（材料加工工程专业论文）油管镦锻成形工艺及模具的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要1 g ；f 6 随着石油开采工业的发展，在钢管端部直接加工螺纹的采油油管，由于连接强度 低，难以满足生产需要，因此，研究开发用锻造的方法制造端部加厚油管己成为当务 之急。然而加厚油管的锻造成形，由于镦锻比大、变形复杂、难以成形，是急需攻关 的课题。) 本文采用实验研究的方法，通过反复的实验及对实验数据的分析，得出了大 ， 镦锻比的中厚管坯镦锻变形规律，对油管端部加厚而采用的镦锻成形工艺及模具展开 了较为系统而深入的研究，取得了如下具有一定特色的成果： 通过对管坯在一端固定的压缩实验，归纳出了管坯镦锻比超过传统镦锻比时，在 无模约束时镦锻的失稳形式和变形方式；管坯在凹模内成形的实验中，得出了当管坯 完全置于凹模内有约束镦粗时的变形规律，并分析了分两次送料时变形相对稳定的原 因，提出了抑制失稳产生的有效措施；通过对管坯的开式镦粗，探讨了通过改变分模 面的位置来改变金属的流动情况以利模腔充满，并归纳出了获得合格锻件的工艺条 件：建立了管坯在轴向加压时的失稳模型，分析了管坯的弹塑性失稳及凹模与芯轴之 间的问隙对管坯轴向失稳的影响，并给出了管坯的失稳不发展为折叠的凹模与芯轴单 面间隙的许可值；基于以上研究成果，提出了加厚油管镦锻成形模具的合理结构与工 艺参数，并成功地解决了实际生产中的技术难题。 关键词管坯镦锻变形规律加厚油管模具设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s et h e j o i n ti n t e n s i t yo f t h r e a dm a c h i n e do nt h e t i po f s e a m l e s ss t e e lp i p e ，w h i c h i st h et r a d i t i o n a lt y p eo f e x p l o i t i n go i lp i p e ，i sr a t h e rl o w , t h i st y p eo fe x p l o i t i n go i lp i p e c a nn o tm e e tt h en e e do ft h e p r o d u c t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to f o i li n d u s t r y s oi ti sv e r y u r g e n t t os t u d yt h et h i c k e n do i lp i p eo nt h ee n d b u t f o r g i n gf o r m i n g o fo i lp i p ei sa n u r g e n t p u z z l ep r o b l e mb e c a u s eo fi t sb i gu p s e t t i n gr a t i o ，c o m p l e xd e f o r m a t i o na n dd i f f i c u l t f o r m i n g b yt h ew a yo fe x p e r i m e n t s ，t h ed e f o r m a t i o nl a wh a sb e e ng a i n e dw i t hal a r g e u p s e t t i n gr a t i oo fm e d i u m t h i c kt u b u l a rb i l l e t a n du p s e t t i n gf o r m i n ga n dd i eo fo i lp i p e t h i c k e n do nt h ee n dh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l ys t u d i e dw i t hal o to f e x p e r i m e n t s s o m ec h a r a c t e r i s t i cc o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e d t h r o u g ht h ep r e s s i n ge x p e r i m e n t so ft h et u b u l a rb i l l e tw h i c hi sf i x e do no n ee n d ，t h e u n s t a b l ef o r m sa