内螺纹铜管成型技术与工艺(综述)

内螺纹铜管成型技术与工艺

1 内螺纹铜管生产技术发展过程

1.1国外内螺纹铜管的发展过程

随着空调器制造技术的不断进步, 对高效、 节能、 环保的要求愈来愈高, 国外从70 年代开始先后开发了用内螺纹铜盘管和亲水铝箔做两器(蒸发器和冷凝器)的新型空调。内螺纹管与光管相比可增加热交换面积 2~ 3 倍, 加之形成的湍流作用,提高热交换效率20% ~ 30%,节能15%。80年代已得到普遍认可的主要铜盘管生产企业的内螺纹盘管的产品比例一般大于 50%。国外内螺纹盘管从开发到大批量生产大约用了近20 a的时间。

1.2 国产内螺纹的发展过程

80 年代末期,国内相继上马空调器生产线,并使用铜光盘管作为热交换的主要材料, 随着环保要求的提高,新的致冷剂使用以及降低成本的需要, 开始研究具有高的换热效率的铜管进行替代, 90 年代初期和中期, 国内有几家设备制造厂家和铜管生产厂家已经研究和试制内螺纹铜管, 并取得了一些成绩, 可以在10~ 20 m/ min低速的情况下, 直线拉制内螺纹实现批量生产, 但没有达到大批量高速生产盘管的技术。而国外,如日本、 韩国已经开发出较成熟的设备和工艺,但设备和技术价格较高昂,所以这段时期,进口内螺纹铜管成了空调厂家的首选。此时,国内部分厂家也花大价钱进口了一些设备, 但由于光管本身的质量问题和模具等因素的影响, 国产内螺纹管没有太大的批量。

90 年代中期以后,国内设备厂家如江苏兴荣、 北京京圣等,加紧对加工设备的开发和研究,铜管生产厂家如河南金龙、 湖南光远、 江苏名佳利等, 注重研

究铜管的品质, 使得内螺纹铜管的生产得到了飞速的发展, 无论采用原挤压法生产的管坯还是采用铸扎生产的管坯,无论是用直线拉伸还是用盘拉, 都能 生产出合格的内螺纹管。

90 年代末期,由于设备和工艺的成熟,国内开始批量复制内螺纹铜管生产线, 如张家港的恒荣、 华芳、 广东太平洋、 浙江海亮等, 国内的生产能力不断扩大,国内产品亦开始出现竞争的态势,各个厂家注重降低产品的生产成本,在3 a的时间内, 内螺纹铜管的销售价格连下 1x104万元, 目前该产品的价格几乎接近于成本价, 将国外产品基本上排挤在国门之外,国外厂家因为生产成本过高, 出口不利, 开始大批量减产。

内螺纹铜管的发展大致经历了如下几个发展阶段: ( 1)山型齿内螺纹管; ( 2)梯型槽内螺纹管; ( 3)小顶角型内螺纹管; ( 4) 细高齿型内螺纹管。目前,国 外又陆续推出了高低齿齿型、 齿顶开槽、 双旋向等内螺纹管。

1.3 国产管的优势和劣势

与国外产品相比较, 国产内螺纹管生产成本较低,无论是设备还是人工成本都相对低廉, 这对加工制造业来说是有利的, 特别是来料加工是再好不过的,这对国际国内市场都不错。在国内,各铜管生产厂家亦提供了良好的售后服务, 得到了空调制造厂家的一致好评。但弱势显而易见, 加工设备自动化程度低,过分依赖操作人员的素质和加工技术, 导致成品率低下,产品品质稳定性差, 这对降低生产成本是不利的,也削弱了产品的竞争能力,特别是产品的稳定性问题使出

口成为一大难题。另外国内铜价居高不下,亦会对加工厂家带来一些成本压力。

1.4 内螺纹铜管的研发方向

内螺纹铜管的发展趋势是薄壁化、 细径化、 高齿化、 小齿顶角化。这种趋势也使内螺纹铜管轻量化,即单位长度的重量进一步减轻, 尽量提高传热性能以减少铜材用量;

