張 建, 唐文獻(xiàn), 吳愛勝, 李先啟, 鐘 飄, 朱 文

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與汽車學(xué)院， 江蘇 張家港 215600)

薄壁不銹鋼管是近年來發(fā)展的、高檔次的新穎建材,廣泛用于建筑給水、熱水和飲用凈水工程,具有重量輕、力學(xué)性能好、使用壽命長、摩阻系數(shù)小、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)且綜合成本合理[1]．早在1995年,德國標(biāo)準(zhǔn)DVGW W534就規(guī)范了不銹鋼管件連接技術(shù)[2],之后日本也公布了有關(guān)供水管道用不銹鋼管接頭的標(biāo)準(zhǔn)[3]．我國在2003年頒布了不銹鋼卡壓式管件組件標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19288,包含卡壓式管件、連接用薄壁不銹鋼管和橡膠O形密封圈3部分內(nèi)容,并在2011對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)前兩部分進(jìn)行修訂[4-6]．隨著我國分質(zhì)供水等綠色環(huán)保工程的迅速發(fā)展,建筑給水工程對(duì)薄壁不銹鋼水管的需求日益增加．

卡壓式不銹鋼管連接技術(shù)是用專用卡壓鉗壓緊使管、管件受到徑向力而達(dá)到密封和緊固的一種連接技術(shù),它的連接處外部管子、內(nèi)部橡膠圈均壓接形成六邊形．與傳統(tǒng)的焊接方式相比, 薄壁不銹鋼管卡壓式連接有以下特點(diǎn):連接安全可靠、施工便利快捷密封性好、大量節(jié)省管材、適合嵌入式安裝、免維護(hù)和免更新, 鑒于這些明顯的優(yōu)勢(shì), 薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方法在工程建設(shè)中得到推廣使用．美國艾默生公司一直致力于卡壓工具設(shè)計(jì)和研發(fā),早在2003年,該公司就完成了7種薄壁不銹鋼管卡壓鉗口、相應(yīng)的卡鉗以及卡緊裝置和方法的研發(fā)[7-8],次年突破了兩段式鉗口成型方法[9-10],2009年又研制出了活動(dòng)式卡鉗[11],目前生產(chǎn)了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的卡壓工具在行業(yè)內(nèi)占據(jù)壟斷地位．國內(nèi)在這方面起步較晚,很多企業(yè)開始關(guān)注卡壓工具的研發(fā)和銷售,深圳雅昌管業(yè)有限公司開發(fā)了雙擠壓工具鉗口[12],即一種多瓣環(huán)抱式雙擠壓鉗口;浙江正康實(shí)業(yè)有限公司也開發(fā)了手動(dòng)卡壓工具[13],但是這些企業(yè)大都模仿或直接代理國外產(chǎn)品,自己生產(chǎn)的卡壓工具結(jié)構(gòu)笨重、可靠性和耐久性較差,且缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)．為了打破國外企業(yè)技術(shù)壟斷,開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的卡壓工具,不銹鋼鋼管卡壓機(jī)制研究刻不容緩．

有關(guān)鋼材成型工藝參數(shù)、質(zhì)量控制、誤差、材料性能等方面的研究很多,文獻(xiàn)[14]提出了管線鋼管JCO 精確彎曲成形工藝,使得管坯成形角監(jiān)測(cè)誤差在0.2°以內(nèi),可控制成形管坯的橢圓度在1.5%以內(nèi), 減小了成形管坯的橢圓度, 改變了成形管坯的橢圓度控制依賴于操作者經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀．針對(duì)高強(qiáng)度鋼板成形中沖壓質(zhì)量不穩(wěn)定特性,文獻(xiàn)[15]提出了基于支持向量機(jī)和重要度抽樣的板料成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法．通過微觀組織觀察,力學(xué)性能和XRD 宏觀織構(gòu)測(cè)試,文獻(xiàn)[16]從冷軋過程中晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)差異上來分析冷軋壓下率對(duì)Nb+Ti-IF鋼織構(gòu)和成形性能的影響．文獻(xiàn)[17]提出了零件整體最大扭曲量的概念,可為預(yù)測(cè)與減少復(fù)雜零件拉深成形扭曲回彈控制提供有益的指導(dǎo)．文獻(xiàn)[18]從拉伸試驗(yàn)、化學(xué)分析和微觀晶像角度研究了金屬冷成型過程中屈服應(yīng)力、微量合金單元數(shù)量、應(yīng)變硬化系數(shù)、晶粒尺寸和分布等重要參數(shù),為彎曲、拉拔等冷成型工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)．文獻(xiàn)[19]基于有限元模型對(duì)不銹鋼管擠壓成型進(jìn)行了靈敏度分析,得出對(duì)擠壓力影響最大的工藝參數(shù)．然而,關(guān)于不銹鋼鋼管卡壓機(jī)制方面的研究鮮見報(bào)道．

