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)

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方斷面錐形管無模拉伸實驗

夏鴻雁1, 卞清1, 吳迪2

(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)

摘要:在錐形管無模拉伸實驗的基礎上,研究了各種工藝參數(shù)對方斷面錐形管外形和斷面形狀的影響,分析了方斷面錐形管無模拉伸時影響斷面形狀膨脹程度的因素.結果表明,方斷面管拉伸斷面形狀膨脹率隨拉伸變形區(qū)寬度的增大而減小,隨斷面減縮率增大而增大,隨方管壁厚增大而減小,當壁厚和變形區(qū)寬度都比較大時,幾乎不產生膨脹現(xiàn)象.采用無模拉伸的方法可以加工帶有一定錐度的方斷面錐形管,加工后方斷面錐形管的輪廓與控制曲線的計算結果一致性較好.

關鍵詞:方斷面錐形管; 無模拉伸; 實驗研究; 錐管角精度; 斷面形狀膨脹率

在本實驗中,采用無模拉伸方法加工方斷面錐形管,主要研究斷面減縮率、變形區(qū)寬度(加熱線圈寬度)等工藝參數(shù)對方斷面錐形管斷面形狀、表面平坦度等成形質量的影響規(guī)律.

1實驗方法

方斷面錐形管無模拉伸時斷面減縮率Rs是由拉伸速度V1與冷熱源移動速度V2的比值決定的,拉伸中無論使V1或V2中的哪一個發(fā)生變化,錐度加工都是可以實現(xiàn)的,如圖1所示.使冷熱源移動速度V2(或拉伸速度V1)連續(xù)變化加工錐度,速度變化呈非線性,對加工速度控制困難.本實驗采用冷熱源移動速度V2不變,使拉伸速度V1階段變化作為簡化加工錐度的方法[1-5].

圖1　方斷面錐形管無模拉伸

在拉伸實驗中,保持冷熱源移動方向與拉伸方向一致,這時,斷面減縮率與拉伸速度和冷熱源移動速度的關系[6-7]:

RS=V1/V2

本實驗是在無模拉伸實驗機上進行的,實驗材料是20 mm×20 mm普通碳素方形鋼管,壁厚為1.2~2.3 mm,拉伸速度V1取5.0～2.5 mm/min,加熱線圈(冷熱源)移動速度V2取40～75 mm/min,加工溫度為800 ℃.實驗中加熱線圈分為3種,分別是寬度為(10,22,38)mm的線圈,在加熱線圈后端設有空氣冷卻噴嘴,實驗時壓縮空氣壓力為0.5 kg/cm[2].

2實驗結果與討論

2.1　方斷面錐形管外形

圖2給出了方斷面錐形管加工后沿軸向尺寸方向方管邊長的變化情況.

實驗中采用2圈加熱線圈,保持V2為40 mm/mim,使V1以40 s的時間間隔,按5-10-15-20-25 mm/min逐漸增大,方斷面錐形管加工后的輪廓與V1控制曲線的計算結果一致性很好.

圖3給出了方斷面錐形管成品的實際錐角Ф′與設計錐角Ф[8]的比較.加熱線圈為1圈(或2圈)時,其成品的實際錐角Ф′與設計錐角Ф能保持較為一致,成品實際的錐角Ф′與設計錐角Ф的誤差在±1.0%以內.采用加熱圈3圈時成品實際錐角變大,因而實際錐角較設計錐角偏大.

圖2　沿軸線尺寸方向邊長變化情況

圖3　成品實際錐角與設計錐角的關系

2.2　方斷面錐形管斷面變形情況

方斷面錐形管無模拉伸時,即使斷面減縮率Rs一定,隨著變形區(qū)寬度W的不同,方管的邊長L和壁厚t也可得一系列值.另外,在方管拉伸時,還有方管的斷面形狀缺陷(如方斷面形狀圓化現(xiàn)象)問題發(fā)生,因此,要研究變形寬度等工藝參數(shù)對拉伸后方斷面錐形管斷面形狀尺寸及缺陷的影響.

方管成形后方斷面形狀趨向圓形,圖4給出了拉伸成形前后方管的斷面形狀.設拉伸成形后方管的邊長減少率為ξ、管壁厚減少率為ν、管斷面形狀膨脹率為η,有如下定義:

式中:L0為拉伸前方管邊長;L1,L2分別為拉伸后方管實際邊長和理論邊長;t0,t分別為拉伸前后管壁厚.

方斷面錐形管拉伸時,ξ,ν,η受變形區(qū)寬度和斷面減縮率的影響.