n dd e f o r m a t i o nm o d e so fm e d i u m t h i c kp i p ef o i - 、g e dw i t h o u td i eh a sb e e n i n d u c e dw i t hal a r g e ru p s e t t i n gr a t i ot h a nt r a d i t i o n a lo n e i nt h ef o r m i n ge x p e r i m e n t so ft h e t u b u l a rb i l l e tw h i c hi ss e ti nt h ed i ec o m p l e t e l y , t h ed e f o r m a t i o nl a wi sa c h i e v e d ，a n dt h e r e a s o n so fd e f o r m i n gr e l a t i v e l ys t e a d yi sa n a l y z e dw h e nt h ep i p ei sd e l i v e r e di nt w os t e p s t os e ti nt h ed i e ，a n de f f e c t i v em e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dt ol i m i tt h ei n s t a b i l i t yo c c u r r i n g i n t h ee x p e r i m e n t si nw h i c ht h et u b u l a rb i l l e ti so p e n u p s e t t i n g ，am e a s u r e o f i m p r o v i n g m e t a l f l o wt ot h ed i ec o m e rb yc h a n g i n gt h ef l a s hp o s i t i o ni sd i s c u s s e d ，a n df o r m i n gc o n d i t i o n s t oa t t a i ns a t i s f y i n gp r o d u c t si si n d u c e d am o d ew h i c ht h et u b u l a rb i l l e ti su n s t a b l eu n d e r t h ep r e s s u r ei nt h ea x i si se s t a b l i s h e d ，a n de l a s t i c i t y p l a s t i c i t yu n s t a b l eo f t h et u b u l a rb i l l e t a n dt h ee f f e c to ft h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ed i ea n dt h ec o r eb a ri sa n a l y z e dw h e nt h e t u b u l a rb i l l e ti sp r e s s e da l o n gt h ea x i s ，a n dap e r m i t t e dv a l u ei sg i v e na n dt h ei n s t a b i l i t yc a n i l 华中科技大学硕士学位论文 n o td e v e l o pt ot h ef o l dw h e nt h ec l e a r a n c ei sl e s st h a ni t o nt h eb a s eo f t h es t u d ya b o v e ，a r e a s o n a b l es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h ed i ew h i c hp r o d u c e st h et h i c k e n do i lp i p eo nt h e e n di sg i v e n ，i nw h i c ht e c h n i c a lp r o b l e m si nt h em a n u f a c t u r i n ga l es o l v e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：t u b u l a rb i l l e t u p s e t t i n g d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h i c k e no i lp i p em o l d d e s i g n 1 1 1 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题来源 1概述 本课题来源于中原石油勘探局机械制造总厂与华中科技大学的“油管锻模设计” 的技术合作研究项目。 