焦 悅， 陳 峰， 魏長(zhǎng)傳， 黃維勇

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032； 2.核興航材（天津）科技有限公司， 天津東麗 300300）

對(duì)于Ф800 mm以上大直徑無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)，在沒(méi)有新工藝出現(xiàn)的現(xiàn)狀下，采用熱軋（熱擴(kuò)）、擠壓或擴(kuò)旋工藝，都不可避免的遇到管材端部尺寸精度難以控制的問(wèn)題[1]。為了達(dá)到管材端部尺寸精度要求，達(dá)到使用目的，頭尾切除成為目前唯一的方法。頭尾切除方案一是帶來(lái)極為嚴(yán)重的金屬損失，二是低下的工作效率成為影響生產(chǎn)線產(chǎn)能提高的瓶頸，因此研發(fā)一種能夠避免頭尾切除或者最短長(zhǎng)度的頭尾切除的管端定徑裝備成為迫切。

中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司通過(guò)對(duì)不同D/S比值鋼管的端部定徑彈復(fù)、塑變、回彈特性的研究，采用分段組合模具，內(nèi)外同時(shí)定徑的方法對(duì)管材端部進(jìn)行橢圓程度的糾正和尺寸精度的提高，填補(bǔ)了國(guó)家空白[2]。該方案無(wú)需對(duì)管材施加縱向推力，將管材端部自由的伸入組合式分段內(nèi)外模具所圍成的空腔中，通過(guò)內(nèi)外模的收縮與擴(kuò)張，達(dá)到大直徑管材端部尺寸要素的精確加工。目前已設(shè)計(jì)出國(guó)內(nèi)首套大直徑無(wú)縫管材端部定徑裝備。該裝備可對(duì)Ф586～Ф 1 500 mm大直徑無(wú)縫鋼管的端部進(jìn)行定徑，定徑后的管材橢圓度不大于管材直徑的0.25%。方案的成功應(yīng)用，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)更大直徑的管材端部定徑裝備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；完善了擴(kuò)旋法生產(chǎn)大直徑特殊用途管材的生產(chǎn)工藝。為了加快管端定徑裝備系列化設(shè)計(jì)，促進(jìn)定徑過(guò)程中金屬變形工藝的優(yōu)化。開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)定徑力與被定徑管材的屈服極限、原始橢圓程度的量化關(guān)系、變形過(guò)程中與定徑精度有關(guān)的因素進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了初步的仿真驗(yàn)證，對(duì)于進(jìn)一步完善大直徑管材的生產(chǎn)工藝提供了理論支撐。

1 大直徑管端定徑機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，序號(hào)3為被定徑鋼管，當(dāng)外模缸10的無(wú)桿腔充油后，外模缸10的活塞桿推動(dòng)后梁12移動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)前梁6移動(dòng)，前梁6移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)外模1圍成的圓周開(kāi)始收縮，達(dá)到對(duì)鋼管外圓定徑（縮徑）的目的。內(nèi)模缸9的有桿腔充油后，內(nèi)模缸活塞桿拉動(dòng)使內(nèi)模2擴(kuò)大，達(dá)到對(duì)鋼管內(nèi)徑定徑（擴(kuò)徑）的目的。

圖1 管端定徑機(jī)主機(jī)

2 擴(kuò)縮徑力與主缸力參數(shù)的關(guān)系

對(duì)外模與前梁進(jìn)行受力分析。取拉桿（圖1中的序號(hào)7）對(duì)前梁（圖1中的序號(hào)6）的總拉力為F1，前梁受外模的支持力為N1，前梁與外模（圖1中的序號(hào)1）的摩擦力為f1，過(guò)渡件（圖1中的序號(hào)8）對(duì)外模組支持力為N2，過(guò)渡件與外模組摩擦力為f2，取單個(gè)模具所需最大縮徑力為F。取外模與前梁接觸面的摩擦系數(shù)為μ，前梁的斜面角度為α。力學(xué)模型如圖2與3所示。

圖2 前梁受力示意圖

圖3 外模組受力示意圖

根據(jù)圖2，圖3受力圖，通過(guò)正交分解得以下受力關(guān)系[3]：

1）外模：

2）前梁：

由式（1）與式（2）可解得，液壓缸需要提供的最大推力Fmax為：

式（3）中F′為變形后的縮徑力。根據(jù)方案初步確定的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，取 α=10°，μ=0.1，帶入式（3），可得：

