（材料加工工程专业论文）加厚油管镦锻成形失稳条件及模具的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 t 够f 随着石油开采工业的发展，我国传统的采油油管( 直接在无缝钢管端部加工螺纹) l 由于连接强度低，难以满足开采深油井的需要，因此，采用锻造的方法来制造端部加 厚油管已成为当务之急。然而加厚油管锻造成形属于镦锻比很大的近薄壁管坯镦锻， 变形复杂，成形难度大，在国内尚属空白。体文采用实验研究的方法，研究了镦锻比 很大的近薄壁管坯镦锻变形规律，为加厚油管锻造成形奠定了基础，主要进行了以下 凡方面的工作： 首先研究了管坯在无模具约束镦锻时的变形规律，归纳出其变形模式，表示为： 外凸单鼓形、外凸双鼓形、外凸四鼓形( 或者外凸多鼓形，鼓形数与管坯的初始几何尺 寸有关) 、折叠形。 ， 其次研究了管坯在模腔内的变形规律。隹要总结了闭式镦锻变形失稳产生的位置， 分析了分两次送料时变形相对稳定的原因，归纳出闭式镦锻减少甚至消除失稳缺陷的 措施；丌式镦锻时，通过改变飞边的位置来改善金属的流动，以利于金属更好地充满 1 模腔，归纳了管坯开式镦锻的镦锻规则。 在分析前人有关理论的基础上，对厚壁管和薄壁管管坯镦锻变形失稳模式进行了 分类，总结出近薄壁管变形失稳模式主要表现为轴对称变形失稳和金刚石失稳两种模 式；采用带鼓形的速度场，运用上限法原理分析了管坯镦锻变形的规律，重点对鼓形 系数以及分流面的影响因素进行了讨论，并成功用以解释实验中的现象。 最后论述了利用管坯在其端部直接进行局部镦锻来制造生产加厚油管的可能性和 优越性，对加厚方案进行了必要的分析，对比了加厚油管闭式镦锻和开式镦锻的优缺 点，设计了加厚油管镦锻模具，阐述了模具设计中的有利于镦锻成形的工艺措施。该 模具已成功地用于加厚油管的生产制造中，取得了良好的社会经济效益，展示了广阔 的应用前景。) i 关键词：管坯镦锻失稳条件加厚油管模具 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o u n t r yt h et h r e a do ft r a d i t i o n a lp e t r o l e u mo i lp i p ei sd i r e c t l yp r o c e s s e do nt h e t i do f s e a m l e s ss t e e lp i p e s n l i sl e dt ot h el o w e rj o i n ti n t e n s i t yb e t w e e no i lp i p e sa n dc a r l t m e e tt h en e e do f e x p l o i t i n g t h ed e e pw e l l s oi ti su r g e n tt op r o d u c et i pt h i c k e n e do i lp i p eb y t h ew a yo ff o r g i n g t h i c k e n e do i l p i p ef o r g i n gb e l o n g s t o u p s e t t i n g o f a p p r o x i m a t e t h i n - w a i l e dp i p ew i t hal a r g eu p s e t t i n gr a t i o ，t h ed e f o r m i n gc o m p l e x i t ya n du p s e t t i n g d i 佑c u l t y , s ot h e r ei s l i t t l e p r o g r e s s i ni t sf a b r i c a t i o ni no u rc o u n t r y i nt h i st h e s i st h e d e f o r m a t i o nl a wo fa p p r o x i m a t et h i n - w a l l p i p e i s f i r s t l y s t u d i e d t h ew o r kp r o v i d e s e x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h i c k e n e do i lp i p ef o r g i n g u n d e rc o n d i t i o n so fn od i er e t r a i n e d t h ed e f o r m a t i o n1 a wo ft u b u l a ru p s e t t i n gi s s t u d i e d ，a n da c q u i r e dt h ef o u rd e f o r m a t i o nm o d e s ：e x t r ap r o t r u d i n gs i n g l eb u l g i n gs h a p e ， e x t r a p r o t r u d i n g d o u b l