能给出范围值，另外的值仍需人为定义，因此平台中嵌入部分可更改的默认值，可便捷快速计算。

图5 模具尺寸计算模块

表5 Φ38.00×1.85～Φ30.00 × 1.4 模具尺寸参数

图6 模具设计页面

2.3 CAD 二次开发

通过在VB 中引用Auto CAD 的库实现两者数据内部连接，进行图形绘制实现模具绘制的功能。绘图前对基本信息进行预设置，例如适宜大小的图纸、图层和标题栏等，绘制时与模具尺寸计算模块进行数据链接，根据数值使用基本曲线命令对游动芯头和外模具进行图形轮廓绘制及尺寸标注，图6显示了二次开发模块界面，通过此界面可单独在文本框中写入各段参数进行绘制。

3 结论

（1）采用Visual Basic 6.0 程序语言开发了管材拉拔平台，利用多种模块实现管材从管坯到成品的工艺设计、模具设计，基于AutoCAD 二次开发实现拉拔模具参数化图纸的绘制。

（2）提供多种工艺算法与模具算法，涵盖了多种组合方式，实现拉拔工艺参数的智能化设计，各模块之间联系紧密，实现内部数据传递。平台的使用可缩短周期，加快生产速率，提高生产效率。

（3）平台的建立对生产制造有一定的指导意义，管坯到成品不再局限于经验。本文采用的方法也同样适合类似的参数化平台设计，如拉拔成型的模拟过程，为开发者提供参考。