1 1 2 研究目的及意义 随着整个世界石油工业的飞速发展，我国的石油工业从整体上也得到了快速发 展，石油机械行业逐步发展壮大，石油装备水皮不断提高。从8 0 年代以来，石油机 械制造行业瞄准国外先进的制造技术，在引进先进设备的同时，以技贸结合等方式成 功引进了西方工业发达国家的制造技术；与此同时也加强了科技攻关，及新技术的推 广和新产品的开发。 油( 气) 井的钻探和开采都离不开钢管。一般称这种钢管为石油钻采钢管。通常 石油钻采钢管指的是石油钻杆、石油套管、石油油管、钻铤和钻杆。对一口油( 气) 井的钻采，这几种钢管缺一不可。在各主要产油国家，每年钻井的总长度都在百万米 以上，如果井的平均深度以2 0 0 0 米计算，每根油管8 米长，每口油井需要2 5 0 根油 管，所需的油管数量是相当惊人的。随着钻井采油工业的发展，石油钻采的并深越来 越深；钻采领域的扩大，向大陆架的海洋开发越来越多，已在寒冷地带开发石油和天 然气，以及钻采带有腐蚀性介质的油( 气) 井。所需的无缝钢管数量也随着迅速增加， 而且对钢管的质量也提出了更高的要求，要求其具有耐腐蚀性和很高的疲劳强度。油 管的工作环境相当复杂，它处于具有腐蚀性介质的井液中，承受着自重和井液内压， 还承受着抽油杆系统往复运动的交变载荷。油管在静载荷和动载荷的作用下产生振 动，频率较抽油机往复运动的频率高。油管的经常失效形式是管头和管体的疲劳断裂， 在实际生产上造成重大经济损失。因此，石油钻采钢管连接处的强度是一个非常重要 华中科技大学硕士学位论文 的参数，对油管接头处的质量要求是相当严格的。 油管通常是在其端部加工螺纹，用接箍将两根油管连接起来。我国油( 气) 田上 使用的油管大致有三种： 1 在油管的端部直接加工连接螺纹，如图卜1 所示： 1 、3 - - - 油管：一接箍 图1 一l 在油管端部直接姐il ：螺纹的形式 对于该种形式，因为要保证连接处的强度，所以要在整个钢管长度上加大壁厚；如果 螺纹的长度为8 0 毫米，每根钢管的长度按8 米计算，9 8 的管长的管壁不必要地加厚 了，这就极大地浪费了材料，不符合节约材料的要求，也同时增加了原材料的成本和 钢管本身的自重：这种连接形式由于强度不足，只适合于浅井的油( 汽) 开采，而不 适合于深井的油( 汽) 开采。 2 加厚的管头通过摩擦焊使其和钢管连接起来，如图卜2 所示： 1 一钢管 2 t 一管头3 一接箍4 一焊缝 圈1 - 2 油管的焊接形式 对于该种形式，由于焊接结构存在夹渣、气孔等各种缺陷，容易在此处造成应力集中， 使管头和钢管体容易在此处断裂。若在采油过程中出现此问题，则意味着要报废一口 华中科技大学硕士学位论文 油井；若用某种方法将断裂的油管取出，则成本费就高达几十万元人民币，这就造成 了很大的经济损失。如果要求油井的报废率低于1 ，则允许出现有缺陷的油管的概率 低于万分之二，如此高的要求在焊接工艺中难以保障。 3 钢管的端部加厚，然后再加工连接螺纹，如图卜3 所示： 1 、3 一油管2 一接箍 图卜3 局部镦粗成形的油管 这种油管是用锻造的方法，直接增大螺纹连接处的壁厚，以增加该处油管的横断面积， 从而保障其连接强度。这样就克服了前两种油管的缺点，既满足了技术要求，又降低 了生产成本、提高了经济效益。 用锻造的方法，增加钢管壁厚主要有三种形式：1 外径增大、内径不变；2 外径 增大、内径减小；3 外径不变、内径减小。如图l 一4 所示： ( a ) 外径增大、内径不变( b ) 外径增大、内径减小( c ) 外径不变、内径减小 图卜4 管壁增厚的三种形式 生产油管是用形式f l ，即保持钢管内径不变，增大外径。 目前，油管的端部锻造成形在国内尚属空白，现有的钢管局部锻造成形理论尚不 成熟，有待进一步深入研究。因此，研究、开发用锻造成形的端部加厚油管具有很强 的时问紧迫性和显著的社会、经济效益。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 管坯锻造成形研究的国内外概况和前景 1 2 1 国内外研究概况 国内率先展开研究在钢管端部用锻造成形的方法，增加壁厚的工作是华中科技大 学黄早文教授、俞彦勤工程师等。