内螺纹齿型呈复杂化趋势。复杂的组合齿型内螺纹可以大大强化换热, 但对加工设备和模具的制造都提出了新的要求。对于如何避免由于齿型复杂化导致的制造难度增加和加工效率降低而导致的成本增加,以及如何保证产品的质量稳定提出了新课题。开发新的内螺纹齿型品种和规格, 研制相应的加工工艺及技术, 拓宽内螺纹铜管应用领域是内螺纹铜管生产厂家面对的重要课题。

加大瘦高齿内螺纹铜管的开发与生产;

在现有基础上，加大中央空调用大直径内螺纹铜管的开发与生产(如:Ø12.7 mm，Ø15.87 mm等)

2 内螺纹铜管的齿型

高效内螺纹传热管按旋向和齿型特征分类如下：

3 内螺纹成型工艺

目前 ,内螺纹铜管有两大门类 ：一种是无缝内螺纹管 ；另一种是焊接内螺纹管。前者 的生产工艺 已经成熟 ，后者尚处于发展之中。

3.1无缝内螺纹铜管生产工艺

作 为无缝 内螺纹管成型技术,1969年美国发明了螺纹芯头旋锻法70年代初 ,日本日立 电线发明了螺纹芯头滚轮旋压一拉拔法；之后 ,经过铜管加工行业技术人员的创新和改进,

形成了目前的主流生产工艺：管坯—行星钢球旋压成型—拉拔。

3.1.1内螺纹成型原理及成型条件

内螺纹成型工艺如图 1 所示。管坯Ø D xS， 经过减径模Ø D6 减径后,在高速旋转的钢球 Ø D3 的滚压下, 铜管内表面的金属被压进螺纹芯头Ø D 5的齿槽,在铜管内表面形成齿高为H 0 的齿型(底壁厚为S 0)。在拉拔力F的作用下, 铜管不断向前运动,在铜管内壁形成连续的螺纹。最后通过定径模 ØD 1定径后, 成为符合用户要求的螺纹管Ø D 0 × S 0× H 0。

由内螺纹成型原理图可知,铜管内螺纹成型必须具备如下条件:

①铜管必须呈软态。目前已有厂家成功的使用硬态管胚生产内螺纹铜管,因此节省了复杂的缠绕和耗费能源的退火工序。采用这种工艺的前提条件是,材料、管胚几何形状及工具的质量必须优良,更为重要的是具备调整设备的丰富经验。

②铜管前进、变径所需的拉力F1;

③内螺纹成型所需的旋压动力F2;

④高硬度、高光洁度、规则的螺纹芯头模具;

⑤高硬度、高光洁度、高精度的旋压钢球;

⑥成型时产生的热量冷却及成型所需的润滑条件。

3.1.2 拉拔工艺

拉拔工艺则可采用多种形式来实现，市场上多采用的包括有链式直线拉拔机、履带式链条拉拔机、舒马格联合拉拔机、倒立式圆盘拉伸机，V型槽拉伸等，各拉拔形式都有其优点和局限性，铜管生产厂家需综合考虑自己的生产需要而选择。

3.1.3 常见的内螺纹成型装置

内螺纹成型首先要求管胚的偏心度小及管壁均匀性高,以保证内螺纹成型稳定并精确。为了保证内螺纹成型的这一前提条件,内螺纹成型前必须进行一次预拉伸。预拉伸后的铜管尺寸必须考虑到有内螺纹成型所需的旋压余量及螺纹芯头灵活转动的间隙。根据内螺纹成型机所需拉力F1的拉拔方式可分直线拉拔和盘式拉拔。直线拉拔由于可以使铜管产生良好的几何形状而显示出优越性,但对成品管材的外观质量会造成一定的损伤,因此国内外很少应用。盘式内螺纹成型机

