【doc】不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响

【doc】不同拉拔工艺对管材 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 精度的影响 不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响 42,讲验与历究 不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响 高昂,王德广,邓小民 (1,济南市清源水务有限责任公司,山东济南250021;2,合肥工业大学材料科学与工 程学院, 安徽合肥230009;3,安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002) 摘要:高精度管材是一种 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面质量(特别是内表面质量)要求很高,内径尺寸允许偏 差很小的管材,多用于 精密设备.简要概述了目前管材生产现状以及高精度管材的发展前景,分析了不同 拉拔工艺对管材尺寸精度的影 响.介绍了计算机仿真技术在拉拔工艺研究中的应用及现有模拟结果. 关键词:高精度管材;拉拔工艺;计算机模拟;尺寸精度;影响 中图分类号:TG356;TP391,9文献标识码:B文章编号:1001—2311(2008)01—0042 —06 lnfluencesonTubularDimensional AccuracybyDifferentDrawingProcesses GaoAng,WangDeguang,DengXiaomin. (1,JinanMunicipalQingyuanWaterAdministrativeAffairsCo.,Ltd.,Jinan250021,China; 2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HefeiIndustrialUniversity,Hefei230009,China; 3.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,AnhuiIndustrialUniversity,Ma'anshan243002,China) Abstract:Itisknownthatasbeingusedforprecisionequipmentpurpose,thehi-precisiontubularisre- quiredtohavehighsurfacequality(particularlytheinnersurfacequality)andverytightpermissibletoleranceof innerdiameter.Briefedisthecurrentsituationoftubeproductionandthedevelopmentprospe ctofhi-precision tubularproducts;analyzedistheinfluencesondimensionalaccuracyofsuchtubularbydiffer entdrawingpro- cesses.Describedaretheapplicationofcomputerizedsimulationtechniquetoresearchonthe drawingprocesses, andrelevantsimulationresults. Keywords:Hi-precisiontubular;Drawingprocesses;Computerizedsimulation;Dimensio nalaccuracy; InflUence 0前言 高精度管材是一种表面质量(特别是内表面质 量)要求很高,内径尺寸允许偏差很小的管材.