（材料加工工程专业论文）机械扩径过程的数值模拟与工艺参数优化.pdf

摘要 摘要 机械扩径工艺及其装备是建设大直径直缝焊管生产线的关键技术之 一。本文针对大直径管线钢管机械扩径技术问题，采用有限元数值模拟方 法和优化方法，对大直径管线钢管的机械扩径工艺过程进行了数值模拟， 并对其主要工艺参数进行了优化。 文章详细推导了机械扩径时扩径模具的行程计算公式，并给出了机械 扩径机液压缸的行程表达式。与已有的研究成果比较，本文给出的扩径行 程计算公式不仅考虑了整圆和扩径的两个阶段，而且还考虑到了模具与管 坯的初始接触状况对扩径行程的影响，考虑到了扩径机活塞杆及扩径轴轴 向伸长的影响，是一个比较精确的工程计算公式。 文章采用m a r c 软件，对管线钢管的机械扩径成形过程进行了大量的 数值模拟。在对m 14 2 2 2 5 4r l - l l r t 、m 10 1 6 1 6 a l t o 、m 8 1 3 x 1 4 i t l i n 、0 6 1 0 1 3r n m 和0 5 0 8 1 3l l l r n 等规格钢管扩径过程的数值模拟基础上，细致的 分析了模具半径、模具边缘圆角半径和扩径率对成形过程的影响规律。 作者用p y t h o n 语言设计了用于机械扩径工艺参数优化的遗传算法程 序，并实现了与m a r c 软件的结合。论文以制品的圆度误差最小为目标函 数，以扩径率、模具半径、模具边缘圆角半径为设计变量，对机械扩径成 形过程的主要工艺参数进行了优化。优化结果与数值模拟结果相吻合。这 部分工作为机械扩径生产实际过程的工艺参数选择提供了理论依据，具有 理论意义和实际应用价值。 关键词钢管；数值模拟；机械扩径；工艺：优化；遗传算法 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a le x p a n d i n gp r o c e s s i n ga n dc o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n t sa r ek e y t e c h n o l o g i e st ob u i l dp r o d u c t i o nl i n eo fs 仃m g h t - s e 锄w e l d e dp i p ew i t l ll a r g e d i a m e t e r i nt h e p a p e r , t h em e c h a n i c a le x p a n d i n gp r o c e s so fs t r a i g h t - s e a m w e l d e dp i p ew i t l ll a r g ed i a m e t e ri ss i m u l a t e db yf e ma n do p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g y , a n dt h ep r i n c i p a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h es t r o k eo fd i ed u r i n gt h ec o u r s eo f m e c h a n i c a le x p a n d i n gi sd e d u c e di n d e t a i l ，a n dt h es t r o k eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r i nt h ee x p a n d i n gm a c h i n ei s f o r m u l a t e dt o o s i m i l a rt ot h ep r e v i o u sr e s e a r c ho u t c o m e ，t h ef o r m u l ao b t a i n e d b yt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nc o n s i d e r sr o u n d i n gs t a g ea n de x p a n d i n gs t a g ed u r i n g t h ec o u r s eo f m e c h a n i c a le x p a n d i n g i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fi n i t i a lc o n t a c ts t a t e b e t w e e nd i ea n db i l l e to nt h es t r o k eo fd i ei st a k e ni na c c o u n t m o r e o v e r ，t h e e f f e c to fp i s t o nb a ra n de x p a n d i n ga x i s s e l o n