无缝钢管局部径向模具塑性成形的物理模拟及模具优化
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）10-0300-02
无缝钢管局部径向模具塑性成形是管材深加工的一个重要发展方向，管材的塑性加工在现代工业生产中具有十分重要的地位。在无缝钢管局部径向模具塑性加工成形的实际生产过程中，经常出现无缝钢管局部塑性变形失控的问题，其局部变形超过材料的强度极限导致裂纹的产生，由于材料与模具接触工具形状的影响，材料产生流动导致压痕产生，无法获得所需要形状尺寸和性能的产品。无缝钢管在模具中的局部径向塑性成形机理是十分复杂的，坯料的各个部分在成形过程中都具有不同的功能，受力状态及变形性质也各不相同，相互间的作用和影响也非常复杂。研究其成形规律和控制方法，对无缝钢管在模具中局部径向塑性成形及控制将具有重要的意义。
一、无缝钢管局部径向模具塑性成形过程
前无缝钢管局部径向模具塑性成形加工是将钢管放在下模上，用顶部未开圆弧槽的凸模径向加载在钢管上，凸模做径向位移将钢管压制成所需的形状，其成形过程及出现的典型缺陷。
二、无缝钢管局部径向模具塑性成形物理模拟
1.物理模拟模具改进设计
通过无缝钢管局部径向模具塑性成形工艺分析及力学分析以可知，将集中载荷改变为面载荷，可以降低凸模对无缝钢管的不均匀压缩，减少应力集中，是防止无缝钢管局部径向模具塑性成形时失稳与开裂有效方法。为此，为防止成形时无缝钢管的塑性失稳与开裂，本文物理实验时对凸模进行了改进设计与制造，将凸模的顶部分别开半径为29mm（下称旧模具）、34mm（下称新模具）深度都为2mm的圆弧槽（圆弧槽的半径与被加工钢管的外径相同），从而保证凸模与无缝钢管之间的接触为面接触。
2.实验过程
实验开始前将无缝钢管表面均匀地涂上石墨并放入模具中，然后将其安装在本实验用的30吨微机控制电子万能材料试验机的活动平台上，试验环境温度为室温，实验中采用位移加载方式缓慢加载，由于加载速度很慢，可视为准静态过程。开启试验机后，由试验机的活动平台带动模具一起缓慢上升压载在钢管上，本次试验观察记录了每件试验件的成形过程，并记录了压载结束后的载荷值。
在预做实验中发现，钢管的成形质量与其壁厚t、压下量Δh之间的关系密切，因此本文把钢管壁厚与其外径之比 以及压下量与其外径之比
，分别叫做钢管的厚径比、相对径向压下量，并认为当模具参数一定时，它们是影响钢管成形质量的主要参数。因此实验过程中本文也主要对以下现象进行了观察与测量：
1.在模具中成形时无缝钢管的变形情况；
2.钢管的厚径比 、相对径向压下量 不同时，无缝钢管中部的塌陷与开裂情况；
3.凸模凹槽不同相对径向压下量 相同时及凸模凹槽相同径向压下量 不同时，无缝钢管压型面的压痕情况。
4.压载结束后的载荷值；变形后测量试件外形尺寸，变形区域横断面塌陷及裂纹情况。
三、实验现象观察与实验结果与分析
1.实验现象
当钢管厚径比 相同、工具形状参数一定时，Φ48mm×5mm×200mm的无缝钢管试件8件（新模具和旧模具各4件），从试验的过程看，试验重复性较好。在初始压载阶段，钢管的自由宽展部分首先发生弹性弯曲变形，钢管下部和凹模的接触面不断加大，当径向相对压下量 的增加到一定程度的时候，钢管与凸模凹槽两边接触的部位发生塑性变形，出现压痕现象，随着压载的进行，钢管自由宽展部位的弯曲变形进一步扩大，同时凹槽内部的钢管受到自由宽展部分的拉力作用开始向两边变形，钢管与凹槽的接触面也开始发生变化，钢管出现较明显的塑性变形，随着塑性变形区的扩大，钢管材料出现应变硬化现象，同时钢管塑性压扁，当钢管压扁达到一定程度时，钢管与凸模面接触的两端厚度增大，钢管中间部位基本成形，此时也达到要求的压载量。
新模具4件试验件的试验过程看，试验现象与旧模具基本一样，由其力位移曲线可以看出，新模具弹性模量明显比旧模具试验现象出现的弹性模量小，在零件成形后同样未出现开裂现象，且零件表面亦未出现明显的压痕。
2.实验数据
四、结论
根据无缝钢管在模具中局部径向塑性成形的特点及成形过程中容易出现的缺陷，进行了简要力学分析，在此分析基础上对模具进行了改进设计，并用改进设计后的模具对无缝钢管在模具中的局部径向塑性成形进行了物理模拟。通过对无缝钢管局部径向模具塑性成形的物理模拟结果分析，可以得到以下一些结论：
1.将凸模顶部开圆弧槽能解决无缝钢管局部径向模具塑性成形的开裂问题；
2.将凸模凹槽半径加宽可以减小或消除无缝钢管局部径向模具塑性成形的表面压痕。
3.提出了无缝钢管的厚径比 、相对径向压下量 的概念；在工具形状一定的情况下，它们与成形质量间的关系密切；
4.当厚径比 相同时，在径向相对压下量 较小时的情况下，断面形状较差；
5.厚径比 不同，压缩时钢管的塌陷量不同，厚径比 越小，钢管的塌陷量越大；
6.载荷值随着厚径比的增大而增大。
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