e b u l g i n gs h a p e ，e x t r ap r o t r u d i n g f o u r b u l g i n gs h a p e ( o r m u l t i b u l g i n gs h a p e ) a n d f o l ds h a p e t h e nt h ed e f o r m a t i o nl a wo ft u b u l a ru p s e t t i n gw i t had i ei sr e s e a r c h e d f o ra d o p t i n g t h ec l o s e dd i e ，t h ei n s t a b i l i t yp o s i t i o ni ss u m m a r i z e da n dt h er e l a t i v es t a b i l i t yr e a s o no f d e f o r m a t i o ni 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 h em e a s u r e so f r e d u c i n g e v e n e l i m i n a t i n gi n s t a b i l i t y d e f e c ta r es u m m e du p f o ra d o p t i n gt h eo p e n e dd i e ，t h e d e f o r m a t i o nl a wo ft u b u l a ru p s e t t i n gw i t ha no p e nd i ei sr e s e a r c h e d ，t h em e a s u r e so f i m p r o v i n gm e t a lf l o wb yc h a n g i n gf l a s hp o s i t i o ni no r d e r t of i ut h ei m p r e s s i o nb e t t e ra n d t h er u l eo f u p s e t t i n gi ss u m m a r i z e d 、 o nt h eb a s eo ff o r e f a t h e r s r e l a t i v et h e o r y , t h i st h e s i sc l a s s i f i e st h ei n s t a b i l i t ym o d e so f t h i c kw a l la n dt h i n - w a l l e d u p s e t t i n g a n di n f e r st h e i n s t a b i l i t y m o d e so fa p p r o x i m a t e t h i n w a l l e dt u b u l a r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ea x i y m m e t r i ci n s t a b i l i t ym o d ea n d d i a m o n do n e t h eu p p e rl i m i tm e t h o dw i t ha b u l g i n gs h a p ev e l g c i t yf i e l di su s e dt oa n a l y z e t h ed e f o r m a t i o nl a wo fp i p eu p s e t t i n g ，i n f l u e n c ef a c t o r so fb u l g i n gs h a p ec o e f f i c i e n ta n d n e u t r a li n t e r f a c ea r ed i s c u s s e d e s p e c i a l l y a n dt h e p h e n o m e n o n i nt h e e x p e r i m e n t i s e x p l a i n e ds u c c e s s f u l l y i nt h ee n d ，t h ep o s s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo fp r o d u c i n gt i pt h i c k e n e do i l p i p eb y u p s e t t i n gi sd i s c u s s e d ，t h i c k e n e ds c h e m ei sa n a l y z e de s s e n t i a l l y , t h em e r i ta n ds h o r t c o m i n g o ft h i c k e n e do i l p i p ec l o s e dd i ea n do p e nd i eu p s e t