Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管的研究与开发

李志清，龙香林，付 俊，朱 晖

（江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096）

1 引言

目前，内螺纹铜管以其优异的换热性能、节材等特点已成为空调中冷凝器和蒸发器主要换热元件，并最终取代光管［1-2］。空调器的高效节能、小型化趋势促进了换热器所用传热管的传热强化［3］，为适应节能环保要求，必须加大市场开发力度，进一步扩大铜管的高端市场。Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管属于铜管行业的高端产品，也是内螺纹铜管行业的发展趋势。因而研究与开发该型内螺纹铜管意义重大。

无缝内螺纹铜管总的发展趋势是向着薄壁、高齿、米克重轻、细径、高效传热这一方向发展［4］。提高空调能效比和节能最直接的技术途径就是提高空调换热器（蒸发器和冷凝器）的传热性能［5］。针对Sφ5×0.23×0.12mm规格内螺纹铜管，可以其成型理论为依据，采用工艺试验、计算机模拟等关键技术，从材料性能、有限元模拟、内螺纹成型工艺等方面开展系统研究，以实现细径内螺纹铜管成型的工业化生产及应用，为企业占领铜管高端市场打下良好的基础。

2 设计原理及有限元模拟

2.1 设计原理

采用逆推法进行内螺纹成型模具设计，即根据要开发的螺纹管规格如ΦD0×S0×H0（外径×底壁厚×齿高），从定径模开始，从后向前，依次推算出钢球、旋压环、螺纹芯头、减径模、管坯等参数值。计算时应结合实际生产经验确定这5个参数值。以逆推法为理论基础理论，结合数据采集阶段获得的管坯性能以及内螺纹成型模具设计理论和实践经验，设计成型模具工艺参数。

2.2 有限元模拟

由于内螺纹铜管的滚珠旋压成型过程较复杂，成齿影响因素很多，有必要通过有限元模拟分析，为工艺设计提供理论指导。按国标管材拉伸试验法做铜管单向拉伸试验获取有限元模拟所需的真应力应变曲线，测得弹性模量118.556GPa、屈服强度227MPa、泊松比为0.3、质量密度为8.96g/cm3。螺纹芯头材料为硬质合金YG6，弹性模量：700MPa；泊松比0.21；质量密度14.8g/cm3，钢球材料为GCr15。

3 试验方法

3.1 试验设备

内螺纹铜管滚珠旋压成型设备为正立盘拉拔成型机，拉拔成型机由以下几部分组成，游动芯头和螺纹芯头、拉拔外模、旋压头和旋压高速电机、定径模和盘管机等。高速电机转速和盘管机的盘拉速度可以通过控制面板调整。

3.2 小试验过程

3.2.1 第一次小试

将设计的Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管产品5球工艺成型模具，委托模具厂家加工完毕后进行样品试制。通过测试样品的齿形参数，观察样品的成齿质量，为进一步优化成型模具参数、制定成型工艺提供支持。

（1）试验设备原料。

试验在内螺纹成型机组进行，模具信息见表1中规格产品对应的5球工艺模具，原始管坯性能及尺寸参数见表1。

表1 原始管坯参数

（2）试验方法。

采用旋模比450、拉伸速度35m/min，进行内螺纹铜管成型试验，并对试制样品进行米克重、齿形（螺旋角、底壁厚、齿高、齿顶角）等参数的测试和成齿质量观察。

（3）试验结果。

表2给出了试验样管齿形参数及齿形质量的总体评价。试验样管内螺纹齿高在0.096～0.110mm、底壁厚在0.213～0.222mm、米克重在33.9～35.1，试制样品成齿质量不理想。

表2 Sφ5×0.23×0.12样管参数（单位：mm、g/m）

（4）分析讨论。

本次试验获得的Sφ5×0.23×0.12mm规格样管成齿质量较差，表现为齿头斜，填冲不饱满，平齿和残齿数量占40%。齿形为△型，造成齿顶角大。调整方案：选取壁厚为0.32～0.34mm的管坯，其它参数不变。

3.2.2 第二次小试

根据第一次的小试结果，分析管坯壁厚偏薄，金属填充量不够，第二次小试对管坯壁厚进行了优化，壁厚调整为0.32～0.34 mm，内螺纹成型模具、旋模比、拉伸速度及管坯其它参数不变，进行内螺纹铜管成型试验。

表3 Sφ5×0.23×0.12样管参数（单位：mm、g/m）

表3给出了试验样管齿形参数及齿形质量的总体评价。试验样管内螺纹齿高为0.111～0.120mm、底壁厚在0.214～0.229mm、米克重在34.3～35.6，试验样品齿形优于第一次试验产品，残齿数量占15%，同时存在齿顶角偏大问题。