文中以DN25薄壁不銹鋼管為對(duì)象,首先基于現(xiàn)有卡壓工具對(duì)其進(jìn)行卡壓試驗(yàn)分析,然后建立該不銹鋼管卡壓有限元模型并進(jìn)行卡壓過程數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證,最后考察摩擦系數(shù)、鉗口卡刃寬度和鋼管材料對(duì)鋼管卡壓性能的影響,為卡壓工具設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算提供指導(dǎo)．

1 薄壁不銹鋼管卡壓試驗(yàn)

首先對(duì)薄壁不銹鋼管進(jìn)行了試驗(yàn)研究,介紹了相關(guān)試驗(yàn)方法和流程[20]．待試驗(yàn)對(duì)象為Ⅱ系列外徑為28.6 mm、壁厚為1 mm、長度約為80 mm的鋼管1根以及DN25的S型Ⅱ系列等徑接頭連接1個(gè),鋼管和等徑接頭的材料均為06Cr19Ni10,該材料的彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為210 MPa,抗拉強(qiáng)度為520 MPa,硬度在200 HB左右;采用如圖1所示的卡壓工具(張家港市創(chuàng)基機(jī)械設(shè)備制造有限公司產(chǎn)品),主要包括DN25的正六邊形鉗口、卡鉗(鉗臂、形板、滾輪、滾輪柱)以及卡壓工具本體和動(dòng)力系統(tǒng)組成,其中卡鉗和鉗口的材料均為40Cr,經(jīng)淬火處理后硬度為50HRC左右．

試驗(yàn)時(shí),按照GB/T 19228要求將管子插入等徑接頭連接中(為了與仿真模型一致,沒有在接頭U形槽內(nèi)裝橡膠密封圈),如圖1b)所示,將卡壓工具鉗口凹槽與管件環(huán)形凸部緊密貼合,鉗口應(yīng)與管子軸心呈垂直狀,卡壓工具應(yīng)卡壓至左右兩鉗口貼合,按下開關(guān),完成卡壓連接,整個(gè)過程比較緩慢,在大約10 s左右．具體詳細(xì)過程參見文獻(xiàn)[21]．由工具動(dòng)力系統(tǒng)所顯示的電流值可直接算出滾輪柱的最大推力為25 kN,再由卡鉗、鉗口尺寸和相對(duì)位置換算出鉗口繞銷1的轉(zhuǎn)矩為949.23 N·m．使用游標(biāo)卡尺測(cè)得等徑接頭U形槽內(nèi)側(cè)正六邊形對(duì)邊平均距離為28.1 mm、外側(cè)為28 mm,而鉗口正六邊形對(duì)邊平均距離為27.5 mm,說明分別存在0.6,0.5 mm的平均回彈量．

