新型冷拔鋼管打頭機工藝數(shù)值模擬及實驗研究

新型冷拔鋼管打頭機工藝數(shù)值模擬及實驗研究

許曉浩，郝潤元，劉浩

(太原科技大學，太原 030024)

摘要：通過有限元模擬軟件Deform對一種新型的打頭設備的成型工藝過程進行模擬，研究了夾送輥偏角對成型過程的影響，然后在對應力、應變分布研究的基礎上，分析了該工藝的變形特點，最后通過實驗研究的方法，驗證了上述工藝條件下的成型效果，并對鍛打前后管頭的壁厚及力學性能進行了分析。

關鍵詞：打頭設備；旋轉速度；進給速度；變形特點；實驗；壁厚；力學性能

收稿日期：2015-03-11

作者簡介：許曉浩(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為高精度軋制裝備及技術。

中圖分類號：TB24文獻標志碼：A

冷拔鋼管具有加工精度高、機械性能好、表面粗糙度低、便于加工等優(yōu)點，可用于制作各種汽缸，液壓缸，汽車減震器等機械構件[1]，廣泛應用于國民生產(chǎn)的諸多行業(yè)當中，具有很強的市場競爭力和良好的市場前景。冷拔鋼管在拉拔前需要進行頭部縮徑，以便頭部先通過拔模，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。太原科達重工生產(chǎn)出了一種新型的打頭設備，將通過數(shù)值模擬和實驗研究的方法對鋼管成型過程進行研究，并對鍛后鋼管頭部的厚度及力學性能參數(shù)進行分析。

1設備及原理簡介

太原科達重工生產(chǎn)出的新型冷拔鋼管打頭設備如圖1所示，它主要由打頭機主機及夾送裝置組成，是對現(xiàn)有徑向鍛造工藝應用的一種擴展，在管料周圍平均分布四個錘頭，錘頭通過主電機帶動，沿鋼管徑向進行高頻往復鍛打，管料另一端通過夾送輥的夾持一邊旋轉一邊進給，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有限元軟件進行模擬計算，采用材料為20的管狀坯料，在deform中對應的牌號為AISI-1020，外徑83 mm，內(nèi)徑57.4 mm，長度為1 500 mm，利用deform自帶網(wǎng)格劃分功能對管坯進行四面體網(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，成型過程中不考慮夾送輥及錘頭模具的變形，將兩者均設置為剛體。在Proe三維軟件中建立錘頭、管子和夾送輥的模型后導入Deform軟件中，四個錘頭模具對稱分布在管料的周圍，由夾送輥控制管料的旋轉和送進，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，分為圓錐形面的預成型段和圓柱形面的整形段[2]，其中錘頭總長度230 mm，整形段長度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，降低變形過程中的不均勻性；模具的錐角α取12°.

2.2錘頭的運動曲線

錘頭的運動特性與機械壓力機的運動特性一致，符合正弦函數(shù)運動曲線，其鍛打頻次為600次/min，運動行程為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

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

錘頭和管坯之間采用常用來描述體積成型的剪切摩擦模型[4]，摩擦系數(shù)增大會使徑向鍛打力增大，軸向送進力減小[5]，由于冷拔鋼管打頭時潤滑條件差，因此模擬時摩擦系數(shù)應取較大值，也利于送進，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)值模擬結果分析

3.1夾送輥偏角對應變及成型效果的影響分析

利用夾送輥控制管料的旋轉和送進可保證在送進速度提高的同時，旋轉速度也相應得到提高，送進速度和旋轉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，只有當兩者達到一定比例的時候，成型時管頭的變形才均勻[6]。

圖3　夾送輥偏角示意圖

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

圖4　不同偏角下的等效應變及成型效果

由此可見，當軸向送進速度與旋轉速度比值過大時，外表面會出現(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，當偏角達到60°，即送進速度與旋轉速度之比為1∶1.73的時候，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個觀察點，觀察其等效應變數(shù)值變化，如圖5所示，可見已變形區(qū)域的等效應變值在0.7~0.8之間變化，內(nèi)壁已經(jīng)被鍛透，且總體均勻，內(nèi)部等效應變值稍大于外部，這是因為內(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　等效應變數(shù)值分析

3.2成型后的應力分布分析

當夾送輥轉速為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X、Y、Z三個方向上的應力值及平均應力值的等值線分布情況，X、Y分別對應切向和徑向方向，Z對應軸向方向，如圖6所示：

圖6　應力數(shù)值分析

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

4實驗研究

本次實驗采用的設備為太原科達重工生產(chǎn)的4×100 t的新型打頭機，設備參數(shù)如表1所示，實驗所采用的鋼管為20無縫管坯，尺寸與工藝參數(shù)與上述模擬時所采用的參數(shù)相同。

表1　設備參數(shù)

實驗結果與模擬情況基本一致，在偏角過小的情況下打出的管頭會因應變不均勻而引起褶皺凸起等，提高偏角后得到改善，當偏角為60°時，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處進行壁厚測量，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，對于拉拔來說是非常有利的。

將鍛打前后的鋼管在縱向方向上分別切出多個矩形試樣，并按照國家標準GB228-2002進行室溫拉伸試驗，試樣形狀及拉伸前后狀態(tài)如圖8所示，根據(jù)多個試樣的實驗數(shù)據(jù)得出鍛打前后管頭力學性能數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖8　試樣拉伸前后狀態(tài)

抗拉強度(MPa)屈服強度(MPa)斷后伸長率(%)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)過鍛打后強度指標如抗拉強度比鍛前增加了12.8%，屈服強度提高了16.6%，塑性指標如斷后伸長率降低了4.56%，斷面收縮率降低了3.4%，強度的提高對后續(xù)的拉拔來說同樣是非常有利的。

5結論

(1)夾送輥偏角決定了旋轉速度與送進速度的比例，對應變的均勻性有著重要影響，偏角越大，成型越均勻，當達到60°時可以很好滿足成型要求。

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

(3)經(jīng)過實驗之后，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，但強度增強，對于后續(xù)拉拔來說可以明顯降低拉斷的幾率。

參考文獻：

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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