鋼管等徑拔制過程有限元仿真研究

寧振宇 陳艷波

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京100176)

等徑拔制是一種較新的鋼管拔制方式，其特點(diǎn)是在減壁的同時(shí)擴(kuò)內(nèi)徑，中徑保持不變，內(nèi)外模采用相同模角，將內(nèi)模芯頭的錐角倒置，形成一種所謂的“倒拔模”工藝［1］。目前對(duì)鋼管等徑拔制的變形過程缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)，致使生產(chǎn)中常出現(xiàn)尺寸難以控制、鋼管表面橫裂紋等問題。

以某鋼鐵公司冷拔鋼管機(jī)上采用的變形工藝項(xiàng)目為依托，以鋼管拔制過程的仿真為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元仿真軟件MSC.SuperForm建立了鋼管拔制過程的二維仿真模型，對(duì)整個(gè)拔制過程進(jìn)行了多次仿真分析，揭示了等徑拔制過程中鋼管內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了典型工況下的拔制力的變化規(guī)律，從而為提高鋼管質(zhì)量和實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 鋼管等徑拔制有限元仿真模型的建立

等徑拔制的配模方案如圖1所示。其變形過程如下:鋼管前端進(jìn)入外模開始減徑，鋼管內(nèi)壁和內(nèi)模接觸并進(jìn)入變形區(qū)，同時(shí)鋼管逐漸減壁，最后鋼管定徑并脫出外模［2］。

圖1 鋼管等徑拔制示意圖

1.1 模型簡(jiǎn)化

假定坯料和模具都為理想的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且坯料在夾持時(shí)和模具完全同軸，最終把鋼管等徑拔制模型簡(jiǎn)化為二維模型，并做以下處理:

1)根據(jù)截面軸對(duì)稱性取1/2截面建模，單元類型為四節(jié)點(diǎn)平面單元;

2)鋼管處理為彈塑性體，同時(shí)考慮加工硬化和應(yīng)變速率的影響;

3)由于模具在拔制中彈形變形很小，所以處理為剛體;

4)由于等徑拔制時(shí)外模及內(nèi)模定徑帶長(zhǎng)度對(duì)拔制過程的影響不大，這里取為定值，一般取為10mm;

5)利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將坯料設(shè)為不動(dòng)，模具運(yùn)動(dòng)。

1.2 載荷及約束的處理

1)對(duì)稱面施加位移邊界條件;

2)鋼管前端面節(jié)點(diǎn)的拔制方向的位移進(jìn)行捆綁;

3)在一個(gè)載荷步內(nèi)對(duì)外模及芯棒施以一定位移直至行程結(jié)束，使其能夠反映不同的拔制速度。

二維鋼管等徑拔制仿真模型如圖2所示。

圖2 二維鋼管等徑拔制仿真模型

2 鋼管等徑拔制仿真分析結(jié)果

針對(duì)等徑拔制過程共進(jìn)行了多次各種工藝參數(shù)下的仿真分析，從中提取一組典型實(shí)例分析管坯在拔制過程中的應(yīng)力分布規(guī)律。表1為等徑拔制變形過程模擬實(shí)例。

表1 等徑拔制變形過程模擬實(shí)例

2.1 軸向應(yīng)力分布規(guī)律

由模擬結(jié)果可以看出，定徑區(qū)和鋼管拔出后區(qū)域的軸向應(yīng)力基本表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，其中鋼管外壁及內(nèi)壁為高拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在定徑帶出口區(qū)域的鋼管外壁處，當(dāng)該應(yīng)力超過某一臨界值時(shí)，鋼管外壁將產(chǎn)生橫向裂紋，這從力學(xué)角度給出了等徑拔制時(shí)鋼管外壁易產(chǎn)生橫裂缺陷的根本原因;鋼管存在著3個(gè)明顯的壓應(yīng)力區(qū)域，即將進(jìn)入減徑帶的鋼管中間層有個(gè)大面積的壓應(yīng)力帶，而在鋼管即將進(jìn)入定徑區(qū)的內(nèi)外管壁附近也存在兩個(gè)明顯的壓應(yīng)力區(qū)域，最大壓應(yīng)力處于這三個(gè)區(qū)域內(nèi)部。此外在變形區(qū)任意截面上軸向應(yīng)力均呈不均勻的分布狀態(tài)，由此可見傳統(tǒng)的解析法所作的平截面假設(shè)與實(shí)際情況存在很大差距，這也是傳統(tǒng)解析法的局限性所在［3］。軸向應(yīng)力分布云圖可見圖3。

圖3 軸向應(yīng)力分布云圖

圖4 徑向應(yīng)力分布云圖

2.2 徑向應(yīng)力分布規(guī)律

圖4為徑向應(yīng)力分布云圖。可以看出，徑向壓力的分布情況相對(duì)軸向壓力要簡(jiǎn)單，在變形區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這是因?yàn)殇摴茉谶@部分區(qū)域同時(shí)受到內(nèi)外模的擠壓以完成減壁工作。咬入?yún)^(qū)和錐角過渡區(qū)呈高壓應(yīng)力狀態(tài)，因此該區(qū)域模具磨損最快。通過優(yōu)化工藝參數(shù)和模具形狀，可以減少這種區(qū)域性不均勻磨損，從而提高模具壽命。

