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鋁管材裂紋缺陷控制

艾普斯   丨  2017.09.21   丨  3230

鋁管材裂紋缺陷控制


無論是鋁管材壓延,還是鋁管材拉伸,都有可能產(chǎn)生裂紋。

上面說過,在冷軋鋁管材時(shí),機(jī)架行程中某一段時(shí)間變形區(qū)內(nèi)一部分金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),另一部分金屬處于兩向壓一向拉的應(yīng)力狀態(tài),這有利于塑性變形。因?yàn)槌齻€(gè)另部位的拉應(yīng)力外,整體上主應(yīng)力作用能阻礙金屬晶間的滑移,保護(hù)金屬的完整性,不容易產(chǎn)生裂紋,所以冷軋管的冷加工率可達(dá)90%以上。但是軋槽設(shè)計(jì)不合理,或在生產(chǎn)中對(duì)槽型維修不當(dāng),軋槽寬度過寬;或芯頭錐角設(shè)計(jì)不合理,使管坯變形中減徑量增大,這兩種情況都會(huì)使金屬沿橫向不均勻變形增加,鋁管材在橫向上出現(xiàn)壁厚不均,可能產(chǎn)生裂紋。

在冷拉伸過程中,由于外層金屬在軸向上比中心受到較大的剪切變形和延伸變形,拉伸后因彈性的后效作用,外層比中心要縮短的量大。但拉伸件的整體性妨礙了其自由變形的可能,結(jié)果即在產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。對(duì)于冷拉圓棒,在軸向外層產(chǎn)生拉應(yīng)力,中心產(chǎn)生與其平衡的壓應(yīng)力。在徑向由于同樣的作用,所有同心的環(huán)形薄層要增大直徑,但受到阻礙不能自由漲大,產(chǎn)生壓應(yīng)力;中心處壓應(yīng)力最大,外層壞最小,等于零。在周向上,其中心部分因軸向和徑向受到殘余壓應(yīng)力,外層金屬又阻礙其自由漲大,從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,而外層則產(chǎn)生與之相平衡的殘余拉應(yīng)力。


鋁管材貨架

冷拉管中的殘余應(yīng)力在管壁中的分布規(guī)律與圓棒材半徑上的殘余應(yīng)力分布相同,但在周向上因拉伸方法和配模設(shè)計(jì)的差異,殘余應(yīng)力的分布在數(shù)值上存在較大的變化。位伸時(shí)管子在內(nèi)、外表層變形量不同,其變形差值用內(nèi)徑縮減率和外徑縮減率的差表示,即:

                    Δ=[(d0-d1)/d0-(D0-D1)/D0]*100%

式中,d0,d1------分別為管材拉伸前、后的內(nèi)徑;
      D0,D1------分別為管材拉伸前、后的外徑。

由生產(chǎn)實(shí)踐得知,變形差值越大,即不均勻變形越大,周向殘余應(yīng)力越大。帶芯頭拉伸時(shí),管坯直徑受壓縮減小,管壁也受到壓縮變形,故內(nèi)、外層變形差值減小,因此管材外表面產(chǎn)生的周向殘余拉應(yīng)力較小??绽瓡r(shí),只有減縮直徑,沒有減小壁厚,差值增大,周向殘余應(yīng)力明顯增加。當(dāng)鋁管材表面出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),即會(huì)產(chǎn)生裂紋。

由于鋁管材中殘余應(yīng)力的存在,即便沒有出現(xiàn)裂紋,也會(huì)明顯降低材料的穩(wěn)定性和抗腐蝕性,使得材料的表面、尺寸和形狀隨著停放時(shí)間的延長而發(fā)生變化。采用這樣的材料加工零件時(shí),有可能使應(yīng)力陡然釋放,本來是圓形零件但發(fā)生突變而成為橢圓形。

防止或減少鋁管材生產(chǎn)中裂紋的發(fā)生,提高金屬材料的穩(wěn)定性,在變形加工過程中須盡可能減小塑性變形錐內(nèi)的不均勻變形,降低變形后的殘余應(yīng)力及在后續(xù)加工中,采用矯形或熱處理以消除或減小殘余應(yīng)力。對(duì)于不同的管材,具體做法為:

(1)對(duì)冷軋管,設(shè)計(jì)工、模具時(shí),合理設(shè)計(jì)芯頭錐角和軋槽孔型;生產(chǎn)工藝上,合理選擇送料量,從而減小減徑量,減小寬展,降低減徑區(qū)的壓扁程度,減少不均勻變形。

(2)對(duì)冷拉管,帶芯頭拉伸時(shí),盡可能減小減輕量,增大減壁量,使管材內(nèi)、外表面的變形差值趨近于零,實(shí)現(xiàn)無周向殘余應(yīng)力拉伸。

(3)對(duì)空拉管,若斷面加工率相同,空拉比帶芯頭的襯拉大得多,且隨著減徑量的增加而增大,因此管材的整徑或減徑的變形量要合理選擇。變形量太大,殘余應(yīng)力增大;變形量太小,會(huì)影響表面質(zhì)量,甚至由于材料的彈性影響,使塑性變形不能充分體現(xiàn),達(dá)不到整徑或減徑的目的和效果。