3.2.3 第三次小试

根据第二次小试齿顶角偏大的情况，对螺纹芯头的齿顶角加大，同时旋模比由450提高到500，其它参数不变。

表4 Sφ5×0.23×0.12样管参数（单位：mm、g/m）

表4给出了试验样管齿形参数及齿形质量的总体评价。试验样管内螺纹齿高在0.111～0.120mm、底壁厚在0.214～0.230mm、米克重在34.1～35.7，通过检测齿高、底壁厚、齿顶角、克重、螺旋角均达技术标准值，从成齿情况看残齿、和歪齿彻底解决，之前二次试制都出现齿顶角大现象。试制样件成齿情况良好为柱状型。

综上，Sφ5×0.23×0.12mm最优的生产工艺：原始管坯为φ7.5×0.33mm，旋模比为500，大盘拉速35m/min。试生产了Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹管215kg，生产过程中产品齿形参数、质量和外表面质量均较稳定，并对产品进行了精整和退火包装，探伤缺陷数量在允许范围内。

3.3 中试阶段成果

Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管成型试验，根据三次小试得到的经验，进行了中试试验，以验证小试阶段获得的Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管成型模具设计方法和经验的合理性，以及成型模具和工艺在工业化生产中的可行性、连续性和稳定性。同时根据客户提出的Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管新产品（规格及要求见表5）试用需求订单，本次中试拟连续试制0.5t上述铜管新产品。

表5 Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管新产品技术要求

表6 内螺纹成型模具参数（单位：mm，°）

（1）试验在内螺纹成型机上进行，内螺纹成型模具参数详见表6所示。

（2）试验方法：

根据客户提出的Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管新产品技术要求，结合成型管坯性能、生产模具和工艺特点以及本项目上一阶段小试的结果，设计了上述5球工艺成型模具，采用成型旋模比为500，大盘拉速35m/min，进行中试。

其中，内螺纹成型工序通过调整垫片厚度将试制产品相关参数和要求，如齿形、成齿质量和外表面质量等调至合格再进行连续试生产。在试生产开始阶段、中间阶段和最后阶段均取样检测齿形、成齿质量和外表面质量等参数是否合格、稳定。在中试阶段，共进行了二次试验，合格产品的重量为0.997t，经计算，中试产品的合格率为78.8%。

3.4 客户试用情况

据客户订单要求，配送Sφ5×0.23×0.12mm样品管4盘送往客户进行弯管机胀管试验，以验证新样品管的性能一致性和稳定性。

Sφ5×0.23×0.12mm样品管同时开料弯管试用在珠海格力10#长U弯管机上进行。开始弯制时，个别盘管出现轻微内皱，经调整弯管芯头位置后轻微内皱基本消除，且变形量较大区域也未出现暗裂现象，随即在此工艺条件下弯制了约100根U形管，经目测，其全部合格，见图1。随机选取了若干根长U管穿铝箔做成2片两器片后进行胀管和扩口，无扩口开裂的情况，见图2。

综上，Sφ5×0.23×0.12mm样管性能在一致性和稳定性方面均能够满足客户弯U形管、胀管和扩口工艺技术要求。

图1 弯成的长U管

图2 长U管制成的两器片

3.5 规模生产阶段成果

综合中试阶段的成型模具参数及工艺参数，最终确定了产业化生产的技术参数。见表7。

3.6 经济效益分析

截止目前，江铜加工事业部已生产Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管260多吨。每吨利润是φ7×0.25×0.18mm的2.09倍，能够为企业带来显著的经济效益。

随着国家节能环保的要求，节能、高效成为制冷领域的发展方向，为了适用客户高效节能、小型化和环保型空调的迫切要求，开发Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管生产技术具有重要的意义。Sφ5×0.23×0.12mm内螺纹铜管在环保节能要求的推动下，市场将逐步扩大，在未来销售量会稳步增长，江铜加工事业部会加大市场开发力度，开发新的用户，进一步扩大铜管的高端市场。

表7 产业化生产成型技术参数（单位：mm，°）

4 结论

（1）利用逆推法进行计算，从成品参数出发，逆向思维，按照成品尺寸→定径模直径→钢球直径→滚压环内径→螺纹芯头外径→减径模内径→管坯外径→游动芯头直径的流程，设计了两套成型模具。

（2）采用有限元模拟软件，建立内螺纹滚珠旋压成型过程旋压螺纹起槽道次有限元模型，模拟成型成齿规律及齿形缺陷成因，为改善成型齿形提供了理论支撑。

（3）经过理论推算及生产反复验证，最终确定了Sφ5×0.23×0.12mm成型工艺，使用设计模具（表7中模具参数），旋模比为500，大盘拉速35m/min。

（4）根据设计生产规范进行了现场规模生产，进行了Sφ5×0.23×0.12mm产品齿形，性能符合江铜加工事业部内控要求，产品合格率达79.87%。

（5）内螺纹铜管将向着高效化、细径化即耐腐蚀方向发展［6］。