新型冷拔鋼管打頭機(jī)工藝數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

許曉浩，郝潤(rùn)元，劉浩

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

摘要：通過(guò)有限元模擬軟件Deform對(duì)一種新型的打頭設(shè)備的成型工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，研究了夾送輥偏角對(duì)成型過(guò)程的影響，然后在對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變分布研究的基礎(chǔ)上，分析了該工藝的變形特點(diǎn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，驗(yàn)證了上述工藝條件下的成型效果，并對(duì)鍛打前后管頭的壁厚及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：打頭設(shè)備；旋轉(zhuǎn)速度；進(jìn)給速度；變形特點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)；壁厚；力學(xué)性能

收稿日期：2015-03-11

作者簡(jiǎn)介：許曉浩(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦呔溶堉蒲b備及技術(shù)。

中圖分類號(hào)：TB24文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

冷拔鋼管具有加工精度高、機(jī)械性能好、表面粗糙度低、便于加工等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作各種汽缸，液壓缸，汽車減震器等機(jī)械構(gòu)件[1]，廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的諸多行業(yè)當(dāng)中，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和良好的市場(chǎng)前景。冷拔鋼管在拉拔前需要進(jìn)行頭部縮徑，以便頭部先通過(guò)拔模，作為夾持工位，現(xiàn)行的打頭工藝多為汽錘，夾板錘錘擊及各種擠壓機(jī)擠壓等，工藝落后，生產(chǎn)效率低下，影響著冷拔管生產(chǎn)效率的提高。太原科達(dá)重工生產(chǎn)出了一種新型的打頭設(shè)備，將通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)鋼管成型過(guò)程進(jìn)行研究，并對(duì)鍛后鋼管頭部的厚度及力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行分析。

1設(shè)備及原理簡(jiǎn)介

太原科達(dá)重工生產(chǎn)出的新型冷拔鋼管打頭設(shè)備如圖1所示，它主要由打頭機(jī)主機(jī)及夾送裝置組成，是對(duì)現(xiàn)有徑向鍛造工藝應(yīng)用的一種擴(kuò)展，在管料周圍平均分布四個(gè)錘頭，錘頭通過(guò)主電機(jī)帶動(dòng)，沿鋼管徑向進(jìn)行高頻往復(fù)鍛打，管料另一端通過(guò)夾送輥的夾持一邊旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)給，管料在錘頭的鍛打下產(chǎn)生徑向壓縮和軸向延伸，最終的縮徑形狀由閉合的模具形狀決定。

圖1　新型打頭設(shè)備

2有限元數(shù)值模擬

2.1建立三維模型

模擬采用Deform-3D有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，采用材料為20的管狀坯料，在deform中對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為AISI-1020，外徑83 mm，內(nèi)徑57.4 mm，長(zhǎng)度為1 500 mm，利用deform自帶網(wǎng)格劃分功能對(duì)管坯進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為100 000，夾送輥喉徑為110 mm，錘頭閉合直徑58 mm，成型過(guò)程中不考慮夾送輥及錘頭模具的變形，將兩者均設(shè)置為剛體。在Proe三維軟件中建立錘頭、管子和夾送輥的模型后導(dǎo)入Deform軟件中，四個(gè)錘頭模具對(duì)稱分布在管料的周圍，由夾送輥控制管料的旋轉(zhuǎn)和送進(jìn)，三維模型如圖2所示：

圖2　有限元模型的建立

錘頭的形狀采用圓弧形錘頭，分為圓錐形面的預(yù)成型段和圓柱形面的整形段[2]，其中錘頭總長(zhǎng)度230 mm，整形段長(zhǎng)度15 mm，圓弧形的錘頭可以增大與管坯外表面的接觸面積，有利于空心管坯的快速成型，降低變形過(guò)程中的不均勻性；模具的錐角α取12°.

