機(jī)械擴(kuò)徑工藝與工藝參數(shù)優(yōu)化張蕊天津國(guó)際現(xiàn)代設(shè)備有限公司天津市300457【摘要】:本論文推導(dǎo)橢圓管坯杋械擴(kuò)徑的擴(kuò)徑行程計(jì)算公式。對(duì)管端機(jī)械擴(kuò)徑的變形特征進(jìn)行了研究;同時(shí)研究了擴(kuò)徑率、管坯形狀和尺寸對(duì)機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝的影響。為選取最佳的擴(kuò)徑率,達(dá)到最佳的擴(kuò)徑效果提供了計(jì)算方法和途徑,有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】:擴(kuò)徑工藝參數(shù)優(yōu)化鋼管擴(kuò)徑中圖分類號(hào):C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1.鋼管擴(kuò)徑技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)徑是一種用小直徑管坯生產(chǎn)大直徑管材的方法。擴(kuò)徑有兩種方法:壓人擴(kuò)徑和拉拔擴(kuò)徑,壓人擴(kuò)徑法適合于管壁較厚、直徑較粗、長(zhǎng)度較短且長(zhǎng)度與直徑之比不大于10的管材。對(duì)于為了控制內(nèi)徑尺寸精度而進(jìn)行的擴(kuò)徑操作,則可以使用較長(zhǎng)的管坯。為了在擴(kuò)徑后較容易從管坯中取出擴(kuò)徑壓桿,擴(kuò)徑壓桿應(yīng)有一定的錐度,在3m長(zhǎng)度上其直徑相差3mm~4mm。般情況下,壓人擴(kuò)徑操作在液壓拉拔杋上進(jìn)行。拉拔擴(kuò)徑法適合于較小斷面的薄壁長(zhǎng)管生產(chǎn),可在普通的鏈?zhǔn)嚼浒喂軝C(jī)上進(jìn)行。擴(kuò)徑拉伸方法和特點(diǎn)是:銅合金管材擴(kuò)徑拉伸的方法有壓人擴(kuò)徑法和拉伸擴(kuò)徑法。(1)壓人擴(kuò)徑法。在油壓杋上將直徑大于管坯內(nèi)徑的芯棒壓人管材內(nèi)部使管材內(nèi)徑擴(kuò)大,壁厚、長(zhǎng)度減小。該方法適合于大直徑厚壁管材的小批量生(2)拉伸擴(kuò)徑法。用拉伸機(jī)將直徑大于管材內(nèi)徑的芯頭拉過(guò)管坯內(nèi)部,使管材內(nèi)徑擴(kuò)大,壁厚、長(zhǎng)度減小。該方法適合于大直徑薄壁管材的生產(chǎn)。在擴(kuò)徑拉伸時(shí),管材軸向受拉應(yīng)力,因此對(duì)塑性低的合金不宜采用。擴(kuò)徑拉伸是將直徑大于管坯的模芯壓入管材內(nèi)端部,采用壓人法或拉伸法實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑擴(kuò)大、壁厚、長(zhǎng)度減小。2.擴(kuò)徑工藝原理根據(jù)外加彎矩的大小,橢圓管的彈塑性變形有以下幾種情況,當(dāng)附加彎矩很小時(shí),橢圓管斷面只發(fā)生彈性變形,當(dāng)附加彎矩增加一定值,橢圓表面發(fā)生彈性變形,但橢圓管的內(nèi)外表面都達(dá)到屈服極限,當(dāng)再增加附加彎矩時(shí),距離中性面一定距離的地方發(fā)生彈性變形,靠近內(nèi)外表面的地方發(fā)生塑性變形,如果附加彎矩繼續(xù)增加,塑性變形的區(qū)域逐步增加,直至中性面也發(fā)生塑性變形。長(zhǎng)軸兩端實(shí)際上是斷面繼續(xù)彎曲增大曲率的過(guò)程,斷面中性面以上處于受拉狀態(tài)、中性面以下處于受壓狀態(tài),長(zhǎng)軸兩端中性面以上軸向方TH中國(guó)煤化工以下CNMHG軸向方向處于受拉狀態(tài),因此原來(lái)成直線的中軸線逐步變成向內(nèi)凹的曲線,短軸方向?qū)嶋H上是斷面曲率變小的過(guò)程,在圓管加工成橢圓管的過(guò)程中,原來(lái)成直線的中軸線逐步變成向外凸的曲線。