g a t i o no nt h es t r o k eo fd i ei s c o n s i d e r e dt o o ，s oi ti sam o r ea c c u r a t ef o r m u l af o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n al a r g en u m b e ro fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h em e c h a n i c a le x p a n d i n g p r o c e s s o fl i n e p i p e a r ep e r f o r m e db ym a r cs o f t w a r e b a s e do nt h e s i m u l a t i o n sa b o u t t h ep i p es p e c i f i c a t i o ns u c h a s m l4 2 2 x 2 5 4 1 1 1 1 1 1 m 10 1 6 ) 1 6 l n n l ，0 8 1 3 1 4m n l ，m 6 1 0 1 3m i l la n d 5 0 8 1 3n l l n ，t h ee f f e c t so fd i e s r a d i u s ，f i l l e tr a d i u so fd i e sb r i ma n de x p a n d i n gr a t i oo i lt h ed e f o r m a t i o nc o b r s e 鼬a n a l y z e di nd e t a i l t h eb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e d u r ep r o g r a m m e di np y t h o nl a n g u a g ei s a d o p t e dt oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fm e c h a n i c a le x p a n d i n gp r o c e s s ， a n dt h ep r o c e d u r ei sc o m b i n e d 、i t hm a r cs o f t w a r e r e g a r d i n gd i e sr a d i u m f i l l e to fd i e sb r i ma n de x p a n d i n gr a t i oa sd e s i g n i n gv a r i a b l e s ，a i m i n gt ot h e m i n i m a lr o u n d n e s se r r o r , t h ek e yp a r a m e t e r so fm e c h a n i c a le x p a n d i n gp r o c e s s a 聆o p t i m i z e d 1 1 1 eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ha n a l y z i n gr e s u l t s t h ep r e s e n to u t c o m ep r o v i d e sat h e o r yb a s i sf o rp a r a m e t e r ss e l e c t i o nd u r i n gt h e p r a c t i c a lc o u r s eo fm e c h a n i c a le x p a n d i n g w h i c hi sp r o v i d e dw i t l li m p o r t a n t a b s t r a c t t h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e s k e y w o r d sp i p e ；n u m e d c a ls i m u l a t i o n ；m e c h a n i c a le x p a n d i n g ；t e c h n o l o g y ； o p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文机械扩径过程的数值模 拟与工艺参数优化，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期问 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字臻i 施栖日期：旅j 月f 7 r 燕山大学硕士学位论文使用授权书 机械扩径过程的数值模拟与工艺参数优化系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于一一 不保密日： ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：i 跞讲b 艳 日期：2 彬年j 月，7 日 导师签名： 寸叼 日期；跏。