其 主要特点是:管材内表面不允许有任何轻微的擦 伤,划道及其他的表面缺陷,且内外表面均需进行 阳极氧化处理:内径只允许正偏差,且偏差允许范 围远小于常规压力加工的范围,应达到机械加工精 度(通常为H9),比国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 (GB/T4436—1995)中 的高精级还要严格.以内径20,30mm的管材为 高昂(1979一),男,助理工程师,西部水源管理处 副主任,主要从事生产运行管理工作. STEELPIPEFeb.2008,Vo1.37,No.1 例,GB/T4436—1995中的高精级尺寸偏差为一0.39, +0.39mm,而对于高精度管材内径尺寸偏差为0, 0.052mm(GB/T1801—1999).高精度管材主要应 用于精密生产设备,高科技的产品(如复印机的感 光磁鼓,机器人),精密机床的气缸缸套,液压设 备等,而且需求量很大,有些用户(特别是一些外 商)的年订货量达到上千吨. 我国大多数管材生产企业始建于20世纪五六 十年代],目前,因设备陈旧,技术落后,生产的 管材精度不高.我国批量研制高精度管材始于20 世纪90年代,由于对生产这类管材的关键技术还 没有完全掌握,生产工艺不成熟,尽管所生产的管 钢管2008年2月第37卷第1期 盘潍与瓣43 材尺寸精度高于国家标准,但其尺寸偏差仍较大; 同一批管材尺寸不均匀,偏差也较大,质量不能完 全满足使用要求;另外其生产工艺复杂,成品率 低,生产效率较低.虽然现有个别小企业采用二次 加工方式生产部分高精度管材.但成本高,效率 低,产量小,质量也不高,难以满足市场需求.因 此,我国目前对精度要求很高的管材大多仍从国外 进口 1工艺分析 目前管材拉拔生产工艺主要有空拉,固定短芯 棒拉拔,长芯棒拉拔,游动芯头拉拔,扩径拉拔等 5种.因为工艺与模具不同,所以拉拔过程中金属 塑性变形特征不同.从而导致管材尺寸(内径,外 径,壁厚等)变化规律不同,最终管材尺寸精度也 会有较大的区别. 1.1空拔 空拔是指拉拔时在管坯内不放置芯棒的生产方 式.是管材生产中最常用的拉拔方式之一.这种工 艺方式对于只控制外径尺寸且尺寸精度要求不是很 高的普通管材来说还是可以的,但对于要求控制内 径尺寸的高精度管材是不适宜的,其主要原因如下. (1)空拔难以获得高精度的管材外径尺寸.首 先,空拔过程中存在直径缩小量的问题.直径缩小 量与很多因素有关[7.s-,如减径量,材质,加工硬 化,拔制方式,模角,拔制速度和模具类型等.直 径缩小主要是由于金属在流动的过程中存在"难于 急转弯"和"惯性变形"的情况.其次,空拔时, 管材因发生反弹性后效而使外径稍有扩大.另外, 在空拔的过程中,模孔由于受压力的影响会发生变 ,想获得高精度的管材外径尺寸是比较困 化,所以 难的. (2)空拔难以获得高精度的管材壁厚尺寸.空 拔一般会使管材壁厚发生变化.其内在原因是:空 拔时,变形区应力状态为轴向拉应力h径向压 应力,周向压应力..引起管壁变化的是和 ..根据金属塑性加工力学理论,在理想状态下, 当>1,2(L+0)时,管壁增厚;当=1/2(L+ 0)时,管壁不变;当<l/2(~t+0)时,管壁变 薄.空拔变形是不均匀的,应力变化很复杂,因此 想把管材壁厚控制在不变的应力状态是比较困难 的. 管材壁厚尺寸难于精确控制的外在原因主要有 高昂等:不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响 以下几点:?