圖4　拉伸成形前后方管斷面形狀

圖5給出了斷面減縮率Rs為20%,即V1/(V1+V2)=0.2時,方管壁厚減少率ν與變形區(qū)寬度W的關系,變形區(qū)寬度越小,壁厚減少率越大.

圖5　方管壁厚減少率與變形區(qū)寬度關系

圖6給出了方管變形區(qū)寬度與邊長減少率ξ的關系.實驗中采用斷面減縮率Rs為20%,即V1/(V1+V2)=0.2.結果表明,邊長減少率ξ隨著變形區(qū)寬度的增加而增加,即變形區(qū)寬度越大,ξ也越大.

圖6　方管邊長減少率與變形區(qū)寬度關系

圖7給出了斷面減縮率Rs為20%時,方管斷面形狀膨脹率η與變形區(qū)寬度W的關系.對于不同壁厚t0的方管,隨著變形區(qū)寬度W的增大,斷面形狀膨脹率η都會減小.同時,方管壁厚對于膨脹率也有影響,壁厚較大時斷面形狀膨脹率η較小.如當t0=2.3 mm時,若W=38 mm,即當壁厚和變形寬度都較大時,則膨脹現(xiàn)象不明顯.

圖7　方管斷面形狀膨脹率與變形區(qū)寬度的關系

圖8給出了錐管方管拉伸時錐管邊緣的平坦度f隨邊長的變化,f=(L1-L2)/2.加熱線圈速度V2為60mm/min,拉伸速度V1設為40s間隔,從5-10-15-20-25mm/min.多次拉伸與一次拉伸比較,幾乎不產生膨脹現(xiàn)象,減小斷面減縮率可實現(xiàn)高精度加工.

圖8　方管表面平坦度與邊長關系

圖9給出了方管邊長L與斷面減縮率Rs的關系.在進行方管無模拉伸時,即使斷面減縮率是一定的,對于不同的線圈寬度(變形區(qū)寬度),錐管的邊長是不同的,加熱線圈圈數(shù)越多,即變形寬度越大,邊長減少量越大.

綜上所述,對于方管斷面形狀變化,變形區(qū)寬度較小時,主要是方管壁厚減小;變形區(qū)寬度較大時,主要是管邊長減小;為了提高錐角的加工精度,可考慮適當減小變形區(qū)寬度;為了抑制膨脹現(xiàn)象發(fā)生,應取較大變形區(qū)寬度.可見,提高錐管角精度和抑制膨脹的最佳加工條件是相反的.

圖9　方管邊長與斷面減縮率的關系

3結論

根據實驗研究,可得出以下結論:

(1) 采用無模拉伸方法所加工方斷面錐形管的實際外形與理論計算外形一致性較好,成品的實際錐角與設計錐角的誤差在±1.0%以內.為了提高方斷面錐形管拉伸錐角的精度,應保持較小變形區(qū)寬度.

(2) 變形區(qū)寬度增大,方管邊長的減少率增大,方管斷面形狀膨脹率減小.

(3) 方管壁厚減少率與變形區(qū)寬度有關,變形寬度越大,壁厚減少率越小.

(4) 多次拉伸與一次拉伸比較,幾乎不產生膨脹現(xiàn)象,減小斷面減縮率可實現(xiàn)高精度加工.

(5) 對于不同的線圈寬度(變形區(qū)寬度),錐管的邊長是不同的,加熱線圈圈數(shù)越多,即變形寬度越大,邊長減少量越大.

參考文獻:

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【責任編輯: 祝穎】

(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.)

Dieless Drawing Foundational Experiment Study on Tapered Pipe with Square-Section

XiaHongyan1,BianQing1,WuDi2

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. The State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract:Based on tapered square pipe dieless drawing foundational experiment study, the influence factors on variation of pipe profile and sectional shape are studied. The influence factors and law on section rounding factor of square pipe are analyzed. The results show that rounding factor decreases with the deformation width increases and increases with reduction factor in area. The larger the wall thickness is, the smaller is the rounding factor; when deformation of wall thickness and width are relatively large, there is almost no expansion. In the experiments, square shaped steel pipes are mainly used, and tapered pipes with large angles are obtained. The tapered profile of pipe drawn by the stepped control method of pulling velocity agrees nearly well with the calculated ones.

Key words:tapered pipe with square-section; dieless drawing; experiment study; cone angle precision; sectional shape rounding factor

收稿日期:2014-05-25

中圖分類號:TG 356.5

文獻標志碼:A

作者簡介:夏鴻雁(1962-),女,內蒙古通遼人,沈陽大學副教授,博士; 吳迪(1952-),男,遼寧綏中人,東北大學教授,博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(50672060); 國家重點實驗室開放課題基金資助(201202).

文章編號:2095-5456(2015)01-0017-04