高精度冷拔钢管（冷拔管）研制及应用

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作者：刘宗寿 钢管专家

0 前言

液压氧动缸筒用高精度冷拔钢管(以下简称高精管)及150t拉力的高精度冷拔管机是由合肥钢铁公司和原北京钢铁学院联合设计共同研制的。合钢公司这台拔管机是国内最早的一台，这台拔机于1986年元月开始设计，1987年7月安装调试完毕，随即开始高精管工艺试验。在大量工艺试验数据的基础上，1987年 11月冶金部在合肥召开了高精管工艺及设备技术评审会，会议对本项目给予了肯定的评价。会后冶金部曾发了(87)冶科钢字343号文加以通报。自1987年评审会之后近五年来，我们在设备完善及配套和工艺深入研究等方面作了大量的工作。目前这台拔机已具备相对独立和完整的生产能力，而高精管——液压(氧动)缸体已成为合钢公司的有特色的产品之一。在研制过程中开始就得到冶金部科技司和安徽省合肥市经、科、委等主管部门的大力支持，并给予具体指导和督促，这是我们今天取得这样成绩的重要条件。高精管的研制成功，在冷拔工艺技术上是一个重大突破。它的产生对于液压、工业、氧动、机械等方面提高工效，节省能源和原材料有较大的经济价值。本产品已于1988年试生产到1989年投入批量生产，按《GB8713-88》或用户协议要求接受合同订货。1989年2月被国家计委确定为国家级新产品。下面就研制及应用方面作一简要说明：

1、冷拔钢管应用之 国内液压缸体的技术状况

截至目前，国内生产液压(氧动)缸体普遍采用，镗孔的滚压工艺、旋压工艺、切削强力珩磨工艺，用这种方法生产液压(氧动)缸体有以下缺点：

(1) 生产率低：

用这种切削方法制造一根5m长的缸筒约4小时，用冷拔的方法生产同样一根缸筒，假设拔两道，拔制时间只需2-3分钟，生产率相差80-120倍。

(2) 金属利用率低：   

用镗孔方法加工，由于毛坯管不直，势必加大切削量。这样则造成大量的金属材料变成金属屑，浪费原材料，金属的利用率一般只有60％~70％。而用冷拔方法生产时，对毛坏管直度要求不高，金属不仅不被切削掉，反而从约30％将被切削的金属基体中得到了冷拔延伸变形多获得成品缸筒，只是冷拔工艺所需的管头部分被切掉，金属利用率达到90％以上。

(3) 能量消耗大：以生产煤矿井上液压支柱缸筒为例，在一台主电机30kW的深孔镗滚床上加工需30-40分钟，耗电约15kW·h-20kW·h，而用冷拔方法加工，假设拔制两道，只需1分钟，仅耗电1.4kW·h，两者电耗量相差10-14倍。 (4)废品率高：在滚压过程中，由于滚压头兼起导向作用，因其自重产生挠度致使滚压头和镗刀走偏，造成废品。特别对于长径比>50，壁厚<5mm，细长薄壁的缸筒，用镗滚的方法加工十分困难。成品率仅达50％，而用冷拔方法生产，则管子越长越有利(切头损失小)。高精管长度可拔到12-15m，壁厚可小到3mm。我们已经成功地拔出壁厚为2．5mm的缸筒，用冷拔方法生产一般不出现废品。 (5)成品缸体的机械性能不能改善：用镗滚切削方法制造缸体，金属的机械性能没有什么提高。用冷拔方法生产使毛坯管，当减壁量为30％的变形后，可使成品管内强度提高60％，而外层则处于相对的韧性状态，这种内硬外软的情况，恰好与受内压的厚壁筒中所产生的周向应力的分布相一致。所以冷拔管用作液压(氧动)缸体十分有利。