空拔前存在"同管壁厚差".管壁越 厚,同管壁厚差越大;空拔时,薄壁管壁厚变化规 律性很强,容易控制;厚壁管规律性很不明显.不 易控制:管料的同管壁厚差越小,空拔管壁厚变化 的性质和数量越易掌握和控制.?空拔前存在"同 架壁厚差"(相同规格的不同钢管).管料的同架壁 厚差始终存在,即使同管壁厚差接近0的薄壁管料 也或大或小地存在"同架壁厚差".这给精确控制 管材尺寸带来了困难.?带芯棒拔制后管壁增厚. 空拔一般放在带芯棒拔制后,带芯棒拔制因管壁增 厚会影响空拔后管材的壁厚精度. (3)管材拉拔过程中的润滑条件对管材尺寸精 度也有很大的影响.润滑剂在长期的循环使用过程 中会因为温度的升高而由稠变稀,带人模孔中的量 会因此而减少,由此影响润滑效果.同时随着润滑 剂使用时间的延长,其中的金属磨粒会增多,由此 使摩擦增大,并加速模具的磨损,改变模角,从而 影响管材尺寸精度. (4)空拔过程中管材内表面的变形特征决定了 这种生产方式无法得到高精度管材.空拔时,管材 外表面发生大的塑性变形,内表面因没有任何支撑 而发生自由变形,由此空拔后管材内表面变得粗 糙.尺寸精度变差.若管材经过多道次拉拔,则内 表面会变得更加粗糙.虽然厚壁管空拔有均壁的作 用.但是由于拔制后管材内表面粗糙,同时内径尺 寸波动较大,所以不适用于拔制高精度管材. 由此可见,采用空拔工艺不但管材的外径和壁 厚难以获得高的尺寸精度,而且其内表面的变形特 征也决定了通过空拔工艺控制外径和壁厚尺寸精度 来获得高精度管材的方式是不合适的. 1.2固定短芯棒拉拔 固定短芯棒拉拔时.管材内置芯棒,其金属变 形比空拔的均匀,内径尺寸精度和内表面质量比空 拔的高,但要生产内径尺寸偏差很小的高精度管 材,采用普通的固定短芯棒拉拔方法是难以满足标 准要求的,其主要原因如下. (1)固定短芯棒存在一个芯棒一拉杆系统,在 这个系统中,当芯棒在稳定的拉拔力和拉杆静反力 的作用下,具有稳定的静力平衡位置.但是若系统 平衡被破坏,则管材易出现"跳车抖纹".在拉拔 过程中,芯棒一拉杆系统很容易因金属的不均匀性, 设备的不稳定性,润滑条件的变化性,拉杆的弹性 变形以及外界环境的不稳定性等而受到损坏. 钢管2008年2月第37卷第1期 44试验与研究 (2)传统的固定短芯棒拉拔工艺,当使用柱形 芯棒(图1)时,毛坯管在点接触外模,在日段 进行缩径,由日点开始减壁,即管材在变形区外 表面进行减壁?Js,但减壁量再大也达不到光洁内 表面的作用.当使用锥形芯棒(图2)时,毛坯管在 点接触外模,在日段进行缩径.管材在BC段 外表面进行减壁?Jsh在,段内表面进行减壁 ?Js,该段有光洁内表面的作用但效果不好.若对 光洁度要求较高,则需要进行多次减壁,这显然是 不经济的. P一拉拔力 图1使用柱形芯棒 P一拉拔力 图2使用锥形芯棒 (3)芯棒前端的放置位置也会影响管材的尺寸 精度.芯棒在变形区的位置不能太靠前或太靠后. 在使用锥形外模和柱形芯棒时,若芯棒放置太靠 前,则管材出定径带后还将继续与芯棒工作表面接 触,这样会增大摩擦力,易使管材拔断,也易造成 管材内表面划伤,擦伤;若芯棒位置太靠后,其工 作表面还没进入外模的定径带.拔出的管材内径将 小于芯棒的直径,不能达到预期的尺寸.在其他类 型的外模和芯棒配合时也存在这样的问题. (4)固定短芯棒拉拔存在最佳模角.前苏联 N?Alexandrova研究了带芯棒管材拉拔模型[91.通 过此模型证明了存在一个使拉拔力最小和管材变形 均匀的最佳模角.当拉拔模角小于最佳模角时.拉 STEELPIPEFeb.2008,Vo1.37,No.1 拔力明显增大,且变形不均:当拉拔模角大于最佳 模角时,拉拔力增加更加剧烈,变形更加不均匀. 