t i n ga r ec o m p a r e d a tt h es a m et i m e t h i c k e n e do i lp i p e u p s e t t i n g d i ei sd e s i g n e da n d t e c h n o l o g ym e a s u r e s a r ed e v e l o p e d t h ed i e h a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no f t h i c k e n e do i lp i p e ，t h eg o o ds o c i a le c o n o m i c b e n e f i t sh a sb e e na c h i e v e da n d o p e n e du p ap r o m i s i n g a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t u b u l a rb i l l e tu p s e t t i n gi n s t a b i l i t yc o n d i t i o n t h i c k e n e do i lp i p ed i e i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪言 1 1 课题的来源、目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于华中科技大学与中原石油勘探局机械总厂技术合作项目。 1 1 2 研究目的及意义 随着整个世界石油工业的迅速发展。我国石油工业也得以迅猛发展，石油机械行 业也逐步发展壮大，石油装备水平不断提高。自8 0 年代以来，石油机械行业瞄准国外 先进技术，在引进设备的同时，以技贸结合等方式成功引进了国外一些先进的制造技 术，与此同时也加强了科技攻关，新技术推广和新产品开发i l 】。 在石油钻采工业中，( 气) 油井的钻探和开采均离不开石油钻采钢管或称为油井 管。通常石油钻采钢管指的是石油钻杆，石油套管、石油油管、钻铤和方钻杆，对于 一口油( 气) 井的钻采，这几种钢管缺一不可，在各产油国家，每年钻井的进尺都在 数百力米以上，如果井的平均深度以3 0 0 0 米计算，平均每米进尺的金属耗量以5 0 公 斤计算，则每年所需的石油钻采钢管数也是相当惊人的，而且随着石油钻采工业的发 展，勘探丌发领域的扩大，油井深度的增加，油管的需求量将大幅度增加，在美国， 一根套管中最多要装入4 根油管，以用于采不同地层的原油。近年来，对石油钻采钢 管的需要不仅表现在数量上的增加，而且对钢管的质量也提出了更高的要求，就油管 而言，在深井钻采时，由于油管的自重增加，油管接头处要承受很大的拉应力：由于 在井下含有腐蚀性气体介质，油管必须具有抗腐蚀的能力；根据采油时的需要，有时 还要通过油管向油层注入高压水或气体，或注入酸，进行酸化处理，以增加采收率， 因此，这就要求油管还要承受很大的内压力，所以油管，特别是油管接头处的质量要 求是相当严格的。 华中科技大学硕士学位论文 在国外一些制造业发达国家，如美国、日本、前苏联、德国油管端部均采用无缝 钢管在头部局部加热镦锻的方法来制造，称为端部加厚油管，而在我国大多是在无缝 钢管端部直接加工连接螺纹，这样势必减少管壁厚度及有效承载面积，导致接头连接 处强度降低，减少油管的使用寿命，甚至在接头处发生断裂破坏，其后果是相当严重 的；对于深度超过2 0 0 0 m 的油井，则采用国外进口的油管，其数量、价格是相当惊人 的。所以采用锻造的方法制造油管具有显著的社会效益和经济效益。而且，油管的锻 造加工在国内尚属空白，这种近似薄壁管的管坯端部镦锻加工理论尚未成熟，因此， 开发研究锻造成形油管具有重大的理论意义和现实意义【2 h 6 】。 1 2 管坯镦锻成形研究的国内外概况 文献【2 中介绍了油管管坯端部局部镦锻加厚的三种基本形式：内加厚、外加厚、 内外加厚，而且对镦粗加厚比仉。进行了严格的限制，前苏联允许的镦粗加厚比1 4 1 5 美国允许的镦粗加厚比不大于1 5 ，西德允许的镦粗加厚比不大于1 3 ，但对镦锻成形的 工艺措施、成形规律、缺陷的预测和防止措施均未提及，我国进入自行研制阶段后， 、 曾考虑采用锻造方法对管坯进行端部加厚，但因其锻造难度大，且无现成工艺借鉴， 而大部分均采用在钢管端部直接加工连接螺纹的办法，由于连接强度低，油管在井下 工作时因接头处承受集中应力常常导致接头处断裂，造成停产，打捞或死井的损失。 因此，用锻造方法制造油管是一项急需攻克的难题。 国内率先开展管坯镦锻成形研究的是原华中理工大学黄早文、俞彦勤等，从1 9 9 3 年至今，他们一直致力于这方面的研究，并取得了丰硕的成果。黄早文等人【7 1 论述了 利用空心管坯在其头部直接进行局部锻造来制造空心抽油杆的可行性及其优越性，设 计了便于锻造的空心抽油杆头部，通过实验研究，提出了采用一个镦粗工步进行大变 形聚料的镦锻模膛的工艺参数。根据金属流动规律，将终锻成形分为压方，胀形和镦 锻三个变形过程。