2 冷拔钢管应用之国外生产液压缸体的技术状况

在国外，自五十年代以来首先是德国洪格尔公司采用冷拔方法生产液压缸体的坯料。其后，日本有些厂家也建立了大型拔管机制造的毛坯，国外生产液压缸体的技术路线，大致为：(1)用中、原板通过巨型压力机，压制成大口直径缝焊管，即所谓UOE成型技术。(2)将管坯在500t液压冷拔机上通过冷拔规圆，并提高其机械性能。(3)用立式强力珩磨机将冷拔管制造成高精度液压缸筒。国外制造油缸的这一工艺路线无疑是先进的、可靠的。但是需要三套大型设备：3万吨以上的UOE成型机；500t以上的拔管机；19m行程的立式强力珩磨机。在国内暂时没有这种特殊的专用机械情况下，只能利用热轧管和热挤压管作原料采用新的拉拔工艺和设备，生产高精度冷拔管，把珩磨作为辅助手段来生产液压 (氧动)缸体。

3 冷拔钢管应用之开发研制高精度冷拔管技术的特点

首先应该说明，我们所采用的高精度液压冷拔机，是独特、新颖的，至于变形方案和模具形式，是根据具体情况所确定的，在高精管研制方面，我们要走一条具有中国特色的新路子。以下分冷拔机设备和拉拔艺工两方面来谈：——在设备方面，我们力图提高拔机的刚度、拉拔生产线的同心度，并要求运行平稳，无噪音，节省能源。设备制造上要求结构简单，制造加工方便，重量轻，运行速度可调整的多种拉拔速度，从而保证提高产品的精度。首先传统的拉拔机为链式，有3个座子，即主动链轮座、模座和不大的芯棒固立座。传统拉拔机的三个座子互不联结，靠地基、螺钉承受水平的拔制力。其刚度和拔制线的同心度极差，无法保证拔制高精度，而目前高精度拔机，在设计上打破传统构思，采用独特、新颖的型式。(1)我们将缸座、模座、尾座(即芯棒固立座)用拉杆联结在一起，使拔机形成一个整体。使地基只承受设备重量，而拔机力在三个座子之间自行封闭。(2)为了提高拔机的刚性，在四根拉模上套了八根撑管，并加以预紧。为此三个座子做成一样大小，而且缸座和尾座是浮动的，只有座固立在基础上。(3)采用全液压传动，整个拔机的动作用20多个液压缸完成，拔机上没有齿轮之类的传动件。(4)在液压系统的选择上，采用大流量插装阀集成块系统，并且各台液压泵为并联流向，可以调整多种拔制速度。几年来的生产实践表明具有上述结构特点的拔机，生产中运行可靠、平等，可以这样说，多柱式预应力高刚性拔机结构已经能够满足高精管生产的要求。

——在拉拔工艺方面：拔管虽是一个历史悠久的加工方法，但是拔钢管的模具形式，国内外都是以固立式短芯头为主。国内各厂家所用1的固立式短芯头，有苏式、中式、欧式之分，下面简要说明，无论是苏式、欧式或中式，都不适合于拉拔液压缸筒。

(1)按老式的短芯头拔管，在毛坯管进入外模喇叭口时先是收缩直径，叫做缩径，在缩径后开始减少壁厚，叫做减壁。可见老的变形方案，称为缩径减壁的拉拔方式。显然，缩径减壁是不能得到高精管的，而且把一个大直径的毛坏管拔成细的缸体是非常可惜的。

(2)毛坯管在强迫缩径时，容易产生纵向绉折，结果使管子发生纵裂。此外，毛坯管在变形区出口处脱离子之前，还要发生向外弯曲，结果在管子内壁发生横裂，可见，老式短芯头不适合用来拉拔液压缸筒。

(3)毛坯管在强迫缩径时，必将拔机的总拉力消耗很大一部分，这样就造成减壁的效果就差得多了。一般由于这个原固老式拔管工艺的道次减壁量一般很少超过1.5mm。拉拔高精管所采用的工艺变形方案和模具形式，完全避免了强迫缩径，内外角也取在合理范围以内(最佳模角)，使得拔管所需的总拉力减小，而且这力完全用

在减壁的变形上，道次减壁量可达3~5mm，并不发生纵裂和横裂。成品管内的残余应力也较小，再加上使用长定径带，使成品管的直度和尺寸公差有所提高。

4 工艺试验

(1)工艺流程：

(2)拔制进程：   

正式投入批量生产以来，通过设备配套，工艺改进，工人操作水平逐渐提高，使得拔制进程顺利。各种规格品种的综合平均拔制产量已经由现拔制60道次／班，提高到120道次／班，达到了年产高精管产品10万m的设计能力。

