王俊杰，張尚毅，龐德禹，王明家，周曉宏

(1.揚(yáng)州誠德鋼管有限公司，江蘇揚(yáng)州 225200；2.燕山大學(xué)，河北秦皇島 066004； 3.安徽省春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

冷拔是生產(chǎn)精密、薄壁和高機(jī)械性能高端鋼管的有效方法[1]。但由于研究方法的限制，生產(chǎn)廠家通常通過生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來確定冷拔鋼管的生產(chǎn)工藝參數(shù)[2]。工藝優(yōu)化比較滯后，導(dǎo)致生產(chǎn)中，鋼管拔斷、開裂事故[3]。特別是冷拔過程中鋼管容易發(fā)生橫裂現(xiàn)象，以及鋼管縱裂問題[4]。

冷拔過程中鋼管的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)、鋼管內(nèi)部金屬流動(dòng)規(guī)律以及實(shí)際的拔制力對鋼管冷拔質(zhì)量有較大的影響，國內(nèi)學(xué)者對冷拔過程進(jìn)行了物理模擬與計(jì)算機(jī)模擬[5-7]，劉傳璞等[8]在冷撥鋼管過程采用縮減鋼管直徑方案，獲得所需的機(jī)械性能，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

為了研究鋼管拔制過程中實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變分布以及金屬的流動(dòng)問題，本文利用數(shù)值模擬的方法對鋼管的冷拔過程進(jìn)行計(jì)算，分析了應(yīng)力、應(yīng)變分布，金屬流動(dòng)以及拔制力的變化，優(yōu)化設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 模型建立及模擬參數(shù)的設(shè)置

1.1 冷拔簡化模型

生產(chǎn)中冷拔外模的入口錐角度α和定徑帶寬度b對冷拔管質(zhì)量具有較大的影響，因此將入口錐角度α設(shè)置在8°～16°之間，定徑帶寬度b設(shè)置為15、20、25、30 mm等，計(jì)算2個(gè)參數(shù)變化對4140無縫鋼管冷拔的影響。管坯計(jì)算長度為實(shí)際生產(chǎn)總長的1/10，以便節(jié)約計(jì)算時(shí)間。模型如圖1和圖2所示。

(a)管坯模型

圖2 模具與管件模型組合

1.2 模擬參數(shù)的設(shè)置

以冷拔前的鋼管規(guī)格OD385 mm × 50 mm進(jìn)行模擬計(jì)算，該管通過一道冷拔工序?qū)⑦_(dá)到目標(biāo)尺寸：OD355.6 mm × 44.45 mm；冷拔外模與內(nèi)模由于變形量很小，在冷拔模擬過程中設(shè)置為剛體；冷拔速度為10 mm/s。初始模型的參數(shù)設(shè)置為: 管坯和模具初始溫度為20 ℃，模具溫度25 ℃，剪切摩擦因數(shù)0.1，管坯與模具間傳熱系數(shù)5 W/(m2·℃)，管坯與環(huán)境間傳熱系數(shù) 0.02 W/(m2·℃)。

管坯材料流動(dòng)應(yīng)力的溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率函數(shù)如圖3所示。

(a)20 ℃

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力分析

圖4為鋼管入模階段的應(yīng)力分布圖。由圖4(a)可以看出，鋼管入模時(shí)的最大軸向拉應(yīng)力位于鋼管外壁與外模入口錐接觸的部位，最大軸向壓應(yīng)力位于內(nèi)模前端與鋼管內(nèi)壁的接觸部位，鋼管外壁的最大軸向拉應(yīng)力區(qū)對應(yīng)于鋼管內(nèi)壁的最大軸向壓應(yīng)力區(qū)。由圖4(b)可以得出，鋼管入模時(shí)，鋼管的內(nèi)壁與外壁都承受橫向壓應(yīng)力。圖4(c)表明，鋼管入模時(shí)，最大徑向拉應(yīng)力位于外壁與外模入口錐接觸的部位，最大徑向壓應(yīng)力位于內(nèi)模后端與鋼管內(nèi)壁的接觸部位。

