機械擴徑工藝與工藝參數優化

盛艷君　張黎燕

摘 要:本文設計了鋼管擴徑的相關模具,并在萬能實驗機上進行實驗。考察了擴徑系數、頂錐錐角、摩擦系數對圓管擴徑力的影響,擴徑系數、頂錐錐角對變形分配的影響以及擴徑系數、頂錐錐角對橢圓管規圓效果的影響。

關鍵詞:擴徑工藝參數優化鋼管擴徑

中圖分類號:TH16 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0094-01

1鋼管擴徑技術的應用

擴徑是一種用小直徑管坯生產大直徑管材的方法。擴徑有兩種方法:壓人擴徑和拉拔擴徑,壓人擴徑法適合于管壁較厚、直徑較粗、長度較短且長度與直徑之比不大于10的管材。對于為了控制內徑尺寸精度而進行的擴徑操作,則可以使用較長的管坯。為了在擴徑后較容易從管坯中取出擴徑壓桿,擴徑壓桿應有一定的錐度,在3m長度上其直徑相差3mm～4mm。一般情況下,壓人擴徑操作在液壓拉拔機上進行。拉拔擴徑法適合于較小斷面的薄壁長管生產,可在普通的鏈式冷拔管機上進行。擴徑拉伸方法和特點是:銅合金管材擴徑拉伸的方法有壓人擴徑法和拉伸擴徑法。(1)壓人擴徑法。在油壓機上將直徑大于管坯內徑的芯棒壓人管材內部,使管材內徑擴大,壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑厚壁管材的小批量生產。(2)拉伸擴徑法。用拉伸機將直徑大于管材內徑的芯頭拉過管坯內部,使管材內徑擴大,壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑薄壁管材的生產。在擴徑拉伸時,管材軸向受拉應力,因此,對塑性低的合金不宜采用。擴徑拉伸是將直徑大于管坯的模芯壓入管材內端部,采用壓人法或拉伸法實現內徑擴大、壁厚、長度減小。

2擴徑工藝原理

根據外加彎矩的大小,橢圓管的彈塑性變形有以下幾種情況,當附加彎矩很小時,橢圓管斷面只發生彈性變形,當附加彎矩增加一定值,橢圓表面發生彈性變形,但橢圓管的內外表面都達到屈服極限,當再增加附加彎矩時,距離中性面一定距離的地方發生彈性變形,靠近內外表面的地方發生塑性變形,如果附加彎矩繼續增加,塑性變形的區域逐步增加,直至中性面也發生塑性變形。長軸兩端實際上是斷面繼續彎曲增大曲率的過程,斷面中性面以上處于受拉狀態、中性面以下處于受壓狀態,長軸兩端中性面以上軸向方向處于受壓狀態、中性面以下軸向方向處于受拉狀態,因此原來成直線的中軸線逐步變成向內凹的曲線,短軸方向實際上是斷面曲率變小的過程,在圓管加工成橢圓管的過程中,原來成直線的中軸線逐步變成向外凸的曲線。不管向內凹的長軸縱向纖維還是向外凸的短軸縱向纖維,都是處于不穩定的狀態,在塑性變形過程中,這種不穩定的狀態總是存在的,當用擴徑系數很小的錐頭擴徑時,塑性變形量很小,這種不穩定的狀態表現的更加明顯,使長軸方向向內凹的縱向纖維變成外凸,同時使短軸方向向外凸的縱向纖維變成內凹,從而實現長短軸的互換:當擴徑系數較大的錐頭擴徑時,塑性變形量很大,掩蓋了這種不穩定的翹曲變形,因此也沒有表現出這種長短軸互換的反常現象。

拉拔式擴徑機的主要工作原理是:通過一組(3～4)個直徑逐漸增大的頂頭插人并通過鋼管全長,使鋼管直徑擴大,壁厚減薄,長度略為縮短,具體過程如圖1所示。已擴口的管端用壓緊環2固定,打開冷卻水噴射器3,冷卻擴口管端使其“變黑”以增加鋼管強度,隨后再引入第一個頂頭4。頂頭4固定在心棒5上,心棒的另一端與拉拔鏈條相連,電動機使鏈條不斷運動產生拉力,以使頂頭穿過整根鋼管插入頂頭時速度要小些,之后速度增大,使鋼管溫度不致過于降低。當第一根頂頭穿過之后,緊接著引入第二根直徑稍大的頂頭,這樣連續的引進頂頭與心棒,使鋼管被擴至所需直徑。頂頭拉拔速度應盡可能快,以便有可能在一次加熱擴口后就完成所需擴徑的加工。一次加熱最多可進行三四次拉拔,如還不能達到所需直徑,則需進行第二次擴口、加熱,并用一組直徑更大的頂頭再次進行拉拔。之后,卸下鋼管,用氧氣乙炔火焰將端部擴口部分切除,并在冷床上進行冷卻,然后鋼管按一般順序(與熱軋鋼管相同)的精整,由輥道將已擴徑之鋼管運往精整工段,進行精整和水壓試驗。

3塑性成形中應用的優化算法

3.1 數學算法

塑性成形中應用最多的方法是數學規劃方法。數學規劃可以描述為在一些數學關系諸如等式或不等式表示的約束條件下,求一個(或一組)函數極值問題的方法。常見的數學規劃包括線性規劃、非線性規劃、目標規劃、多目標規劃、整數規劃、多層規劃、動態規劃以及發展較新的隨機規劃和模糊規劃等。它有嚴密的數學論證,又有許多成功應用的實例,所以成為塑性成形加工首選的算法。在數學規劃中,按是否對目標函數求導,將優化算法分成不利用梯度的算法和利用梯度的算法。梯度算法收斂速度快,對初始設計點不敏感。非梯度法簡單易用,但收斂速度慢。

3.2 有限元逆向模擬技術

它是基于剛塑性有限元發展起來的優化方法。它從工件的最終形狀出發,用有限元法倒推滿足成形要求的初始和中間毛坯形狀,然后根據經驗確定模具形狀。因此又被稱為有限元逆向追蹤法。有限元逆向模擬法特別適用于加載路徑已知的成形工藝。而在塑性成形中,成形路徑一般是未知的。因此,在塑性成形中,主要用于選擇最優預成形及成形路徑。

3.3 實驗優化法

實驗優化法就是通過廣義實驗(包括實物實驗與非實物實驗)進行最優設計的一種優化方法。它從不同的優良性出發,合理設計實驗方案,有效控制實驗干擾,科學處理實驗數據,全面進行優化分析,直接實現優化目標,已被廣泛應用于各種領域。

4結語

可膨脹管技術應用于石油鉆井作業中,既能解決井眼變徑問題,又能大量節約作業成本,被認為是21世紀石油鉆采行業的核心技術之一。可膨脹管在鉆井中擴徑的工作基本原理是用錐頭將井下圓鋼管冷脹到需要的尺寸。可膨脹管技術的關鍵就是擴徑工藝的選擇,目前國內對可膨脹管的研究只是停留在跟蹤階段。

參考文獻

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