無縫鋼管冷拔頭的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張尚毅，沈征杰，龐德禹，王明家

（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）

冷拔是生產(chǎn)精密、薄壁和高機(jī)械性能鋼管的有效方法之一。短芯棒冷拔是將帶有內(nèi)模的芯桿固定，管坯通過?？讓?shí)現(xiàn)減徑和減壁。這種成型方式具有工藝設(shè)備簡單、成型效果好的優(yōu)點(diǎn)，在高性能鋼管制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但受到理論水平和研究方法的限制，一直以來，各個(gè)生產(chǎn)廠家大多采用生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來確定冷拔鋼管的生產(chǎn)工藝參數(shù)［1］；而對冷拔過程中鋼管的應(yīng)力分布狀態(tài)、鋼管內(nèi)部金屬流動(dòng)規(guī)律缺乏深入的認(rèn)識(shí)，鋼管拔斷、開裂事故時(shí)有發(fā)生，特別是鋼管在冷拔過程中容易發(fā)生橫向開裂現(xiàn)象，且縱向開裂問題相當(dāng)普遍［2］。

為了更好地提高鋼管的冷拔質(zhì)量，降低冷拔過程中的質(zhì)量問題，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究［3-10］。為了解決鋼管拔制過程中出現(xiàn)的冷拔頭橫向開裂、縱向開裂及冷拔頭斷頭等問題，現(xiàn)利用ANSYS/LSDYNA 軟件對空拔鋼管冷拔頭進(jìn)行數(shù)值模擬，分析產(chǎn)生橫向開裂、縱向開裂等問題的原因，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)冷拔頭結(jié)構(gòu)，以解決生產(chǎn)中冷拔頭開裂、斷頭的問題［11-15］。

1 模型建立及模擬參數(shù)設(shè)定

鋼管冷拔頭有限元模型如圖1 所示。冷拔頭為開有缺口的形式，與揚(yáng)州誠德鋼管有限公司實(shí)際生產(chǎn)類型一致。來料毛管材質(zhì)為4140，管坯規(guī)格Ф385 mm×50 mm，通過一道次冷拔工序后，目標(biāo)尺寸為Ф358 mm×47 mm；由于冷拔外模與內(nèi)模變形量很小，在冷拔模擬過程中將其設(shè)置為剛體；冷拔管設(shè)置為彈塑性體，冷拔速度為10 mm/s。初始有限元模型的材料參數(shù)見表1。管坯材料的流動(dòng)應(yīng)力是溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率的函數(shù)，4140 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示。

圖1 鋼管冷拔頭有限元模型示意

表1 初始有限元模型4140 材質(zhì)材料參數(shù)

圖2 4140 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 應(yīng)力和應(yīng)變及金屬流動(dòng)分析

2.1 應(yīng)力分析

鋼管在冷拔過程中的應(yīng)力分布如圖3 所示。由圖3 可知，鋼管在冷拔過程中，管體軸向受拉應(yīng)力，徑向受壓應(yīng)力；拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力均位于管坯與模具定徑帶的接觸部位，為350 MPa；最小拉應(yīng)力發(fā)生在拔制力作用端，為150 MPa；從圓周方向看，應(yīng)力分布非常均勻；鋼管在冷拔過程中不會(huì)發(fā)生開裂，與實(shí)際生產(chǎn)相符。

從圖3 還看出，在冷拔過程中，冷拔頭的應(yīng)力集中點(diǎn)并不在圓弧頂點(diǎn)處，而是在其兩側(cè)，因此此區(qū)域在冷拔過程中容易開裂，從而形成斷頭，實(shí)際冷拔生產(chǎn)過程中也是在該區(qū)域形成斷頭，驗(yàn)證了上述應(yīng)力分析結(jié)果。

圖3 鋼管在冷拔過程中的應(yīng)力分布

2.2 應(yīng)變及金屬流動(dòng)分析

鋼管在冷拔過程中的應(yīng)變分布如圖4 所示。從圖4 可知，鋼管在冷拔過程中，應(yīng)變主要集中在定徑帶處；由于該計(jì)算模型的減壁量（3 mm）較大，因此鋼管內(nèi)壁的應(yīng)變遠(yuǎn)大于對應(yīng)外壁的應(yīng)變。鋼管在冷拔過程中的金屬流動(dòng)如圖5 所示。從圖5 可以看出，冷拔過程中金屬沿著軸向流動(dòng)，在定徑帶處，外壁金屬向內(nèi)流動(dòng)，內(nèi)壁金屬向外流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減徑和減壁。

圖4 4140 材質(zhì)鋼管在冷拔過程中的應(yīng)變分布

圖5 4140 材質(zhì)鋼管在冷拔過程中的金屬流動(dòng)

3 冷拔頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

為了改進(jìn)生產(chǎn)過程中冷拔頭斷裂的問題，對冷拔頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)分析，將冷拔頭設(shè)計(jì)成3 種結(jié)構(gòu)形式：相割、相切和相離，并對3 種的冷拔頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)的冷拔頭形式如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)的冷拔頭形式

3 種結(jié)構(gòu)冷拔頭的應(yīng)力分布如圖7 所示。由圖7 可知，冷拔頭結(jié)構(gòu)為相割時(shí)應(yīng)力最大（圖7a），相切時(shí)次之（圖7b），相離時(shí)最小（圖7c），可認(rèn)為相離冷拔頭結(jié)構(gòu)在冷拔過程中不易開裂、斷頭。在生產(chǎn)中采用圖7（c）所示的相離冷拔頭進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)冷拔鋼管不再出現(xiàn)冷拔頭開裂、斷頭現(xiàn)象。

圖7 3 種結(jié)構(gòu)冷拔頭的應(yīng)力分布

4 結(jié)論

（1）冷拔過程中，冷拔頭應(yīng)力最大的區(qū)域并不是圓弧頂點(diǎn)區(qū)域，而是在其兩側(cè)區(qū)域。

（2）冷拔過程中，金屬沿著軸向流動(dòng)，定徑帶處金屬從外壁向內(nèi)壁流動(dòng)、內(nèi)壁金屬向外壁流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減徑、減壁。

（3）冷拔頭相離結(jié)構(gòu)在冷拔過程中應(yīng)力最小，采用這種結(jié)構(gòu)的冷拔頭在冷拔過程中不容易發(fā)生開裂、斷頭。