采用固定短芯棒拉拔,管材内外径在处于共同 变形的过程中.尽管其应力分布状态较空拔和扩径 法均匀.但拔后管材内外径同时处于弹性回复过 程.内外径回复量的不同将造成管材尺寸精度的不 同.如果在芯棒的出口端增加一小段.并设置一个 微小的台阶(即带台阶柱形芯棒,见图3),通过该 台阶的作用抑制管材内径的弹性回复,使内径尺寸 精度达到高精度管材的要求,那么就有可能只通过 一 次拔制即可获得高精度的管材成为现实. 带台阶芯棒 A 图3带台阶柱形芯棒 1.3长芯棒拉拔 长芯棒拉拔工艺与固定短芯棒拉拔的变形特征 大体相似.不同的是长芯棒拉拔时.芯棒随管材一 起从模孔中拔出.芯棒与管材之间的摩擦力与拉拔 力方向一致.长芯棒拉拔工艺有利于降低拉拔力. 增大道次变形量,同时有利于加工塑性较低,壁薄 的管材.但以下因素决定其生产的管材尺寸精度不 高. (1)需制作大量表面光洁度要求很高的芯棒, 但这些芯棒制作困难,表面质量,椭圆度,尺寸偏 差不易保证. (2)对芯棒的保管有困难,芯棒易被损伤,最 终影响拉拔制品的尺寸精度. (3)对大规格的管材,因芯棒较长,重量大, 拔制时芯棒受重力影响向下方偏移,影响管材的内 径尺寸精度. (4)采用脱管机取出芯棒时,容易使管材椭圆 化. 1.4游动芯头拉拔 游动芯头拉拔是目前管材生产中一种最先进的 生产方法,其变形特征与固定短芯棒拉拔类似.多 耥撇45 用于长管卷筒拉拔.拉拔时,芯头呈自由状态,依 靠其自身的特殊形状稳定在变形区.实现管坯的减 径和减壁.在直线式拉拔中,游动芯头和固定短芯 棒拉拔工艺相似,没有太明显的优势.该法不适合 生产大规格管材.同时由于管材材料不均匀,拉拔 力不稳定,加工设备不稳定以及环境和润滑条件的 影响等等,也会使芯头的稳定性不易控制,拉制的 管材尺寸精度不高.故此种方法仅适合大量生产普 通管材. 1_5扩径拉拔 扩径法是用小规格的管坯生产较大规格的管 材,扩径后管材的直径增大.长度和壁厚减小.采 用这种方法可以较好地控制管材的内径尺寸精度. 扩径法分为拉拔扩径和压入扩径.拉拔扩径又分为 拉管和拉芯杆两种方法.拉芯杆时,需要用专门的 装置固定管坯.而且芯杆在拉拔过程中的颤动会影 响管材的尺寸精度.拉管时,存在芯头如何预先放 入管坯和管坯的打头问题.拉拔扩径法适合于小断 面的薄壁长管生产.压入扩径适合生产口径大而长 度短的管材.管材过长容易失稳.从而使内径尺寸 偏差增大.一般压入扩径在液压拉拔机上进行.而 稳定性比较好的液压拉床.其价格相对较高.不易 推广. 扩径法生产管材时.管材的外壁始终处于自由 变形状态.内壁处于高应力加工状态.应力由内向 外逐渐减小.管材拔后内壁处于自由回复状态,高 应力状态造成拔后弹性回复量较大.内径产生较大 的尺寸变化,因此其内径尺寸精度不容易控制. 2计算机模拟 管材冷拔工艺是目前生产管材的主要方式之 一 ,长期以来各生产厂家积累了不少实际经验.但 冷拔理论发展至今.所用的研究分析方法仍主要是 初等解析法及实验法.初等解析法的假设与实际生 产状况不很相符.计算量十分庞大,难以获得精确 度较高的解值.虽然实验法在研究金属塑性变形规 律时是一个十分重要的方法.但是为了获得详实可 靠的数据.往往要进行大量的实验,这需要耗费大 量物力及时间.因此,对管材冷拔过程的认识至今 仍停留在宏观上.认识的方式也多为经验式的.即 结果仅适用于局部.同时拉拔塑性成型问题是一个 非常复杂的大弹塑性变形过程,它既是物理非线性 的.又是几何非线性的,而且它的边界条件往往也 高昂等:不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响 很复杂.对这一类的塑性成型进行分析,涉及到有 限元理论(几何非线性),塑性理论(物理非线性)和 按有限变形理论建立起来的弹塑性有限元方程.