钢管等径拔制过程有限元仿真研究

宁振宇 陈艳波

(中冶京诚工程技术有限公司 北京100176)

等径拔制是一种较新的钢管拔制方式，其特点是在减壁的同时扩内径，中径保持不变，内外模采用相同模角，将内模芯头的锥角倒置，形成一种所谓的“倒拔模”工艺［1］。目前对钢管等径拔制的变形过程缺乏系统深入的认识，致使生产中常出现尺寸难以控制、钢管表面横裂纹等问题。

以某钢铁公司冷拔钢管机上采用的变形工艺项目为依托，以钢管拔制过程的仿真为研究对象，运用有限元仿真软件MSC.SuperForm建立了钢管拔制过程的二维仿真模型，对整个拔制过程进行了多次仿真分析，揭示了等径拔制过程中钢管内部应力场分布规律，并根据仿真结果分析了典型工况下的拔制力的变化规律，从而为提高钢管质量和实际生产提供理论指导。

1 钢管等径拔制有限元仿真模型的建立

等径拔制的配模方案如图1所示。其变形过程如下:钢管前端进入外模开始减径，钢管内壁和内模接触并进入变形区，同时钢管逐渐减壁，最后钢管定径并脱出外模［2］。

图1 钢管等径拔制示意图

1.1 模型简化

假定坯料和模具都为理想的轴对称结构，且坯料在夹持时和模具完全同轴，最终把钢管等径拔制模型简化为二维模型，并做以下处理:

1)根据截面轴对称性取1/2截面建模，单元类型为四节点平面单元;

2)钢管处理为弹塑性体，同时考虑加工硬化和应变速率的影响;

3)由于模具在拔制中弹形变形很小，所以处理为刚体;

4)由于等径拔制时外模及内模定径带长度对拔制过程的影响不大，这里取为定值，一般取为10mm;

5)利用相对运动原理，将坯料设为不动，模具运动。

1.2 载荷及约束的处理

1)对称面施加位移边界条件;

2)钢管前端面节点的拔制方向的位移进行捆绑;

3)在一个载荷步内对外模及芯棒施以一定位移直至行程结束，使其能够反映不同的拔制速度。

二维钢管等径拔制仿真模型如图2所示。

图2 二维钢管等径拔制仿真模型

2 钢管等径拔制仿真分析结果

针对等径拔制过程共进行了多次各种工艺参数下的仿真分析，从中提取一组典型实例分析管坯在拔制过程中的应力分布规律。表1为等径拔制变形过程模拟实例。

表1 等径拔制变形过程模拟实例

2.1 轴向应力分布规律

由模拟结果可以看出，定径区和钢管拔出后区域的轴向应力基本表现为拉应力状态，其中钢管外壁及内壁为高拉应力区，最大拉应力出现在定径带出口区域的钢管外壁处，当该应力超过某一临界值时，钢管外壁将产生横向裂纹，这从力学角度给出了等径拔制时钢管外壁易产生横裂缺陷的根本原因;钢管存在着3个明显的压应力区域，即将进入减径带的钢管中间层有个大面积的压应力带，而在钢管即将进入定径区的内外管壁附近也存在两个明显的压应力区域，最大压应力处于这三个区域内部。此外在变形区任意截面上轴向应力均呈不均匀的分布状态，由此可见传统的解析法所作的平截面假设与实际情况存在很大差距，这也是传统解析法的局限性所在［3］。轴向应力分布云图可见图3。

图3 轴向应力分布云图

图4 径向应力分布云图

2.2 径向应力分布规律

图4为径向应力分布云图。可以看出，径向压力的分布情况相对轴向压力要简单，在变形区内主要表现为压应力，这是因为钢管在这部分区域同时受到内外模的挤压以完成减壁工作。咬入区和锥角过渡区呈高压应力状态，因此该区域模具磨损最快。通过优化工艺参数和模具形状，可以减少这种区域性不均匀磨损，从而提高模具寿命。

2.3 等效应力分布规律

图5为等效应力分布云图。可以看出变形区等效应力表现为拉应力状态，其分布层次比较清晰，减径区与定径区交接处为最大应力区域，应力自此向钢管两侧逐渐减小。最大应力点位于钢管内外表面。

图5 等效应力分布云图

图6 等效塑性应变速率场的分布云图

2.4 等效塑形应变速率的分布规律

如图6所示，等径拔制的等效塑性应变速率场的分布与其它拔制方式有很大的区别，在整个变形过程中，应变速率场的分布没有很明显的变化。都是存在典型的内核区和“×”型变形区，在内外模咬入处与靠近定径带处的瞬时塑性变形最为剧烈，这主要是因为钢管的弯曲变形及内外模作用的结果，尤其在靠近定径区的影响最为突出。这也说明了内外模的这几处地方在拔制中受力最复杂，因而也最易磨损。

3 拔制力影响因素及规律研究

拔制力是整个钢管冷拔生产过程中至关重要的一个参数，研究拔制力的变化规律对优化钢管冷拔工艺有着重要作用。

一般认为拔制力P由三部分力组成

P=P1+P2+P3

式中 P1—基本变形需要的力;

P2—克服摩擦所需要的力;

P3—消耗于不均匀变形的力。

其中P1和P2占主导地位，凡与上述三方面有关的各种因素都会影响拉拔力的大小。主要对模角、摩擦系数对拔制力的影响进行仿真分析。从而找出相对较优的工艺参数。

3.1 模角对拔制力的影响规律

以表1实例数据为例，将模角调整为5°～14°之间的多个数值，分别计算出拔制力，得出图7拔制力随模角变化曲线。由图可以看出，曲线基本呈“V”形，当模角为7°时拔制力最小。当模角较小时，P2是影响拔制力的主要因素，拔制力随模角的增大而减小;当模角较大时，P1是影响拔制力的主要因素，拔制力随模角的增大而增大。综合考虑拔模锥角取6°～8°较为合适。

图7 模角对拔制力的影响曲线

3.2 摩擦系数对拔制力的影响规律

以表1实例数据为例，将摩擦系数调整为0.05～0.14之间的多个数值，分别计算出拔制力，得出图8拔制力随摩擦系数变化曲线。由图可知，随着摩擦系数的增加，拔制力几乎呈线性增大，钢管发生横向裂纹的几率也随之增大。因此在生产中改善摩擦条件，对降低拔制力，提高钢管质量有很大意义。

图8 摩擦系数对拔制力的影响曲线

4 总结

1)轴向应力沿钢管壁厚呈不均匀分布状态，在定径带钢管内外表面呈强拉应力状态，这给出了钢管表面易产生横裂现象的力学解释;径向应力分布较为简单规则，咬入区和锥角过渡区呈高压应力状态，因此该区域模具磨损最快;

2)等效塑性应变速率场存在典型的内核区和“×”型变形区，在内外模咬入处与靠近定径带处的瞬时塑性变形最为剧烈;

3)随着摩擦系数的增加，拔制力几乎成线性增大，较高的摩擦系数会使钢管在拔制过程中产生横向裂纹;

4)随着模角的增大，拔制力会先减小后增大，呈“V”形曲线变化，拔模锥角以6°～8°为宜。

［1］杨海波等.相似理论在钢管冷拔计算机仿真中的应用［J］.北京科技大学学报，1999(3).

［2］韩宝云等.钢管苏式模空拔过程的计算机有限元模拟［J］.钢铁研究学报，2001，Vol.13(6):19 ～22.

［3］陈艳波.钢管拔制过程的数值模拟分析［C］.北京科技大学硕士学位论文，2007，02.