夏鴻雁，卞 清，吳 迪

（1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004）

目前，城市建設、通訊、汽車、化工以及機械制造等工業(yè)領域對變斷面管的需求越來越多，如熱電偶不銹鋼套管、特殊用途不銹鋼空心連接軸、汽車用直拉管、路燈電桿等.路燈電桿一般都是采用圓管，近年來，為了提高其美觀程度和更好地與環(huán)境配合，錐形方管開始被采用.國際上通用的錐形方管生產(chǎn)工藝是剪板、折彎和直縫焊接，成品尺寸精度差、成品率低、工藝復雜、設備龐大，難于實現(xiàn)自動化，產(chǎn)品成本高.采用無模成形取代現(xiàn)行工藝全部成形工序，將各種鋼種方管直接拉伸成錐形方管，產(chǎn)品質量高、設備簡單、生產(chǎn)率高，同時，在成形過程中完成形變熱處理，提高產(chǎn)品的綜合性能.同樣，通過控制參數(shù)的變化，無模拉伸方法還可加工各種金屬材料的任意變斷面長尺異型管材［1-3］.

本文設計了無模拉伸成形路燈電桿工藝.根據(jù)無模拉伸成形機理，給出了路燈電桿無模拉伸極限斷面減縮率和主要工藝參數(shù)的確定方法，并提供根據(jù)產(chǎn)品尺寸確定拉伸道次及計算各道次拉伸半成品尺寸的方法.模擬實驗研究表明，本文制定的工藝方案合理，工藝設備簡單，解決了方斷面錐形路燈電桿難于塑性成形的問題，具有一定的實用價值.

1 路燈電桿拉伸工藝設計

路燈電桿是斷面為方形的錐形管，材料為低碳鋼，σs＝343MPa，路燈電桿零件圖如圖1.

圖1 路燈電桿示意圖Fig.1 The diagram of wire-pole

現(xiàn)行工藝所生產(chǎn)的路燈電桿，因系鋼板焊接，錐形方管壁厚相同，為增加路燈電桿使用穩(wěn)定性，應加大路燈電桿下部的厚度.原料管的橫斷面外形尺寸為200mm×200mm，壁厚為12mm，根據(jù)體積不變原則，計算出原料管長度為2 945mm.

1.1 無模拉伸極限斷面減縮率確定

無模拉伸時，變形端和變形完成端的變形力滿足下列關系：

式中，A0、σ0分別為變形開始處溫度為t0時的橫斷面面積與變形抗力；Al、σl分別為變形完成處溫度為tl時的橫斷面面積與變形抗力.由式（1）有：

無模拉伸極限斷面減縮率Rs的計算公式：

碳鋼拉伸溫度約為800℃，冷卻后溫度約400℃，取σ0＝54MPa，σl＝343MPa

根據(jù)式（3），極限斷面減縮率：

為保證順利穩(wěn)定拉伸，所用斷面減縮率必須低于此值，取每道次斷面減縮率為50%～60%.

1.2 拉伸次數(shù)確定

總斷面減縮率：

根據(jù)每道次拉伸斷面減縮率極限值的限制，此總斷面減縮率不能通過一道次拉伸實現(xiàn)，經(jīng)計算，采用3道次拉伸工序.從外形尺寸為200mm×200mm，壁厚為15mm的方管拉伸成小端外形尺寸為70mm×70mm，壁厚為5mm的錐形方管，斷面減縮率R和各尺寸間應滿足下列關系：

從上式解得：R＝50.3%，采用3道次拉伸，每道次斷面減縮率為50.3%，即可拉伸出要求的尺寸.

該方案第一道次將方管拉伸成前段是錐管后段是方管的管件，軸斷面前段是錐形后段是平管；第二道次將第一道次拉出的平管拉伸成前段是錐管后段是方管的管件，軸斷面前段是錐形后段是平管；第三道次是將第二道次拉出的平管全部拉伸成錐管，整個軸斷面均呈錐形.三道次拉伸錐管角相同，各道次拉伸成品、半成品形狀尺寸如圖2所示.

圖2 路燈電桿各道次拉伸外形尺寸Fig.2 Shapes and dimensions of wire-pole after every drawing

各道次拉伸后方管橫斷面邊長和長度計算如下：

第一次拉伸后，方管橫斷面邊長：

式中，l0為原料管邊長.

根據(jù)體積不變原理，第一次拉伸后，前部分錐管的長度：

第一次拉伸后，后部分方管的長度：

式中，V錐為第一次拉伸后錐管的體積；S1為第一次拉伸后錐管小端斷面面積.

第二次拉伸后，方管橫斷面邊長：

式中，V′錐為第二次拉伸后錐管的體積；S2為第二次拉伸后錐管小端斷面面積.

第三次拉伸后，方管橫斷面邊長：

第三次拉伸錐管長度：

第三次拉伸后，后部分方管的長度：

式中，V″錐為第三次拉伸后錐管的體積；S3為第三次拉伸后錐管小端斷面面積.三道次拉伸錐管角相同.

式中，L為錐管的總長度.

計算正確.