1 9 9 3 年，他们依据空心抽油杆送审稿标准，在满足 强度要求的前提下，对0 3 6 m m 规格的结构进行了改进，使其满足了在厂家现有设备上 锻造成形的可能：并且通过对管坯在镦锻过程中金属流动特点的分析和初步的实验研 究，从实践上解决了在管坯中部壁厚一次镦锻比t t 。 1 5 、管坯长径比，。d 。 1 2 、 圆管坯中部压方成形等无规则可循的技术难题；还对因中部镦粗而产生相向对流的金 属，在汇流后引起内壁凹陷、折叠或难以充满模膛等问题，提出了有效的解决办法： 并且采用倒锥模膛，减少了金属在模膛中流动的阻力和芯轴负荷，解决了细长芯轴 难以拔模的难题。 俞彦勤、马相等人采用模拟中较为流行的视塑性法，分析了在无芯轴支撑条件下， 管坯中部镦锻成形的变形规律，阐述了变形区位移场、应变场的计算方法，并通过对 实验的分析，得出了当镦粗比x 3 ，在管坯中部镦锻时，内壁出现四种典型的变形 模式，论述了分流面的分布与四种变形模式之间的转化关系入得出了如下结论： l 、在无芯轴条件支撑下管坯中部镦锻时，其变形过程的最终形状，主要取决于 以下两个主要因素：( 1 ) 材料性质，主要反映为杨氏模量e 与屈服应力盯。( 2 ) 几 何尺寸：主要是变形部分的初始长度和壁厚之比五= l o t ，并且将上述两个参数合而为 一个参数： p = o 、l 。l ( e t ) 2 无芯轴支撑时，管坯中部镦锻变形的规律为：( 1 ) 当 3 时随着变形的增 加，坯料将会从外凸单鼓形的模式变成内凸双鼓形的模式，最终变为内凸单鼓形的模 式，并且不会在内壁出现环状折叠。 3 当 3 5 ，压缩量a t t 。 4 4 4 时，坯料将从外凸单鼓形变成内凸双鼓形，最终变为折叠形模式，并且会在内壁产生 环状折叠。 俞彦勤、黄早文等人，根据厚壁圆管在两端夹持、有芯轴支撑、轴向加载条件下， 华中科技大学硕士学位论文 用视塑性试验流线分布的结果，建立了变形区域的速率场和应变速率场；采用上限法， 确定了管坯镦锻成法兰制件的合理工艺参数；根据能量法则，导出了管料在变形过程 中内壁产生凹陷的判别式，首次建立了管坯有芯镦锻的成形极限曲线。 哈尔滨工业大学胡秀丽、王仲仁”。等采用刚塑性有限元法，对长颈法兰类锻件 法兰部分的开式镦锻成形进行模拟，成型过程的模拟模型处理为二维轴对称模型，模 拟材料为内径中58 的204 钢管坯，分析了金属成形规律，得到了开式成形法兰的 最大变形区高度与壁厚的关系，详细讨论了摩擦条件、管坯厚度、坯料内孔倒角和变 形区高度等工艺参数对变形结果的影响，并得出了如下一些主要结论：( 1 ) 当坯料 与上模接触面间摩擦系数较小时，变形区金属扩口翻边变形的趋势远大于镦粗变形的 趋势：增大坯料与上模接触而间摩擦系数，可以增大变形区金属镦粗变形的趋势。( 2 ) 坯料端部的内7 l 具有倒角可以增大变形区金属的扩口翻边趋势，倒角愈大，扩口翻边 趋势愈强烈，而且增大内孔倒角可以避免压缩扩口翻边时端部金属发生折叠。( 3 ) 在不同的摩擦条件、坯料的内孔倒角、壁厚、变形区高度的工艺参数下，用丌式成形 法兰会得到镦粗、翻边、卷边、和折叠等情况，但作者所研究法兰部位高度较小，小 于壁厚，因而变形部分长度与壁厚比值亦较小，且只讨论开式镦锻成形，并未涉及到 闭式镦锻成形舰律的研究，对镦锻比很大的管坯并未展开研究。 钢铁研究总院韩宝云采用大型通用有限元仿真软件m a r c a n t o f o r g e 对某企业计 划丌发的中7 3 5 5 1 加厚油管进行工艺模拟研究，具体给出了中7 3 5 5 1 油管管端加 厚过程的一些参数平锻机选取中最小冲程的确定，给出了温度场对成形的影响及生产 节奏。 在国外，英国、美国、德国和前苏联等工业发达的国家，在3 0 年代就丌始研究 用锻造的方法，增大钢管的壁厚，并应用于实际生产中，生产头部加厚的油管。前苏 联允许的镦锻比1 4 五1 5 ，美国的镦锻比五s l 。5 ，德国的镦锻比z 1 3 。 管坯的镦锻成形极限，通过实验观察和理论分析，主要涉及到两方面的问题。其 一，当管坯变形部分的长度和壁厚之比超过某一临界值时，内壁沿轴向会出现近似于 正弦波的形状；对应于几何临界值，有一个临界载荷。通常求临界载荷的方法，是先 假设一个中立的变形状态，如果这个变形状态设得符合实际情况，不论用微分方程或 是用能量法，都可以得到正确答案。一般立柱或薄板的中立变形状态是比较容易用实 华中科技大学硕士学位论文 验的方法确定的，甚至可以用变分方法从理论上加以确定，对于薄壁筒的中立变形状 态，不易确定。但自1 9 5 5 年，吉村氏。”提出了模拟薄壁筒失稳的变形状态模型后， 不少学者提出了很多符合实验值的下限值的理论分析著作。特别是福斯特”将吉村氏 的模型的两端加以改进，得到了更符合实验值的理论分析结果。由于薄壁管的轴向受 压变形在径向平面内近似均匀，因此，对于失稳理论的研究比较成熟。