钢管塑性成形模具改进

　　摘要:本文针对无缝钢管在局部径向塑性成形过程中的开裂问题进行了简要的分析，然后改进了模具，通过试验表明改进的模具很好地解决了开裂问题。
　　关键词：无缝钢管，径向塑性成形，开裂
　　
　　1、 引言
　　管材的塑性成形加工是以管材为毛坯，通过塑性加工手段，制造管材零件的加工技术，在管材的深加工中占有很重要的地位。管材塑性加工由于容易满足塑性成形产品的轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求，已成为先进塑性加工技术而面向21世纪研究与发展的一个重要方向，在航空航天、汽车、石油化工、轻工及交通运输等工业部门中广泛采用管材制造零件[1]。某厂在实际试生产中出现了钢管变形区内壁出现纵向裂纹的现象。由于成形件在工作中受拉、压、扭、弯等交变应力作用，导致内壁裂纹不断扩展直至出现突发性断裂，危及使用安全。因此，无缝钢管在径向模具塑性成形时，不容许有裂纹产生，否则将严重影响生产的成品率。本文针对生产中出现的钢管内壁开裂问题，进行了简要的分析，并提出了改进措施，试验表明本方法有效地解决了该问题。
　　2、 无缝钢管局部径向塑性成形技术
　　无缝钢管局部径向塑性成形后的零件见图1所示。
　　图1.零件示意图
　　零件是利用模具冲压无缝钢管使L2段产生局部塑性变成得到的，塑性成过程如图2所示。零件对成形的要求是，压型圆滑过渡，不允许有裂纹和皱褶，表面无明显压痕。
　　实际生产中钢管放在下模的半圆形凹槽中，上模向下运动加载在钢管上，使钢管产生塑性变形得到所需的零件形状。其变形过程为，首先是a区、d区受力，无缝钢管的b区宽展，断面形状变为椭圆形，c区无缝钢管的外表面与凹模贴合；当c区无缝钢管的外表面与凹模贴合后，无缝钢管首先在a区线接触附近区域发生塑性变形，并扩展到整过横断面，最终成形。
　　从整过成形过程看，钢管首先在a区线接触附近区域近发生失稳，产生塑性弯曲变形，随着变形的不断进行，塑性弯曲不断扩大，达到一定程度后，弯曲管壁受拉侧的拉应力大于材料的强度极限b时，导致了钢管裂纹的产生。由此可看出，控制成形过程中钢管断面的局部失稳是控制成型钢管质量的关键。

　　3、成型过程中钢管断面局部失稳分析
　　由材料力学可知，作用于圆管的径向压力q达到某一值时，管壁将发生弯曲，即断面形状便丧失稳定性，管壁产生塌陷（图3）。而开始失稳的载荷强度称为临界压力，可按下公式确定[2]：
　　(1)
　　
　　式中t、R—分别为圆管的壁厚和半径；
　　r、E—分别为圆管材的泊桑比和弹性模量；
　　N—大于或等于2的整数。
　　实际上当管壁内切向压应力超过弹性极限后，将小于用上式计算得到的值。对于有明显屈服点的材料可按下式确定；
　　
　　式中、Et分别为圆管材料的屈服极限和正切模量。
　　由以上两式可见，当t值、E值或、值一定的情况下，钢管断面在成型过程中的局部失稳与圆管外加支撑对值的影响密切相关。即N愈大（支撑至少为2个），则值愈高，圆管也愈稳定。亦即通过改变作用力的位置，将集中力变为分布力可提高圆管成形稳定性。
　　4、模具改进
　　基于上述分析，对模具进行了改进设计，总的思路是：
　　1）凸模与管坯首先线接触的a区，在变形或后续变形过程中，应尽量不与凸模直接发生线接触是保证不发生裂纹的关键。为此，将凸模顶部开槽，将较大的集中载荷改变为两个较小的集中载荷。
　　2）毛坯自由宽展部份b在整个成形过程中与凸模的接触，先后由高到低顺序接触，它是a与c联接的纽带，由于是自由宽展部份，在发生变形时，向宽度方向的变形能否顺利拉动a区全部向宽度变形，减小a区切向压应力，是获得正确形状的关键部份。此区域尽量不与凹模接触或少与凹模接触。
　　模具的结构和尺寸如图4所示：
　　（a）凸模
　　
　　（b）凹模
　　图4模具设计图
　　5、 试验结果
　　本试验用设备为60吨万能材料试验机，将模具安装在试验机上，由试验机的活动台带动凸模压在钢管上，载荷是位移加载方式，由于加载速度很慢，可视为准静态过程。试验用钢管材料为20号钢正火状态，规格为×5mm，相对厚度（t/D）为10.4％，数量为7件。一般来说钢管的相对厚度（t/D）对无缝钢管局部径向塑性成形过程的失稳形态具有重要影响，目前该参数的选取方法没有公开的报道，也是本课题进一步研究的内容。
　　（a）试验现象
　　在从7件试验件的试验过程看，试验具有良好的重复性。试验过程中凸模开始加载阶段，钢管发生弹性变形，载荷与位移之间成线性关系变化，当载荷达到一定程度的时候，钢管出现较明显的塑性变形，此时载荷与位移之间的变化成非线性变化，切线弹性模量明显小于弹性模量，随着塑性变形的加深，钢管材料出现应变硬化现象，此时载荷再次快速上升，而位移的变化则很小，零件的形状也基本成形，试验件未出现开裂现象，这可以从试验件的照片（见图5所示）中看出。
　　
　　图5试验件的及其截面形状
　　从试验件截面形状可以看出试验件形状正确，过渡圆滑，成形无缝钢管断面与成形时所对应的a区、b区两侧均无宏观裂纹产生。另外笔者还对试验件进行了无损探伤，无损探伤的结果表明看成形无缝钢管与成形时所对应的a区、b区两侧均无微观裂纹产生。
　　（b）试验数据
　　试验中比较重要的方面有凸模的径向压下量、断面形状、裂纹情况和载荷四个方面，下面用表格的列出这几项数据。
　　表1.试验数据

　　
　　表中的径向压下量理论值是通过将钢管放入模具中，凸模加载至300Kg时作为压下量的测量零点，这样可以消除钢管的尺寸误差和钢管与设备之间的间隙误差。从表中数据可以看出，钢管的屈服载荷都是6.5吨，最大载荷和进行压下量之间基本成正比关系，其截面尺寸也基本相同。
　　7、结论
　　由试验结果看，试件压型处过渡圆滑，无裂纹及皱褶，表面无明显压痕；断面形状好，圆滑过渡，与变形所对应的A区及B区两侧均无裂纹产生，效果十分理想。这说明模具进行这样设计是合理、正确的。本文解决了无缝钢管在模具中局部塑性成形的开裂问题，此类问题的实际生产提供了参考价值。
　　主要参考文献：
　　[1]《管材塑性加工》王同海主编，山东工业大学出版社2001
　　[2]李连诗[M]，异形钢管生产P19-20，冶金工业出版社，1999