研 究工作比较困难,而且对生产实践的指导作用不是 很大. 随着计算机技术的出现和发展,近年来,国内 外普遍采用计算机仿真技术代替传统的初等解析法 及实验法.以获得对金属变形过程更为微观全面的 认识.成为研究金属压力加工过程的一种有效途 径. 有不少文献利用国际着名的MSC.MARC软件 平台对钢管中式,苏式模空拔过程进行了各种工艺 参数下的计算机模拟[10-13],结果显示:厚壁管拔制 后壁厚减小.薄壁管拔制后壁厚增大:空拔后钢管 出口处直径略小于模孔直径.从模拟结果可以看 出.钢管的塑性变形主要集中发生在两个区域:钢 管与拔模的咬入区和锥角过渡区.这两个非接触边 性区是造成钢管出口直径小于模孔直径的根本原 因:拉拔模角存在最佳角度,为13o15.. 拉拔成型是一个非线性轴对称问题.在考虑非 线性轴对称的情况下,除考虑几何与物理非线性问 题外,针对接触非线性问题,视模具为弹性体,另 外还考虑了接触区接触点对应的接触力,摩擦力及 位移接触条件,并采用拉氏乘子法与罚函数法将接 触区的接触条件引入修正泛函.通过计算机模拟_l4]. 得到了管材初入模,稳定拔制阶段与管材即将拔出 锥模时管材与模具的应变及应力分布,研究了弹性 恢复对管材直径的影响以及管材拔后的残余应力分 布,证实了定径区附近管材与模具存在非接触区, 其存在将影响管材的尺寸精度. 由于二维轴对称模型无法对空拔管材壁厚变化 进行了定量分析_l5],因此在研究壁厚变化规律时应 采用三维模型.文献『16]在分析均壁管多道次拉拔 变形特点的基础上,考虑了壁厚不均对变形的影 响.模拟了拉拔的均壁作用,研究了拉拔道次对均 壁效果的影响,探讨了减少拉拔道次的可能性.由 此发现:减少拉拔道次能明显降低拉拔管变形过程 的不均匀性.单道次拉拔时应变场比较平缓,应变 梯度较小,且较均匀;两道次拉拔(第二道次)时变 形区存在明显的应力集中现象,其局部应变超过 0.7.大于单道次拉拔变形区的最大应变;与单道 次拉拔相比.两道次拉拔的变形过程是不均匀的, 局部的集中变形会使材料提前达到塑性极限. 钢管2008年2月第37卷第1期 46盘涩院 国外普遍采用ABAQUS有限元数值模拟软件, 对管材成型进行模拟分析.该软件包含两个应用程 序:形状分析程序;特殊目的的前后处理程序.形 状分析程序可分析热轧毛管供料的形状特性,以便 更好地提高拉拔精度.使拉拔力最小化.特殊目的 的前后处理程序可分析在给定工艺参数下拔后管材 的尺寸,力学性能和许用拉拔力.文献[17]利用该 软件对复合材料锥形模空拔成型进行了模拟,分析 了影响拉拔力的因素.研究了拉拔速度,壁厚均匀 性,摩擦力,减径量对管材拔后尺寸及性能的影 响.模拟结果与实验结果吻合很好,从而认为该软 件比传统的理论分析和计算更准确.文献[18,19] 利用该软件模拟了模具类型对空拔成型过程力学性 能分布和应变场的影响,该模拟是依据测量硬度法 进行的,模拟与实验结果对照.证明硬度法对分析 力学性能分布和应变场是有效的.文献[20]利用 ABAQUS有限元数值模拟软件对固定芯棒拉拔成 型进行了研究.通过该软件分析了热轧毛管供料的 形状特性,拉拔力,拔后管材的尺寸,力学性能和 许用拉拔力. 3结语 通过以上分析可以看到.控制管材内径变形是 获得高精度管材的关键.管材拉拔的过程中存在拔 后弹性回复的现象,即弹性后效.管材内径的弹性 后效是造成管材内径尺寸精度难于精确控制的关键 原因.因此通过研究管材拔后内径的弹性回复,获 得详实可靠的数据,并通过改进工艺及模具形式, 抑制管材内径的弹性回复来获得高精度的管材内径 尺寸.是一个有效途径. 在研究和分析了目前主要拉拔工艺方式后得到 以下结论: (1)空拔适合生产外径尺寸精度级别较低的普 通管材.