铜合金弯头冷推成形影响因素分析及工艺参数优化——正交试验方法的应用

文献概况

本文由中国船舶重工集团公司第七二五研究所周铁柱等完成，发表于《材料开发与应用》2018年第33卷第2期，受国家重点研发计划（2016YFB0301404）资助。研究基于有限元模拟软件和三维造型软件，建立了铜合金弯头冷推成形的有限元模型，通过正交试验分析方法，系统研究了摩擦系数、模腔与芯杆间隙以及推制速度对冷推成形质量的影响，确定了最优工艺参数组合。该研究对于铜合金弯头的精密成形工艺优化具有重要的工程指导价值。

冷推成形工艺原理与技术背景

铜合金弯头冷推成形是一种少切削或无切削的精密成形工艺，其基本原理是将管坯在模具中通过芯杆的推入，使管坯在塑性变形状态下弯曲成形为弯头。与热推弯工艺相比，冷推成形具有材料利用率高、表面质量好、尺寸精度高、无氧化皮等显著优势，特别适用于铜合金等有色金属弯头的精密成形。

然而，冷推成形过程中存在诸多影响因素，包括材料性能、模具几何参数、成形工艺参数以及润滑条件等。这些因素相互耦合，使得工艺参数的优化成为一个复杂的多因素优化问题。文献采用正交试验方法，将多因素优化问题简化为正交表设计，通过较少的试验次数即可获得各因素的主次关系，是一种高效且实用的优化方法。

影响因素分析与工艺参数优化

文献选取了三个关键工艺参数作为研究对象：摩擦系数、模腔与芯杆间隙以及推制速度。这三个参数分别代表了成形过程中的润滑条件、模具几何特征和成形速率，是冷推成形工艺中最关键的控制变量。

通过正交试验设计和极差分析，文献确定了各因素对成形质量的影响主次关系，并得出了最优工艺参数组合：摩擦系数0.05、模腔与芯杆间隙0.75 mm、推制速度4 mm/s。

从成形力学角度分析，摩擦系数为0.05时，界面摩擦处于适中水平。摩擦系数过低（如0.03）可能导致材料流动过快，壁厚减薄不均匀；摩擦系数过高（如0.07）则增加成形力，可能导致材料开裂或模具磨损加剧。模腔与芯杆间隙为0.75 mm时，提供了适当的成形空间，既保证了材料的充分流动，又避免了过度减薄。推制速度为4 mm/s时，成形速率适中，既保证了生产效率，又避免了因变形速率过快导致的绝热温升和材料硬化。

与工程实践的结合

文献的研究成果对于铜合金弯头的实际生产具有直接的指导意义。在实际生产中，工艺参数的优化需要平衡以下矛盾：

第一，成形质量与生产成本的矛盾。较低的摩擦系数需要更好的润滑条件，增加了润滑剂的使用量和后续清洗成本；过大的模腔与芯杆间隙虽然有利于成形，但可能导致壁厚减薄不均匀，增加废品率。

第二，成形质量与模具寿命的矛盾。较高的推制速度虽然提高了生产效率，但增加了模具的磨损速率，缩短了模具使用寿命。在实际生产中，需要根据模具材料和热处理状态，合理选择推制速度。

第三，批量生产一致性与单件最优性的矛盾。正交试验确定的最优参数组合是理想条件下的最优解，但在批量生产中，由于材料批次差异、模具磨损和润滑状态变化等因素，实际工艺参数可能需要适当调整。

从PDCA循环的角度分析，工艺参数的优化应遵循"计划-执行-检查-改进"的持续改进过程。首先，通过有限元模拟和正交试验确定初始最优参数（Plan）；然后，在实际生产中执行该参数组合（Do）；接着，通过实际产品的质量检测评估参数效果（Check）；最后，根据评估结果调整参数，进入下一轮优化（Act）。

关键疑问与思考

文献的研究虽然得出了有价值的工艺参数优化结果，但仍有若干值得深入探讨的问题。首先，文献未涉及材料本身的性能差异对成形质量的影响。不同铜合金牌号（如C27000、C67700、C70250等）的力学性能和成形性能存在显著差异，同一工艺参数组合可能不适用于所有铜合金牌号。其次，文献未考虑模具磨损对成形质量的影响。在实际生产中，模具随着使用次数的增加会逐渐磨损，导致模腔与芯杆间隙增大，壁厚减薄率变化，这需要定期检测模具状态并及时修模或更换。第三，文献未涉及冷推成形后的残余应力分析。冷推成形过程中，材料经历塑性变形，会产生残余应力，这些残余应力可能影响弯头的尺寸稳定性和服役性能，特别是在焊接后续工序中，残余应力可能与焊接应力叠加，增加裂纹风险。

学习心得与启示

这篇文献让我认识到，铜合金弯头的冷推成形工艺优化是一个涉及材料、模具、工艺参数和润滑条件的多因素耦合问题，正交试验方法为解决这类问题提供了一种高效、实用的工具。对于从事有色金属管件成形的工程技术人员而言，掌握正交试验方法可以显著减少试验次数，快速确定各因素的主次关系，从而高效地优化工艺参数。在实际生产中，建议将有限元模拟与正交试验相结合，先在模拟环境中筛选出较优的参数范围，再通过少量实际试验验证和微调，实现工艺参数的快速优化。同时，也应关注模具磨损和材料批次差异对成形质量的影响，建立模具寿命管理和材料来料检验制度，确保批量生产的工艺稳定性和产品质量一致性。铜合金弯头冷推成形工艺的持续优化，需要在理论分析与工程实践之间不断循环迭代，才能实现成形质量与生产效率的最优平衡。