a)卡鉗和鉗口結(jié)構(gòu)示意圖

b)卡壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 薄壁不銹鋼管卡壓數(shù)值模型

在建立不銹鋼管卡壓過程數(shù)值模型時(shí),需要充分考慮鋼材塑性變形引起的材料非線性、鉗口-等徑接頭、等徑接頭-鋼管之間相互作用引起的邊界非線性以及鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)和管材移動(dòng)引起的幾何非線性,只有充分考慮這些因素?cái)?shù)值計(jì)算才有效可靠．由于不銹鋼管卡壓模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu),故建立1/2模型,在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束,所建立的卡壓數(shù)值模型如圖2所示,包含8 458個(gè)單元、9 273個(gè)節(jié)點(diǎn)．鋼管和等徑接頭采用六面體實(shí)體殼單元模擬,既可以考慮真實(shí)的接觸情況,又能夠保證較高的計(jì)算精度;由于鉗口的硬度遠(yuǎn)高于鋼管,故把鉗口簡化為剛體模型,采用四面體單元離散鉗口,剛體參考點(diǎn)為銷1的中心;為了簡化計(jì)算,模型中沒有考慮密封圈;鉗口-等徑接頭、等徑接頭-鋼管之間的摩擦系數(shù)分別定義為0.05,0.35;在剛體參考點(diǎn)上施加沿鋼管軸線方向5°的角位移,并約束其它5個(gè)自由;由于在卡壓過程中,接頭和鋼管會(huì)發(fā)生塑性變形,故將其本構(gòu)關(guān)系定義為基于Von Mises屈服準(zhǔn)則的各向同性硬化彈塑性模型;由于卡壓過程比較緩慢,故采用靜態(tài)隱式算法(Newton Raphson method)求解系統(tǒng)剛度方程,卡壓過程計(jì)算結(jié)束之后,去除鉗口-等徑接頭之間的接觸定義,進(jìn)行下一步回彈求解．文中采用商業(yè)軟件HyperWorks中的HypeMesh部分進(jìn)行前處理工作、采用商業(yè)軟件ABAQUS進(jìn)行求解計(jì)算和后處理工作．

圖2 不銹鋼管卡壓模型Fig.2 Model of stainless steel tube press connection

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算出的U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形對(duì)邊平均距離為28.05，27.94 mm,與試驗(yàn)吻合良好,由于卡壓過程中U形槽內(nèi)、外側(cè)結(jié)構(gòu)的差異,試驗(yàn)和計(jì)算都顯示了U形槽外側(cè)變形比內(nèi)側(cè)大;鉗口所受的阻力隨著其轉(zhuǎn)角增大而增加,在卡壓結(jié)束時(shí),計(jì)算出鉗口所受的最大阻力矩為950.729 N·m,與試驗(yàn)相差0.16%,圖3為卡壓之后鋼管的變形結(jié)果比較,可見,計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致,證明所建立的模型是正確的．

a)試驗(yàn)結(jié)果

b)計(jì)算結(jié)果

圖4為經(jīng)卡壓和回彈分析后管件的最終位移和等效塑性應(yīng)變分布,其中,1,2,3分別為鋼管、接頭、管件整體計(jì)算結(jié)果,管件整體3下側(cè)靠近T形板銷．

a) 位移

b) 等效塑性應(yīng)變

可見,U形槽外側(cè)管件位移較大,且離T形板銷較遠(yuǎn)的一側(cè),鋼管和接頭位移較大;等徑接頭在U形槽內(nèi)側(cè)等效塑性應(yīng)變比外側(cè)大,而鋼管與等徑接頭相反;上述結(jié)論與卡壓管件U形槽內(nèi)、外側(cè)結(jié)構(gòu)的差異和鉗口運(yùn)動(dòng)軌跡密切相關(guān),與實(shí)際情況一致．

3.1 摩擦系數(shù)對(duì)鋼管卡壓性能的影響

為了研究摩擦系數(shù)對(duì)鉗口所受的最大阻力矩Mmax，U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形對(duì)邊平均距離L1,L2等鋼管卡壓性能的影響,在原模型中把鉗口和接頭摩擦系數(shù)f1分別調(diào)整為0.05,0.1;不銹鋼之間的摩擦系數(shù)在0.3～0.4之間,故在原始模型上把接頭-鋼管摩擦系數(shù)f2分別調(diào)整為0.3,0.4．表1為變動(dòng)f1，f2后鋼管卡壓性能計(jì)算結(jié)果與原模型比較:隨著f1增大,Mmax和L2增大,而L1先增加之后基本保持不變,可見減小f1可以同時(shí)降低鉗口阻力和增加管件塑性變形;隨著f2增大,Mmax和L1增大,而L2減小;最大阻力矩Mmax對(duì)f1的靈敏度約是Mmax對(duì)f2的5倍,主要由于鉗口與接頭之間的剪切作用是產(chǎn)生鉗口阻力的重要因素,說明減小該摩擦系數(shù)較有利于減小最大阻力矩,設(shè)計(jì)出輕巧的卡壓工具,進(jìn)而要求與等徑接頭接觸的鉗口表面具有較高的加工質(zhì)量．