利用平锻机主侧滑块的运动特点，使这三个过程在一个工艺过程内 完成，从而保证了实现一次火完成镦造的工艺方案，最后提出采用与心轴锥度相反的 2 华中科技大学硕士学位论文 凹模倒锥模膛和凸凹模分模等有效工艺措施，解决了心轴难于从锻件中拨出和凸台难 于成形等锻造技术关键，并且将这项研究成果应用于全国多家厂家空心抽油杆实际生 产中，主要用来开采高粘度、高凝固点、高含蜡原油，取得了明显的社会经济效益， 展示了广阔的应用前景。俞彦勤等人聃1 采用物理模拟中较为流行的视塑性实验法，分 析了无芯轴支撑条件下，管坯中部镦锻变形的变形规律，阐述了变形区位移场、应变 场的计算方法，通过对实验结果的分析，得出了当镦粗比入 3 ，管坯中部镦锻时，内 壁呈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， 得出了些重要结论： l 、在无芯轴支撑条件下管坯中部镦锻时，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与屈服应力。( 2 ) 几何尺寸： 主要是变形部分的初始长度和壁厚之比 = l 以，并且将上述两个参数合而为一个参数： 1 3 = 0 s l o ( 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 且不会在内壁出现坏状折叠。 3 当 3 5 ， 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。 俞彦勤旧1 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。 以上管坯镦锻成形的理论和实验研究均是基于管坯外径与壁厚比值较小的范围， 对于外径与壁厚比值较大的管坯镦锻如油管、套管等的成形规律还有待进一步的研究。 另外，哈尔滨工业大学胡秀丽、王仲仁等0 3 采用刚塑性有限元法对长颈法兰类 件法兰开式镦锻成形进行模拟，成型过程的模拟模型为二维轴对称模型，模拟材料为 华中科技大学硕士学位论文 内径中5 8 、外径变化的2 0 4 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，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 模接触面间摩擦因子较小时，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面间摩擦因子，可以增大变形区金属镦粗变形的趋势。( 2 ) 坯料 端面的内孔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、变形区高度等工艺参数下，用开式方法成形法 兰会出现镦粗、翻边、卷边、失稳，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，且只讨论开式成形，并未涉及到闭 式镦锻成形规律的研究，对镦锻比很大的管坯并未进行研究。 钢铁研究总院韩宝云n 采用大型通用有限无仿真软件m a r c a n t o f o r g e 对某企业 计划开发的中7 3 5 5 1 加厚油管进行工艺模拟研究，具体给出了0 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，最大镦锻力估计，最大夹紧力确 定及冲头速度的选取。采用一道次加热两道次完成加厚的工艺方案，考虑了各道次塑 性变形量的分配，各道次负荷的平衡，加厚质量等因素，给出了各道次变形量的分配。 变形量分配如下表1 1 。 嵌1 1 油管加厚变形量分配表 同时对加热制度生产节奏及生产过程中的温度场等进行了模拟，但未进行物理实 验模拟，且对成形规律未进行模拟。 4 华中科技大学硕士学位论文 到目前为止，国内外文期刊上还没有介绍有关长径比较大的近薄壁管管坯镦锻成形 的文章，对管坯镦锻成形规律的研究几乎还是一片空白，仅有有限的几篇厚壁管镦锻为 法兰变形的文章可供参考，且极其不成熟，a r e n t o f t m 采用实验方法和刚塑性有限元 法对管坯进行双面径向挤压金属进行分析，得出了金属变形的四种典型模式，并将实 验模拟与有限元模拟进行对比。s b p e t e r s e n ”】【1 4 l 对外径为巾3 5 ，内径为中2 0 的管坯 双向轴向加压径向挤压成形极限进行了研究，并对出现的缺陷进行分类，对速度场， 应力、应变场及应变速率进行了有限元模拟，并对= 2 1 0 t 1 0 0 及t w 1 6 ( t 是法兰部 分高度，w 是厚度) 进行了研究，为了增加稳定性，作者采取了预成形及终成形工步， 预成形增加法兰部分内径，终成形增加外径。其使用材料为铝管和石蜡，而油管镦锻 只能一端轴向加压，且预成形采用闭式模锻，其l o t ，w t 比值很大。 综上所述，国内外对油管这种锻造形状复杂系数大【1 6 j ，管径与壁厚比值大，变 形长度与管径比值超过传统镦锻规则【1 7 】的零件的锻造成形规律几乎没有人研究，因 而具有研究价值。 1 3 技术关键与技术方案 在大长径比的管坯镦锻中，根据经典塑性成形理论，金属主要先沿径向向外流动并 且伴有失稳发生，在镦锻过程中，随着压下量的增加，出现余弦波状的外凸及内凹，并有 可能产生折叠，同时在闭式模锻中，凸凹模间隙过大或填充系数不合理，还会产生过大 纵向飞边造成芯轴抱死，闷车等严重后果。