(4)對(duì)拉伸坯料進(jìn)行多次退火,減少兩次退火間的總加工率,以減小分散變形度,減少接觸表面上的摩擦;采用合適的模角,拉伸時(shí)使坯料與模子軸線良好地吻合,減小不均勻變形。

4.6金屬及非金屬壓入或壓坑

在壓延和拉伸過程中,金屬顆粒物如鋁屑和各種氧化物顆粒在壓力作用下被嵌入管壁內(nèi),稱為金屬及非金屬壓入,壓入金屬顆粒掉落成為壓坑。該缺陷減小了鋁管材的有效斷面積,破壞金屬的連續(xù)性,降低金屬材料的力學(xué)性能。

引起金屬及非金屬壓入或壓坑的原因有:

(1)管坯在鋸切加工過程中,切口存在毛刺,未打磨;內(nèi)、外表面黏附鋁屑,未吹報(bào)干凈,壓延或拉伸時(shí)被壓入。

(2)潤滑劑使用時(shí)間太長,未進(jìn)行充分、有效過濾,含鋁屑和其他氧化物顆粒,裹入潤滑膜中被壓入。

(3)毛料切斜度太大,壓延時(shí)尖銳處易呈碎片而被壓入。

(4)芯頭局部損壞或粘鋁,隨后進(jìn)入管壁內(nèi)。

為避免金屬及非金屬壓入或壓坑,應(yīng)加強(qiáng)工藝過程控制與質(zhì)量管理,徹底吹掃干凈管坯內(nèi)、外表面的鋁屑和塵埃;對(duì)潤滑油充分過濾,并及時(shí)更換,避免金屬和夾雜顆粒流入壓延或拉伸過程而壓入鋁管材表面。

4.7擦、劃傷

工、模具表面粗糙、粘鋁;潤滑油膜抗壓能力低,在壓延或拉伸時(shí),油膜遭到破壞,金屬與工、模具表面直接接觸,發(fā)生摩擦;輸送管道或輥套表面不平,存在尖銳型凸起物,都可能產(chǎn)生鋁管材表面擦傷或劃傷。

生產(chǎn)前須對(duì)工、模具輸送管道與輥套、潤滑油進(jìn)行認(rèn)真檢查,確認(rèn)合格后方能投入生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中應(yīng)對(duì)鋁管材內(nèi)外表面進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)擦、劃傷應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。

4.8橢圓

鋁管材內(nèi)圓與外圓圓心不重合為壁厚不均引起,鋁管材圓形直徑不等,存在長短軸現(xiàn)象為橢圓。橢圓長短軸相差太大,即圓度超差,對(duì)要求高精尺寸的用戶如氣動(dòng)元件用管是不允許的。

產(chǎn)生橢圓的原因很多,就壓延和拉伸而言,主要有:

(1)壓延管材??仔驮O(shè)計(jì)和制造存在偏差,孔型軋槽呈橢圓形;軋槽磨損過大,由圓形演變成橢圓;操作時(shí)間隙調(diào)整不正確,使軋制鋁管材呈橢圓狀。

(2)拉伸管材。模子定徑區(qū)失圓,呈橢圓形。模角過大,定徑區(qū)太短;道次加工率太小,拉伸后易發(fā)生變形,產(chǎn)生橢圓。

合理設(shè)計(jì),提高工、模具制造精度;加強(qiáng)對(duì)工、模具的維修管理;執(zhí)行正確的操作規(guī)程,可提高鋁鋁管材圓度。

4.9 跳車痕

固定芯頭拉伸,芯頭與芯桿采用螺紋連接,剛性固定。芯頭與管材內(nèi)表面、模子與管材外表面均發(fā)生接觸,摩擦面積大,摩擦力大。由于芯頭與芯桿屬于剛性連接,拉伸相同樣受力的作用。拉伸鋁管材長度增加時(shí),芯桿隨之增長,在自重作用下產(chǎn)生彎曲隨之加重,使芯頭在??字须y以固定于正確位置;同時(shí)由于芯桿受拉伸力影響,產(chǎn)生的彈性伸長量也增大,從而易引起跳車,形成跳車痕,或稱為跳車環(huán)、竹節(jié)。

減少拉伸鋁管材長度,或增加芯桿的剛性,或采用流動(dòng)芯頭拉伸,可消除或減少跳車痕的發(fā)生。

4.10表面粗糙

如前所述,冷加工中產(chǎn)生表面粗糙缺陷主要是流動(dòng)壓潤滑引起的。道次加工率小,加工中產(chǎn)生的正壓力小,可能在金屬與工、模具接觸的界面上潤滑油膜較厚,接觸界面的剪切變形在油膜中進(jìn)行,工、模具的光滑表面對(duì)被加工金屬的表面起不到壓熨作用,從而保留了上道工序的加工表面,或更為惡劣的表面狀態(tài),明顯出現(xiàn)表面粗糙化的傾向。

提高道次加工率,變流體動(dòng)壓潤滑為邊界潤滑,充分發(fā)揮工、模具光滑表面對(duì)被加工金屬表面的壓熨作用,提高表面光潔度,可減輕或避免表面粗糙的產(chǎn)生。

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