表1 摩擦系數(shù)與鋼管卡壓性能的關(guān)系Table 1 Effects of coefficients on the press performances

3.2 鉗口卡刃寬度對(duì)鋼管卡壓性能的影響

鉗口上用來卡壓管材的六邊形卡刃寬度決定了管材塑性變形區(qū)域的寬度,進(jìn)而對(duì)后續(xù)的拉拔試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、水壓震動(dòng)試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)等型式檢驗(yàn)有著重要影響,為此,在原模型基礎(chǔ)上把卡刃寬度分別增加和減小0.5 mm,研究這些變化對(duì)鋼管卡壓性能的影響．卡刃寬度分別為1.7，2.2(原模型)，2.7 mm時(shí),計(jì)算出的Mmax分別為923.214，950.729,965.725 N·m,L1分別為27.930，27.936,27.921 mm,L2分別為28.127，28.049,28.014 mm．可見,卡刃寬度越寬,鉗口所受的阻力越大,管材平均回彈量越小;但Mmax變化不大,最大Mmax比最小Mmax高出僅4.61%,U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形的回彈量分別相差18.06%和1.96%,說明U形槽內(nèi)側(cè)對(duì)卡刃寬度變化比較敏感,增加鉗口卡刃寬度有利于消除U形槽內(nèi)、外側(cè)塑性變形區(qū)域的最終尺寸差異．

3.3 鋼管材料卡壓性能的影響

國標(biāo)規(guī)定不銹鋼鋼管的材料主要有5種,其中2種材料的屈服強(qiáng)度(Rp0.2)和抗拉強(qiáng)度(Rm)一樣,故僅研究3種材料對(duì)卡壓性能的影響,即022Cr19Ni10(Rp0.2和Rm分別為180和480 MPa)、06Cr19Ni10和019 Cr19Mo2NbTi(Rp0.2和Rm分別為240和410 MPa)．假設(shè)彈性模量不變,定義不同的Rp0.2和Rm,3中材料計(jì)算出的Mmax分別為837.066，950.729,1 032.77 N·m,L1分別為27.906,27.936,27.936,27.956 mm,L2分別為28.000,28.049,28.085 mm．可見,材料的屈服強(qiáng)度越高,鉗口所受的阻力和管材平均回彈量越大,最大Mmax比最小Mmax高出23.38%,U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形的平均回彈量也分別相差16.9%和12.2%,因此,在進(jìn)行卡壓工具動(dòng)力系統(tǒng)和鉗口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮這些差異;由于在卡壓過程中,3種材料的管材的最大等效應(yīng)力在280 MPa以內(nèi),故抗拉強(qiáng)度對(duì)卡壓性能沒有影響．

4 結(jié)論

1) 不銹鋼管卡壓數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性．f1增大,Mmax和L2增大,而L1先增加之后基本保持不變;f2增大,Mmax和L1增大,而L2減小;Mmax對(duì)f1的靈敏度約是Mmax對(duì)f2的5倍．

2) 卡刃寬度越寬,鉗口所受的阻力越大,管材平均回彈量越小;但Mmax變化不大,最大Mmax比最小Mmax高出僅4.61%,U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形的回彈量分別相差18.06%和1.96%,增加鉗口卡刃寬度有利于改善卡壓性能．

3) 材料屈服強(qiáng)度越高,鉗口所受的阻力和管材平均回彈量越大,最大Mmax比最小Mmax高出23.38%,U形槽內(nèi)、外側(cè)正六邊形的平均回彈量也分別相差16.9%和12.2%,所設(shè)計(jì)的卡壓工具需考慮所有材料的鋼管．

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 中國建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇金羊集團(tuán)有限公司.CECS153: 2003建筑給水薄壁不銹鋼管管道工程技術(shù)規(guī)程[S].[S.l.]:中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2003:3-12.

[2] DVGW.DVGW W53: 1995, Technical regulations for drinking water installations[S].Germany:DVGW,1995:1-16.

[3] JIS.JWWA G116: 2003, 水道用ステンレス鋼管継手[S].Japan:JIS，2003:5-27.