因此，本课题主要技术关键是分析管坯在闭 式模锻中的金属流动规律，一旦找出金属流动规律，便能设计出合理的模具，为了找到 金属流动规律，必须在现有理论的基础上运用有效的金属塑性变形分析方法，主要运用 物理模拟的实验方法及上限法来分析管坯镦锻变形的金属流动规律。 1 4 金属塑性成形的分析方法 金属的塑性成形应用已有数千年的历史，而对其成形规律的研究，则不过百余年 的历史，从一八六四年t r e s e a 提出t r e s c a 屈服准则到k a r m a n 提出用于分析板带轧制 华中科技大学硕士学位论文 的塑性理论k a r n l a l l 方程时，塑性理论才成为一门独立的学科。迄今为止，对金属塑性 成形研究，从本质上可以分为三个方面的研究： 1 ) 金属塑性成形基本规律的研究。 2 ) 金属塑性成形数值分析的研究。 3 ) 金属塑性成形实验模拟研究。 关于这三个研究方面的研究方法，下面分别给予论述。 1 4 1金属塑性成形基本规律的研究 自从塑性理论成为一门独立的学科以来，对金属塑性成形的研究，主要集中在力学研 究、晶体塑性规律研究、不可逆热力学研究这三个方面上。 1 4 1 1 金属塑性成形的力学研究 金属塑性成形的特点是高速度、大变形，而且大多数成形过程是在高温下完成的， 在考虑金属塑性成形实际的力学研究中，无论在材料性质还是在金属塑性本构方程方 面，都必须考虑余属成形过程中的应变率，温度及流动应力的变化，而经典的塑性力 学则没有考虑这些因素对成形过程的影响，因而在金属塑性成形过程的应用有一定的 局限性。 余属塑性成形速度的提高，除可提高生产率外，更重要的是对成形件的表面质量 和形状精度的提高有利，因而关于成形过程中应变效应的研究就受到了极大的重视， 先后建立了为这一研究提供理论基础的准动态塑性力学和塑性动力学理论体系，由于 该理论体系在数学上的处理十分繁琐，到目前为止尚未见到它在金属塑性成形中的系 统应用实例。 高速高温下金属塑性成形问题的求解，由于受到金属材料塑性本构方程发展的限 制，主要依靠实验来完成。为反映在金属塑性成形过程中的奕变率效应，有人曾提出 用粘弹性理论摄动来求解。但总的讲来，对金属塑性成形问题规律的求解和研究，无 论在求解和研究的方法及范围上，力学研究的方法都有待于进一步的拓宽和创新。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 4 1 2 晶体塑性理论的研究方法 金属晶体塑性理论研究的目的，是寻求金属晶体中缺陷的分布状况和运动规律，揭 示金属材料敏感性的本质，为改善材料的技术及机械性能提供理论依据，其研究的中心 课题是关于晶体中位错理论的研究。 金属晶体塑性理论的研究，过去主要侧重于对金属材料的强度和塑性问题的研究。 目前已发展到多晶体变形状态的研究，已建立了晶体微观力学分析理论，并在成形工 艺中得到了成功的使用。虽然曾有人在具体问题上进行了有益的尝试性工作，但是由 于观察金属微观结构的困难，到目前为止仍没有建立准确分析晶体塑性的模型。 1 4 1 3 不可逆热力学分析研究方法 余属塑性成形的不可逆特点，启发了人们利用这一特点来建立分析金属塑性成形的 模型，利用热力学理论，经过大量的分析工作，提出了替代c l a u s i u s d u h e m 不等式的固体 热力学关系，引入了热一化学势等概念。推导出了开放热力机械系统热力势和假设耗 散的变分原理，提出系统了内蕴时间塑性理论，分析了些具体的金属塑性成形问题， 获得了良好的结果。所有这切都表明运用不可逆热力学理论和方法研究金属塑性成 形问题是一种成功的研究方法和方向1 1 。 上述研究金属塑性成形基本规律的三种方法，过去彼此相对独立发展，到今天， 寻求这三种研究方法的有机结合已成为研究会属塑性成形基本规律的一个重要任务， 只有找到这种有机结合，才有可能全面而深入的触及金属塑性成形问题的实质。 。 1 4 2 金属塑性成形数值分析研究方法 一般地讲来，三维塑性问题的平衡方程组无法求得精确的解析解：对平面塑性问题 和轴对称塑性问题，也只有在成形工装与变形体的接触面上的摩擦因子为零或常数的 条件下，才能求得精确的解析解，因而在实际工程分析中，都需要补充一些使总是简化 到可以求解程度的假设条件，才能把偏微分方程组和非线性塑性本构方程转化为常微 分方程组和线性塑性本构方程。以求得问题的近似解。这种简化方法即通常所称的数值 华中科技大学硕士学位论文 分析方法或工程分析方法。数值分析方法分析解的精确程度，取决于所分析的问题和 平面变形问题、平面应力问题、轴对称问题的接近程度。数值分析方法目前广泛地应 用于工程分析中求解金属接触表面正压力、变形力、变形的分流情况等方面，但对于 金属内部应力和应变的分布求解则力不从心。在求解问题的简化过程中，所补充的假 设条件的不同相应地就产生了各种不同的金属塑性成形分析研究的数值分析方法 【2 0 1 。 1 4 2 1 滑移线场数值分析方法 本世纪二十年代提出的用于分析平面变形问题的滑移线场数值分析方法，二次世 界大战后得到了充分的发展并广泛成功地用于金属成形过程的分析，它适用于平面应 力问题、平面应变问题、轴对称问题。