专减壁厚拔管拔制力的研究

专减壁厚拔管拔制力的研究刘铁军摘要：根据专减壁厚拔管拔制过程的变形特点,从分析金属受力情况出发,提出了拔制力计算公式及力学参数的研究方法;并在实测数据的基础上,通过数学处理建立了模型,以指导生产实践。关键词：专减壁厚拔管平面变形压缩屈服应力移动阻力拔制力STUDIESONDRAWINGFORCEOFDRAWNTUBEWITHSPECIALLYREDUCEDTHICKWALLLiuTiejun(HefeiIron&SteelCo.Ltd.)Abstract：Proceedingfromanalysisonthebearingofforcesbythemetalandthecharacteristicsofdeformationofthedrawntubewithwallofspeciallyreducedthicknessintheprocessofmetaldrawingtheformulacalculatingthedrawingforceandmethodsforstudyingthemechanicalparametersareputforwardandamathematicmodelisbuiltupontheactuallymeasureddatatoguidethepractice.Keywords：drawntubewithwallofspeciallyreducedthicknessplanedeformationcompressedyieldstressmovingresistancedrawingforce▲1前言所谓专减壁厚拔管,就是管坯在不减径的条件下,实现直接减壁拔制。它克服了传统工艺中不减径无法进行拔管和在强迫减径条件下,由于金属产生的纵向绉折及在变形区发生横向弯曲变形而发生纵(横)向裂纹的可能性，为在有效地减小壁厚的基础上,同步获得拔管内孔尺寸的公差精度高等级及表面粗糙度值低的高精密冷拔钢管创造了有利条件。对于减少多余功、节约能源和原材料、提高缸筒制品的生产效率［1］,也颇具实际意义。本世纪80年代中期以来,专减壁厚拔管技术在我国得到了广泛应用。但是前人繁多的拔制力计算公式,都是在减径减壁的受力状态条件下推导的,而且经验半经验公式较多,不适用于计算专减壁厚拔管的拔制力。因此,有必要进行深入研究。本文旨在求得较准确地计算专减壁厚拔制时拔制力的计算公式,为专减壁厚拔管技术的进一步推广应用,奠定理论基础。2拔制变形力分析在专减壁厚拔管拔制过程中,如图1所示,拔模与芯棒和金属的接触表面分为塑性变形区(以下简称变形区)和弹性变形区(以下简称定径带)两个区域。拔管前,固定芯棒和拔模分别直接贴入预先加工成锥形的管坯头部,造成拉拔时管子的直径不变,只是壁厚改变。随着夹持装置拉拔钢管前进的位移增加,芯棒与拔模和金属的接触面积逐步增大,形成变形区。从a点开始拔制力也呈线性增加。由于没有周向应变,故可视为平面应变问题。其变形状态图见图2(a)所示。当拔管到达b点以后,纯径向压缩完成。从a到b的瞬时径向减壁量不再发生变化,所以在变形区内由减壁变形引起的拔制力也不再发生变化。但在变形区受到变形结束之后的金属,进入定径带内(图2b)其应力应变关系仍遵循虎克定律。因此,按照弹性卸载定律,这部分金属仍处于弹性变形状态,力在径向扩张;由于在b-c段受到拔模与芯棒之间的径向压力,所以在b点以后总的拔制力仍略有增加,至c点达到最大值。根据以上分析,拔制力应等于克服变形区内金属的拉拔应力和定径带内金属移动阻力之和。图1拔管变形区受力简图1.管坯2.拔模3.芯杆4.芯棒ab——变形区bc——定径带图2塑性变形区(a)与弹性变形区(b)的变形状态图3拔制力计算方法3.1变形区金属拉拔应力计算如上分析,专减壁厚拔管方式,其金属变形属较典型的平面应变问题。由图1所示模子与芯棒之间管坯基元体上所作用的应力分量,假定模壁上的压力等于芯棒上的压力,引用G.W.Rowe［2］推导的固定芯棒闭式锥孔拉模拉拔出口处的轴向应力公式,计算b点处模壁或芯棒上的压力。(1)式中B——拔制工艺参数,B=μ/tgα;其中μ为芯棒、拔模表面上的摩擦系数,取μ=0.05～0.1,α为拔模半角,根据大量的试验研究确定,最佳α可选6°～10°ε——拔管壁厚减壁率,ε=(ha-hb)/ha.100%δP——平面应变条件下的平均压缩屈服应力,根据减壁率ε的大小,由图3查得。3.2平均压缩屈服应力测定虽然压缩屈服应力与单向拉伸屈服应力之间有σP=1.155σs的关系。但是不同金属材料的σs各异,它受其不同钢号本身的化学成分、组织状态、变形速度和变形程度等多种因素影响,要定量地给定在一定应力状态和变形条件下的压缩屈服应力数值,目前只有采用实际测定和数学解析的方法。本文采用平砧压缩实验法,在W—1000A型液压式万能材料试验机上完成测定σP的工作。为降低压头和试样接触面上的摩擦,压头工作表的研磨精度达到了10水平。经过完成退火的试样,采取二硫化钼润滑。为保证平面变形条件并减少外端的影响,要求压头宽度/试样厚度＞2、试样宽度/试样厚度＞10。为获得尽可能大应变量的压缩实验曲线,将压缩速度选定在0.5mm/min。现以20号钢、27SiMn钢为例进行压缩实验,试样外形尺寸长×宽×厚=90×60×5(单位为mm)。其压缩屈服应力为σP与减壁率ε的实验数据列于表1。采用如下平均压缩屈服应力模型:=a+blgε根据表中实验数据,经回归运算后,求得的回归方程如下:20号钢=32.55+29.7lgε27SiMn钢=43.96+38.1lgε。