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钢管张力减径成型过程模拟及孔型优化

姜永正  
【摘要】: 无缝钢管由于具有强度高、抗腐蚀性强等优点得到广泛应用。在采用张力减径工艺轧制厚壁管时,钢管壁厚易出现不均,通常钢管内壁呈六方形。这使得钢管成为废品,市场竞争力下降,并造成严重资源浪费。随着计算机技术的发展,通过数值模拟分析张力减径过程中的壁厚不均成因并以此对工艺参数进行优化,不仅可以节省大量资源,而且对实际生产也具有很好的指导意义。本文在参考国内外研究成果的基础上,采用有限元法对钢管内六方的成因及优化进行分析研究,并开展了如下的具体工作: 根据张力减径过程中金属成形的特点,设计高温拉伸及压缩试验研究了钢管材料合金钢12CrMoV在高温下的变形行为,并对试验获得的真应力-真应变关系曲线进行回归分析,建立起合金钢12CrMoV的大变形粘弹塑性本构方程。 采用有限元方法建立起钢管张力减径的三维热力耦合有限元模型,针对荒管尺寸为Φ137×19.5mm经8架张力减径机组减径至Φ114×20.0mm的减径工艺,在软件LS-DYNA中对整个张力减径过程进行了模拟。将仿真结果与真实产品进行对比,模拟结果内六方不均程度P值为0.042,真实产品P值为0.056,两者内壁形状均为规则的六方形,这说明通过数值计算的方法对钢管内六方的形成过程进行分析是可行的。 仿真结果表明:由于孔形原因,钢管内壁金属在圆周方向上从辊顶朝辊缝流动,并在速度最小位置处形成堆积;在辊缝区,摩擦力方向与轧制方向相同,致使钢管表面形成附加轴向拉应力,辊顶区摩擦力方向与轧制方向相反,形成附加轴向压应力,使得钢管表面张力沿周向分布不均,加重钢管壁厚沿周向分布不均程度;在减径过程中钢管温度沿周向分布不均匀,至使金属向高温区流动,严重影响壁厚的周向分布。 以钢管温度分布对壁厚的影响为依据,对原有孔型进行了优化,并再次进行了仿真。模拟结果显示:由于新孔型的合理应用,钢管应力、应变和温度分布更为均匀,壁厚差由0.9mm减小至0.42mmm,内六方不均程度P值由0.042降低至0.019,这表明经优化后无缝钢管内六方缺陷得到大大改善。


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