CN101559466B - 一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同轴电缆皱纹铜管外导体的加工模具；具体涉及薄壁铜管连续轧制成小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具。所要解决的技术问题是提供一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法；可适应小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹要求。其特征在于：所述模片为渐变螺旋角螺旋轧纹模片。本发明将传统的螺旋角不变的内螺纹改变成螺旋角由大至小逐渐变化的内螺纹，使模片本身产生一个反向力使得轧出的波纹在铜管的轴向受到压缩从而减小节距、增加深度。从而可成功地应用于小节距、深螺距皱纹铜管外导体射频电缆的加工。

Description

一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法

技术领域：

本发明涉及同轴电缆皱纹铜管外导体的加工模具；具体涉及薄壁铜管连续轧制成小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具。

背景技术：

螺旋皱纹铜管作为半硬同轴射频电缆的外导体是一种较为理想的结构形式，它具有损耗低、驻波小、相位一致性以及屏蔽性能好等优良的电气性能，同时具有机械强度高、柔软性适中等优良的机械特性，所以该结构形式被广泛地采用。为进一步改善它的柔软性，需要减小螺纹的节距并加大螺纹的深度，这就对轧纹模具的设计提出了新的要求。

螺旋皱纹铜管一般采用一特殊的内螺纹模片对光铜管旋转轧制而成。图1为轧制过程的示意图，图1中，1为模片；2为光铜管；3为皱纹铜管。图2为轧纹模片的结构图。

由图2可见，轧纹模片的内孔为一个螺距的内螺纹孔，其螺距为P，螺纹的高度H由浅到深均匀地变化。螺纹的最浅高度与光铜管的直径相应，而最深高度则与皱纹铜管波纹的底径相应。正如图1所示，当模片1环绕铜管2的轴线旋转时，就会在光滑的铜管2上轧出螺旋状波纹形成皱纹铜管3。

薄壁金属管的塑性变形理论分析表明，用此种模片轧制螺旋波纹时，其波纹的深度受到一定的限制。如图3所示，图3中水平箭头表示铜管前进方向，竖向箭头表示模片轧纹方向。当模片对铜管施加径向压力时使其凹陷而形成波纹，同时铜管的外径也会随之缩小。当达到一定限度后，继续增大模片对铜管的径向压力，不会再使波纹深度增加而只会使铜管外径进一步缩小。

在轧纹的过程中，如果在铜管前进的反方向上施加一个反向力，则可使得波纹受到轴向的挤压而使波峰向外拱出，同时螺距减小从而形成小节距、深波纹的螺旋皱纹铜管。图4显示出一个波纹受到反向力挤压的后果。螺纹节距由P0缩小为P1，而螺纹深度随之增加。

施加反向力的方法有多种多样。例如有文献介绍采用两个不同螺距的模片同时轧纹，后一个模片的螺距较前一个小，因而铜管的皱纹受到挤压而使螺距变小，纹深增加。此方法的缺点是需要两个不同转速的轧纹头，故不宜采用。另一方法是在轧出的皱纹铜管前进方向上放置一个一定孔径的阻尼套管，如图5所示，图5中1为模片、2为光铜管、3为皱纹铜管、4为套管。当皱纹铜管3通过套管4时它们之间的摩擦力就是使皱纹压缩的反向作用力。通过调节套管4的孔径或套管4与模片1之间的距离可控制反向力的大小，从而控制波纹被压缩的程度。但是由于套管孔径大小与内孔的表面粗糙度、润滑油的性能与用量以及铜管中电缆芯的柔软性等种种因素的影响使得该摩擦力极难控制，所以轧出的波纹形状很难达到均匀一致，这就限制了这种方法应用。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法；可适应小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法，

先根据所要求轧制的皱纹铜管的外径D、节距P、纹深H；可计算得到实际轧纹后该波纹的弧长展平后的长度L；

其特征在于：所述模片为渐变螺旋角螺旋轧纹模片：

所述轧纹模片的内孔通过以下方法设计：

所述模片的内孔的曲线方程如下：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0}{360}\mathrm{\θ}$

式中ρ为对应于曲线上θ角的曲率半径；

ρ₀和ρ₁分别代表θ为0°和360°时的曲率半径；

所述模片的渐变螺旋角的螺旋面通过以下方法设计：

设相应于模片每旋转Δθ_n角度，螺旋线上的点在铜管轴线方向上的位移为ΔP_n；Δθn＝360°/N(n＝1，2，…M-1，M，M+1，…，N)

当n＝1→(M-1)时，ΔP_n＝ΔP+δ_n；

其中：δ_n＝ε(M-n)；

$\mathrm{\ϵ}=(L-P)/\underset{n=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}n;$