毛年玉月1 同 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 为适应恶劣的气候、复杂的地质地貌及海底敷设管道的要求，油、气 输送管道正朝着大口径、耐高压和高强度方向发展。由于管线长，又是在 野外现场焊接，施工困难，所以，要求焊管具有较高的管口形状和尺寸精 度，以保证相互对接的焊管都具有一致的几何尺寸和形状，从而减小和消 除对接焊缝处的残余应力，避免在对接焊缝处产生腐蚀断裂，造成管道泄 漏和破坏。为此，国外不少焊管生产厂在焊管成形、焊接之后，增加一道 机械扩径工序。 机械扩径是采用斜块扩孔原理、通过分瓣凸模使管坯产生塑性变形的 一种材料加工技术。机械扩径属于管材二次加工领域内的刚性模具胀形技 术【i “。通过机械扩径，不仅能够消除焊接残余应力，形成有利于提高制品 承载能力的残余应力状态，而且能够提高制品的尺寸精度和形状精度，降 低施工难度【5 l 。 在我国，伴随着新世纪的到来，我国的长输管道建设在国家调整能源 结构，大力发展社会基础设施的整体形式下，迎来了管道史上的第二次发 展高峰。举世瞩目的“西气东输”工程、“兰一成一渝”成品油管线、“忠 一武”输气管线已相继开工。国际管线也在如火如荼的设计建设中各地 区的城市天然气管网也正在做着紧张的准备。虽然我国在几年前就从国外 引进了机械扩径装备，但是由于关于这方面的研究成果很少，国内还没有 完全掌握该项技术。因此需要开展这方面的理论研究，为研制设备和工艺 开发提供理论指导1 6 j 。 1 2 管线钢管制造工艺综述 我国管材及制管工业正处于快速发展的大好时期，是朝阳工业。在管 道的建设投资中，钢管大致可占到3 0 4 0 左右，由此看出在管材和制管 行业的投资有可能获得较高的效益i 引。 l 燕山大学工学硕士学位论文 我国石油天然气输送用焊管的生产起始于1 9 5 8 年，由宝鸡石油钢管厂 用螺旋焊管机组生产。而后，随着我国石油天然气输送管需求量的不断增 加，又增建了华北、沙市、胜利、资阳和辽阳等五个石油钢管厂。 在1 9 6 01 9 8 0 年期间，我国石油天然气输送管使用的热轧板卷大多采 用q 2 3 5 和1 6 m n 的低强度碳钢和碳锰钢，强度级别较高的采用日本进口的 t s 5 2 k ( 相当于x 5 2 钢级1 板卷，更高强度级别的则直接进口焊管。 1 9 8 0 年武钢先后研制过x 6 0 、x 6 5 和x 4 2 x 5 6 系列的管线钢，因受 多种原因所限，未能进行批量生产。此后，在“八五”期| h l 继续由宝钢和 武钢分别牵头进行高韧性管线钢的技术开发。通过五年的研制和工业性生 产实践，较好地掌握了高韧性管线钢热轧板卷的生产技术和质量控制规律。 1 9 9 5 年宝钢研制出x 6 5 板卷。 近年来，我国管线钢热轧板卷的各项性能均能满足用户技术条件的要 求，其产品质量均可与国外生产的板卷相媲美。o 一3 0 的横向冲击值均 可兰1 0 0j ，平均值可达1 5 0 1 7 0j ，成功地解决了我国长输管线用管线钢热 轧扳卷的国产化问题。同期济钢也研制出了x 6 0 管线用钢，对其成分采取 了低碳+ 高锰+ 微合金化元素的设计，在冶炼和轧制中采用精心设计的工 艺制度，确保了产品质量，性能上达到了标准和用户的要求。宝钢、武钢 又相继开发了高强高韧性的x 7 0 管线钢，填补了国内空白，并在涩宁兰管 道工程上得到成功应用【7 1 。x 7 0 管线钢也已成为鞍钢集团公司2 0 0 3 年重点 推出的六大产品之一埔i 。 我国虽然已经成功地掌握了x 系列管线钢热轧板卷的生产技术，可为 石油天然气输送用的高频直缝焊管和螺旋缝埋弧焊管提供高性能的原材 料，但也应看到生产的规格尚不能适应大口径、厚壁焊管的需求。 西气东输管道工程用钢管为x 7 0 等级管线钢，规格为m l0 1 6 1 4 6 2 6 2 m m ，其中螺旋焊管约占8 0 ，直缝埋弧焊管约占2 0 ，管线钢用量约 1 7 0 万吨。 x 7 0 管线钢除了含n b 、v 、t i 外，还加入了少量的n i 、c r 、c u 和m o ， 使铁索体的形成推迟到更低的温度，有利于形成针状铁素体和下贝氏体。 因此x 7 0 管线钢本质上是一种针状铁素体型的高强、高韧性管线钢。钢管 2 第1 章绪论 的化学成分及力学性能见表1 1 和表1 2 。 目前，国外的x 7 0 钢级管线钢厚板、卷板、钢管已经大批量生产出柬 并被投入使用，技术完全成熟：x 8 0 钢级已被成功丌发出柬，并被投入陆 上管线建设中( 低温环境用、特厚壁钢管除外) 。主要技术问题已经解决，但 还没有进入批量生产，只是在小规模的使用阶段；x 1 0 0 也研制成功，但是 在设计、焊接等方面还需进一步研究、完善：x 1 2 0 钢级只是限于个别厂家， 还处于摸索阶段f 9 。 