基于ABAQUS的雙徑冷拔模具對流體管冷拔成形精度分析*

閔小明， 歐陽八生

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421000)

0 引 言

流體管廣泛應用于石油、化工、天然氣等行業(yè)，它分冷拔鋼管和熱軋鋼管兩種，隨著流體管正在向“大口徑、高壓輸送、高鋼級管材”趨勢發(fā)展，冷拔流體管使用越來越多，質量要求也越來越高，其尺寸精度見表1(參照GB/T8163-2008)[1]。傳統(tǒng)冷拔流體管方法多采用固定短芯頭拉拔模具，其單道次拉拔能達到的精度等級為：外徑尺寸偏差為D2級，壁厚尺寸偏差為S2級。但近年由于流體管、液壓系統(tǒng)鋼管、汽車用鋼管等精度要求的提高，固定短芯頭冷拔模具單道次拉拔已經(jīng)難以滿足精度要求。

影響冷拔成形精度的因素很多，如預處理[2-3]、拉拔模具的結構[4]、冷拔方法和工藝[5-6]等。為了提高冷拔精度，國內外學者進行了大量研究并取得了一定的效果，如: 反張力拉拔、強潤滑拉拔、無模拉拔、輥式模拉拔法、超聲波振動拉拔、可變徑模具拉拔等等[7]。但這些工藝方法要么拉拔工序復雜，要么拉拔成本較高，效率較低。

介紹了一種新型雙徑冷拔模具，將兩道次拉拔合并成一次，既滿足了冷拔的高精度要求，又節(jié)約了時間、提高效率。以冷拔φ146×7 mm流體管為例，利用ABAQUS對兩種不同模具冷拔過程進行模擬仿真，分析對比不同直徑的坯料在兩種冷拔模具(固定短芯頭、雙徑模)拉拔下的成形精度，結果表明：在同等條件下，采用雙徑模具能夠拉拔出外徑精度與壁厚精度更高的流體管。

1 冷拔條件

(1) 坯料材料選用20號鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。坯料尺寸為φ146×7 mm，拉拔尺寸為φ140×6 mm。根據(jù) GB/T8163-2008中熱軋鋼管的標準，坯料外徑尺寸允許偏差為±1%Dmm，坯料壁厚尺寸允許偏差為為±12.5%S，即坯料的外徑尺寸144.54～147.46 mm，壁厚尺寸6.125～7.875 mm。在冷拔前，坯料已進行酸洗、磷化、皂化等預處理且預處理工藝已進行優(yōu)化，摩擦因數(shù)取為0.05[3]，如表1所列。

表1 GB/T8163-2008冷拔鋼管的精度要求

(2) 模具材料選用42CrMo超高強度鋼，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。

兩種模具結構示意圖如圖1，結構尺寸見表2。其中，在雙徑模具結構圖中，由于管材磷化膜經(jīng)過前道次拉拔之后已被破壞，所以模具在前后兩道次中間增加一個強制潤滑液孔，為后道次拉拔注入潤滑液，以抵消后道次拉拔中因磷化膜破壞而增大的摩擦力。

圖1 兩種模具結構示意圖

尺寸雙徑模具固定短芯頭模具α(°)1515β(°)15h1(mm)2525h2(mm)25R1(mm)71.369.7R2(mm)64.864.2r1(mm)69.7r2(mm)64.2

(3) 冷拔速度v=9 m/min。

2 冷拔有限元模型的建立

模型建立的假設前提：?？诪槔硐雸A環(huán)形; 坯料內部組織均勻; 冷拔速度均勻。由于坯料和模具為軸對稱結構，為簡化分析，取冷拔時的縱截面的一半進行分析，將三維問題轉變成二維問題。接觸類型為摩擦接觸。為了充分地模擬實際情況，并消除沖擊對頂端尺寸的影響，在模擬的過程中，將前后端倒R2圓角，建立的二維有限元模型( 坯料直徑為φ146×7 mm) 如圖2，網(wǎng)格單元整體尺寸都為1，單元類型為CAX4I，即四節(jié)點四邊形雙線性非協(xié)調軸對稱單元。