1.3 速度控制方法

路燈電桿無模拉伸模型如圖3所示.由于受加熱能力制約，冷熱源移動速度受到限制.冷熱源移動速度取決于拉伸材料對拉伸溫度的要求，不宜作為速度變化對象，因此，通過改變拉伸速度的方式達到改變速度比的目的，使斷面減縮率按要求變化，拉伸出給定的產(chǎn)品形狀［4-5］.在拉伸過程中，拉伸方向和冷熱源移動方向反向，保持冷熱源移動速度v2一定，控制拉伸速度v1按一定規(guī)律變化，拉伸出要求的產(chǎn)品.

圖3 路燈電桿無模拉伸模型Fig.3 Deformation model for tapered wire-pole dieless drawing

在拉伸過程中，第一、二道次是由方管拉伸成前段為錐管，后段為方管的管件，第三道次則是由方管拉伸成錐管.第二、三道次都是對工件進行局部加工，在上一道次拉伸出的錐管部分保持不變的基礎上，只對上一道次拉伸出來的方管部分進行加工，從而降低了能源消耗.

2 模擬實驗

2.1 實驗設備

模擬實驗在無模拉伸實驗機上進行，尺寸模擬比為1∶10，實驗機結構見圖4.原料管為外形尺寸20mm×20mm，壁厚1.5mm的方管.材料為σs＝343MPa的低碳鋼，采用三道次拉伸.

圖4 無模拉伸實驗機結構圖Fig.4 The structure of dieless drawing experiment equipment

2.2 實驗結果

根據(jù)錐形管拉伸速度控制數(shù)學模型［6］，采用分段多項式逼近的方法，得出各道次拉伸速度與時間的變化規(guī)律，如圖5所示.

圖5 各道工序拉伸速度v1的變化規(guī)律Fig.5 The variety law of every drawing speed v1

在模擬實驗中，保持冷熱源移動速度v2為50mm／min，采用了上述各個時間段上的主拉伸電機的理論速度值，通過對主電機速度進行控制拉伸錐形路燈電桿，得到較理想的加工結果.

在無模拉伸實驗機上進行的模擬實驗證明，無模拉伸路燈電桿壁厚不等，直徑大的部分壁厚大，隨直徑減小壁厚減薄，底座部分的厚度大于上部.增加了使用的穩(wěn)定性，同時，由于拉伸變形過程同時進行熱處理，使電桿的強度和韌性都有所提高.模擬實驗成品尺寸精度高，外觀好，鋼管尺寸精度及外觀均較折彎焊接的鋼管優(yōu)越.

圖6為加工件實測外形與計算外形比較，實測外形與計算外形吻合較好，三道工序的誤差分別為6.7%、7.6%和6.1%.

圖6 拉伸件計算外形與實測外形的比較Fig.6 Comparison between calculated shape and measured shape of stretching piece

3 結 論

本文針對路燈電桿無膜拉伸工藝進行研究并取得了一定成果：

（1）制定了路燈電桿無模拉伸成形工藝方案，給出主要工藝參數(shù)的確定方法.

（2）采用分段多項式逼近的方式確定了路燈電桿各道次無模拉伸速度變化規(guī)律.

（3）根據(jù)無模拉伸穩(wěn)定變形條件，確定了極限斷面減縮率Rs的計算公式：Rs＜1-σ0／σl.

（4）給出了根據(jù)極限斷面減縮率確定拉伸道次的方法，提出了路燈電桿各道次拉伸成品尺寸的計算公式.

（5）無模拉伸的路燈電桿壁厚不等，底座部分的厚度大于上部，比折彎焊接鋼管的穩(wěn)定性高.

（6）采用無模拉伸方法所獲得產(chǎn)品實測外形與計算外形吻合較好，尺寸精度及外觀均較折彎焊接的鋼管優(yōu)越.

模擬實驗得到的理想加工結果驗證了路燈電桿無模拉伸工藝方案及主要工藝參數(shù)確定方法的合理性及可行性.該方法與傳統(tǒng)工藝有明顯的區(qū)別，設備簡單，工藝合理，解決了路燈電桿難于塑性成形的問題.

［1］ Wang Z T，Luan G F，Bai G R，et al.The Study on the Dieless Drawing of Variable Section Tube Part［J］.Journalof Materials Processing Technology，1996，59（4）：391-396.

［2］ Luan Guifu，Cao Li，Dong Xuexin.Research on the Dieless Drawing of the Ti-6Al-4VAlloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，1999，35（1）：616-620.

［3］ Wang Z T，Luan G F，Bai G R.Study of the Deformation Velocity Field and Drawing Force During Dieless Drawing of Tube［J］.Journal of Materials Processing Technology，1999，94（2／3）：73-77.

［4］ Wang Z T，Zhang S H，Luan G F，et al.Experimental Study on the Variation of Wall Thickness During Dieless Drawing of Stainless Steel Tube［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，120（1／2／3）：90-93.

［5］ 夏鴻雁，吳迪.母線為拋物線形管無模拉伸速度控制的數(shù)學模型［J］.沈陽大學學報：自然科學版，2012，24（3）：22-26.（Xia Hongyan，Wu Di.Mathematical Model of Dieless Drawing Speed Control for Parabolic Pipe［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2012，24 （3）：22-26.）

［6］ 夏鴻雁，吳迪.確定錐形管無模拉伸速度制度的數(shù)學模型［J］.東北大學學報：自然科學版，2009，30（6）：833-836.（Xia Hongyan，Wu Di.Mathematical Model to Schedule Dieless Drawing Speed for Tapered Tubes［J］.Journal of Northeastern University：Natural Science，2009，30（6）：833-836.）