表1 1 曲气尔输管道j ：程x 7 0 管线钢典型化学成分 t a b l e1 - 1t y p i c a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fx 7 0 p i p e l i n e $ t e e j cs lm nc rm on jn bvt ic up 宝钢00 502 0l5 60 0 2 6 02 1 0 1 400 4 5 0 0 3 200 1 60l80 0 1 4 武铡 0 0 5o2 l15 500 2 l 0 2 70 2 30 0 4 700 3 800 i8o2 100 1 0 伟友 00 7o1 516 200 2 0 0 l02 00 0 3 50 0 500 2 202 800 i i 德国00 802 7l5 70 0 600 l0 0 300 400 7 0 0 1 3 0 0 30 0 l l 爱求值00 903 5l ，6 50 2 5 0 ，3 0 03 000 8 00 6 00 2 5 03 0 00 2 0 沣：m n 的允许最人含量n c 含量每减少00 1 口r 以增加0 0 5 ，但拒产- f 2 1 分析中m n 古互_ 小甜 超过17 5 * 0 。c r - m o + m n 的总含量不应超过m n 的蛀人允许古量+ 02 0 表1 - 2 两气东输管道工程x 7 0 管线钢典型力学性能 t a b l e1 1 2t y p i c a lm e c h a n i c a lp r o p e a i e so f x 7 0 p i p e l i n es t e e l 壁厚 取样 屈服强度 抗拉强度 生产j 寡仲k 书( )冲 i j j 忡肛强比 ( m m ) 位置 ( m p a ) ( m p a 】 ，i 铡 1 46 横向5 2 56 4 43 7 3 4 1 j 2 0 c 08 2 止c 悄1 46横向5 3 96 5 94 2 4 0 2 1 一2 0 08 2 | | 奉住发 2 i 横向 5 3 26 2 74 09 2 9 7 2 0 08 5 德国 2 1 横向 5 0 7 6 0 74 05 2 6 7 2 0 c 08 4 要求值 4 8 5 6 2 05 7 0 0 壁厚仃关1 4 0 0 2 0 0 9 0 目前石油、天然气等的长距离输送管道所用的管线钢管有两种：螺旋 燕山大学工学硕士学位论文 埋弧焊管和直缝埋弧焊管【1 0 1 。由于螺旋埋弧焊管是以带钢为原料，壁厚有 限，钢级提高受到材料热处理的限制，加之螺旋埋弧焊管存在着焊缝长、 残余应力较大、焊缝可靠性差等难以克服的缺点，随着对油气输送钢管要 求的不断提高，正逐渐被大口径直缝焊管所取代。近年来，我国油气长距 离输送管道以及海底管道、输煤管道、跨国油气管道等的建设，也要求全 部和大部分采用直缝埋弧焊管。螺旋焊管面临着两种命运，一为淘汰，二 为改造i ”i 。 然而。国产大口径直缝焊管制造技术还比较落后，国内只有少数厂商 具有大口径直缝焊管生成能力，而且均采用进口设备生产，不能满足国内、 国际上对大口径直缝焊管的需求。为改变这种状况，必须尽快发展大口径 直缝埋弧焊管技术，开展广泛的研究，研制出具有先进水平的大口径直缝 焊管机组，生产出高质量的直缝焊管，满足我国发展的需要。大口径直缝 埋弧焊管以热轧钢板为原料制成，典型制管工艺流程如图1 1 所示。 钢扳 1 探伤叶 刨边一管简成形一顿姆 j 内缝焊接 一一外缝焊接卜_ 超卢波检查广1 x 光榆查 一 【-v一一，j l 一 一清洗l 厮扩莅_ - i i 洗 l 厂j 凉试磊l 丁超声波榆查 一x 光榆盎一平头倒棱一无损探伤，一称量检查入库 幽1 - 1大直径直缝埋弧焊管制造工艺流程 f i g i if l o wc h a r to f p r o d u c t i o np r o c e s so f l a r g ed i a m e t e rl o n g i t u d i n a ls a wp i p e 根据管坯成形方法不同，大口径直缝埋弧焊管制造方法有u o e 成形法 ( u o e ) 、排辊成形法( c f e ) 、辊弯成形法( r b e ) 、j c o e 成形法( j c o e ) 、c e 成形法( c e ) 、和折弯成形法( p f e ) 等 1 2 1 4 。不同的成形方法，具有不同的技 术特点。在制品规格、生产能力、投资规模甚至制品品质等方面，都存在 着明显差别。 其中u o e 是目前国际市场上质量最好、可靠性最高、口径范围最宽的 管线钢管制造技术。u o e 是以热轧宽厚板为原料，通过弯边、u 成形、0 4 第1 章绪论 成形和对埋弧焊管管坯扩径等成形工序制造大口径厚壁直缝埋弧焊管的一 种工艺i l “。u o e 焊管在精度和机械性能等方面明显优于螺旋焊管：u o e 成 形工艺在生产率和工艺能力方面又明显优于r b e 、j c o e 等其它直缝焊管生 产工艺，其产品适用于最苛刻的铺设环境。与采用其它工艺生产的焊管比 较，u o e 焊管不仅可以降低壁厚，提高工作压力，而且具有良好的低温韧 性，是海底管线、工业交通密集地区、穿越河流地段、大落差地段和经过 地震区等复杂地质地段高压长输管线的首选对象，也是煤浆、矿浆等粘稠 介质输送的合格用管。 