利用空拔控制壁厚和外径精度,以获得所 需内径尺寸精度的生产方法生产高精度管材是行不 通的. (2)游动芯头拉拔由于芯头在变形区前后游 动.内径时大时小,只适合大量生产对尺寸精度要 求不高的普通管材. (3)扩径拉拔法虽然是获得精密管材的一种方 法.其生产的管材内径尺寸精度级别为可满足国家 规定的GB/T4426—1995高精级别指标.但是不能 满足更高要求的GB/T1801—1999精度级别的管材 STEELPIPEFeb.2008,Vo1.37,No.1 的内径尺寸精度指标.无论对模具形式采用何种改 进措施,其变形特征始终是外表面处于自由变形, 内表面处于高应力变形的状态.这种状态影响了管 材的内外径尺寸精度.因此该工艺形式无法获得高 精度的管材. (4)固定短芯棒拉拔生产的管材内径尺寸精度 较高,内表面比较光滑.而且不受管材规格的影 响.同时其生产设备为普通的链式拉拔机或普通液 压机床,价格低廉.维护简单,比较适于大量推广 应用.但现有的普通固定短芯棒生产工艺显然不能 生产出内径精度级别很高的管材.需要开发新的工 艺与模具(如采用带台阶柱形芯棒)来实现高精度管 材的生产. 目前计算机模拟拉拔成型过程的模型大部分是 针对空拉工艺的,对其他拉拔工艺研究不多.由于 空拔工艺不宜生产高精度管材.所以研究的应用价 值不高.但通过计算机模拟辅助研究分析固定短芯 棒拉拔过程尺寸变化规律.优化拉拔工模具及工艺 参数,开发生产高精度管材具有广阔的市场前景. 4参考文献 [1]殷世清.由衡钢的实践看我国高精度冷拔管生产存在 的问题和普通冷拔管的发展方向及对策[J].湖南冶金, 2001(3):3-5,33. [2]周宝昌,李庆庸,洪连山.我国缸筒用冷拔精密钢管生 产现状浅析[J].钢管,1999,28(6):33,37. f31邹子和.我国不锈钢管生产技术的进展及其与国外的差 距[J].钢管,2000,29(6):7-14. 『41钟倩霞,严圣祥.我国不锈钢管市场需求及国内外不锈 钢管生产技术发展趋势[J].钢管,2002,31(5):1-8. [5]杨秀琴,林纲.无缝钢管在中国和世界市场的重要地位 [J].钢管,2003,32(3):12-15. [6]王家聪.我国高精度冷拔钢管发展前景浅析[J].钢管, 1999,28(2):5-8. [7]张才安,莫礼隆,唐先培.空拔管直径缩小量的研究[J]. 钢管,1991,20(5):21-25,36. 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API5CT 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中的L80—13Cr油套管在150?以下具有良好的抗CO:腐蚀性能,但是超过150?抗局部腐蚀性能较差, 并且,该产品使用的2Crl3钢种不能生产满足勘探开发石油天然气深井所需的110钢级产品.为此,宝钢研发人员结合油 气田不同CO:,H:S腐蚀的井况特点,相继开发出B13Crl10,B13CrlIOU,B13Crl10S 等不同功能的高钢级超级13Cr产 品.其中B13Crl10,B13Crl10U等产品适于在高CO:,C1腐蚀等井况环境下使用,与L80—13Cr相比不仅钢级高,且适用 的环境温度分别可以提高到170.c和18Occ;B13Crl10S产品由于其Ni,Mo等合金含量分别达到5%,2%,因此适于在高 CO:和微量H:s腐蚀环境下使用,其H:s的最高分压可达O.O1MPa.目前,上述产品 经过工业试制和性能验证已具备批量 生产能力,其中B13Crl10油套管产品已大量用于高CO:腐蚀油气井的开发开采. 高昂等:不同拉拔工艺对管材尺寸精度的影响 (宝山钢铁股份有限公司张忠铧) 钢管2008年2月第37卷第1期