表120号钢及27SiMn钢平面压缩实验测量数据实验压力/kN20号钢150250300400500550650750800850试样厚度/mm4.954.844.74.54.324.153.853.53.253.05试样宽度/mm60.662.063.8366.769.572.2977.985.790.395.8压缩面积/mm2727.3744.8766.0800.4834.0867.5934.81028.41084.21149.61.03.26.01013.617.023.035.035.039.0206.2335.7391.6499.8599.5634.0695.3737.8738.9739.4实验压力/kN27SiMn钢300400500550600650700720740760试样厚度/mm4.964.854.684.514.103.633.022.732.312.15试样宽度/mm60.060.260.5560.861.061.662.1562.3562.863.1压缩面积/mm2720.0722.4726.6729.6732.0739.2745.8748.2753.6757.20.83.06.49.818.027.439.645.453.857.0416.7553.7688.1753.8819.7879.3938.6962.3982.01003.7注:(1)压头宽度12mm;(2)测量工具为游标卡尺及壁厚千分尺,其分度值精度为0.01mm;(3)每压缩一次涂润滑剂一次由实测值和数学模型描绘出的-ε曲线见图3。在实际工作应用中,由图3查得的数据能满足工程设计和生产中计算的需要。图3—ε实验值与回归曲线图注：参考值=1.155σsN/mm23.3定径带金属移动阻力计算经过变形区变形之后的钢管,进入定径带内不再承受塑性变形。但这部分金属(如图2b所示)仍处于弹性变形状态下作整体移动,力图在径向涨大,因而受到定径带拔模与芯棒的径向压力。为求定径带内这一压力和摩擦作用而产生的阻力,兹在定径带内管壁上取一单元体(见图4),分析其平衡状态微分方程如下:σx.Fc-(σx+dσx).Fc-μσrπ(D+d)dl=0定径带断面积为Fc=π(D2-d2)/4简化后得:(2)图4定径带管壁受力分析积分上式,必须知道模壁和芯棒的压力。根据最大切应力理论［3］,定径带金属达到塑性状态的条件是τmax＜。因此,这部分金属所受径向压应力σr最大不会超过。现取μσr的最大可能绝对值：｜μσr｜=所以代入(2)式积分后得到定径带出口处(C点)钢管的移动阻力为:(3)式中D、d——分别为拔模、芯棒定径带直径/mml——定径带长度/mm3.4拔制力计算公式综上所述,专减壁厚拔管单位拔制力的组成应为:P=σxb+σxc将公式(1)、(3)代入上式得:单位拔制力(4)总拔制力(5)4理论计算与实测拔制力比较用20号钢、27SiMn钢热轧管,拟定成两组,分别在1470kN和2450kN高刚度预应力液压冷拔机上进行正常拔管测压试验。其实测拔制力数据与用(1)、(3)、(5)公式计算出的拉拔应力、移动阻力及总拔制力数据分别列于表2中。表中数据表明:①公式计算出的拔制力与实测值比较,计算结果平均大于实测值1%左右,可见计算公式有足够的计算精度,其误差的主要原因与摩擦系数值选取、测压表读数误差有关;②金属在变形区的拉拔应力与定径带中的移动阻力之比,约为9∶1的关系,即钢管通过定径带所需的拉力约占整个拔制力的10%左右,其值的大小与定径带长度、拔管壁厚关系极大,而定径带长度的选取,则与钢管拔后的公差精度、直线度相关。表2理论计算与实测拔制力比较钢号拔制规格(外径×壁厚)→(内径×壁厚)/mm变形区拉拔应力/N.mm-2定径带移动阻力/N.mm-2计算拔制力/kN拔制时实测数计算与实测值比较差值主油缸工作压力/MPa拔制力/kN差值/kN比较/%20号钢φ73×7→φ63H8×5403.8924.00456.99453.763.20.7φ70×8→φ60H8×5546.924.00582.89581.381.50.26φ146×13→φ124H10×11184.0918.18943.59941.002.60.27φ146×11→φ125H9×9.5160.1321.05727.94724.853.10.4327SiMnφ83×8→φ66H9×8.5240.7342.35563.16558.214.90.89φ83×8→φ74H8×5702.1354.00937.60928.279.31.0φ112.5×8→φ100H10×6.25379.3957.60911.56909.192.40.26φ95×10→φ92H9×7*539.1338.571079.721068.11.521.12注:(1)*系(外径×壁厚)活柱用管;(2)α、μ均分别为6°和取0.1;(3)定径带长度按顺序分别为6、6、10、10、8、6、8、6mm;(4)主油缸截面积:**为709cm2,以下均为763cm2;(5)20号钢、27SiMn钢热轧态退火后的σs分别为200N/mm2和450N/mm2在通常情况下,影响拔制力大小的因子较多。其中如拔模角和变形率等工艺参数的设计选择,均与拔后钢管的尺寸精度、粗糙度值及综合力学性能关系密切［4］。因此,在拔制能力富余时,并非主要考虑对象。5结论根据平面变形理论,引用G.W.Rowe推导的拉拔应力公式及本文提出的定径带金属移动阻力计算方法,计算专减壁厚拔管的拔制力,取得了计算结果与实测结果非常接近的事实。因此,在专减壁厚拔管的设计与生产中,按照已发表钢号的平面应变压缩实验曲线,或对不同钢号另行实验取得平均压缩屈服应力参数,推荐采用下式就可以计算出比较准确的拔制力。■作者单位：刘铁军(合肥钢铁集团有限公司)参考文献：