近年来，国内的石油天然气输送焊管发展较快，大口径直缝焊管机组 已建、在建和筹建的共有8 9 套，总生产能力约3 0 0 万吨a 以上，大中性 e r w 机组( 0 3 5 5 、( 1 ) 4 2 6 、0 5 0 8 及筹建的0 6 1 0 机组) 将有1 0 余套，生产能 力也可达到2 0 0 万吨a 以上，共有5 0 0 6 0 0 万吨的生产能力。据预测，在 数量上已经超过了我国发展石油天然气输送管的市场需求；但在制管质量 ( 包括板带质量) 上有待于进一步提高。例如l s a w 管要发展u o e 管型：俄 罗斯联合冶金公司已与2 0 0 3 年4 月同德国s m a m e e r 公司引进0 5 0 8 0 1 4 2 0m m 大口径油气输送设备u o e 机组，年产4 0 万吨。所以，我国建 一套高水平的u o e 生产线是必要的。 目i j i ，国内华北巨龙钢管厂已经能够生产高品质的j c o e 管线用钢。 但是，u o e 大口径直缝埋弧焊管生产技术在我国尚需进步发展。随着科 学技术的进步，我国有必要对国际技术界公认质量最好、可靠性最高的u o e 制管工艺及其成组技术进行系统、深入的研究，并积极开发包括机械扩径 在内的各项技术。 1 3 机械扩径工艺 1 3 1 机械扩径工艺的特点 机械扩径是在扩径模具的作用下，使管坯直径扩大的一种塑性成形工 艺 i , 4 , 1 0 1 ，机械扩径的工作原理如图1 2 所示( 1 6 l 。 5 燕山大学工学硕士学位论文 i 管坯2 扇形模具3 斜块4 楔形体5 扩径轴 图1 - 2 机械扩径原理 f i g 1 - 2p d n c i p l eo f m e c h a n i c a le x p a n d i n g 由于管线钢管较长，所以机械扩径是分段进行的。由图l 一2 可知，机械 式扩径机的关键部件扩径头由扇形模具、斜块、楔形体组成。扇形模 具固定在斜块上，斜块与楔形体相联，楔形体通过扩径轴与液压缸活塞杆 相联接。当液压缸活塞带动楔形体向右移动时，扇形模具向外扩展。扩径 力借助斜块通过扇形模具作用在钢管上，从而使一段钢管得到扩径。当活 塞和楔形体向左移动时，钢管与扩径模具脱离开，以便再次送进，进行下 一段钢管的扩径。 机械扩径既可以扩制管坯的端部，也可以沿焊管全长扩径。目前世界 上普遍采用的扩径机主要为机械扩径机，与液压扩径相比，机械扩径有以 下的优点i l6 j ： ( 1 ) 机械扩径可使钢管在全长范围内的内径均匀一致，不受管子壁厚和 屈服强度的影响，容易满足对钢管内径的严格要求，使管子在管道安装时 很容易对中，便于现场施工对接。另外，均匀稳定的内径可以较少管道的 流动阻力，提高管道的输送能力。而液压式扩径机是采用外模控制钢管外 径，不能保证内径尺寸，给管道旌工带来诸多不便。 ( 2 ) 机械扩径每一步只扩一段( 一般长9 0 0 10 0 0m m ) ，所以能量利用率 非常高，从而能扩胀大壁厚、高屈服强度的大直径钢管。而液压式扩径机 为整体式扩径，使扩径设备所承受的轴向力和径向力较大，给设备的设计 与制造带来困难。 6 第1 章绪论 ( 3 ) 机械扩径可以在一定范围内，不需要调节即可扩胀不同长度的钢管： 而液压扩径则对不同长度的钢管有管端密封的问题。 f 4 ) 机械扩径机可以采用套模具扩制一定壁厚范围和不周模具规格内 的钢管，而液压扩径需要根据扩径钢管不同的规格更换不同的模具，所以 其模具数量较多，设备造价较高。 ( 5 ) 机械扩径在扩径过程中，可以用视觉直观观察钢管的扩径情况。如 果发现钢管有裂纹，可以马上停止扩径，从而避免局部裂纹延伸。将裂纹 除去或修补后，钢管仍可以进行扩径和使用。液压式扩径机在扩径过程中， 因钢管是包容在模具内的，无法观察到钢管的扩径情况，容易使扩径钢管 的小裂纹发展、延长。 ( 6 ) 机械扩径在扩径头上加工有凹形槽，并可以将其对准钢管的内焊缝 因为不需要外模具，所以钢管临近焊管的部分不需要整平。 ( 7 ) 机械扩径机可以使钢管的管端在扩径的同时被整圆使管端不会缩 陷，从而保持较高的圆度、降低椭圆度；而液压式扩径机，由于钢管的外 焊缝与外模具接触，使焊缝附近的管壁凹陷，破坏了钢管的圆度。 ( 8 ) 经机械扩径的钢管，其管端形状和几何尺寸较好，对现场环焊有利： 而液压式扩径在扩径时，与密封头接触部分的管端扩径效果同钢管中问部 分的不一致，增加了现场施焊的难度。 ( 9 ) 机械扩径机的扩径头可以通过行程调整，来补偿模具磨损：而液压 扩径机的模具磨损后，需要从新加工制造。 1 3 2 机械扩径工艺的研究现状及存在的问题 机械扩径是制造大口径管线钢管的最后一道成形工序。机械扩径包括 机械扩径工艺和机械扩径设备两部分。国内的锻压成型设备制造技术、尤 其是液压机和机械压力机的制造技术，已经步入了世界先进行列，所以我 国缺乏的是机械扩径的核心技术机械扩径工艺技术。 在我国，关于楔块扩孔在大型环类锻件生产和板料冷压成形工艺中都 有成功应用的实例【 一8 1 ，但是关于机械扩径这一专门的工艺技术，也只是 在近几年才有一些深入的研究。