而对中、厚壁l 管来说，其主要应用在压力容器和流体传送管道方面，工程上对它的安全判断准则也 就仅仅集中在弹性变形范围内。 - 举世公认，在近代科学出现之后，弹性稳定理论是从e u l e r 在1 7 7 4 发表关于所 谓“弹性曲线”( e 1 a s t i c a ) 的研究开始的。这不但是弹性稳定问题的第一篇文章， 也是弹性不稳定理论问题的第一篇文章。它从非线性的梁弯曲方程出发，研究了直杆 在轴向压力作用下，屈曲和屈曲后变形的全过程，在线弹性理论建立之前，就揭示了 非线性弹性力学问题解的非唯一陛。这就是在将近一个半世纪之后p o i c a f e 提出的所 谓“分叉的平衡”问题。因此，以分叉和混沌为重要标志的现代非线性科学总是溯源 到e u l e r 。 e u l e f 的解是一个解析解，这是非线性的弹性不稳定问题中仅有的解析解之一( 另 一个是中圆板在径向均匀载荷作用下的屈曲后问题) 。可能是由于数学处理非线性问 题上的困难，自e u e l 之后的两个世纪中，固体力学界解决的大量的结构屈曲问题都 是线性化了的弹性稳定问题，所用的稳定性准则常常使问题归结为使能量泛函数取极 值，或是解决一个本征值问题。直到2 0 世纪3 0 年代，人们发现圆柱壳临界载荷的实 验结果和线性理论所预测的不符合，才转向用非线性理论来讨论屈曲和屈曲后问题。 这期间，学者冯卡门和钱学森发表了关于扁球壳和圆柱壳屈曲的非线性解法的系列 论文 2 a l 。有了非线性分析，才开始有“屈曲后”和“不稳定”等新概念。h u t c h i n s o n 和b n d i a n s k y “还用有限自由度的非线性简化模型来研究复杂结构中非线性几何因素 和初始缺陷对屈曲行为的影响，这些方法也来自学者冯卡门和钱学森的研究。 用现代分又理论的语言来说上述相隔两个世纪的研究的结构非线性失稳的形态， e u i e z 研究的是分叉点失稳，冯卡门和钱学森研究的是极值点失稳。 荷兰的k o i t e r 也在二次世界大战期问研究了屈曲后问题，建立了保守力作用下 弹性结构稳定性的一般理论“。他解决了分叉点邻近的初始屈服后模态和后继的平衡 6 华中科技大学硕士学位论文 路径问题，也解决了结构初始缺陷对屈曲的影响，这一重要结果直到6 0 年代才在英 语国家发表而为世人所知，引起了轰动。 在k o i t e r 理论的推动下，6 0 年代以后，板壳稳定性研究有了明显地进展，k o i t e r 将结构对几何原始缺陷的敏感度与初始超临界的稳定度相联系，由此解开了多年存在 的一个谜，为什么经典的无矩理论可以使用于平板屈服，但在壳体中所预测的临界值 远远大于分散的实验值。k r e n z k e 和k i e r n a n “8 1 对于接近理想形状的扁球壳实验后， 证实了理论与实验的差距主要来自于原始缺陷。借助于现代技术，y a m a k i 于7 0 年代 分析了一系列圆柱壳体的超i l 备界变形及不稳定跳跃，并与实验做了精确的对比，结果 证实了d o n n e l l 型薄壳方程的适用性及非线性理论的正确性，以后均收集到他的著作 “”中，u e m u r a 和b y o n 成功地解决了平板的二次屈曲问题。至此可以说，经过6 0 和 7 0 两个年代，弹性板壳的非线性稳定理论己取得完美地突破。 但是，材料一旦进入塑性，情况就变得很不一样，针对塑性压杆屈服问题，s h a n l e y ( 1 9 4 7 ) 提出“切线模量”方法，在概念上是一个变革。因为在此之前，k a r m a n ( 1 9 1 0 ) 认为杆件屈曲时截面上有局部弹性卸载，从而主张采用由弹性模量和塑性切线模量综 合而成的“折减模量”，也称“双模量”方法。这个论战一直到h 订l 和h u t c h i n s o n 论述了“比较弹性固体”的概念，由b u s h n e l 总结为“一致加载”条件以及实验的 证实，j 最后肯定了s h a n e y 的观点( 参见文献 3 1 ) 。也就是说，屈曲时不改变原有 的弹性区和塑性区且塑性切线模量值保持一致，所得到的临界值低于“折减模量”的 结果。 另一个问题是在塑性流动过程中，由于变形程度过大，径向速率梯度场分布会出 现剧烈变化，导致因局部失稳而出现的内壁向外凹的现象。如果外凹曲线的斜率出现 拐点，就会产生折叠。很少文献从理论上分析折叠的形成和发展，而是用有限元模拟 直观地显示折叠形成的历史。究其原因，一是塑性流动是一个历史过程，很难用瞬态 的几何模型描述折叠的形成。自从1 9 7 4 年v n a g p a l 。”首次把流体力学中的流函数法 应用到塑性成形领域后，发展了变形区内设定连续速度场的方法，即根据流场的性质， 运用场论知识，将速度场分为基础场和附加场。