冷拔時，對冷拔內外模具施加固定約束，即在冷拔的過程中模具固定不動; 坯料整體沿Y方向下移Xmm(固定短芯頭模具冷拔模擬中，坯料下移150 mm，用時1 s；雙徑模具中坯料下移225 mm，用時1.5 s)，用以模擬冷拔時的拉拔過程。通過管材的軸向位移和時間來控制冷拔速度，模擬速度為9 m/min。

圖2 兩種模具冷拔鋼管的網(wǎng)格劃分

3 兩種冷拔模具對拉拔成形尺寸精度摸擬結果分析

3.1 外徑偏差分析

坯料最終形變云圖如圖3所示，可以看出越靠近外壁表面，徑向變形量越大，外表面的變形量最大，且坯料軸向截面的變形量各不相同。

圖3 坯料最終形變云圖

對3種不同尺寸的管材坯料在兩種冷拔模具模擬分析，得到的外壁最大變形量如表3所示，可以計算出坯料冷拔后外徑尺寸偏差，見表4。

從表4可以看出，坯料外徑尺寸越大，其外徑變形量也越大，其外徑成形尺寸與目標尺寸φ140 mm偏差越大。依據(jù)GB/T17395-2008中管材標準化外徑偏差等級劃分，坯料在經(jīng)過固定短芯頭冷拔模具拉拔后，外徑偏差等級可達到D2級(±1.0%D)；而雙徑冷拔模具外徑偏差等級可達到D3級(±0.75%D)。

3.2 內壁偏差分析

選取基本尺寸φ146×7 mm的坯料，在兩種模具冷拔模擬中，對其徑向變形情況進行分析。在圖3所示管材內壁ABC三個區(qū)域內表面，各取一個單元格，利用有限元軟件分析得到單元格即內壁隨時間的徑向變形情況，如圖4所示。

圖4 基本尺寸坯料內壁單元格隨時間的徑向變形

同理，可得到最大和最小尺寸坯料的內壁隨時間的徑向變形情況，根椐坯料內壁變形量與壁厚成形尺寸的關系式(1)，計算出各坯料壁厚成形尺寸如表5所示。

SC=DC-(DP-SP-Δ)

(1)

式中：SC為壁厚成形尺寸；SP為坯料壁厚尺寸；DC為外徑成形尺寸；DP為坯料外徑尺寸；Δ為內壁變形量。

表5 坯料壁厚成形尺寸 /mm

從表5可以看出，坯料壁厚尺寸越大，其內壁變形量越小，其壁厚成形尺寸與目標壁厚尺寸6 mm偏差也越小。依據(jù)GB/T17395-2008中管材標準化壁厚偏差等級劃分，坯料在經(jīng)過固定短芯頭冷拔模具拉拔后，其壁厚偏差等級可達到S3A級(±10%S)；而雙徑冷拔模具壁厚偏差等級可達到S3C級(-10%S)。

4 結 論

(1) 坯料尺寸對拉拔成形的影響：對于兩種模具，坯料外徑尺寸越大，其外徑變形量增大，外徑尺寸偏差也越大；坯料壁厚尺寸越大，其內壁變形量減小，成品壁厚尺寸偏差越小。

(2) 模擬分析拉拔成形精度：固定短芯頭模具拉拔鋼管，成品外徑偏差等級為D2級，壁厚偏差等級為S3A級；雙徑模具拉拔模具拉拔鋼管，成品外徑偏差等級可達到D3級，壁厚偏差等級可達到S3C級。其結果表明，在同等情況下，雙徑模具比固定短芯頭模具冷拔出的鋼管外徑精度提高一個等級，壁厚偏差可減小52.76%。

因此，雙徑冷拔模具可用在冷拔流體鋼管、液壓系統(tǒng)鋼管、汽車用鋼管等高精度鋼管的拉拔，有利于保證質量，提高效率和和降低成本。