例如，分析了扩径力的和扩径行程的计算 7 燕山大学工学硕士学位论文 方法，从理论上分析了机械扩径的成形条件：采用有限元数值模拟的方法 对机械扩径横断面的和纵断面的变形过程和扩径工艺参数、模具形状参数 对成形件质量的影响进行分析；采用机械扩径工艺对大口径直缝焊管分段 扩径、螺旋焊管管端扩径进行实验研究【 9 - 2 5 1 等等工作。 关于扩径力的计算方法很多资料给予推导。文献【2 】推导了刚性模胀形 力计算公式，文献1 2 6 1 和文献 2 7 1 也分别给出了扩径力的计算方法，有关管 线钢管制造技术文献上也公开发表了扩径力的计算公式i i 0 2 8 , 2 9 i 。以上文献均 没有考虑扩径率和未变形部分刚端的影响。文献【2 0 从材料性能和刚端影响 两方面对机械扩径力计算公式进行了修正，并通过与实验对比验证了公式 的正确性。同时在文献中还推导了扩径行程的计算方法并与数值模拟结果 对比验证了其正确性。但是在关于回弹对扩径行程的影响方面没有作出更 深入的研究，给出的公式也不够完整。尽管如此，这已是目t i i f t ? , 较完善的 扩径力和扩径行程的计算方法。 在文献 1 9 1 t 9 作者运用大变形弹塑性有限元分析软件m a r c ，对管线钢 管机械扩径过程进行数值模拟，着重分析了扩径模具的扇形角对扩径过程 的影响。在文献 2 2 1 0 0 作者系统的分析了扩径模具的结构参数与成形件品质 之间的关系，并提出了相对凸模的概念，给出了相对凸模半径的设计原则。 这对模具的设计起到了一定的指导意义。 文献【2 3 】分析了模具边缘圆角半径和尾部形状参数对制品质量的影响 规律，并讨论了这些参数与制品轮廓形状、椭圆度和壁厚之间的关系，给 出了模具边缘圆角半径和尾部圆角半径较好的取值范围，为扩径模具的设 计提供了理论依据，一有定的参考价值。同年文献 2 4 1 通过有限元数值模拟 和实验，研究了扩径率和重叠量对制品质量的影响及其规律。文献 2 5 1 对机 械扩径的主要工艺参数及其对扩径质量的影响进行了详细的论述，为扩径 机组的开发提供理论依据。 文献 3 0 1 就大口径直缝焊管扩径工艺也提出了一些问题。例如：机械扩 径过程中，由于扩径力的大小和钢管直径几乎没有关系，所以在扩小直径 钢管时，扩径头与扩径模具之间的接触面积较小，比压值升高：润滑不充 分，出现非正常磨损。因此，还要保证足够的润滑。 r 第l 章绪论 在国外，关于管线钢管机械扩径工艺，除了少数几篇技术讲座型的文 献之外【2 9 】，尚没有详尽的研究报告公开发表。1 9 8 2 年出版的现代钢锊 生产1 2 8 , 概括性的将国外大直径直缝埋弧焊管的制造技术、包括管线钢 管机械扩径技术介绍到国内。近年来也有学者开始就机械扩径对制品几何 精度和表面质量、对扩径制品残余应力的分布、以及零件村质、工艺参数 等因素与制品精度之间的复杂关系等问题进行研究。不过目前这方面的研 究成果还比较贫乏。 在国外有关资料说明扩径到钢管直径的l 1 5 之间就可以消除钢 管的成形残余应力和提高圆度、直度。根据这一经验数据，在控制扩径范 围方面，主要通过调整油缸行程来实现。但同一批钢板的属服强度蔗别很 大，如何保证其回弹后的尺寸，仍待进一步研究 。 虽然近几年来我国对机械扩径工艺的研究方面做了很多工作，取得了 一定的成果。但是，由于受研究条件的限制，对于工艺参数和模具形状参 数的研究也只是停留在单参数定性分析的基础上，仅局限于数值模拟的硼f 究。对参数做定量分析，建立扩径量与模具参数的最优匹配关系更具仃耍 际意义。关于机械扩径工艺参数优化，至今还没有这方面的报道。本课题 填补了这一空白。本文以m a r c 软件和优化算法相结合，为机械扩径过程 优化出一组较好的参数组合，为工艺参数的选择和模具的设计提供了技术 支持。 1 4 本文的研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目“管筒形零件机械扩径精确成形 的理论与应用基础研究( 批准号5 0 4 7 5 0 8 0 ) ”，本文通过数值模拟和优化对箭 线钢管机械扩径工艺进行更加深入细致的研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 推导机械扩径时扩径模具的行程计算公式及机械扩径机主液l i 缸的 行程表达式。 f 2 ) 对0 14 2 2 x 2 5 4 i n l f f l 、西l0 1 6 1 6 i n i n 、0 8 1 3 1 4r l l n - i 、0 6 1 0 x 1 3 m m 和0 5 0 8 1 3m m 制品规格的管线钢管的机械扩径成形过程进行数值模 拟，分析在机械扩径过程中，模具形状和扩径变形程度对成形精度的影响 9 燕山大学_ - i = 学硕士学位论文 规律。 ( 3 ) 用p y t h o n 语言设计遗传算法程序并实现与m a r c 分析软件结合 对机械扩径成形工艺参数进行优化。 1 0 第2 章机械扩径的成形过程 第2 章机械扩径的成形过程 本章主要对机械扩径的成形过程进行分析。首先，对机械扩径的扩径 行程计算公式进行推导和修正，然后利用大型有限元软件m a r c 对机械扩 径的成形过程进行数值模拟分析机械扩径的变形机理和变形特征。 