当n＝M→N时，ΔP_n＝P/N＝ΔP。

采用压板、模片和底座三个部分通过螺钉组件固定组成模具；所述模片为渐变螺旋角螺旋轧纹模片；所述模片可采用车床车成圆形薄片；所述模片的内孔先用线切割机床切割出渐开线状，然后在内孔最大与最小曲率半径的交界处沿半径方向切开；再压制成符合设计要求的渐变螺旋角的螺旋面的螺旋片；所述压板的下端面与底座的上端面均为与模片形状相吻合的渐变螺旋角的螺旋面。

本发明带来以下有益效果：

将传统的螺旋角不变的内螺纹改变成螺旋角由大至小逐渐变化的内螺纹，使模片本身产生一个反向力使得轧出的波纹在铜管的轴向受到压缩从而减小节距、增加深度。从而可成功地应用于小节距、深螺距皱纹铜管外导体射频电缆的加工。

附图说明：

图1为螺旋皱纹铜管轧制过程的示意图。

图2为轧纹模片的结构示意图。其内孔为一个螺距的内螺纹，螺纹深度由浅到深均匀地变化。

图3为铜管皱纹形成的示意图。

图4表明当轧纹过程中铜管受到反向作用力时，波纹将受到压缩而使其节距减小，深度增加。

图5为小节距、深波纹的皱纹铜管的加工方法之一。该方法采用一阻尼套管，其产生的反向摩擦力使铜管波纹压缩而加深。

图6为一个波纹的波形及其展平的情况。

图7为渐变螺旋角螺旋模具分解图。

图8为一具体实施例的波纹尺寸图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

一、本发明的设计原理分析：

(1)渐变螺旋角螺旋轧纹模片的设计

图6表示最终形成的皱纹铜管上的一个波纹，其节距为P，深度为H。理论上将其展平后的长度为L，这一长度即为形成这一个节距波纹的光铜管的长度。显然，波纹的深度H越深，比值L/P则越大。当然L/P还与波纹的曲线形状有关，而曲线形状又取决于波纹的节距和模片的厚度等因素。此处暂且不讨论曲线形状对模具设计的影响，同时也忽略由于轧纹时铜管外径的缩小而引起铜管长度的增加。

轧纹模片绕铜管的轴线旋转一周(即360°)，即形成一个波纹。所以将360°分成N等份，每份旋转角度为

Δθ_n＝360°/N  (n＝1，2，…，N)          (1)

相应于每旋转Δθ_n角度，螺旋线上的点在铜管轴线方向上的位移为ΔP_n。显然，如果螺旋角是均匀变化的话，ΛP_n应为常数，且

ΔP_n＝P/N＝ΔP                  (2)

若要求螺旋角是渐变的话，则ΔP_n应为变量。下面将考虑ΔP_n是如何变化的。

模片的螺旋线的起点到终点的轴向距离应取为L。为保证最终形成波纹的螺距是稳定的，并等于P，我们取第M份到第N份的轴向位移为常数ΔP(M为小于N的整正数)。而从第1份到第(M-1)份的轴向位移ΔP_n则是由大到小变化的，其变化的规律可考虑在ΔP的基础上再加上一个附加的增量δ_n。为方便起见，我们考虑增量δ_n按等差级数递减，其规律如下：

长度差(L-P)应按等差级数递减地分配给前面的(M-1)份，此时δ_n＝ε(M-n)                  (3)

其中 $\mathrm{\ϵ}=(L-P)/\underset{n=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}n---\left(4\right)$

而ΔP_n＝ΔP+δ_n               (5)

综上所述，

当n＝1→(M-1)时，ΔP_n按(5)式计算；

当n＝M→N时，ΔP_n按(2)式计算。

考虑到轧纹过程的实际情况，轧纹模片对于铜管施加的径向力会使铜管的外径缩减，而铜管外径的缩减会使其长度增加，通常铜管的伸长应与外径缩减的平方成反比，即满足

$\frac{{D_1}^2}{{D_0}^2}=\frac{L_0}{L_1}---\left(6\right)$

式中D₀和D₁分别为铜管轧制前后的外径；

L₀和L₁分别为铜管缩径前后的长度。

所以，考虑铜管伸长时(4)式中的L以L₁代入即可进行计算。

考虑到皱纹的轧制是由浅到深变化的，所以模片的内孔设计成渐开线状，如图2所示。曲线方程如下：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0}{360}\mathrm{\θ}---\left(7\right)$