七十年代后，有人研究建立有硬化效应材料滑 移线场的可能性问题。 滑移线场数值分析法对于分析变形体内部的应力分布状况具有独特的优越性，但 对非平面问题和具有硬化效应的金属材料，滑移线场的建立尚存在着很大的困难。滑 移线场数值分析方法在金属塑性成形中最成功的应用当属拉拔流线模的设计【2 1 】。 、 1 4 2 2 能量数值分析方法 能量数值分析方法是以塑性理论中的能量最小原理为基础而建立的一种数值分 析方法。对于较简单的成形问题分析比较实用：对于复杂的成形问题分析，由于其速 度关系方程过于繁琐或难以建立而很少使用。该方法没有受到充分的重视，几乎没有 什么发展，现在在工程分析中已很少使用。 1 4 2 3 上限数值分析方法 上限数值分析方法是基于塑性理论中的极限原理而建立的一种数值分析方法，是 目前使用较广泛的一种分析方法，适用于求解成形载荷问题，其缺点是没有寻求最优解 的能力为克服上限方法的不足，六十年代初，日本学者工藤英明将上限法与单元划分 相结合，提出了上限元数值分析方法，后经许多人的工作，上限元数值分析方法成为集 上限法优化和单元划分技术为一体的数值分析方法，得到了大量的使用，对二维和三维 华中科技大学硕士学位论文 塑性成形问题，上限元法都能获得良好的结果，但是在建立成形体内合理的运动许可速 度场时，仍需借助于实验来完成或接受实验的检验。 无论是上限法还是上限元法，在求解金属塑性成形的载荷上具有一定的优势，也 提供了一定的分析速度场的能力，但缺乏分析成形体内部应力分布的能力，它们在锻 造和挤压成形中得到了成功的使用 2 2 1 1 2 3 1 。 1 4 2 4 有限元数值分析方法 应用于分析金属塑性成形的有限元方法分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法两 种，这两种有限元数值分析方法都是运用能量方程建立泛函，进行变分而后求解的。 弹塑性有限元法将金属视为弹塑性，根据载荷的增加逐步地从弹性变形进入到塑 性变形，能清楚的表达整个变形过程，可充分考虑卸载和变形的移动情况，在理论基 础上较严谨，因而得到了许多应用，但计算量大。 刚塑性有限元将金属视为刚塑性体，对金属材料的塑性本构方程作了简化，适用 于大塑性变形的问题求解，求解速度快，但其理论依据不如弹塑性有限元严谨。近几 年来已有一些使用刚塑性有限元求解金属塑性成形问题的实例。 有限元法运用了能量方程、变分原理，能考虑金属的硬化效应，比较好地反映成 形体的全部变形特点，具有不受成形体几何形状影响、广泛适用于各种边界问题的特 点。计算时无须对变形体内部进行条件假设，只要给出真实的边界条件，就可以求得 较为准确的应力和应变分布。如果将单元取得足够多，便可达到所需的任何精度。此 外，有限元法还可以考虑如变形热等一系列的非机械性能。 从目前情况来看，有限元数值分析方法作为分析金属成形的原因、模拟变形过程、 分析余属内部应力和应变分布状况的有效方法，是其它方法无法比似的，因而有限元 数值分析方法的推广也是必然的。 国内外在金属塑性成形的数值分析上作了大量的工作，取得了重大的进展【2 4 】【3 4 】。 1 4 3 金属塑性成形实验模拟研究方法 9 华中科技大学硕士学位论文 作为研究金属塑性成形的一个重要方面，实验研究也取得了很大的发展，这些发展 主要表现在实验研究中不断出现新的实验模拟方法，其中尤以机械、光学等模拟技术的 发展为快。 1 4 3 1 机械式模拟实验方法 机械式模拟实验方法是人们使用时间最长的研究金属塑性成形的实验模拟方法， 包括网格法和层状材料法等。早期的机械式模拟实验方法精度低，随着测试手段的发 展、数据采集和处理水平的提高，目前机械式模拟试验方法己成为掌握大变形金属流 动规律、建立会属成形变形体质点运动学的基础，并在其上建立了一种新的模式实验 方法即“视塑性法”。 1 4 3 2 光学模拟实验方法 利用光学理论和方法作为实验手段研究金属塑性成形的模拟实验方法主要有密栅 云纹法、光塑性法、光敏涂层法、光学图象法和激光全息方法等。 密栅云纹法是目前较成功的一种用于模拟金属塑性成形的光学实验方法，已产生 了多种测量金属塑性成形的密栅云纹方法。其中对平面塑性变形问题的测量，可采用 - 衍射光干涉莫尔法：对三维塑性变形问题，则可采用格栅线莫尔构形法和投影莫尔法。 密栅云纹法的特点是结果分析简单且不受环境温度的影响。 光塑性方法则是利用光塑性材料来模拟金属塑性变形，其技术的关键是寻求合适 的光塑性材料。通过广泛的研究，普遍认为硝化赛璐珞和聚碳脂两种材料基本符合光 弹一塑性分析的要求，可作为光塑性模拟实验的模型材料。由于这两种模型材料还有 缺陷，而且光塑性的模型材料种类有限，因而光塑性模拟实验方法目前尚不能给出金 属性变形的定量分析。 光敏涂层法、光学图像法及激光全息也同样有所发展。 会属塑性成形上述三个方面的研究方法，其关系是相互依存相互制约共同发展的。 基本规律和数值分析研究方法必须建立在实验研究的基础上，并接受实验研究的验证： 数值分析方法必须是在基本规律的基础上，结合实验结果，补充合理的假设条件而成f 3 5 1 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本课题主要研究内容及预计达到的要求 ( 1 ) 在现有管坯镦锻理论的基础上，采用物理模拟实验法研究管坯闭式模镦锻变 形规律。