2 1 扩径行程计算 由于需要扩径的管坯具有一定的椭圆度，为便于处理，把管坯断面作 为椭圆环处理。机械扩径时，扩径行程被定义为扩径模具在管坯短轴方向 的径向位移，是控制管坯变形量和制品质量的一个重要参数2 0 1 。 2 1 1 扩径行程公式的推导 把机械扩径过程分为整圆和扩径两个阶段。整圆阶段，管坯的长轴缩 短、短轴伸长，主要表现为管坯断面形状的变化：扩径阶段，管坯直径扩 大壁厚减薄，主要表现为管坯断面尺寸的变化。其变形过程如图2 - l 所示。 扩衽打程同掸量 1 管坯2 扩径模具 3 楔形 ( a ) 初始状态 ( b ) 整圆( c ) 扩径 ( d ) 扩径制品 图2 - 1 变形过程示意 f i g 2 - li l l u s t r a t i o no f d e f o r m a t i o np r o c e s s 文献【2 0 和文献【2 5 】给出了两种不同扩径行程的计算方法。本文考虑到 扩径行程计算精度对扩径成形精度具有十分重要的影响，进一步考虑了对 扩径行程计算精度具有影响的因素，重新推导了扩径行程的计算公式。 1 1 产 毒 扩 燕山人学工学硕士学位论文 由于管坯被看作椭圆管坯，所以其椭圆方程为 x2 a 2 + 鲁= - ( 2 - ，) + 矿2 1 ) 式中d 管坯中性层的椭圆长轴半径 b 管坯中性层的椭圆短轴半径 ( 1 ) 整圆行程在整圆阶段模具使管坯产生弯曲变形，椭圆管坯的小曲 率段向内弯曲，曲率半径减小；大曲率段向外弯曲，曲率半径增加，最终 使其各个部分的曲率半径趋于一致，椭圆断面变形为圆断面。 整圆行程墨可表示为 s l = r 。一b( 2 - 2 ) 式中r 管坯的名义中径 因为椭圆断面中性层的周长p 可以表示为 p = 石2 ( 口2 + 6 2 )( 2 - 3 ) 管坯的名义周长 p o = 2 n - r o ( 2 4 ) 管坯从椭圆变成圆后 p = p 。( 2 5 ) 所以可得 耻华( 2 - 6 ， 引入描述管坯断面形状参数圆度误差五为 a = 日一b ( 2 - 7 ) 圆度误差与管坯几何参数之间的几何关系为 卜半p 。， h = a b 从方程组中解出b 带入式( 2 2 ) ，有 1 2 第2 章机械扩释的成形过释 耻刊，一厮4 t r o ) c z 。， ( 2 ) 扩圆行程扩径阶段管坯直径变大，壁厚减薄。模具的扩圆行程s ， s 22 口r + ( ，。一，)( 2 1 0 ) 口名义扩径率口= 口。+ a 。 g 。回弹率 口。扩径率【3 1 l 假设扩径阶段壁厚均匀变薄并为平面应变状念，根据体积不变原理呵 r o ，o = r 。， ( 2 1 1 ) 式中r 。制品的平均半径 尺。= ( 1 + a 。) r o ( 2 1 2 ) 由式( 2 11 ) 和式( 2 一1 2 ) 可得 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 0 ) 可得 耻甜 蔫 ( 2 _ 1 4 ) ( 3 ) 扩径行程由式( 2 9 ) 和式( 2 1 4 ) 十1 t 加即可得到扩径行程的计算公 式。鉴于机械扩径的优点，用一套模具可以扩制一定壁厚范围内不同规格 的管坯。那么，模具的外接圆半径在与管坯的内壁相接触时有两种情况： 与管坯的内壁短轴尺寸相比，模具半径较小时为点接触，模具半径较大时 为荫角点接触。如图2 - 2 所示，扩径行程公式应该给予修正。修正后的扩 燕山大学工学硕士学位论文 踞纠一网卜。+ 羔+ 血p 其中r 为扩径模具与管坯内径相接触时，实际管坯小径段内表面与模 具外接圆问的间隙，如图2 2 所示。 7 ，、 图2 - 2 模具与管坯初始接触状态不葸 f i g 2 - 2i l l u s t r a t i o no f i n i t i a lt o u c hc o n d i t i o nb e t w e e nd i ea n db i l l e t 对a r 的推导过程如下： = ( 扛丽磊百哥面酉i 丽一a t b ls i n o ) 擂磊虿丽 o = ，+ 卢2 鬲砺雨菰r + d 面示 d = s i n 詈( 岛一a r 一月+ 厶) 上0 = 扛【万i 匹万j 忑而而一r c o “a 2 一a r c s i n p ( r - r ) ) ) ， r j，爹j疗 ，、 b 1 q 第2 章机械扩径的成形过程 式中口扇形角 r 模具边缘圆角半径 短轴上的模瓣圆心与模具中心的距离 。模具合拢时短轴处模瓣的圆心与模具中心的距离 d 两相邻模瓣间距离的一半 d ，管坯内侧的椭圆长轴半径 b 管坯内侧的椭圆短轴半径 尺模具最小外接圆半径 r 模具半径 其中y 、口、0 为辅助角，如图中所示。 所以 因此，扩径行程公式为 a r = b + l r ( 2 - 1 6 ) 丽卜。+ 赫呐一椰， 此扩径行程的公式只是在对钢管作数值模拟时适用。在实际扩径中扩 径模具处于收拢状态，是靠控制液压缸的行程来给刚体施加位移的。