机械扩径工艺与工艺参数优化

摘 要:本文设计了钢管扩径的相关模具,并在万能实验机上进行实验。考察了扩径系数、顶锥锥角、摩擦系数对圆管扩径力的影响,扩径系数、顶锥锥角对变形分配的影响以及扩径系数、顶锥锥角对椭圆管规圆效果的影响。

关键词:扩径工艺 参数优化 钢管扩径

中图分类号:TH16 文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0094-01

1 钢管扩径技术的应用

扩径是一种用小直径管坯生产大直径管材的方法。扩径有两种方法:压人扩径和拉拔扩径,压人扩径法适合于管壁较厚、直径较粗、长度较短且长度与直径之比不大于10的管材。对于为了控制内径尺寸精度而进行的扩径操作,则可以使用较长的管坯。为了在扩径后较容易从管坯中取出扩径压杆,扩径压杆应有一定的锥度,在3m长度上其直径相差3mm～4mm。一般情况下,压人扩径操作在液压拉拔机上进行。拉拔扩径法适合于较小断面的薄壁长管生产,可在普通的链式冷拔管机上进行。扩径拉伸方法和特点是:铜合金管材扩径拉伸的方法有压人扩径法和拉伸扩径法。(1)压人扩径法。在油压机上将直径大于管坯内径的芯棒压人管材内部,使管材内径扩大,壁厚、长度减小。该方法适合于大直径厚壁管材的小批量生产。(2)拉伸扩径法。用拉伸机将直径大于管材内径的芯头拉过管坯内部,使管材内径扩大,壁厚、长度减小。该方法适合于大直径薄壁管材的生产。在扩径拉伸时,管材轴向受拉应力,因此,对塑性低的合金不宜采用。扩径拉伸是将直径大于管坯的模芯压入管材内端部,采用压人法或拉伸法实现内径扩大、壁厚、长度减小。

2 扩径工艺原理

根据外加弯矩的大小,椭圆管的弹塑性变形有以下几种情况,当附加弯矩很小时,椭圆管断面只发生弹性变形,当附加弯矩增加一定值,椭圆表面发生弹性变形,但椭圆管的内外表面都达到屈服极限,当再增加附加弯矩时,距离中性面一定距离的地方发生弹性变形,靠近内外表面的地方发生塑性变形,如果附加弯矩继续增加,塑性变形的区域逐步增加,直至中性面也发生塑性变形。长轴两端实际上是断面继续弯曲增大曲率的过程,断面中性面以上处于受拉状态、中性面以下处于受压状态,长轴两端中性面以上轴向方向处于受压状态、中性面以下轴向方向处于受拉状态,因此原来成直线的中轴线逐步变成向内凹的曲线,短轴方向实际上是断面曲率变小的过程,在圆管加工成椭圆管的过程中,原来成直线的中轴线逐步变成向外凸的曲线。不管向内凹的长轴纵向纤维还是向外凸的短轴纵向纤维,都是处于不稳定的状态,在塑性变形过程中,这种不稳定的状态总是存在的,当用扩径系数很小的锥头扩径时,塑性变形量很小,这种不稳定的状态表现的更加明显,使长轴方向向内凹的纵向纤维变成外凸,同时使短轴方向向外凸的纵向纤维变成内凹,从而实现长短轴的互换:当扩径系数较大的锥头扩径时,塑性变形量很大,掩盖了这种不稳定的翘曲变形,因此也没有表现出这种长短轴互换的反常现象。

拉拔式扩径机的主要工作原理是:通过一组(3～4)个直径逐渐增大的顶头插人并通过钢管全长,使钢管直径扩大,壁厚减薄,长度略为缩短,具体过程如图1所示。已扩口的管端用压紧环2固定,打开冷却水喷射器3,冷却扩口管端使其“变黑”以增加钢管强度,随后再引入第一个顶头4。顶头4固定在心棒5上,心棒的另一端与拉拔链条相连,电动机使链条不断运动产生拉力,以使顶头穿过整根钢管插入顶头时速度要小些,之后速度增大,使钢管温度不致过于降低。当第一根顶头穿过之后,紧接着引入第二根直径稍大的顶头,这样连续的引进顶头与心棒,使钢管被扩至所需直径。顶头拉拔速度应尽可能快,以便有可能在一次加热扩口后就完成所需扩径的加工。一次加热最多可进行三四次拉拔,如还不能达到所需直径,则需进行第二次扩口、加热,并用一组直径更大的顶头再次进行拉拔。之后,卸下钢管,用氧气乙炔火焰将端部扩口部分切除,并在冷床上进行冷却,然后钢管按一般顺序(与热轧钢管相同)的精整,由辊道将已扩径之钢管运往精整工段,进行精整和水压试验。

3 塑性成形中应用的优化算法

3.1 数学算法

塑性成形中应用最多的方法是数学规划方法。数学规划可以描述为在一些数学关系诸如等式或不等式表示的约束条件下,求一个(或一组)函数极值问题的方法。常见的数学规划包括线性规划、非线性规划、目标规划、多目标规划、整数规划、多层规划、动态规划以及发展较新的随机规划和模糊规划等。它有严密的数学论证,又有许多成功应用的实例,所以成为塑性成形加工首选的算法。在数学规划中,按是否对目标函数求导,将优化算法分成不利用梯度的算法和利用梯度的算法。梯度算法收敛速度快,对初始设计点不敏感。非梯度法简单易用,但收敛速度慢。

3.2 有限元逆向模拟技术

它是基于刚塑性有限元发展起来的优化方法。它从工件的最终形状出发,用有限元法倒推满足成形要求的初始和中间毛坯形状,然后根据经验确定模具形状。因此又被称为有限元逆向追踪法。有限元逆向模拟法特别适用于加载路径已知的成形工艺。而在塑性成形中,成形路径一般是未知的。因此,在塑性成形中,主要用于选择最优预成形及成形路径。

3.3 实验优化法

实验优化法就是通过广义实验(包括实物实验与非实物实验)进行最优设计的一种优化方法。它从不同的优良性出发,合理设计实验方案,有效控制实验干扰,科学处理实验数据,全面进行优化分析,直接实现优化目标,已被广泛应用于各种领域。

4 结语

可膨胀管技术应用于石油钻井作业中,既能解决井眼变径问题,又能大量节约作业成本,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。可膨胀管在钻井中扩径的工作基本原理是用锥头将井下圆钢管冷胀到需要的尺寸。可膨胀管技术的关键就是扩径工艺的选择,目前国内对可膨胀管的研究只是停留在跟踪阶段。

参考文献

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[2]李聚群,杨晓红,姚志英.管材扩径时摩擦对变形状态的影响[J].锻压技术,2008(1).

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