2.2錘頭的運(yùn)動(dòng)曲線

錘頭的運(yùn)動(dòng)特性與機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性一致，符合正弦函數(shù)運(yùn)動(dòng)曲線，其鍛打頻次為600次/min，運(yùn)動(dòng)行程為5 mm，單次鍛打周期為0.1 s.

2.3成型溫度的選取及摩擦模型的建立

在成形過(guò)程中，一方面管料與外界熱交換，導(dǎo)致溫度下降；另一方面，高頻快速鍛打產(chǎn)生熱效應(yīng)，使坯料溫度升高，兩者相互作用，導(dǎo)致坯料在鍛打后溫度稍有升高[3]，本次模擬忽略變形過(guò)程中溫度變化的影響，較高的成型溫度有助于降低成型時(shí)所需要的變形力，模擬設(shè)定成型溫度為950 ℃.

錘頭和管坯之間采用常用來(lái)描述體積成型的剪切摩擦模型[4]，摩擦系數(shù)增大會(huì)使徑向鍛打力增大，軸向送進(jìn)力減小[5]，由于冷拔鋼管打頭時(shí)潤(rùn)滑條件差，因此模擬時(shí)摩擦系數(shù)應(yīng)取較大值，也利于送進(jìn)，本次模擬取錘頭與管坯摩擦系數(shù)為0.5，夾送輥與管坯摩擦系數(shù)為1.

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1夾送輥偏角對(duì)應(yīng)變及成型效果的影響分析

利用夾送輥控制管料的旋轉(zhuǎn)和送進(jìn)可保證在送進(jìn)速度提高的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)得到提高，送進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度的比值由夾送輥中心線法線方向與管坯中心線的偏角θ決定，如圖3所示，只有當(dāng)兩者達(dá)到一定比例的時(shí)候，成型時(shí)管頭的變形才均勻[6]。

圖3　夾送輥偏角示意圖

本次模擬設(shè)定的軋輥轉(zhuǎn)速為1.5 rad/s，分別設(shè)定θ為45°、53°、60°，三種成型條件下的等效應(yīng)變分布和成型效果如圖4所示：

圖4　不同偏角下的等效應(yīng)變及成型效果

由此可見，當(dāng)軸向送進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)速度比值過(guò)大時(shí)，外表面會(huì)出現(xiàn)螺旋形脊椎紋，表面凸起等，提高偏角則表面變形趨于均勻，管頭趨于圓整，當(dāng)偏角達(dá)到60°，即送進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)速度之比為1∶1.73的時(shí)候，可以滿足成型要求，打出的管端部分比較平直。

在成型效果較好的條件下，分別在已成型區(qū)管料的外表面和內(nèi)表面各選3個(gè)觀察點(diǎn)，觀察其等效應(yīng)變數(shù)值變化，如圖5所示，可見已變形區(qū)域的等效應(yīng)變值在0.7~0.8之間變化，內(nèi)壁已經(jīng)被鍛透，且總體均勻，內(nèi)部等效應(yīng)變值稍大于外部，這是因?yàn)閮?nèi)壁在徑向方向的內(nèi)表面為自由表面，不受約束，變形較大。

圖5　等效應(yīng)變數(shù)值分析

3.2成型后的應(yīng)力分布分析

當(dāng)夾送輥轉(zhuǎn)速為1.5 rad/s，偏角為60°的成型條件下成型后，在成型段內(nèi)選取斷面，觀察其在錘頭壓下時(shí)X、Y、Z三個(gè)方向上的應(yīng)力值及平均應(yīng)力值的等值線分布情況，X、Y分別對(duì)應(yīng)切向和徑向方向，Z對(duì)應(yīng)軸向方向，如圖6所示：