(a)軸向應(yīng)力分布

圖5為鋼管穩(wěn)定冷拔階段的應(yīng)力分布。由圖5(a)可以看出，鋼管在穩(wěn)定冷拔時(shí)，最大軸向拉應(yīng)力位于外壁與外模入口錐接觸的部位，最大軸向壓應(yīng)力位于內(nèi)壁與內(nèi)模定徑帶接觸的部位，軸向壓應(yīng)力沿壁厚從內(nèi)向外逐漸減小。由圖5(b)可知，鋼管與外模及內(nèi)模接觸的部位都承受橫向壓應(yīng)力。由圖5(c)可知，最大徑向拉應(yīng)力與壓應(yīng)力均位于鋼管的外壁，最大徑向拉應(yīng)力位于外模入口錐與管坯外壁的接觸部位，最大徑向壓應(yīng)力位于外模定徑帶與管坯外壁接觸的部位。鋼管在冷拔過程中受到外模與內(nèi)模的擠壓，因此，鋼管在冷拔過程中產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力比較大，且位于管坯與模具定徑帶的接觸部位。

(a)軸向應(yīng)力分布

2.2 應(yīng)變及金屬流動(dòng)分析

圖6為冷拔應(yīng)變分布圖，冷拔過程中，應(yīng)變主要集中在定徑帶處。由于該計(jì)算模型的減壁量為3 mm，壁厚值較大，因此，內(nèi)壁的應(yīng)變遠(yuǎn)大于對應(yīng)外壁的應(yīng)變。

圖6 冷拔鋼管的應(yīng)變分布

圖7為金屬的流動(dòng)分布圖，冷拔過程中金屬沿著軸向流動(dòng)，在定徑帶處，外壁金屬向里流動(dòng)，內(nèi)壁金屬向外流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減徑減壁。

圖7 冷拔鋼管的金屬流動(dòng)

2.3 拔制力分析

圖8為拔制力隨模擬步數(shù)的變化曲線，拔制分為冷拔入模階段、穩(wěn)定冷拔階段及脫模階段。在入模階段拔制力逐漸增大，穩(wěn)定階段拔制力上下波動(dòng)，脫模階段拔制力逐漸減小到0。

圖8 冷拔過程的拔制力

2.4 入口錐角度α與定徑帶寬度b對冷拔的影響

表1為入口錐角度α對鋼管冷拔的拔制力、平均外徑、平均壁厚的影響。

表1 入口錐角度α變化的模擬計(jì)算結(jié)果

表2為定徑帶寬度b對鋼管冷拔的拔制力、平均外徑、平均壁厚的影響。

表2 定徑帶寬度b的模擬計(jì)算結(jié)果

圖9為拔制力隨入口錐角度和定徑帶寬度的變化曲線圖。

(a)入口錐角度

由表1、表2及圖9可以看出，冷拔過程中平均外徑與平均壁厚值都在工藝允許的范圍內(nèi)，隨著入口錐角度及定徑帶寬度的增大，拔制力逐漸增大。如圖9(a)所示，隨著α的增大，冷拔變形劇烈，在強(qiáng)化鋼材機(jī)械性能的同時(shí)拔制力增大；如圖9(b)所示，在冷拔過程中，隨著定徑帶寬度的增加，導(dǎo)致摩擦力增加，從而引起拔制力增大；然而過窄的定徑帶容易使鋼管形成過大的彎曲度，對后續(xù)矯直不利且模具易損壞。因此，成品規(guī)格為OD355.6 mm ×44.45 mm的4140無縫鋼管冷拔模具的最佳參數(shù)為：入口錐角度α為10°，定徑帶寬b為25 mm。

3 結(jié)論

通過對4140無縫鋼管冷拔過程的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

(1)冷拔入模階段，最大軸向拉應(yīng)力位于鋼管外壁與入口錐接觸部位，最大軸向壓應(yīng)力位于鋼管內(nèi)壁與內(nèi)模前端的接觸部位；穩(wěn)定冷拔階段，最大軸向拉應(yīng)力位于鋼管外壁與入口錐的接觸部位，最大軸向壓應(yīng)力位于鋼管內(nèi)壁與內(nèi)模定徑帶的接觸部位。

(2)隨著入口錐角度α的增大，冷拔變形劇烈；隨著定徑帶寬度b的增加，拔制力先快速增大，當(dāng)b達(dá)到25 mm后，拔制力趨于穩(wěn)定。通過綜合分析確定，成品規(guī)格為OD355.6 mm × 44.45 mm的4140無縫鋼管冷拔模具的最佳參數(shù)為：入口錐角度α為10°，定徑帶寬度b為25 mm。