在全球使用最为广泛,这种设备在国内外已制造了许多,并在世界各地成功的生产出不同规格的内螺纹铜管。

内螺纹成型所需的旋压动力F2,根据不同的需求可以置配不同的传动系统,一般使用电机功率配置为9. 0kw~15kw。因内螺纹铜管表面质量要求清洁、光滑,不应有影响使用的有害缺陷(摘自有色金属行业标准YS/T440-2001)。为了确保这一特性,旋压速度配置很高。旋压速度越高,内螺纹铜管表面质量越光洁。根据内螺纹近几年的发展经验,内螺纹成型机所需的拉伸速度与旋压转速符合1比0. 4的关系。即单位时间内螺纹铜管每前进1mm,旋压装置至少转动0.4转。选配转速为18000~25000转/分的电机，成型速度40~60m/min；如选配转速高达45000~50000转/分的磁悬浮电机 ,成型速度可以提高到70~80m/min。

该工艺加工的产品范围(外径)为Ø6.35一l0mm。如加工细径(≤5mm)和大规格(≥12mm)的内螺纹管，则应对成型机做适当调整。

铜管在拉伸及内螺纹旋压成型时,会产生大量的热量。产生的热量若不及时消除,会严重影响内螺纹成型后的壁厚、椭圆度、米克重等,严重时产生烧黑、断管等现象。在许多铜管加工企业,为了保证最终铜管的外型尺寸符合标准要求或顾客使用要求,均在内螺纹成型后增加精整装置。该装置主要目的是保证内螺纹铜管最终外径尺寸D符合公差要求。

内螺纹成型装置还必须具备必要的铜管放料机构与铜管收料机构。铜管放料机构与铜管收料机构的速度必须与内螺纹成型速度相匹配,否则会造成断管、放料紊乱等现象。

在空调行业中,对热交换管材的清洁度要求相当高。相关标准规定,内螺纹铜管内表面残留物应不大于0. 038g/m2。所以在内螺纹成型装置中必须增加清洗机构,以满足铜管清洁度要求。清洗装置一般采用柔软材料(如橡胶擦块、聚氨脂擦块等)擦拭铜管表面以达到清洁要求。

由上可知,常见的内螺纹成型装置结构主要包括:预拉伸系统、旋压装置、动力机构、

精整装置、冷却及润滑装置、清洗机构及铜管收、放料机构等辅助装置。如图3所示:

3.1.4 内螺纹成型装置的发展趋势

目前,国内外制冷行业对内螺纹铜管的质量要求不仅越来越高,而且对其发展趋势越来越关注,主要体现在内螺纹铜管向小而高的方向发展。小而高是指小规格铜管和齿型瘦高。一般内螺纹齿顶角α在40度以下时,称该螺纹齿为瘦齿。在横截面积螺纹数n相同的情况下,螺纹齿型越高越瘦其热交换面积就越大。

由于受旋压速度的限制,目前国内外的内螺纹最佳成型速度限制在65~85m/min之间。要大幅度提高内螺纹成型速度,就必须提高旋压动力用高速电机。目前高速电机最常见的转速大约为24000转/分钟,国内外一部分厂家已成功运用转速为35000转/分钟的高速电机生产出高精度的内螺纹铜管,其成型速度提升到了100m/min。

高速电机的转速提高受其轴承转速的制约。提高高速电机的转速,必须解决与其相匹配使用的轴承转速及轴承润滑条件。目前多采用陶瓷球角接触轴承,其转速已达到其极限使用速度。润滑条件采用油雾、油气润滑方式。采用磁悬浮轴承,是再次提高高速电机的转速的发展方向。