圖6　應(yīng)力數(shù)值分析

由圖6可以看出，當(dāng)錘頭壓下鍛打時(shí)，在X、Y、Z方向的應(yīng)力值均為負(fù)值，表明鍛打時(shí)徑向方向，軸向方向材料均受到壓應(yīng)力的作用；由平均應(yīng)力的等值線分布可以看出材料在變形時(shí)總體處于壓應(yīng)力狀態(tài)，錘頭部分的壓應(yīng)力數(shù)值較大，錘頭邊緣的壓應(yīng)力數(shù)值較小。由此可見，在鍛打變形時(shí)材料變形區(qū)處于三向壓應(yīng)力的狀態(tài)，這種塑性變形方式對(duì)鍛打后鍛件塑性和強(qiáng)度的提高是非常有利的。

4實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為太原科達(dá)重工生產(chǎn)的4×100 t的新型打頭機(jī)，設(shè)備參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)所采用的鋼管為20無(wú)縫管坯，尺寸與工藝參數(shù)與上述模擬時(shí)所采用的參數(shù)相同。

表1　設(shè)備參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬情況基本一致，在偏角過(guò)小的情況下打出的管頭會(huì)因應(yīng)變不均勻而引起褶皺凸起等，提高偏角后得到改善，當(dāng)偏角為60°時(shí)，最終成型效果如圖7所示，成型效果較好，管端平直、圓滑，在鍛后管頭圓周方向上取6處進(jìn)行壁厚測(cè)量，得到鍛后管頭厚度的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7　成型后管頭

123456厚度(mm)16.0015.9515.9016.0516.0015.95

由上表數(shù)據(jù)求平均值得出管頭壁厚為16 mm，比之前的壁厚12.8 mm增加3.2 mm，由此可見這種成型工藝得到的管頭壁厚是增加的，對(duì)于拉拔來(lái)說(shuō)是非常有利的。

將鍛打前后的鋼管在縱向方向上分別切出多個(gè)矩形試樣，并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB228-2002進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣形狀及拉伸前后狀態(tài)如圖8所示，根據(jù)多個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出鍛打前后管頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖8　試樣拉伸前后狀態(tài)

抗拉強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)斷后伸長(zhǎng)率(%)斷面收縮率(%)鍛前455.5257.444.5649.74鍛后5143004046.36

由表3可以看出，經(jīng)過(guò)鍛打后強(qiáng)度指標(biāo)如抗拉強(qiáng)度比鍛前增加了12.8%，屈服強(qiáng)度提高了16.6%，塑性指標(biāo)如斷后伸長(zhǎng)率降低了4.56%，斷面收縮率降低了3.4%，強(qiáng)度的提高對(duì)后續(xù)的拉拔來(lái)說(shuō)同樣是非常有利的。

5結(jié)論

(1)夾送輥偏角決定了旋轉(zhuǎn)速度與送進(jìn)速度的比例，對(duì)應(yīng)變的均勻性有著重要影響，偏角越大，成型越均勻，當(dāng)達(dá)到60°時(shí)可以很好滿足成型要求。

(2)這種新設(shè)備在打頭過(guò)程中管料基本處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，平均壓應(yīng)力分布比較均勻，且內(nèi)外表面均被鍛透，這種成型方式對(duì)管頭的成形來(lái)說(shuō)是十分有利的。

(3)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)之后，得到管端平直、圓整的管頭，且管端壁厚增加，管頭塑性隨稍有下降，但強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)于后續(xù)拉拔來(lái)說(shuō)可以明顯降低拉斷的幾率。

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The Process Parameters of Finite Element Simulation and Tests of

a New Cold Drawn Steel Tube Heading Machine

XU Xiao-hao，HAO Run-yuan，LIU Hao

(Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：In this paper，a new type of heading equipment forging process is simulated by means of finite element simulation method，the influences of the pinch roll are researched，then on the basis of the research on stress and strain distribution，analyzes the deformation law of the process，F(xiàn)inally the molding effects of the method are verified through experiments，the thickness and mechanical properties of pipe head before and after forging are also analyzed.

Key words：heading equipment，rotating speed，feeding speed，deformation law，experiments，thickness，mechanical properties