基础场可以通过复变函数的保角变换 和力或位移和边界条件设定：附加场可根据泛函数空间理论，将其用希尔伯特空间相 对完备的坐标函数系统表达。这个系统连同基础场一起，就可以无限逼近真实速度场， 7 华中科技大学硕士学位论文 由连续的速度场可以求出连续的应变速度场，这样可以更精确地计算变形功率。在速 度场函数中设出待定系数，用数学方法研究变形功率，使之最小化，求出待定系数， 得到速度场和应变速度场的最终表达式，边界外力和应力都可以在任意指定的精度内 算出。连续力学的极值原理得到了充分体现和应用。此后，r 只古恩“”发展了这个 方法。这样，就可以求得变形体在任意时刻的几何形状，从而获得折叠的几何信息， 然后应用适当的数学力学方程对其加以约束，最后得到了不出现致命缺陷的毛坯的几 何或力学参数。汪家才”运用流函数法研究圆柱体镦粗时，获得了出现双鼓时毛坯的 高径比，结果与生产实际一致。但是，近年来流函数法在塑性加工领域的应用不太广 泛，仅仅用在对有限元模拟的初始速度场的猜测，这主要是塑性变形的边界条件的复 杂性和质点流动的不稳定性所致。因此，必须综合运用流体力学和固体力学的最新成 果，提高对塑性流动速度场的预测。对中、厚壁管坯轴向加压的塑性变形而言，它的 位移边界条件很少，塑性流动极不均匀，增大了对质点变形速度场表达式的猜测难度， 故应借助于实验的方法。 折叠成因的判断准则，也可以尝试用分叉理论加以分析，r h i l l 在弹塑性结构的 稳定性的分又问题研究中做出了重要贡献“。”1 。他的关于弹塑性问题解的唯一性和稳 定性的充分条件的讨论，己成为这一领域中的奠基性工作。公叉理论在弹塑性固体力 学中的应用情况可见1 9 9 3 年y s c 的一篇文献里的综述。，还有学者从应变和应力 局部化的角度研究连续体的分叉现象“”“。这些都为如何应用分叉理论提供了极好的 例子。 7 1 2 2 发展预测 e t 前，国内石油系统钻探、开采原油所使用的钢管基本上是在钢管端部直接加工 连接螺纹，或是从国外进口端部局部加厚的钢管，按照市场经济的要求，石油钻探开 采上所使用的钢管会逐步被用锻造成形的端部加厚的钢管所取代；况且，用锻造的方 法在端部局部加厚的钢管在机械、汽车、管道等其它领域也有广泛的应用。所以，随 着我国石油钻采工业的发展和西部开发，用锻造成形的端部局部加厚的钢管具有广阔 的市场前景，会带来巨大的社会和经济效益。 并且，研究管坯局部镦锻的成形极限，对采用轴向加压方式镦粗端部的管坯件具 8 华中科技大学硕士学位论文 有重要的理论参考价值。如果能从理论上找到轴向压缩中、厚壁管的弹塑性失稳准则 及折叠成因的判断准则，将会推动失稳理论的发展，也会从纯理论的角度为塑性加工 领域内各种折叠缺陷的分析和预防开辟一条新路。 1 3 预计达到的要求和技术指标 。 1 采用物理实验的方法，突破当管坯的变形长度和壁厚之比大于3 0 时，一次 壁厚增加率必须小于1 5 的限度，发展已有的管坯端部镦粗规则。 2 运用管坯局部镦粗规则，完善外径为中7 3 、内径为中6 2 油管的镦锻工艺设计， 进行其它规格的钢管端部局部镦粗的工装设计和调试，达到指导设计和生产的目的。 1 4 本章小结 本章主要讨论了本课题的来源和在实际生产中的重要意义，回顾了国内、外研究 的历史和现状，指出了发展及研究方向。提出了课题预计达到的要求和技术指标，即 主要运用塑性实验法，探讨管坯端部的镦粗成形规律，并且应用该规律达到指导生产 的目的。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 绪论 2 1 1 引言 2 管坯镦锻变形规律的实验研究 对于管坯镦粗成形的金属变形规律，学者们已做了大量的物理实验和深入的理论 分析研究，总结出了相应镦锻规则，其中规则之一5 1 是：参与变形部分的管坯初始长 度，。和壁厚r 之比，即镦锻比五= f 0 t 3 0 时，管坯可以在一次变形中镦粗到任意形 状和尺寸，而在内、外壁不产生折叠、凹陷或其它缺陷；当五 3 0 时，应进行多次聚 料，其壁厚的变化规则是： ，。= ( 1 5 1 - 3 ) t h 式中： r 。一第n 一1 次聚料时的管坯壁厚； r 。一第n 次聚料时的管坯壁厚： f = 【d o d o ) 2 ； 、 d 。，盛管坯的初始外径和内径。 目前所涉及管坯局部镦粗的研究，所研究的对象均为长径比f 0 d 。 3 0 的钢管镦粗的金属变形规律、 失稳形式及其在工艺上应采取必要的措施，还没有人进行深入分析研究，提出相应的 工艺措施应用于生产。 本文是研究图2 一l 所示的锻件如何在一步聚料、一步成形两工步内锻造成形。 根据锻件成形前后的体积不变原理( 计入在锻造过程中材料的耗损) ，需要外径 d o = 0 7 3 m m 、内径d o = 6 2 m n l 的钢管的长度为：l o = 2 4 2 0 m m ，镦锻量a l = 7 2 0 衄。 