機械擴徑工藝與工藝參數優(yōu)化

機械擴徑工藝與工藝參數優(yōu)化張蕊天津國際現代設備有限公司天津市300457【摘要】:本論文推導橢圓管坯杋械擴徑的擴徑行程計算公式。對管端機械擴徑的變形特征進(jìn)行了研究;同時(shí)研究了擴徑率、管坯形狀和尺寸對機械擴徑成形工藝的影響。為選取最佳的擴徑率,達到最佳的擴徑效果提供了計算方法和途徑,有廣泛的推廣應用價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】:擴徑工藝參數優(yōu)化鋼管擴徑中圖分類(lèi)號:C35文獻標識碼:A1.鋼管擴徑技術(shù)的應用擴徑是一種用小直徑管坯生產(chǎn)大直徑管材的方法。擴徑有兩種方法:壓人擴徑和拉拔擴徑,壓人擴徑法適合于管壁較厚、直徑較粗、長(cháng)度較短且長(cháng)度與直徑之比不大于10的管材。對于為了控制內徑尺寸精度而進(jìn)行的擴徑操作,則可以使用較長(cháng)的管坯。為了在擴徑后較容易從管坯中取出擴徑壓桿,擴徑壓桿應有一定的錐度,在3m長(cháng)度上其直徑相差3mm~4mm。般情況下,壓人擴徑操作在液壓拉拔杋上進(jìn)行。拉拔擴徑法適合于較小斷面的薄壁長(cháng)管生產(chǎn),可在普通的鏈式冷拔管機上進(jìn)行。擴徑拉伸方法和特點(diǎn)是:銅合金管材擴徑拉伸的方法有壓人擴徑法和拉伸擴徑法。(1)壓人擴徑法。在油壓杋上將直徑大于管坯內徑的芯棒壓人管材內部使管材內徑擴大,壁厚、長(cháng)度減小。該方法適合于大直徑厚壁管材的小批量生(2)拉伸擴徑法。用拉伸機將直徑大于管材內徑的芯頭拉過(guò)管坯內部,使管材內徑擴大,壁厚、長(cháng)度減小。該方法適合于大直徑薄壁管材的生產(chǎn)。在擴徑拉伸時(shí),管材軸向受拉應力,因此對塑性低的合金不宜采用。擴徑拉伸是將直徑大于管坯的模芯壓入管材內端部,采用壓人法或拉伸法實(shí)現內徑擴大、壁厚、長(cháng)度減小。2.擴徑工藝原理根據外加彎矩的大小,橢圓管的彈塑性變形有以下幾種情況,當附加彎矩很小時(shí),橢圓管斷面只發(fā)生彈性變形,當附加彎矩增加一定值,橢圓表面發(fā)生彈性變形,但橢圓管的內外表面都達到屈服極限,當再增加附加彎矩時(shí),距離中性面一定距離的地方發(fā)生彈性變形,靠近內外表面的地方發(fā)生塑性變形,如果附加彎矩繼續增加,塑性變形的區域逐步增加,直至中性面也發(fā)生塑性變形。長(cháng)軸兩端實(shí)際上是斷面繼續彎曲增大曲率的過(guò)程,斷面中性面以上處于受拉狀態(tài)、中性面以下處于受壓狀態(tài),長(cháng)軸兩端中性面以上軸向方TH中國煤化工以下CNMHG軸向方向處于受拉狀態(tài),因此原來(lái)成直線(xiàn)的中軸線(xiàn)逐步變成向內凹的曲線(xiàn),短軸方向實(shí)際上是斷面曲率變小的過(guò)程,在圓管加工成橢圓管的過(guò)程中,原來(lái)成直線(xiàn)的中軸線(xiàn)逐步變成向外凸的曲線(xiàn)。不管向內凹的長(cháng)軸縱向纖維還是向外凸的短軸縱向纖維都是處于不穩定的狀態(tài),在塑性變形過(guò)程中,這種不穩定的狀態(tài)總是存在的,當用擴徑系數很小的錐頭擴徑時(shí),塑性變形量很小,這種不穩定的狀態(tài)表現的更加明顯,使長(cháng)軸方向向內凹的縱向纖維變成外凸,同時(shí)使短軸方向向外凸的縱向纖維變成內凹,從而實(shí)現長(cháng)短軸的互換:當擴徑系數較大的錐頭擴徑時(shí),塑性變形量很大,掩蓋了這種不穩定的翹曲變形,因此也沒(méi)有表現岀這種長(cháng)短軸互換的反?，F象。3.塑性成形中應用的優(yōu)化算法3.1數學(xué)算法塑性成形中應用最多的方法是數學(xué)規劃方法。數學(xué)規劃可以描述為在一些數學(xué)關(guān)系諸如等式或不等式表示的約束條件下,求一個(gè)(或一組)函數極值問(wèn)題的方法。常見(jiàn)的數學(xué)規劃包括線(xiàn)性規劃、非線(xiàn)性規劃、目標規劃、多目標規劃、整數規劃、多層規劃、動(dòng)態(tài)規劃以及發(fā)展較新的隨機規劃和模糊規劃等。