(3)验试的内容与结果：

——内壁粗糙度：试验表明冷拔管内壁的粗糙度，主要取决于变形量和变形层次，变形量越大，粗糙度Ra值越小；多层次变形一般比单一变形光洁度要好。生产和生产数据表明，高精度内壁粗糙度均在0.63-0.4mm(即Δ8—Δ9)——尺寸精度。试验表明影响高精管直线度、壁厚差，关键是热轧管的壁厚差。热轧管壁厚差越大、成品管的弯曲度越大(图1)，其壁厚差也越大。成品管内孔的圆度与拔机刚性，拔机与夹具间的同心度以及拔管时的平稳性有密切关系，一般可<0.04mm，精度等级一般均为H8~H10。

毛坯管壁厚差与成品管度关系

                                  图1毛坯管壁厚差与成品管度关系

——力学性能，由于高精管是在冷作状态下变形。因而变形后产生形变强化，获得高强度。变形量越大，成品管的强度越高。对20#钢热轧管，当减壁时为~30％的变行后，抗拉强度提高25％。σ0.2与热轧管口σs相比提高了一倍多，δ5 >10％，ψ> 50％，使材料强度可得到充分利用。由于高精管形变强化集中在内壁，因此钢管的塑性指标仍保持较高水平。高精管横向截面沿径向硬度分布见图2。

                  图2 20#钢减壁量~30％ φ121×10.5高精管横截面径向硬度曲线

——金相组织。试验钢种均为低合碳钢和低金金钢系统。金相组织为铁素体+珠光体。热轧管经冷加工后。珠光体呈轻微带状分布。放大倍率观察，毛管晶粒为等轴态，而冷拔管接近内壁处晶粒受冷变形而拉长。当减壁量-30％时，长轴：短轴=3:1，变形层深度与硬度变化相对应。而管子截面中心部位铁素体晶粒未见变形，钢管外壁边缘部分，铁素体晶粒稍有变形，长轴：短轴为2:1。

4 冷拔钢管应用之产品的工业性试验

高精管研制成功后，曾先后由煤炭部煤科院北京开采所、合肥叉车总厂和合肥164厂等单位。采用本系列产品相应规格的高精管直接制成油缸进行了系统的工业性实用型试验。

1、煤矿液压支柱用缸筒的试验：试验目的：用27SiMnφ114x7mm高精管直接制成的缸筒，装配成DZ22-30/100单体液压支柱，进行支柱的操作性能试验、密封性能试验、强度试验及爆破试验。

试验结果：①升降柱灵活，无卡阻、降柱速度符合规范要求；

②支柱长时高低压密封内无渗漏；

③支柱按规范要求进行各项强度试验，油缸无损坏变形、符合规范要求；④对油缸进行爆破试验。最高压力122MPa，破坏状况正常破裂，无碎片。

2、CPCD30叉车升降用油缸试验

试验目的：用20#钢、φ56x5mm，冷拔制油缸筒，作8万次行程疲劳试验（门架中心加载4万次。左右各偏载100mm 2万次)，试验缸筒的几何精度。机械强度是否满足升降油缸要求。

试验结果：①焊接测量与焊接后测量缸筒几何精度一致；焊接未产生变形，实测公差范围平均为0.045~0.08mm，内表面光洁度V8 ~V9，之间；

②加压17.6x104pa，35#钢缸筒最大压力23.5x104pa，呈裂口变形正常破坏，无碎片。

5 销售、应用情况   

自冶金部对本项技术进行评审后，于1988年下半年开始试生产煤炭部煤矿支柱缸筒  100x7mm，27SiMm高精管，随接于1989年多品种正常生产销售，生产的数量、规格、用户逐年以较大幅度增长。已广泛用于煤炭部液压支柱、叉车工业。千斤顶以及大量的气动元件行业等。销售四川、上海、广东、河南、山东、山西、贵州、辽宁、北京、湖北、安徽等十二个省、市和地区。用户反应交货及时，使他们的生产效率达到极大地提高；钢管的几何精度、内表面粗糙度能达到或超过切削加工的技术水平；机械性能优越；比机床加工的产品成本低。

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谢谢楼主无私奉献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。