找出影响金属变形的主要因素，对变形中的缺陷进行预测并能找到防止缺陷 产生的方法，为加厚油管镦锻成形模具设计奠定理论基础。 ( 2 ) 建立上限法分析数学模型，利用上限元分析管坯镦锻成形过程金属的流动 状况，揭示不同工艺因素和管坯初始几何尺寸对镦锻成形的影响，缺陷产生的预测及 原因分析，并与实验所得结果进行比较、修正，以指导工艺及模具的优化设计。 ( 3 ) 在上述实验和理论的基础上，结合厂家的需要设计加厚油管锻造模具并用 于生产。 1 6 本章小结 本章说明了本课题的来源、目的及意义， - f i t 目前国内外研究概况，概述了金 属塑性成形研究的基本方法，阐明了本课题研究的技术关键、技术方案及主要研究内 容。 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 管坯镦锻变形规律的实验研究 针对端部镦锻变形的规律，前人己做了深入的研究，并制定了相应的镦锻规p 4 - ， 参与变形部分的管坯初始长度f o 与壁厚t 之e e ，即镦粗比旯= 形3 时，可以在机器 ， 一次行程中自由镦粗到任意形状和尺寸而不发生折叠缺陷：当镦粗比旯= 形2 3 时， 应先进行聚料镦粗，其壁厚变化规则是后一次的壁厚与前一次壁厚之比满足镦锻加厚 条件，即t t n j = f 1 3 1 5 ) ，否则就会因失稳而产生折叠，若按这一规律，对于一些变 形部分初始长度与壁厚之比很大的锻造产品，由于各种条件的限制而无法加工成形， 例如马相等在采用实验研究管坯变形部分初始长度与壁厚之比很大的空心轩锻造成形 时，发现厚壁管镦锻变形时z 达到3 5 而不发生折叠，并得出厚壁管镦锻变形的几种 模式，并给出转化条件。而对于介于厚壁管与薄壁管之间的近薄壁管( 如油管) 镦锻 变形规律的研究几乎无人问津，鉴于理论研究的不成熟，本章采用实验的方法加以分 析。 2 1 管坯无模具约束镦锻变形规律的实验研究 2 1 1实验材料选择及实验试件的制备 在塑性成形模拟实验中，常用的材料有塑泥、石蜡、铅、铝等，近年来，在丹麦 等欧洲国家常采用- - + q , 日q 做菲蜡的材料，通过加入各种填加剂，可以达到不同的性能。 但目前国内还几乎没有听说采用这种材料做模拟实验，根据塑性成形过程中的相似理 论，并考虑生产实际，本文实验材料选用铅，其室温下的塑性变形行为与钢在热态下 的塑性变形行为较为相似。 实验试件的制备流程如下： 华中科技大学硕士学位论文 l铅料在加热炉内加热融化 上 f浇铸成铅坯 上 机械加工成挤压毛坯，如图2 1 上 在挤压模中制取管坯，挤压模如 图2 2 i l 平端头、校直，制取实验试件如 i 图2 3 1 凹模12 - 凹模23 - 芯轴4 凸模 图2 】挤压毛坯示意图 圈2 2 管坯挤压模具示意图 挤压模具材料选用4 5 # 钢加工，不进行热处理。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 幽2 3 管坯实验试什示意图图2 4 实验装置示意图 2 1 2 实验设备和实验装置 实验在2 0 0 t 材料试验机上进行，管坯一端被夹持固定在工作台上，一端直接和压 力机上的滑块接触，实验装置示意图如图2 4 所示，管坯和滑块之间无润滑。 、 2 1 3 实验结果及现象 管坯初始长度f 。= 2 4 0 m m ，固定端夹紧部分长度为4 m m ，管坯初始外经d o = z 7 3 m m ， 内径d o = a 6 2 m m ，因此，其变形初始长度为2 4 0 m m ，壁厚为j 5 5 m m ，管坯在轴向压力 作用下，发生镦粗变形，测得不同压下量下的实验数据如表2 1 。 在第一次压缩过程中，压力保持恒定，变形过程均匀，在轴向压力作用下，产生 近似均匀的镦粗扩径塑性变形，管坯内径在自由端和固定端几乎没有变化，在从测量 值可以看出波峰与波谷处的外径相差不大，自由端因摩擦力的作用变形较小，因而外 径相对较小，无失稳现象发生。 在第二次压缩过程中，压力基本保持不变，但明显看到波峰与波谷的出现，鼓形 变化较显著鼓形或者说余弦波数比第一次压缩增加，由2 个变为4 个，变形较不均 匀，从表中的各波峰值的外径可以看出，但仍未出现失稳，管坯内径在固定端和自由 1 4 华中科技大学硕士学位论文 端略有减小。 表2 1 管坯在不同压下量下的实验数据( 单位：m m ) 第一波峰点处位置 波宽或第一波谷处位置 第一波峰处外径 第一波谷处外径 第一二波峰点处位置 波宽或第波谷处能蓝 第一二波峰处外径 第一二波谷处外释 第二波峰处位置 波宽或第二波谷处位置 第二波峰处外径 第二波谷处外径 第四波峰处位置 波宽绒第四波谷处位置 第四波峰处外径 第四波谷处外径 自由端外径 自由端内径 i 古| 定端内径 2 0 1 o 3 3 o 7 6 6 7 4 8 1 7 0 3 6 0 7 60 7 48 7 3 4 6 2 0 1 8 9 8 3 9 2 8 1 5 7 68 1 3 4 5 3 8 7 7 7 7 6 6 8 6 0 3 4 7 7 7 7 75 1 9 3 8 7 8 1 1 8 0 0 5 0 9 1 8 7 7 7 1 3 1 4 6 7 9 3 7 7 1 8 8 6 0 7 8 8 7 8 5 2 0 4 0 8 1 0 1 6 3 1 1 0 03 7 5 】 1 2 4 4 7 9 8 7 58 8 2 4 3 7 4 ( 位置) 7 9 9 7 9 6 1 5 4 8 3 9 7 3 97 4 5 6 1 7 6 2 06 1 56 1 2 轴n f f , ：tp1 6 t 1 6 t1 4 5 t 一 1 5 华中科技大学硕士学位论文 第三次压缩过程中，压力逐渐下降，中部变形急剧变化，环向不再保持圆形，亦 出现环向余弦波，变形较复杂，出现近似薄壁管失稳时的棋盘类波形，即纵、环向余 弦波，在这一过程中塑性失稳发生，头部有轻微的折叠。 