4140無縫鋼管冷拔生產工藝的數值分析

王俊杰，張尚毅，龐德禹，王明家，周曉宏

(1.揚州誠德鋼管有限公司，江蘇揚州 225200；2.燕山大學，河北秦皇島 066004； 3.安徽省春谷3D打印智能裝備產業技術研究院有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

冷拔是生產精密、薄壁和高機械性能高端鋼管的有效方法[1]。但由于研究方法的限制，生產廠家通常通過生產經驗來確定冷拔鋼管的生產工藝參數[2]。工藝優化比較滯后，導致生產中，鋼管拔斷、開裂事故[3]。特別是冷拔過程中鋼管容易發生橫裂現象，以及鋼管縱裂問題[4]。

冷拔過程中鋼管的應力應變分布狀態、鋼管內部金屬流動規律以及實際的拔制力對鋼管冷拔質量有較大的影響，國內學者對冷拔過程進行了物理模擬與計算機模擬[5-7]，劉傳璞等[8]在冷撥鋼管過程采用縮減鋼管直徑方案，獲得所需的機械性能，在實際生產中應用。

為了研究鋼管拔制過程中實際的應力應變分布以及金屬的流動問題，本文利用數值模擬的方法對鋼管的冷拔過程進行計算，分析了應力、應變分布，金屬流動以及拔制力的變化，優化設計模具結構，為實際生產提供參考。

1 模型建立及模擬參數的設置

1.1 冷拔簡化模型

生產中冷拔外模的入口錐角度α和定徑帶寬度b對冷拔管質量具有較大的影響，因此將入口錐角度α設置在8°～16°之間，定徑帶寬度b設置為15、20、25、30 mm等，計算2個參數變化對4140無縫鋼管冷拔的影響。管坯計算長度為實際生產總長的1/10，以便節約計算時間。模型如圖1和圖2所示。

(a)管坯模型

圖2 模具與管件模型組合

1.2 模擬參數的設置

以冷拔前的鋼管規格OD385 mm × 50 mm進行模擬計算，該管通過一道冷拔工序將達到目標尺寸：OD355.6 mm × 44.45 mm；冷拔外模與內模由于變形量很小，在冷拔模擬過程中設置為剛體；冷拔速度為10 mm/s。初始模型的參數設置為: 管坯和模具初始溫度為20 ℃，模具溫度25 ℃，剪切摩擦因數0.1，管坯與模具間傳熱系數5 W/(m2·℃)，管坯與環境間傳熱系數 0.02 W/(m2·℃)。

管坯材料流動應力的溫度、應變、應變率函數如圖3所示。

(a)20 ℃

2 結果與討論

2.1 應力分析

圖4為鋼管入模階段的應力分布圖。由圖4(a)可以看出，鋼管入模時的最大軸向拉應力位于鋼管外壁與外模入口錐接觸的部位，最大軸向壓應力位于內模前端與鋼管內壁的接觸部位，鋼管外壁的最大軸向拉應力區對應于鋼管內壁的最大軸向壓應力區。由圖4(b)可以得出，鋼管入模時，鋼管的內壁與外壁都承受橫向壓應力。圖4(c)表明，鋼管入模時，最大徑向拉應力位于外壁與外模入口錐接觸的部位，最大徑向壓應力位于內模后端與鋼管內壁的接觸部位。

(a)軸向應力分布

圖5為鋼管穩定冷拔階段的應力分布。由圖5(a)可以看出，鋼管在穩定冷拔時，最大軸向拉應力位于外壁與外模入口錐接觸的部位，最大軸向壓應力位于內壁與內模定徑帶接觸的部位，軸向壓應力沿壁厚從內向外逐漸減小。由圖5(b)可知，鋼管與外模及內模接觸的部位都承受橫向壓應力。由圖5(c)可知，最大徑向拉應力與壓應力均位于鋼管的外壁，最大徑向拉應力位于外模入口錐與管坯外壁的接觸部位，最大徑向壓應力位于外模定徑帶與管坯外壁接觸的部位。鋼管在冷拔過程中受到外模與內模的擠壓，因此，鋼管在冷拔過程中產生的徑向壓應力比較大，且位于管坯與模具定徑帶的接觸部位。

(a)軸向應力分布

2.2 應變及金屬流動分析

圖6為冷拔應變分布圖，冷拔過程中，應變主要集中在定徑帶處。由于該計算模型的減壁量為3 mm，壁厚值較大，因此，內壁的應變遠大于對應外壁的應變。

圖6 冷拔鋼管的應變分布

圖7為金屬的流動分布圖，冷拔過程中金屬沿著軸向流動，在定徑帶處，外壁金屬向里流動，內壁金屬向外流動，從而實現減徑減壁。

圖7 冷拔鋼管的金屬流動

2.3 拔制力分析

圖8為拔制力隨模擬步數的變化曲線，拔制分為冷拔入模階段、穩定冷拔階段及脫模階段。在入模階段拔制力逐漸增大，穩定階段拔制力上下波動，脫模階段拔制力逐漸減小到0。

圖8 冷拔過程的拔制力

2.4 入口錐角度α與定徑帶寬度b對冷拔的影響

表1為入口錐角度α對鋼管冷拔的拔制力、平均外徑、平均壁厚的影響。

表1 入口錐角度α變化的模擬計算結果

表2為定徑帶寬度b對鋼管冷拔的拔制力、平均外徑、平均壁厚的影響。

表2 定徑帶寬度b的模擬計算結果

圖9為拔制力隨入口錐角度和定徑帶寬度的變化曲線圖。

(a)入口錐角度

由表1、表2及圖9可以看出，冷拔過程中平均外徑與平均壁厚值都在工藝允許的范圍內，隨著入口錐角度及定徑帶寬度的增大，拔制力逐漸增大。如圖9(a)所示，隨著α的增大，冷拔變形劇烈，在強化鋼材機械性能的同時拔制力增大；如圖9(b)所示，在冷拔過程中，隨著定徑帶寬度的增加，導致摩擦力增加，從而引起拔制力增大；然而過窄的定徑帶容易使鋼管形成過大的彎曲度，對后續矯直不利且模具易損壞。因此，成品規格為OD355.6 mm ×44.45 mm的4140無縫鋼管冷拔模具的最佳參數為：入口錐角度α為10°，定徑帶寬b為25 mm。

3 結論

通過對4140無縫鋼管冷拔過程的數值模擬，得出如下結論：

(1)冷拔入模階段，最大軸向拉應力位于鋼管外壁與入口錐接觸部位，最大軸向壓應力位于鋼管內壁與內模前端的接觸部位；穩定冷拔階段，最大軸向拉應力位于鋼管外壁與入口錐的接觸部位，最大軸向壓應力位于鋼管內壁與內模定徑帶的接觸部位。

(2)隨著入口錐角度α的增大，冷拔變形劇烈；隨著定徑帶寬度b的增加，拔制力先快速增大，當b達到25 mm后，拔制力趨于穩定。通過綜合分析確定，成品規格為OD355.6 mm × 44.45 mm的4140無縫鋼管冷拔模具的最佳參數為：入口錐角度α為10°，定徑帶寬度b為25 mm。