通過(guò)對(duì)外?？s徑力的分析可知，內(nèi)模擴(kuò)徑力與液壓缸受力的分析路徑相同，不在贅述。內(nèi)模與活塞桿之間的斜面角度與外模和前梁之間的斜面角度相同，接觸面之間的摩擦系數(shù)也相同，通過(guò)與上述過(guò)程相同的計(jì)算得知，內(nèi)模液壓缸的最大拉力Fmax=8×0.289F=2.31F′。

3 不同規(guī)格管材擴(kuò)徑與縮徑力的確定

為了便于計(jì)算，根據(jù)內(nèi)模的結(jié)構(gòu)實(shí)際，計(jì)算時(shí)主要考慮變形區(qū)大小和擴(kuò)徑段壁厚因素的擴(kuò)徑力計(jì)算公式為[4]：

式中：α為斜面角；θ為單個(gè)模具對(duì)應(yīng)的分度角；L為擴(kuò)徑段長(zhǎng)度；t為管材壁厚；D為擴(kuò)徑后的外徑數(shù)值；σs為管材材質(zhì)屈服強(qiáng)度；μ為摩擦系數(shù)。

根據(jù)外模外圓直徑偏大，模具數(shù)量分組較多的因素，其縮徑力的計(jì)算公式為[5]：

式中：D1為縮徑后的外徑數(shù)值；m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在2.3～2.5之間；μ為摩擦系數(shù)；σs為管材材質(zhì)屈服強(qiáng)度；R1為縮徑后的管材外圓半徑。

上述計(jì)算方法沒(méi)有考慮變形程度和變形剛端的問(wèn)題。按照目前的工程經(jīng)驗(yàn),考慮變形程度和變形剛端影響的因素不足以產(chǎn)生過(guò)多的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，按照公式（5）計(jì)算的理論數(shù)值和實(shí)測(cè)差值約在10%～15%，從工程角度來(lái)講，可以滿足理論指導(dǎo)作用。

4 擴(kuò)、縮徑量與定徑目標(biāo)值的關(guān)系

研究定徑后橢圓精度目標(biāo)與定徑過(guò)程中的擴(kuò)、縮徑的變形量之間的關(guān)系，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的變形工藝參數(shù)進(jìn)行量化指導(dǎo)，是研究管端定徑工藝的關(guān)鍵所在。對(duì)此問(wèn)題，研究思路是建立在理論公式的推演和計(jì)算機(jī)模擬仿真之上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)測(cè)實(shí)際，最終獲得適應(yīng)于工程計(jì)算的擴(kuò)徑（縮徑）量指導(dǎo)公式。

擴(kuò)徑和縮徑的工藝特點(diǎn)是：在擴(kuò)縮徑過(guò)程中，由于彈性變形的存在，在擴(kuò)縮徑結(jié)束后會(huì)有一定的彈性回彈，所以在擴(kuò)縮徑之前要通過(guò)計(jì)算得出理論擴(kuò)縮徑量。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，可以推演得到擴(kuò)徑理論值計(jì)算過(guò)程如下[6]：

模具的歸園量S1可以表示為：（不考慮彈性變形和壁厚變化的公式）

式中：Rm0為鋼管的平均半徑；b為鋼管中性層的橢圓短軸半徑。

模具的擴(kuò)徑量實(shí)際上與名義擴(kuò)徑率、鋼管壁厚變化有關(guān)，考慮到這些因素，將變化因素的擴(kuò)徑量記作 S2，則：

式中：α 為名義擴(kuò)徑率，α=αp+αe，αe為塑性擴(kuò)徑率，αp為彈性擴(kuò)徑率；t0為圓管初始厚度。

式中：σs為屈服強(qiáng)度；E為彈性模量；δ′為相對(duì)壁厚

理論上的擴(kuò)徑量為：

根據(jù)以上推演公式，以理論直徑1 500 mm、短軸1 430 mm、長(zhǎng)軸1 480 mm、壁厚60 mm的圓管為例。代入公式（9）得：S=38.14 mm；若不考慮彈性變形，則S=35 mm。

將管材沿周向分成20個(gè)點(diǎn)，用FORGE軟件模擬各個(gè)點(diǎn)在兩種擴(kuò)徑量條件下定徑后的橢圓程度（見(jiàn)表 1）。

