内螺纹无缝管冷拔机芯棒夹持装置改进
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摘 要：内螺纹是普遍作为高压锅炉用管、空调器冷凝管。一般利用冷拔原理生产内螺纹管。本文简要介绍了现有冷拔机冷拔内螺纹管时的缺陷和改进方法。从理论公式及实践生产中改进了冷拔机芯棒夹持装置。改进装置提高了成材率、芯棒的使用寿命并减少更换芯棒的周期。
关键词：冷拔机；内螺纹无缝管；锅炉用管；拉拔；芯棒
1.概况
内螺纹管是一种内表面有螺旋槽的管材，它可以在锅炉设备运行中有效的降低管壁的温度，提高传热的效率，是目前高压锅炉管广泛使用的一种管材以及空调器作为水冷壁管或冷凝管，且需求量逐年增加。
2.拔制原理和存在缺陷
带芯棒冷拔是内螺纹管生产最常用的方法之一（如图1），拔制过程中，由于内模上存在螺纹沟槽，沟槽的前沿侧边将承受与之接触的管料内壁凸肋前沿侧边的挤压，在沟槽受力侧的法向上产生挤压力，此力的切向分布力将驱动内模和连接杆旋转。只有当内模螺纹沟槽的螺纹升角大于一定数值时，沟槽受力侧边所受的切向分力才足以克服内模和连接杆所受的旋转阻力而使其发生旋转。形成管内壁螺纹形状。
在采用冷拔内螺纹管成型过程中，管料不仅有直径和壁厚的变化，而且还有内螺纹的生成，因此变形区内金属的流动十分复杂。理想的芯棒螺纹沟槽设计，应该使其满足拉拔管材时金属的流动规律。但是，对拔管成型过程的分析，在理论上属于弹塑性大变形问题，并且伴随有材料非线性，而且会因为接触状态变化带来接触非线性，使得进行理论分析十分困难。
拉拔小管径内螺纹管时往往达不到需求的螺旋角，特别是在管头和管尾距离合格管差距很大，这样就降低了成材率，使之在同行业的竞争中失去优势。螺旋升角越大，越有利于钢管内蒸汽的紊流作用， 传热效率越高。但随着螺旋升角的增大，拔制力相应增大，可能使芯棒拉断，并且更换芯棒的次数增加。图2为现有的芯棒加持装置。
3.1 理论研究
α为外模锥角；d1为成品管内径；β为芯棒锥角； 为凸筋高度；n为螺旋凸筋头数；c为螺旋凸筋宽度；P为拉拔力； 为管料所受的轴向应力。
在施加主动力矩的情况下，侧向单位挤压力可用下式表示：
式（3）中Mf为阻碍芯棒转动的阻力矩，主要来自内模与管料之间的接触摩擦力，Ma为克服摩擦阻力矩对内模施加的主动力矩，Ma≤Mf。d max为内模最大直径，A为受力侧壁与芯棒沟槽侧壁的总接触面积。
从（3）可知增加主动力矩Ma可减小侧向单位挤压力，使内螺纹凸筋畸变减小。
3.2 改进措施
在内螺纹无缝钢管冷拔机上提供一种新型的芯棒夹持装置的内螺纹传动系统（图3），可使无缝管的内螺纹成形完善，提高内螺纹管的成材率，并且使内模、芯棒的使用寿命大幅度延长。新型芯棒夹持器主要由旋转轴、球轴承、联轴器、轴套和马达等组成。在旋转轴末端加一个液压马达，使原来被动转动的旋转轴产生主动旋转的力，使芯棒带动内模受到马达作用进行旋转，旋转方向与内模芯棒旋转方向相同。
在拉拔过程中管料产生的凸筋形状可发生畸变，造成产量损失，施加主动扭矩的方法减小畸变。这是因为在拉拔的过程中，如果使内模凹槽侧壁（ 有挤压作用的一侧） 有远离该侧凸筋侧壁的趋势， 则切向相对滑动量将有所减小。造成内螺旋凸筋形状畸变的原因是芯棒转动的阻力矩过大， 而阻力矩主要来自内模和管料的接触摩擦阻力。
所以为了生产合格的内螺纹管，提高成才率，将改进拉拔夹持装置（图4）。可以使拉拔后的螺纹管管内螺纹凸筋更易形成，其畸变减小，主动旋转的芯棒倒锥角形成增大，使管材塑韧性强度增强。并且使内模、芯棒的被动扭转力减小，内模、芯棒的使用寿命加长。
4.结论
拉拔管材时满足金属流动规律，管头与管尾的内螺纹成材率提升。减小受力侧壁所承受的侧向单位挤压力，管内凸筋畸变减小，材质稳固。芯棒受到马达的主动旋转的力矩，减小内模与芯棒所受摩擦阻力，使其使用寿命加长，减少更换芯棒的周期。
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作者简介：刘浩（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为轧钢设备及工艺。
通讯作者：刘浩，硕士。