盛艷君　張黎燕

摘 要:本文設計了鋼管擴徑的相關模具,并在萬能實驗機上進行實驗。考察了擴徑系數(shù)、頂錐錐角、摩擦系數(shù)對圓管擴徑力的影響,擴徑系數(shù)、頂錐錐角對變形分配的影響以及擴徑系數(shù)、頂錐錐角對橢圓管規(guī)圓效果的影響。

關鍵詞:擴徑工藝參數(shù)優(yōu)化鋼管擴徑

中圖分類號:TH16 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0094-01

1鋼管擴徑技術的應用

擴徑是一種用小直徑管坯生產大直徑管材的方法。擴徑有兩種方法:壓人擴徑和拉拔擴徑,壓人擴徑法適合于管壁較厚、直徑較粗、長度較短且長度與直徑之比不大于10的管材。對于為了控制內徑尺寸精度而進行的擴徑操作,則可以使用較長的管坯。為了在擴徑后較容易從管坯中取出擴徑壓桿,擴徑壓桿應有一定的錐度,在3m長度上其直徑相差3mm～4mm。一般情況下,壓人擴徑操作在液壓拉拔機上進行。拉拔擴徑法適合于較小斷面的薄壁長管生產,可在普通的鏈式冷拔管機上進行。擴徑拉伸方法和特點是:銅合金管材擴徑拉伸的方法有壓人擴徑法和拉伸擴徑法。(1)壓人擴徑法。在油壓機上將直徑大于管坯內徑的芯棒壓人管材內部,使管材內徑擴大,壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑厚壁管材的小批量生產。(2)拉伸擴徑法。用拉伸機將直徑大于管材內徑的芯頭拉過管坯內部,使管材內徑擴大,壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑薄壁管材的生產。在擴徑拉伸時,管材軸向受拉應力,因此,對塑性低的合金不宜采用。擴徑拉伸是將直徑大于管坯的模芯壓入管材內端部,采用壓人法或拉伸法實現(xiàn)內徑擴大、壁厚、長度減小。

2擴徑工藝原理

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,當附加彎矩很小時,橢圓管斷面只發(fā)生彈性變形,當附加彎矩增加一定值,橢圓表面發(fā)生彈性變形,但橢圓管的內外表面都達到屈服極限,當再增加附加彎矩時,距離中性面一定距離的地方發(fā)生彈性變形,靠近內外表面的地方發(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。長軸兩端實際上是斷面繼續(xù)彎曲增大曲率的過程,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),長軸兩端中性面以上軸向方向處于受壓狀態(tài)、中性面以下軸向方向處于受拉狀態(tài),因此原來成直線的中軸線逐步變成向內凹的曲線,短軸方向實際上是斷面曲率變小的過程,在圓管加工成橢圓管的過程中,原來成直線的中軸線逐步變成向外凸的曲線。不管向內凹的長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),在塑性變形過程中,這種不穩(wěn)定的狀態(tài)總是存在的,當用擴徑系數(shù)很小的錐頭擴徑時,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,使長軸方向向內凹的縱向纖維變成外凸,同時使短軸方向向外凸的縱向纖維變成內凹,從而實現(xiàn)長短軸的互換:當擴徑系數(shù)較大的錐頭擴徑時,塑性變形量很大,掩蓋了這種不穩(wěn)定的翹曲變形,因此也沒有表現(xiàn)出這種長短軸互換的反?，F(xiàn)象。

拉拔式擴徑機的主要工作原理是:通過一組(3～4)個直徑逐漸增大的頂頭插人并通過鋼管全長,使鋼管直徑擴大,壁厚減薄,長度略為縮短,具體過程如圖1所示。已擴口的管端用壓緊環(huán)2固定,打開冷卻水噴射器3,冷卻擴口管端使其“變黑”以增加鋼管強度,隨后再引入第一個頂頭4。頂頭4固定在心棒5上,心棒的另一端與拉拔鏈條相連,電動機使鏈條不斷運動產生拉力,以使頂頭穿過整根鋼管插入頂頭時速度要小些,之后速度增大,使鋼管溫度不致過于降低。當?shù)谝桓旑^穿過之后,緊接著引入第二根直徑稍大的頂頭,這樣連續(xù)的引進頂頭與心棒,使鋼管被擴至所需直徑。頂頭拉拔速度應盡可能快,以便有可能在一次加熱擴口后就完成所需擴徑的加工。一次加熱最多可進行三四次拉拔,如還不能達到所需直徑,則需進行第二次擴口、加熱,并用一組直徑更大的頂頭再次進行拉拔。之后,卸下鋼管,用氧氣乙炔火焰將端部擴口部分切除,并在冷床上進行冷卻,然后鋼管按一般順序(與熱軋鋼管相同)的精整,由輥道將已擴徑之鋼管運往精整工段,進行精整和水壓試驗。

3塑性成形中應用的優(yōu)化算法

3.1 數(shù)學算法

塑性成形中應用最多的方法是數(shù)學規(guī)劃方法。數(shù)學規(guī)劃可以描述為在一些數(shù)學關系諸如等式或不等式表示的約束條件下,求一個(或一組)函數(shù)極值問題的方法。常見的數(shù)學規(guī)劃包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、目標規(guī)劃、多目標規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多層規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃以及發(fā)展較新的隨機規(guī)劃和模糊規(guī)劃等。它有嚴密的數(shù)學論證,又有許多成功應用的實例,所以成為塑性成形加工首選的算法。在數(shù)學規(guī)劃中,按是否對目標函數(shù)求導,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,對初始設計點不敏感。非梯度法簡單易用,但收斂速度慢。

3.2 有限元逆向模擬技術

它是基于剛塑性有限元發(fā)展起來的優(yōu)化方法。它從工件的最終形狀出發(fā),用有限元法倒推滿足成形要求的初始和中間毛坯形狀,然后根據(jù)經驗確定模具形狀。因此又被稱為有限元逆向追蹤法。有限元逆向模擬法特別適用于加載路徑已知的成形工藝。而在塑性成形中,成形路徑一般是未知的。因此,在塑性成形中,主要用于選擇最優(yōu)預成形及成形路徑。

3.3 實驗優(yōu)化法

實驗優(yōu)化法就是通過廣義實驗(包括實物實驗與非實物實驗)進行最優(yōu)設計的一種優(yōu)化方法。它從不同的優(yōu)良性出發(fā),合理設計實驗方案,有效控制實驗干擾,科學處理實驗數(shù)據(jù),全面進行優(yōu)化分析,直接實現(xiàn)優(yōu)化目標,已被廣泛應用于各種領域。

4結語

可膨脹管技術應用于石油鉆井作業(yè)中,既能解決井眼變徑問題,又能大量節(jié)約作業(yè)成本,被認為是21世紀石油鉆采行業(yè)的核心技術之一?？膳蛎浌茉阢@井中擴徑的工作基本原理是用錐頭將井下圓鋼管冷脹到需要的尺寸。可膨脹管技術的關鍵就是擴徑工藝的選擇,目前國內對可膨脹管的研究只是停留在跟蹤階段。

參考文獻

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