式中ρ为对应于曲线上θ角的曲率半径；

ρ₀和ρ₁分别代表θ为0°和360°时的曲率半径。

(2)渐变螺旋角螺旋轧纹模片的结构考虑

参见图7，图7中11为压板；12为模片；13为底座；5为渐变螺旋角的螺旋面；6为螺钉。本轧纹模片的内孔实际上为一个螺距的内螺纹，由于螺纹的内径较小、纹深较深，而且螺纹的螺旋角又是渐变的，因此用普通的车床加工非常困难。为此，考虑将模具分解成如图7所示的3个部分(包括压板11、模片12和底座13)，并用4个螺钉6固定在一起。其中压板11和底座13的一个端面为按上节计算的渐变螺旋角的螺旋面5，可以数控机床进行加工。模片可先用车床车成圆形薄片，再用线切割机床按上节计算的孔形切割内孔，同时在内孔最大与最小曲率半径的交界处沿半径方向切开，最后压制成符合上节计算结果的螺旋片。

二、本发明的一个具体实施例的设计过程：

本发明的实施例为某皱纹铜管外导体的轧制模具。该皱纹管的外径要求为6.35mm，其波纹形状如图8所示，即波纹的节距P为2.61mm，纹深H为0.813mm。经计算，该波纹的弧长展平后的理论长度L应为3.34mm。

为达到6.35mm的外径要求，据经验，取光铜管的外径D₀＝6.5mm，不考虑波纹压缩时皱纹管外径缩为D₁＝6.2mm，由(6)可算得波纹展平长度L₁＝3.34/(6.5²/6.2²)＝3.186mm。

试将模片内螺纹的螺距分为100份，即取N＝100。每份旋转角度Δθ_n＝360°/100＝3.6°，此时相应的轴向位移为ΔP_n。

设定后面的10份的螺旋角是均匀变化的，即当n＝91→100时，

ΔP_n＝ΔP＝2.61/100＝0.0261；

而前面的90份的螺旋角是渐变的，即当n＝1→90时，

由(4)式可算得， $\mathrm{\ϵ}=(3.186-2.61)/\underset{n=1}{\overset{90}{\mathrm{\Σ}}}n=0.000140659;$

由(3)式可算得，δ_n＝0.000140659(91-n)；

由(5)式可算得，ΔP_n＝0.0261+0.000140659(91-n)。

轧纹模片的厚度取1mm，内孔渐开线曲线按(7)式计算，计算时分别取ρ₀＝2.36mm和ρ₁＝3.25mm。

模片内孔曲线方程为 $\mathrm{\ρ}=2.36+\frac{3.25-2.36}{360}\mathrm{\θ}.$

按此计算结果加工的模具轧制出的皱纹铜管基本符合电缆外导体的尺寸要求。

Claims (2)

1.一种小节距深螺旋皱纹铜管的轧纹模具的设计方法，

所述小节距深螺旋皱纹铜管采用特殊模片对光铜管旋转轧制而成，先根据所要求轧制的皱纹铜管的外径D、节距P、纹深H；

可计算得到实际轧纹后该波纹的弧长展平后的长度L；

其特征在于：所述模片为渐变螺旋角螺旋轧纹模片；

所述轧纹模片的内孔通过以下方法设计：

所述轧纹模片的内孔的曲线方程如下：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0}{360}\mathrm{\θ};$

式中ρ为对应于曲线上θ角的曲率半径；

ρ₀和ρ₁分别代表θ为0°和360°时的曲率半径；

所述模片的渐变螺旋角的螺旋面通过以下方法设计：

设将模片的圆周(360°)分成N等份，M为小于N的正整数，相应于模片每旋转Δθ_n角度，螺旋线上的点在铜管轴线方向上的位移为ΔP_n；Δθ_n＝360°/N(n＝1，2，…，M-1，M，M+1，…，N)

当n＝1→(M-1)时，ΔP_n＝ΔP+δ_n；

其中：δ_n＝ε(M-n)；

$\mathrm{\ϵ}=(L-P)/\underset{n=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}n;$

当n＝M→N时，ΔP_n＝P/N＝ΔP。

2.按照权利要求1所述的一种小节距深螺纹皱纹铜管的轧纹模具的设计方法，其特征在于：采用压板、模片和底座三个部分通过螺钉组件固定组成模具；所述模片为渐变螺旋角螺旋轧纹模片；所述模片采用车床车成圆形薄片；再在该圆形薄片上用线切割机床切割出渐开线状；然后在内孔最大与最小曲率半径的交界处沿半径方向切开；再压制成符合设计要求的渐变螺旋角的螺旋面的螺旋片；所述压板的下端面与底座的上端面均为与模片形状相吻合的渐变螺旋角的螺旋面。

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