3.1.5 常见的内螺纹缺陷及排除方法

3. 1.5.1 齿高不够,形状不清

原因: a)旋压环外圈太大,尺寸不合适,相对内螺纹芯头来说球体直径小;

b)母管壁厚太小;

c)内螺纹芯头外径太小,尺寸不对。要么是设计错误,要么是制造错误。 解决办法: a)检查所有工模具和母管尺寸,发现任何问题就更换或修复工模具;

b)检查工模具图纸,用正确的模具参数去更正。如果是生产过程不对,改变制造工艺。

3.1.5. 2 表面螺旋印记太深或粗糙,螺旋印记不均匀(节距不相等) 原因: a)钢球磨损严重或各球体磨损快慢不一;

b)有铜屑而引起钢球不转;

c)旋压环外圈太小;

d)外圈太大而导致球体间的间隙不均匀;

e)球体大小不均匀。

措施: a)更换钢球;

b)清洗旋转头并更换整套模具;

c)检查旋压环外圈尺寸和球体直径,发现问题请更换。

3.1.5. 3 在拉制开始和中间出现断管

原因: a)母管壁厚太厚,导致游动拉伸模处拉力太大。同时,管子拉过游动拉伸模后,润滑油膜破裂。这样,在后面旋压和空拉过程中,管子内壁润滑油膜可能太薄或根本没有润滑,从而不能连续拉制;

b)母管内壁有油污;

c)母管的凹痕处或压平处太多,导致芯杆和管子内壁贴在一起;

d)由于芯杆弯曲或间隙太小导致芯杆、游动芯头和内螺纹芯头不能转动; f)由于工模具不正确,导致球体不转动;

g)在旋压过程中减壁量太大导致壁厚太小;

h)润滑油流量太小,设备配置不正确;

i)内螺纹芯头外径和游动芯头的外径相比太大,导致内螺纹芯头和管子内壁贴在一起不能转动。

措施: a)保持游动芯头处的缩减量为8~12%,保证壁厚和外径的公差范围(最好为±0. 02,最大为±0. 03);

b)在把料筐放上开卷机前,检查母管,如果上面油污太多则要放慢拉制速度或干脆拒绝拉制;

c)切掉母管有凹痕或扁平的部分,或拉制时遇到这些地方请放慢拉制速度; d)在抛光了滑动部分后,检查芯杆与游动芯头和内螺纹芯头的间隙;

e)在购买或者使用母管前,一定要确认其质量。特别要确认:母管内壁没有油污,盘料上没有凹痕、没有裂缝、没有划痕、没有折叠、没有破裂和没有起层等缺陷;

f)在使用前,确认模具旋转状况良好;

g)更换旋压环或内螺纹芯头;

h)确认润滑设备运转良好,润滑油充足且干净;

I)更换游动拉伸外模和游动拉伸芯头。

3.1.5. 4 管子内外表面有划痕

原因: a)内壁划痕有可能是内螺纹芯头边沿破裂或不均匀磨损;

b)在定径模里有大块的铜屑或异物;

c)润滑油或清洗装置中有金属屑和异物或铜粉黏结成的杂质。

措施: a)圆整和抛光内螺纹芯头的边沿;

b)抛光或更换定径模;

c)抛光或更换清洗块;

d)过滤或更换润滑油。

3.1.5. 5 同心度不好(椭圆度太大)

原因: a)定径模不均匀磨损;

b)定径模在模座中位置歪斜;

c)缓冲辊压力太大。

措施: a)更换定径模;

b)清理定径模座;

c)确认缓冲辊压力并调整压力控制阀。

3.1.5. 6 表面质量太粗糙或不平整

原因: a)母管晶粒太大(超过了0. 05mm);

b)在旋压环里面有异物或铜屑。

措施: a)减小退火温度或提高拉制速度;

b)用高压空气吹旋压环内部。

3.2焊接内螺纹铜管生产工 艺

近几年,outkumpu和cerro公司分别在马来西亚和美国新建了条焊接内螺纹铜管生产线2条焊接内螺纹铜管生产线。全球范围内已陆续建成的十余条焊接内螺纹铜管生产线主要分布于美国、德国、日本、巴西、墨西哥、台湾等国家