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1、机械扩径工艺和工艺参数优化 【摘要】:本论文推导椭圆管坯机械扩径的扩径行程计算公式。对管端机械扩径的变形特征进行了研究；同时研究了扩径率、管坯形状和尺寸对机械扩径成形工艺的影响。为选取最佳的扩径率，达到最佳的扩径效果提供了计算方法和途径，有广泛的推广应用价值。【关键词】:扩径工艺参数优化钢管扩径中图分类号：C35文献标识码：A1．钢管扩径技术的应用扩径是一种用小直径管坯生产大直径管材的方法。扩径有两种方法:压人扩径和拉拔扩径,压人扩径法适合于管壁较厚、直径较粗、长度较短且长度与直径之比不大于10的管材。对于为了控制内径尺寸精度而进行的扩径操作,则可以使
2、用较长的管坯。为了在扩径后较容易从管坯中取出扩径压杆,扩径压杆应有一定的锥度,在3m长度上其直径相差3mm～4mm。一般情况下,压人扩径操作在液压拉拔机上进行。拉拔扩径法适合于较小断面的薄壁长管生产,可在普通的链式冷拔管机上进行。扩径拉伸方法和特点是:铜合金管材扩径拉伸的方法有压人扩径法和拉伸扩径法。6(1)压人扩径法。在油压机上将直径大于管坯内径的芯棒压人管材内部,使管材内径扩大,壁厚、长度减小。该方法适合于大直径厚壁管材的小批量生产。(2)拉伸扩径法。用拉伸机将直径大于管材内径的芯头拉过管坯内部,使管材内径扩大,壁厚、长度减小。该方法适合于大直径薄壁
3、管材的生产。在扩径拉伸时,管材轴向受拉应力,因此,对塑性低的合金不宜采用。扩径拉伸是将直径大于管坯的模芯压入管材内端部,采用压人法或拉伸法实现内径扩大、壁厚、长度减小。2．扩径工艺原理6根据外加弯矩的大小,椭圆管的弹塑性变形有以下几种情况,当附加弯矩很小时,椭圆管断面只发生弹性变形,当附加弯矩增加一定值,椭圆表面发生弹性变形,但椭圆管的内外表面都达到屈服极限,当再增加附加弯矩时,距离中性面一定距离的地方发生弹性变形,靠近内外表面的地方发生塑性变形,如果附加弯矩继续增加,塑性变形的区域逐步增加,直至中性面也发生塑性变形。长轴两端实际上是断面继续弯曲增大曲率
4、的过程,断面中性面以上处于受拉状态、中性面以下处于受压状态,长轴两端中性面以上轴向方向处于受压状态、中性面以下轴向方向处于受拉状态,因此原来成直线的中轴线逐步变成向内凹的曲线,短轴方向实际上是断面曲率变小的过程,在圆管加工成椭圆管的过程中,原来成直线的中轴线逐步变成向外凸的曲线。不管向内凹的长轴纵向纤维还是向外凸的短轴纵向纤维,都是处于不稳定的状态,在塑性变形过程中,这种不稳定的状态总是存在的,当用扩径系数很小的锥头扩径时,塑性变形量很小,这种不稳定的状态表现的更加明显,使长轴方向向内凹的纵向纤维变成外凸,同时使短轴方向向外凸的纵向纤维变成内凹,从而实现
5、长短轴的互换:当扩径系数较大的锥头扩径时,塑性变形量很大,掩盖了这种不稳定的翘曲变形,因此也没有表现出这种长短轴互换的反常现象。3．塑性成形中应用的优化算法3.1数学算法塑性成形中应用最多的方法是数学规划方法。数学规划可以描述为在一些数学关系诸如等式或不等式表示的约束条件下,求一个(或一组)函数极值问题的方法。常见的数学规划包括线性规划、非线性规划、目标规划、多目标规划、整数规划、多层规划、动态规划以及发展较新的随机规划和模糊规划等。它有严密的数学论证,又有许多成功应用的实例,所以成为塑性成形加工首选的算法。在数学规划中,按是否对目标函数求导,将优化算法
6、分成不利用梯度的算法和利用梯度的算法。梯度算法收敛速度快,对初始设计点不敏感。非梯度法简单易用,但收敛速度慢。3.2机械扩径成形工艺的影响因素6螺旋焊管管端扩径工艺的主要技术参数有扩径力、扩径率和扩径长度。这些工艺参数与管坯的几何参数、材料常数、模具形线等均对制品质量有很大影响。机械扩径对制品质量的影响，一方面可以改善制品的形状，提高形状精度和尺寸精度，另一方面也会导致焊管质量的下降，如壁厚局部减薄，屈强比增强等。3.2.1机械扩径对制品形状的影响管坯在扩径后直径变化明显减小，外圆形线由一条相对管坯名义直径差值较大的曲线变成了一条相对制品名义直径差值小的
7、一条曲线，即圆度误差明显减小，从直径分部形态上看，扩径后，制品的直径分部呈现出局部波浪形状，并且在边缘区和悬空区直径变化相对明显。针对同一管坯模型，采用不同的扩径率，可以得到扩径率与制品圆度和壁厚变化之间的关系。扩径率对钢管扩径后曲率半径分部的影响比较显著，在扩径率较小时，扩径率对焊管曲率半径的影响饿较小，曲率半径的最大值和最小值的差值较大，即圆度误差较大，曲率半径在边缘区和悬空区的变化比较平缓，当扩径率取较大值时，扩径率对制品曲率半径的影响主要体现在最大值和最小值的差值减少，即圆度误差减少，此外，曲率半径在边缘区和悬空区的变化也相对明显一些，这种情况下
8、，制品的圆度误差主要由局部区域半径的变换决定，但是，扩径率超过某一数值后，机械扩