[4] 全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T19228.1-2011不銹鋼卡壓式管件組件 第1部分: 卡壓式管件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011:3-19.

[5] 全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T19228.2-2011不銹鋼卡壓式管件組件 第2部分: 連接用薄壁不銹鋼管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011:2-10.

[6] 全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T19228.3-2003不銹鋼卡壓式管件用橡膠O形密封圈[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003:2-5.

[7] Emerson Electric Co.Crimping apparatus：United States， US 0230132A1[P].2003.

[8] Emerson Electric Co.Method and apparatus for assuring or determining appropriate closure of a crimp assembly：United States， US 0230131A1[P].2003.

[9] Emerson Electric Co.Method for connecting workpieces by cold forming：United States， US 6729009B2[P].2004.

[10] Emerson Electric Co.Press tool for connecting workpieces by cold forming：United States， US 6694586B1[P].2004.

[11] Emerson Electric Co.Jaw set and jaw set system with hinged jaw arms for use in a pressing tool：United States， US 0293577A1[P].2009.

[12] 陳衛(wèi)東.不銹鋼雙擠壓接口建筑水管的應(yīng)用[J].給水排水動(dòng)態(tài), 2009, 10: 37-39.

Chen Weidong.The application of stainless steel double extrusion interface architecture pipe[J].Water&WastewaterInformation,2009,10;37-39.(in Chinese)

[13] 李遠(yuǎn)輝.淺談薄壁不銹鋼的連接技術(shù)[J].科技資訊, 2011, 21: 112.

Li Yuanhui.Brief introduction of light gauge stainless steel connection technology[J].Science&TechnologyInformation, 2011,21:112.(in Chinese)

[14] 李建, 趙軍, 馬瑞.管線鋼管JCO精確彎曲成形技術(shù)[J].光學(xué)精密工程,2010, 18(3): 638-644.

Li Jian, Zhao Jun, Ma Rui.Precise bending pipeline steel pipes with JCO forming[J].OpticsandPrecisionEngineering,2010,18(3):638-644.(in Chinese)

[15] 湯禹成, 陳軍.基于支持向量機(jī)和重要度抽樣的高強(qiáng)度鋼板沖壓成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)[J].材料科學(xué)與工藝,2010, 18(5): 735-740.

Tang Yucheng, Chen Jun.Robust design of high strength steel sheet metal forming process based on support vector machine and adaptive importance sampling[J].MaterialsScienceandTechnology,2010,18(5):735-740.(in Chinese)

[16] 朱帥, 康永林, 王川, 等.冷軋壓下率對(duì)Nb+Ti-IF鋼織構(gòu)及成形性的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2011, 32(3): 107-110.

Zhu Shuai, Kang Yonglin, Wang Chuan,et al.Effect of cold rolling reduction on texture and forming property of Nb+Ti-IF steel[J].TransactionsofMaterialsandHeatTreatment,2011,32(3):107-110.(in Chinese)

[17] 郭超群, 陳軍, 陳劼實(shí), 等.超高強(qiáng)度鋼薄板扭曲回彈特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 44(4): 468-472.

Guo Chaoqun,Chen Jun,Chen Jieshi,et al.Numerical simulation and experimental validation of distortional springback of advanced high-strength steel sheet metal forming[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2010,44(4):468-472.(in Chinese)

[18] Gonzalez R, Garcia J 0, Barb M A, et al.Ultrafine grained hsla steels for cold forming[J].JournalofRionandSteelResearch,International, 2010, 17(10): 50-56.

[19] Hansson S, Jansson T.Sensitivity analysis of a finite element model for the simulation of stainless steel tube extrusion[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology, 2010, 210(10): 1386-1396.

[20] 張建,唐文獻(xiàn),馬寶,等.某轎車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,26(2):146-147.

Zhang Jian, Tang Wenxian, Mao Bao, et al.Experiment modal analysis of a body-in-white car [J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,2012,26(2):146-147.(in Chinese)

[21] 陳本霖.淺析雙卡壓式薄壁不銹鋼給水管道施工技術(shù)[J].福建建材, 2011, 123(4): 73-74.

Chen Benlin.Brief introduction of double groove type light gauge stainless water supply pipeline construction technology[J].FujianBuildingMaterials,2011,123(4):73-74.(in Chinese)