它有嚴密的數學(xué)論證,又有許多成功應用的實(shí)例,所以成為塑性成形加工首選的算法。在數學(xué)規劃中,按是否對目標函數求導,將優(yōu)化算法分成不利用梯度的算法和利用梯度的算法。梯度算法收斂速度快,對初始設計點(diǎn)不敏感。非梯度法簡(jiǎn)單易用,但收斂速度慢。32機械擴徑成形工藝的影響因素螺旋焊管管端擴徑工藝的主要技術(shù)參數有擴徑力、擴徑率和擴徑長(cháng)度。這些工藝參數與管坯的幾何參數、材料常數、模具形線(xiàn)等均對制品質(zhì)量有很大影響。機械擴徑對制品質(zhì)量的影響,一方面可以改善制品的形狀,提高形狀精度和尺寸精度,另一方面也會(huì )導致焊管質(zhì)量的下降,如壁厚局部減薄,屈強比增強等。32.1機械擴徑對制品形狀的影響管坯在擴徑后直徑變化明顯減小,外圓形線(xiàn)由一條相對管坯名義直徑差值較大的曲線(xiàn)變成了一條相對制品名義直徑差值小的一條曲線(xiàn),即圓度誤差明顯減小,從直徑分部形態(tài)上看,擴徑后,制品的直徑分部呈現出局部波浪形狀,并且在邊緣區和懸空區直徑變化相對明顯。針對同一管坯模型,采用不同的擴徑率,可以得到擴徑率與制品圓度和壁厚變化之間的關(guān)系。擴徑率對鋼管擴徑后曲率半徑分部的影響比較顯著(zhù),在擴徑率較小時(shí),擴徑率對焊管曲率半徑的影響餓較小,曲率半徑的最大值和最小值的差值較中國煤化工率半徑在邊緣區和懸空區的變化比較平緩,當擴徑率取較大值時(shí),YHCNMHG影響主要體現在最大值和最小值的差值減少,即圓度誤差減少,此外,曲率半徑在邊緣區和懸空區的變化也相對明顯一些,這種情況下,制品的圓度誤差主要由局部區域半徑的變換決定,但是,擴徑率超過(guò)某一數值后,機械擴徑不但不會(huì )改善圓度,反而會(huì )因局部形線(xiàn)的變化增大圓度。管坯局部減薄過(guò)大必將降低焊管的剛度和強度,使焊管的邊緣區和懸空區成為危險區。所以必須合理選擇擴徑率,以便使壁厚的局部減薄量被控制在合理的范圍內。綜上所述,綜合擴徑率對圓度誤差和壁厚減薄的影響,擴徑率應該在1.0%-1.5%之間匕較適宜。322管坯形狀與尺寸對制品形狀的影響螺旋焊管經(jīng)過(guò)管端機楲擴徑,制品的圓度誤差決定于擴徑率的選取與管坯的原始狀態(tài),包括其幾何形狀和尺寸。研究管坯形狀與尺寸對擴徑效果的影響,對合理制定擴徑工藝,具有重要作用。首先是對同一公稱(chēng)尺寸、具有不同圓度誤差的管坯,在相同擴勁率下的變化情況,經(jīng)過(guò)試驗發(fā)現,盡管管坯的圓度誤差相差很大,但在相同的擴徑率下實(shí)施機械擴徑之后,制品的圓度誤差卻相差甚小其次是考慮管坯厚徑比與制品圓度誤差的關(guān)系。同一外徑,不同壁厚的焊管或者同一壁厚、不同外徑的焊管,其厚徑比不同。對于厚徑比不同的管坯,當管坯及其制品的圓度誤差相同時(shí),所需的擴徑率應該有所不同為此考查不同厚徑比、同一圓度誤差的一組管坯,在同擴徑率下其圓度誤差的變化情況厚徑比對擴徑后制品的圓度誤差也有所影響,但效果并不明顯。厚徑比越大,制品的圓度誤差也越大,但其差值甚小3.23模具的形狀參數對制品形狀的影響機械擴徑的模具結構參數對擴徑質(zhì)量影響較大的主要有凸模曲率半徑、擴徑長(cháng)度、擴徑凸模的藪數量、凸模腳步的國度形狀曲線(xiàn)、凸模之間的間隙、凸模尾部過(guò)渡角等。在此就不詳細介紹了?？傊F瓣數量越多,制品圓度誤差越小,壁厚減薄越小;凸模相對半徑為1時(shí),制品質(zhì)量最好;凸模側邊過(guò)渡遠角越大,制品圓度誤差越大,厚壁減薄越大,4.結語(yǔ)可膨脹管技術(shù)應用于石油鈷井作業(yè)中,既能解決井眼變徑問(wèn)題,又能大量節約作業(yè)成本被認為是21世紀石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一?？膳蛎浌茉谥袊夯だ硎怯缅F頭將井下圓鋼管冷脹到需要的尺寸?？膳蛎浌芗夹g(shù)的關(guān)刨HaCNMHG前國內對可膨脹管的研究只是停留在跟蹤階段參考文獻:[1]余大典,王嘯修.直縫焊管機械擴徑工藝技術(shù)研究[J]寶鋼技術(shù),208(3)[2]肖曙紅管線(xiàn)用直縫焊管機械擴徑及其影響因素研究J]石油機械,2007(3).中國煤化工CNMHG