不管向內(nèi)凹的長(zhǎng)軸縱向纖維還是向外凸的短軸縱向纖維都是處于不穩(wěn)定的狀態(tài),在塑性變形過(guò)程中,這種不穩(wěn)定的狀態(tài)總是存在的,當(dāng)用擴(kuò)徑系數(shù)很小的錐頭擴(kuò)徑時(shí),塑性變形量很小,這種不穩(wěn)定的狀態(tài)表現(xiàn)的更加明顯,使長(zhǎng)軸方向向內(nèi)凹的縱向纖維變成外凸,同時(shí)使短軸方向向外凸的縱向纖維變成內(nèi)凹,從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短軸的互換:當(dāng)擴(kuò)徑系數(shù)較大的錐頭擴(kuò)徑時(shí),塑性變形量很大,掩蓋了這種不穩(wěn)定的翹曲變形,因此也沒(méi)有表現(xiàn)岀這種長(zhǎng)短軸互換的反常現(xiàn)象。3.塑性成形中應(yīng)用的優(yōu)化算法3.1數(shù)學(xué)算法塑性成形中應(yīng)用最多的方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃可以描述為在一些數(shù)學(xué)關(guān)系諸如等式或不等式表示的約束條件下,求一個(gè)(或一組)函數(shù)極值問(wèn)題的方法。常見(jiàn)的數(shù)學(xué)規(guī)劃包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多層規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及發(fā)展較新的隨機(jī)規(guī)劃和模糊規(guī)劃等。它有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)論證,又有許多成功應(yīng)用的實(shí)例,所以成為塑性成形加工首選的算法。在數(shù)學(xué)規(guī)劃中,按是否對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo),將優(yōu)化算法分成不利用梯度的算法和利用梯度的算法。梯度算法收斂速度快,對(duì)初始設(shè)計(jì)點(diǎn)不敏感。非梯度法簡(jiǎn)單易用,但收斂速度慢。32機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝的影響因素螺旋焊管管端擴(kuò)徑工藝的主要技術(shù)參數(shù)有擴(kuò)徑力、擴(kuò)徑率和擴(kuò)徑長(zhǎng)度。這些工藝參數(shù)與管坯的幾何參數(shù)、材料常數(shù)、模具形線等均對(duì)制品質(zhì)量有很大影響。機(jī)械擴(kuò)徑對(duì)制品質(zhì)量的影響,一方面可以改善制品的形狀,提高形狀精度和尺寸精度,另一方面也會(huì)導(dǎo)致焊管質(zhì)量的下降,如壁厚局部減薄,屈強(qiáng)比增強(qiáng)等。32.1機(jī)械擴(kuò)徑對(duì)制品形狀的影響管坯在擴(kuò)徑后直徑變化明顯減小,外圓形線由一條相對(duì)管坯名義直徑差值較大的曲線變成了一條相對(duì)制品名義直徑差值小的一條曲線,即圓度誤差明顯減小,從直徑分部形態(tài)上看,擴(kuò)徑后,制品的直徑分部呈現(xiàn)出局部波浪形狀,并且在邊緣區(qū)和懸空區(qū)直徑變化相對(duì)明顯。針對(duì)同一管坯模型,采用不同的擴(kuò)徑率,可以得到擴(kuò)徑率與制品圓度和壁厚變化之間的關(guān)系。