管坯的镦锻比高达旯= ，o t = 2 4 2 0 ( ( 7 3 - 6 2 ) 2 ) 4 4 ，f 。t “1 8 。 对于这样大镦锻比的管坯镦粗，其变形过程是非常复杂的，在金属未屈服前，有 可能发生弹性失稳；其塑性失稳也是非常复杂的，主要是在管坯的轴向产生像正弦曲 线的波状起伏，很难在整个变形管坯上建立速度场，定量研究金属的流动及分析缺陷 华中科技大学硕士学位论文 的产生的原因，只能定性地分析金属的流动规律、缺陷产生的原因及其在应在工艺上 的应采取相应的措施。 卜、 5 03 2 _ r 7 _ 7 7 7 划 n o r ) 的 b日 。tz ，纠o 图2 - 1 锻件图 工业上生产该锻件，用5 0 0 t 垂直分模平锻机、感应圈加热。要求一次加热、在 两工步内成形，否则生产上难以达到要求，或者产生不了很好的经济效益。 本文的重点是找出管坯在模具内的失稳形式，及其发展趋势，应在工艺上采取相 应的措施，避免失稳发展为折叠、或在锻件的内表面和外表面产生凹陷，并设计模具， 生产出合格的锻件。这也是本文的难点。 本文用物理实验和理论分析相结合的方法，在验证前人归纳出的结论同时，深入 研究此类大镦锻量管坯在端部轴向镦粗时管坯的变形规律及其失稳形式，总结出此类 钢管在端部镦粗时的镦锻条件，给出应采取必要的工艺措施，为管坯端部镦粗的模具 世计提供理论基础和设计依据。 2 1 2 实验试件的制备 选择合适的模拟材料是模拟实验首先应考虑的。作为塑性成形的模拟材料，除了 应满足塑性模拟准则所要求的条件外，还应考虑如下要求：使模拟实验时所需的载荷 小；模拟材料易于得到，成本低，试件和模具加工方便：实验时试件性能稳定：实验 数据的测量计算方便可靠：能在常温下模拟高温变形等。常见的塑性模拟成形材料有 五类：软金属材料、粘土类材料、蜡、高分子材料和同种实物材料。在软金属材料中， 华中科技大学硕士学位论文 人们常用铅、铝、铜、锡等进行塑性成形模拟研究 由于铅在常温下的各项力学性能与钢在锻造温度1 2 0 0 c 时的性能较为相似，且铅 试件在变形后的形状尺寸可靠，容易保持，测量方便，得到的数据比较准确可靠，因 此，本文选用铅作为实验模拟材料。 实验所用的管坯是用挤压模具( 图2 - 2b ) 挤压而成的。挤压铅管所用的铅块( 图 2 - 2a ) 要经过锻打工序使其内部组织尽可能地均匀，制成铅管的力学性能在空间 ，臼，z 三个坐标方向各项同性，管坯的变形尽可能地均匀一致。 铅块和挤压模具如图2 2 所示。 闲闲 ( a )铅块挤压坯料( b ) 管坯挤压模具 卜凹模2 一挤压筒3 一芯轴4 一凸模 图2 - - 2 铅块和管坯挤压模具 铅管的尺寸为外径d o = m 7 3m i l l 、内径d 。= q b 6 2 彻；使铅管的圆度、同轴度小于 m o 1m i l l ，轴线的直线度小于0 1m i l l ，车平两端平面，使两个端面垂直于轴线。 2 2 铅坯无模具约束的镦锻变形规律实验 2 2 1 引言 图2 3 为管坯的自由镦粗；铅管一端用固定板固定在工作台上，使该端处于夹持 状态。另一端直接和压力机的滑块接触，管坯和滑块之间没有润滑。 管坯变形长度f 0 = 2 4 0 o m m ，外径d o = 中7 3 o m m ，内径如= m 6 2 o m m 华中科技大学硕士学位论文 壁厚r = ( d 。一d o ) 2 = ( 7 3 0 6 2 0 ) 2 = 5 5 m m 一 2 2 2 设备 2 0 0 t 材料试验机。 2 2 3 压缩实验 图2 - 3 管坯自由镦粗 管坯的整个压缩过程分四次压缩，每次的压缩量分别为，= 1 7 5 咖，a l ，：1 3 8 m m ，a i ，= 1 5 8m m ，。= 1 9 0m m ，在每次压缩后，测得中间管坯的实验数据见表2 1 ( 管坯的鼓形最高点定义为锋，最低点定义为谷) 。 图2 - 4 为依据表2 1 中的数据，绘出管坯在不同各次压缩量下的变形。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1 ：管坯的自由压缩单位：眦 压缩次序12 34 压缩量p 1 7 51 3 81 5 81 9o 。( ) ， 7 31 3 11 9 62 7 5 镦粗力p 1 6 0 t1 6 0 t1 4 5 t1 4 0 t 位置z 1 7 o 1 9 o 2 0 o1 5 4 蝰i 直径d 7 6 o7 8 1 8 1 o8 4 0 位置z中 6 2 04 6 o3 7 4 谷l直径d 部7 7 57 8 57 9 6 位置z 均8 24 8 6 08 80 峰2 直径d 匀 7 9 9 7 7 77 8 8 位置z 变1 1 0o1 0 8 01 0 6 0 谷2直径d 形 7 7 67 7 17 5 8 位置z 1 3 4 0 、1 3 1 01 2 4 0 o 。 