2.3 等效應(yīng)力分布規(guī)律

圖5為等效應(yīng)力分布云圖。可以看出變形區(qū)等效應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，其分布層次比較清晰，減徑區(qū)與定徑區(qū)交接處為最大應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力自此向鋼管兩側(cè)逐漸減小。最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋼管內(nèi)外表面。

圖5 等效應(yīng)力分布云圖

圖6 等效塑性應(yīng)變速率場(chǎng)的分布云圖

2.4 等效塑形應(yīng)變速率的分布規(guī)律

如圖6所示，等徑拔制的等效塑性應(yīng)變速率場(chǎng)的分布與其它拔制方式有很大的區(qū)別，在整個(gè)變形過程中，應(yīng)變速率場(chǎng)的分布沒有很明顯的變化。都是存在典型的內(nèi)核區(qū)和“×”型變形區(qū)，在內(nèi)外模咬入處與靠近定徑帶處的瞬時(shí)塑性變形最為劇烈，這主要是因?yàn)殇摴艿膹澢冃渭皟?nèi)外模作用的結(jié)果，尤其在靠近定徑區(qū)的影響最為突出。這也說明了內(nèi)外模的這幾處地方在拔制中受力最復(fù)雜，因而也最易磨損。

3 拔制力影響因素及規(guī)律研究

拔制力是整個(gè)鋼管冷拔生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，研究拔制力的變化規(guī)律對(duì)優(yōu)化鋼管冷拔工藝有著重要作用。

一般認(rèn)為拔制力P由三部分力組成

P=P1+P2+P3

式中 P1—基本變形需要的力;

P2—克服摩擦所需要的力;

P3—消耗于不均勻變形的力。

其中P1和P2占主導(dǎo)地位，凡與上述三方面有關(guān)的各種因素都會(huì)影響拉拔力的大小。主要對(duì)模角、摩擦系數(shù)對(duì)拔制力的影響進(jìn)行仿真分析。從而找出相對(duì)較優(yōu)的工藝參數(shù)。

3.1 模角對(duì)拔制力的影響規(guī)律

以表1實(shí)例數(shù)據(jù)為例，將模角調(diào)整為5°～14°之間的多個(gè)數(shù)值，分別計(jì)算出拔制力，得出圖7拔制力隨模角變化曲線。由圖可以看出，曲線基本呈“V”形，當(dāng)模角為7°時(shí)拔制力最小。當(dāng)模角較小時(shí)，P2是影響拔制力的主要因素，拔制力隨模角的增大而減小;當(dāng)模角較大時(shí)，P1是影響拔制力的主要因素，拔制力隨模角的增大而增大。綜合考慮拔模錐角取6°～8°較為合適。

圖7 模角對(duì)拔制力的影響曲線

3.2 摩擦系數(shù)對(duì)拔制力的影響規(guī)律

以表1實(shí)例數(shù)據(jù)為例，將摩擦系數(shù)調(diào)整為0.05～0.14之間的多個(gè)數(shù)值，分別計(jì)算出拔制力，得出圖8拔制力隨摩擦系數(shù)變化曲線。由圖可知，隨著摩擦系數(shù)的增加，拔制力幾乎呈線性增大，鋼管發(fā)生橫向裂紋的幾率也隨之增大。因此在生產(chǎn)中改善摩擦條件，對(duì)降低拔制力，提高鋼管質(zhì)量有很大意義。

圖8 摩擦系數(shù)對(duì)拔制力的影響曲線

4 總結(jié)

1)軸向應(yīng)力沿鋼管壁厚呈不均勻分布狀態(tài)，在定徑帶鋼管內(nèi)外表面呈強(qiáng)拉應(yīng)力狀態(tài)，這給出了鋼管表面易產(chǎn)生橫裂現(xiàn)象的力學(xué)解釋;徑向應(yīng)力分布較為簡(jiǎn)單規(guī)則，咬入?yún)^(qū)和錐角過渡區(qū)呈高壓應(yīng)力狀態(tài)，因此該區(qū)域模具磨損最快;

2)等效塑性應(yīng)變速率場(chǎng)存在典型的內(nèi)核區(qū)和“×”型變形區(qū)，在內(nèi)外模咬入處與靠近定徑帶處的瞬時(shí)塑性變形最為劇烈;

3)隨著摩擦系數(shù)的增加，拔制力幾乎成線性增大，較高的摩擦系數(shù)會(huì)使鋼管在拔制過程中產(chǎn)生橫向裂紋;

4)隨著模角的增大，拔制力會(huì)先減小后增大，呈“V”形曲線變化，拔模錐角以6°～8°為宜。

［1］楊海波等.相似理論在鋼管冷拔計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(3).

［2］韓寶云等.鋼管蘇式模空拔過程的計(jì)算機(jī)有限元模擬［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2001，Vol.13(6):19 ～22.

［3］陳艷波.鋼管拔制過程的數(shù)值模擬分析［C］.北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，02.