擴(kuò)徑率對(duì)鋼管擴(kuò)徑后曲率半徑分部的影響比較顯著,在擴(kuò)徑率較小時(shí),擴(kuò)徑率對(duì)焊管曲率半徑的影響?zhàn)I較小,曲率半徑的最大值和最小值的差值較中國(guó)煤化工率半徑在邊緣區(qū)和懸空區(qū)的變化比較平緩,當(dāng)擴(kuò)徑率取較大值時(shí),YHCNMHG影響主要體現(xiàn)在最大值和最小值的差值減少,即圓度誤差減少,此外,曲率半徑在邊緣區(qū)和懸空區(qū)的變化也相對(duì)明顯一些,這種情況下,制品的圓度誤差主要由局部區(qū)域半徑的變換決定,但是,擴(kuò)徑率超過(guò)某一數(shù)值后,機(jī)械擴(kuò)徑不但不會(huì)改善圓度,反而會(huì)因局部形線的變化增大圓度。管坯局部減薄過(guò)大必將降低焊管的剛度和強(qiáng)度,使焊管的邊緣區(qū)和懸空區(qū)成為危險(xiǎn)區(qū)。所以必須合理選擇擴(kuò)徑率,以便使壁厚的局部減薄量被控制在合理的范圍內(nèi)。綜上所述,綜合擴(kuò)徑率對(duì)圓度誤差和壁厚減薄的影響,擴(kuò)徑率應(yīng)該在1.0%-1.5%之間匕較適宜。322管坯形狀與尺寸對(duì)制品形狀的影響螺旋焊管經(jīng)過(guò)管端機(jī)楲擴(kuò)徑,制品的圓度誤差決定于擴(kuò)徑率的選取與管坯的原始狀態(tài),包括其幾何形狀和尺寸。研究管坯形狀與尺寸對(duì)擴(kuò)徑效果的影響,對(duì)合理制定擴(kuò)徑工藝,具有重要作用。首先是對(duì)同一公稱尺寸、具有不同圓度誤差的管坯,在相同擴(kuò)勁率下的變化情況,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),盡管管坯的圓度誤差相差很大,但在相同的擴(kuò)徑率下實(shí)施機(jī)械擴(kuò)徑之后,制品的圓度誤差卻相差甚小其次是考慮管坯厚徑比與制品圓度誤差的關(guān)系。同一外徑,不同壁厚的焊管或者同一壁厚、不同外徑的焊管,其厚徑比不同。對(duì)于厚徑比不同的管坯,當(dāng)管坯及其制品的圓度誤差相同時(shí),所需的擴(kuò)徑率應(yīng)該有所不同為此考查不同厚徑比、同一圓度誤差的一組管坯,在同擴(kuò)徑率下其圓度誤差的變化情況厚徑比對(duì)擴(kuò)徑后制品的圓度誤差也有所影響,但效果并不明顯。厚徑比越大,制品的圓度誤差也越大,但其差值甚小3.23模具的形狀參數(shù)對(duì)制品形狀的影響機(jī)械擴(kuò)徑的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擴(kuò)徑質(zhì)量影響較大的主要有凸模曲率半徑、擴(kuò)徑長(zhǎng)度、擴(kuò)徑凸模的藪數(shù)量、凸模腳步的國(guó)度形狀曲線、凸模之間的間隙、凸模尾部過(guò)渡角等。在此就不詳細(xì)介紹了。總之錐瓣數(shù)量越多,制品圓度誤差越小,壁厚減薄越小;凸模相對(duì)半徑為1時(shí),制品質(zhì)量最好;凸模側(cè)邊過(guò)渡遠(yuǎn)角越大,制品圓度誤差越大,厚壁減薄越大,4.結(jié)語(yǔ)可膨脹管技術(shù)應(yīng)用于石油鈷井作業(yè)中,既能解決井眼變徑問(wèn)題,又能大量節(jié)約作業(yè)成本被認(rèn)為是21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一?？膳蛎浌茉谥袊?guó)煤化工理是用錐頭將井下圓鋼管冷脹到需要的尺寸。可膨脹管技術(shù)的關(guān)刨HaCNMHG前國(guó)內(nèi)對(duì)可膨脹管的研究只是停留在跟蹤階段參考文獻(xiàn):[1]余大典,王嘯修.直縫焊管機(jī)械擴(kuò)徑工藝技術(shù)研究[J]寶鋼技術(shù),208(3)[2]肖曙紅管線用直縫焊管機(jī)械擴(kuò)徑及其影響因素研究J]石油機(jī)械,2007(3).中國(guó)煤化工CNMHG