i 瞧3直径d 寸 7 777 9 37 9 8 1 l 位置z 凸 1 6 2o1 5 1 0 1 4 6 o 谷3 直径d 7 6 8 。7 7 77 5 1 位置z 2 0 1 0 1 9 0 o 1 8 0 o1 6 3 0 蝰4 直径d 7 6 68 1 5 9 1 81 0 0 3 外径d 7 3 47 3 9 7 4 5 白由端内径d 6 2 06 1 7 外径1 3 7 3 07 3 0 7 3 07 3 0 固定端内径d 6 2 06 1 5 6 1 2 6 l0 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ，1 、 m廿 瓤 寸 n 甓导 一它二叠 1 9 0y 灶 一 h 、 、 世0 窝 g碚 。 旨 o 一 _ 立 、， ，5g h 啦 弧善i 一孤 世窝竺 1 3g 一 l ll 田 ：l 。，一 n8 卜 n 是n 工 一 1 7 5 一 导 n n o 图2 - 4 管坯自由压缩的变形 1 5 华中科技大学硕士学位论文 管坯在变形结束后的照片如图2 5 所示( = 6 61 2 4 0 o ) 。 图2 - 5 管坯的自由压缩照片 由图2 - 4 知，管坯在没有芯轴支撑的镦锻过程中，管坯的外径总是不断增大。开 始，管坯先均匀变形，外径逐渐增大；随着压缩量雠的增太，管坯丌始发生轴向失 稳；当相对压缩量a t t 。 7 o 时，管坯出现了轴向失稳，产生了多个沿轴向向外凸 的鼓形。a z 。= 7 3 时，在两端各出现一个鼓形，中部的变形比较均匀，管坯的内 外径增大：当f f 。 1 0 4 时，稳定出现了4 个鼓形，最高点和最低点的直径逐渐增 大。除靠根部的一个鼓形的位置变化不大外，其余三个鼓形的位置坐标z ，随着压缩 量硝增大逐渐减小。管坯端部由于受到摩擦力的影响，外径增加缓慢，且有一个极 限值；在压缩量很小时，内径几乎不变，当镦锻量很大时，内径才稍微有点减小。对 于该管坯，端部的最大外径为d 。= m 7 4 o m m ，最小内径为d 。= 巾6 1 2 m m 。在远 离两端管坯中部，外径和内径同时增大，管壁增厚。所以，在端部，由于摩擦力f 的 影响，外径增大、内径减小，远离端部出，f 的影响逐渐减弱，以至在管坯的中部的 变形，过渡为没有摩擦力影响的管坯镦粗，外径和内径同时增大。 管坯在轴向加压镦粗时，主要失稳形式是在轴向失稳，产生塑性波，在 a 1 l o 4 7 1 2 4 0 0 = 1 9 6 时，产生周向失稳，在管坯表面产生凹陷和凸起。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 4 实验分析 管坯镦粗时，由于受到端部摩擦力f 的影响，在管坯的横截面上，不同位置的金 属质点的流动方向是不一样的。根据参考文献 7 ，管坯在镦粗时，如果没有摩擦力 的影响，则管坯在变形前后横断面积将保持几何相似，即管壁的增厚是外径和内径按 比例增大的结果。该管坯中部的变形就属于这种情况。随着接触面摩擦阻力的增大， 管坯外径的增大将小于内径的增大；摩擦力继续增大时，将出现一个分流面，如图2 - 6 所示，它是管壁的某一个同心圆。分流面以外的金属处于二压一拉的应力状态，沿法 线向外流：分流面以内的金属处于三向压应力状态，沿法线向内流动。因此，金属 沿法线向内流动将比向外流动困难，变形主要通过外径增大来增加壁厚。 图2 - 6 管坯镦锻的应力分析 分流面的直径d 。的大小与管坯的镦锻比、几何尺寸及管坯端面与模具的摩擦系数 有关。设管坯的原始尺寸为：外径为d o ，内径为d 。，长度为f 0 ；在变形的任意时刻 的尺寸为：外径为d ，内径为d ，长度为，对于不使用芯轴的管坯镦锻，分流面的直 径d ，可用式( 2 1 ) 确定 2 0 1 ： 小督( ) i ( 2 1 ) 式中，2 为管坯端面与模具的摩擦系数， 为镦锻比，其值由式( 2 2 ) 确定 华中科技大学硕士学位论文 ， 拈必d o d o ) 2 2 ) 由式( 2 - 1 ) 可以看出，在管坯尺寸一定的情况下，分流面的直径d 。随着摩擦系 数的增大而增大，随着镦锻比 的增大而减小。下面分两种情况讨论。 1 当t l = 0 时，由式( 2 一1 ) 知，d ，= d 。，即在没有摩擦的条件下，对管坯进行 整体镦锻( 以不发生轴向失稳为前提) ，在管坯镦粗后，只有两种情况，一种是内径 保持大小不变，管坯的增厚完全是外径增大的结果，在这种情况下，管坯不会产生凹 陷和折叠：另种是管坯的增厚是内外径同时增大的结果，在这种情况下，管坯可能 会产生凹陷和折叠。 2 当0 时，由式( 2 - 1 )