表1 不同擴(kuò)徑量的結(jié)果對(duì)比

由表1可知：當(dāng)按照35 mm的擴(kuò)徑量時(shí)，最大直徑為1 498.53 mm，最小直徑為1 495.57 mm；當(dāng)按照38.14 mm的擴(kuò)徑量時(shí)，最大直徑為1 501.66 mm，最小直徑為1 498.01 mm；前者的橢圓度為2.96 mm，后者為3.65 mm?？梢杂∽C，在擴(kuò)徑工藝過(guò)程中，不考慮彈性因素的擴(kuò)徑量選擇較為切合工程實(shí)際。

機(jī)械縮徑時(shí)，縮徑量被定義為縮徑模具在管坯長(zhǎng)軸方向的徑向位移。該參數(shù)由理論圓數(shù)值和縮徑圓數(shù)值兩部分構(gòu)成，前者取決于管端的原始橢圓度，后者取決于管端的名義縮徑率。

1）歸圓量。

式中：a為鋼管中心層橢圓長(zhǎng)軸半徑；Rm0為圓管的平均半徑；b為圓管中性層的橢圓短軸半徑。

在標(biāo)準(zhǔn)橢圓上，橢圓度誤差為：

2）縮徑量。

模具的縮徑量與名義縮徑率、管端壁厚變化有關(guān)。若將其記作S2，則：

式中：α 為名義縮徑率，α=αp+αe，αe為塑性縮徑率，αp為彈性縮徑率；t0為管端初始厚度；t為管端縮徑后厚度。

總行程為：

根據(jù)以上理論公式，以理論直徑1 500 mm，長(zhǎng)軸1 540 mm，短軸1 490 mm，壁厚60 mm的橢圓鋼管為例。代入以上公式進(jìn)行計(jì)算可得：S=22.87 mm；若不考慮彈性變形，則S=20 mm。同樣將管材沿周向分成30個(gè)點(diǎn)，用FORGE軟件進(jìn)行模擬各個(gè)點(diǎn)在兩種縮徑量條件下橢圓程度。選取30個(gè)點(diǎn)的目的是，精整的精度最終影響過(guò)程在于縮徑過(guò)程（見(jiàn)表2）。

表2 不同縮徑量的結(jié)果對(duì)比

由表2可知：當(dāng)按照20 mm的縮徑量時(shí)，最大直徑為1 506.44 mm，最小直徑為1 493.90 mm；當(dāng)按照22.87 mm的縮徑量時(shí)，最大直徑為1 498.6 mm，最小直徑為1 495.12 mm；橢圓度分別為12.54 mm和3.84 mm?？梢?jiàn)縮徑過(guò)程中的彈性回彈的影響要大于擴(kuò)徑過(guò)程。

實(shí)際上在上述研究的過(guò)程中忽略了一個(gè)問(wèn)題，也就是定徑模具數(shù)量的問(wèn)題，定徑模具數(shù)量也會(huì)影響到定徑的橢圓程度，這是研究大直徑管材端部定徑精度不可忽視的問(wèn)題。當(dāng)管端直徑達(dá)到1 000 mm以上時(shí)，在各組模具的結(jié)合部位，管材無(wú)論是擴(kuò)徑或縮徑過(guò)程，都會(huì)形成一個(gè)較為自由的部位，這個(gè)自由部位的大小成為會(huì)影響管材定徑后的橢圓精度的關(guān)鍵。本研究過(guò)程中對(duì)理論直徑為1 500 mm管材端部定徑模具的分組數(shù)量與定徑精度驚醒了仿真模擬。當(dāng)定徑模具沿圓周方向的數(shù)量從7組到12組加密的過(guò)程中橢圓數(shù)值越來(lái)越小，單個(gè)模具的端面接觸應(yīng)力越來(lái)越大，對(duì)模具本身的機(jī)械性能就越高。對(duì)直徑1 500 mm左右，壁厚不大于60 mm的管端，10組模具的分組已經(jīng)完全滿足工程需要。

5 結(jié)語(yǔ)

從工程實(shí)踐的角度對(duì)大直徑管材端部定徑的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了推演計(jì)算，并對(duì)影響定徑效果的兩個(gè)最關(guān)鍵參數(shù)擴(kuò)縮徑量以及模具分組數(shù)量進(jìn)行了量化確定。研究成果對(duì)于大直徑管材端部定徑工藝設(shè)定提供了理論支撐，對(duì)大直徑管材端部定徑裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了直接依據(jù)。

[1]許小華，陳俊德.大口徑熱擴(kuò)無(wú)縫鋼管的發(fā)展與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)網(wǎng)刊，2010（1）：13-15.

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[5]鄭素梅，矯慶春.SJ194縮徑機(jī)的研制及機(jī)[J].焊管，1998（1）：29-31.