第四次压缩过程中，压力明显降低，管坯环向呈椭圆形，长、短轴相差较大。出 现更为复杂的棋盘类波形，头部严重折叠在一起，内孑l 向内翻转，环向和轴向均发生 失稳。 2 1 4 实验分析和结论 根据实验数据和观察到的现象，得出镦锻比很大的近似薄壁管坯在无模具约束条 件下，轴向加压镦锻变形规律： 1 、当相对镦锻量口= f f o 1 5 0 时，开始在轴向 出现失稳现象。 2 、变形首先集中在两端，开始时中部变形小，两端出王见比较明显的鼓形，随着变 形的进行，中部变形较复杂，出现轴向、径向余弦波形，即棋盘类波形，变形模式不 象厚壁管那样出现内凸鼓形，在失稳现象出现前变形主要是外径增大，而内径减小很 小，几乎不变，其变形模式可表示为：外凸单鼓形一外凸双鼓形一外凸四鼓形( 或者多 鼓形，鼓形数与管坯的初始几何尺寸有关) 一折叠形。 2 2 管坯在模腔内闭式镦锻变形规律的实验研究 对于镦粗变形量很大的锻件锻造，一般是闭式聚料( 根据变形量和实际生产条件， 可一次聚料或分配到多工步内多次聚料) 。由于闭式锻造时，金属内的变形质点处于三 向受压的应力状态，增大了静水压力盯，在一定程度上提高了金属的塑性，能使金属 产生较大的变形，强制金属在模具的型腔内流动，填充凹模圆角等金属难以到达的部 位，有利于聚料。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 本节的主要目的是研究管坯闭式镦锻时，金属在模腔内的变形流动规律及失稳形 式，失稳的大致位置及特点，以及如何设计模腔的结构和尺寸，使管坯的变形尽可能 地均匀而不产生缺陷或所产生的缺陷在允许范围内且能在下一步的成形时被消除掉。 2 2 1实验材料选用和实验试件的制备 实验材料选用和实验试件的制备与2 1 1 节相同。 2 2 2 实验设备和实验装置 实验在万能材料实验压力机w i 6 0 t 上进行，实验模具如图2 5 所示。实验时模具 芯轴上端面放一平板并与实验压力机的滑块接触，另一端放在带孔的圆柱或者圆锥 盘上，以免芯轴碰到下工作台面，圆盘和平板要求与压力机上下工作台面接触面较大， 而且要求平行同心，以增加实验时的稳定性。 荔 萎 ( a ) 一次送料 ( b ) 两次送料 图2 5 管坯在模腔内镦锻实验模具示意图 尸 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 实验方案 实验选用三个管坯试样，管坯试样初始变形长度f 0 = 2 4 0 0 m m ，管坯初始外经d o = a 7 3 0 m m ，内径d o = 0 6 2 0 m m ，壁厚为5 5 m m 。 按传统的管坯镦粗规则： 当7 衫 3 on ，必须先进行聚料，聚料时管坯壁厚的 变化规则为：，。= ( 1 5 1 3 ) f 。：按这一镦锻规则我设计了闭式镦锻聚料毛坯图如图 2 6 所示，图中d = 妒6 2 o 。此时“= 5 5 ，r l m “= 8 o ，五。= 中么= 8 ，5 = 1 4 5 ，根 据体积相等求得镦锻量a i = 7 0 0 ，镦锻比虽然偏向上限值，但也在镦锻规则的安全值 范围内。 、 n 察 卜、 卜、 q 卜、 目 r ， o ，- ， i 5 0i 例 图2 6 闭式聚料毛坯图 在实验过程中设计了两种镦锻方案：一种是一次送料，j 即管坯在机床一次行程中 镦锻a i = 7 0 0 的距离，聚料模具示意图如图2 5 中( a ) 所示：另一种是分两次送料， 即管坯在机床的第一次行程中镦锻a i = 7 0 0 一a l 。的距离，然后再在机床的下一次行程 镦锻k 聚料到位，聚料模具示意图如图2 5 中( b ) 所示，其目的是相对减少管坯初 始变形长度，从而降低镦锻比，增加聚料的稳定性。 2 2 4 实验结果及现象 按照上述实验方案进行实验，测得不同镦锻量下的实验数据。 嚣2 ：2 发二i 筮遂魁撞况工丕圜堂堡量盟的塞墅塑堡! 丛塞墅垫爨塑塞丝史亘丝重 1 8 华中科技大学硕士学位论文 出，镦锻量a i 1 7 o 时，管坯外径增加，内径几乎不变，靠近管坯两端面处出现轻微 鼓形，管坯在靠近端面一处与模腔接触外，其余部分与模腔及芯轴没有接触，管坯基 本处于自由压缩状态，管坯变形较均匀。当a = 3 0 0 时，管坯失稳，出现凸凹相间的 余弦波：聚料结束时，管坯的端部充满良好，管坯内壁在其距端部6 0 m m 的长度部分 与芯轴接触，其余部分未与芯轴相接触。 查! ：! 二姿鲎塑堕堡 ! ：坌三盗塑壁堕塑塞墅墼塑! 苎焦!