那么， 实际扩径行程为 s = ( s ，+ b l + l o 一，一r ) c t g , + ， ( 2 - 18 ) 式中口锥体的锥角【2 6 1 卜一拉杆长度变化补偿量，其表达式为 f _ 删f i ( 2 - 1 9 ) 式中f 机械扩径时施加于锥体上的轴向作用力 卜一拉杆长度 e 弹性模量，数值由实验测定 a 拉杆横截面积 5 一i l o 足 + 兄一2 = s 燕山大学工学硕士学位论文 2 1 2 扩径行程公式的验证 机械扩径中液压缸的行程公式可以用计算值与实验值对比加以验证。 扩径行程公式的正确性可以通过计算结果与数值模拟的结果的对比束验 证。如表2 - 1 所示，外径最大相对误差仅为o 1 。 表2 - 1 计算结果和数值模拟结果对照 t a b l e2 - 1t h er e s u l tc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r yc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 序 管坯计算结果 数值模拟结果相对误差( ) 号 中衽 壁厚 椭圆度( ) 扩径率 外径( n u n )平均外径( m m ) 外栉 ( r a m )( m m ) ( ) l05 03 3 4 3 6 00l l l 210 03 3 47 3 8- 00 0 i 3l5 0 1 5 03 3 47 3 3 3 3 47 5 l一00 0 5 425 03 3 47 5 60 0 0 7 5 30 03 3 45 3 700 5 9 60 3 03 3 0 9 4 63 3 13 6 80 1 2 8 3 2 2 77 - 3 708 03 3 2 5 2 43 3 28 8 6- 0 1 0 9 81 0 03 3 3 1 5 4 3 3 35 1 9 - 01 1 0 9 30 0 l5 03 3 47 3 3 3 3 50 4 900 9 4 1 020 03 3 63 l l 3 3 65 8 200 8 l l | 25 03 3 78 6 03 3 8 l2 000 6 8 1 230 03 3 9 4 7 l3 3 9 7 5 2- 00 8 4 1 34 8 71 35 0 85 0 80 9 5- 00 1 9 1 45 8 8 1 3 6 1 0 6 i 0 4 3 0- 0 ，0 7 0 i57 8 71 4 20 0i5 0 8 1 3 8 l23 7 7 00 7 7 1 6 9 8 51 6 1 0 1 6 1 0 1 67 6 600 7 9 1 71 3 7 72 5 41 4 2 21 4 2 31 6 5 800 8 2 2 2 有限元数值模拟模型 机械扩径的成形过程是一个复杂的塑性变形过程，有些限制条件对实 际变形过程的影响很小，因此本文可以进行一些必要的简化和假设。模型 的简化及假设如下： 1 6 第2 章机械扩径的成形过程 ( 1 ) 材料模型简化为双线性强化模型。 ( 2 ) 忽略在扩径过程中的温度变化及热效应对管坯性能的影响。 ( 3 ) 采用v o n m i s e s 屈服准则、各向同性硬化法则和p r a n d t l e r e u s s 关联 流动法则描述塑性。 ( 4 ) 摩擦采用库仑摩擦模型，且假设整个过程中摩擦系数保持不变。 2 2 1 材料模型 本文研究对象的材质为x 6 0 ，是a p ls p e c5 l 标准的x 系列的微合会 化低碳高强度钢。其化学成分和力学性能分别见表2 2 和表2 3 。 表2 - 2x 6 0 管线钢的化学成分 t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f x 6 0 s t e e lf o rl i n e p i p e 成分 cm ns i psc rm ovc u 0 0 610 40 2 2 o 0 1 20 0 0 20 0 1 40 0 1 0 0 0 2 2 0 2 3 含量 - - 0 0 81 0 6- 03 0 - - 0 0 1 5- 4 ) 0 0 3- - 0 0 2 7 0 0 1 2m 0 2 7 - - 02 5 成分 n ib n b + n + v c e p p e q t inn ba l 0 0 0 80 0 0 30 0 6 80 2 70 1 40 0 0 90 0 0 40 0 3 40 0 3 0 含量 加0 1 2加0 0 0 0 4加0 7 5加3 0 0 1 7加0 1 4- 4 ) 0 0 5- 4 ) 0 3 8- - 00 5 2 表2 - 3x 6 0 管线钢的力学性能 t a b l e2 - 3m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f x 6 0 s t e e lf o rl i n e - p i p e 屈服强度抗拉强度延伸率冲击功中均功 项目 ( m p a ) ( m p a )( l ( j 2 04 c 1 0 ，2 06 c ) 数值4 7 0 5 i55 5 5 - - 6 0 03 8 o - - 4 1 01 4 0 - - 2 0 01 4 3