劉志林，何 凱，文繼有，仝 悅，尋 堅(jiān)，胡漢全，林高用

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2.江陰和宏精工科技有限公司，江蘇 無錫，214423)

BFe10-1-1白銅管因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐海水腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于海洋裝備工程、海水淡化和高性能艦船的冷凝管等[1，2]。隨著海洋裝備工程的發(fā)展和艦船的大型化，大口徑白銅管的用量及需求日益增長。目前，因受限于擠壓機(jī)的設(shè)備能力，擠制管材的口徑較小，大口徑無縫白銅管一般通過擴(kuò)徑法生產(chǎn)[3]。而采用擴(kuò)徑拉拔生產(chǎn)大口徑白銅管材時(shí)，需要特別注意管形和尺寸的控制[4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，管材的形狀和尺寸偏差主要來自于兩方面。一方面來自于使用的擠壓管坯本身存在壁厚偏心，另一方面來自于實(shí)際生產(chǎn)中由于操作、設(shè)備等原因引起芯模的偏轉(zhuǎn)或裝配不對(duì)中，進(jìn)而影響擴(kuò)徑管材的形狀和尺寸精度。例如，董克媛等[5]發(fā)現(xiàn)壁厚偏心的管坯經(jīng)擴(kuò)徑后，管材的偏心程度更加嚴(yán)重；A.Scattina[6]通過偏心白銅管的擴(kuò)徑模擬，發(fā)現(xiàn)管坯偏心的存在會(huì)對(duì)擴(kuò)徑拉拔力和熱交換器的性能產(chǎn)生較大影響；H. Palkowski等[7，8]通過研究模座角度偏轉(zhuǎn)和模具位置錯(cuò)動(dòng)對(duì)拉拔管材偏心率和殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)芯模傾斜和移位的正向設(shè)置(管的最大厚度側(cè)位于傾斜或移動(dòng)的方向)會(huì)導(dǎo)致偏心率增加。

針對(duì)目前研究較少的無外模偏心擴(kuò)徑拉拔問題，文中采用Deform-3D有限元軟件模擬無外模擴(kuò)徑拉拔生產(chǎn)大口徑BFe10-1-1白銅管的實(shí)際生產(chǎn)過程，研究芯模的偏轉(zhuǎn)對(duì)擴(kuò)徑管材變形規(guī)律及管形和尺寸的影響，以期為大口徑白銅管材的質(zhì)量控制提供理論參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

建模用管坯的尺寸為Φ278mm×9.0mm，長度為150mm；擴(kuò)徑用芯模的大頭定徑直徑為Φ275mm，小頭直徑為Φ260mm，錐面為30mm×7.5mm。管坯和芯模的建模外觀如圖1所示。

圖1 管坯和芯模模型圖

實(shí)際生產(chǎn)中，楊海麗[9]發(fā)現(xiàn)軟態(tài)紫銅經(jīng)擴(kuò)徑后的管材內(nèi)徑Φ277.4mm比芯模的定徑直徑Φ275mm大2.4mm，并用回彈解釋了該現(xiàn)象。因此為使建立的模型更加貼近實(shí)際，將管坯設(shè)置為彈塑性體，芯模設(shè)置為剛體，變形溫度為20℃。

1.2 邊界條件

圖2為大口徑白銅管無外模偏心擴(kuò)徑拉拔的幾何模型。其中采用軟件的網(wǎng)格重劃分功能，將管坯劃分為150000個(gè)四面體單元，使得厚度方向至少有兩層網(wǎng)格。芯模設(shè)置為固定狀態(tài)，并以X軸方向?yàn)榉ㄏ蜃鞒鲆欢ㄆD(zhuǎn)后進(jìn)行裝配，本文共設(shè)置四個(gè)偏轉(zhuǎn)角度：0°、2°、4°、6°。管坯一端端面節(jié)點(diǎn)設(shè)置為速度50mm/s，方向?yàn)?Y，其余為自由節(jié)點(diǎn)。管坯和芯模之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1。圖2(b)中的紅點(diǎn)即為設(shè)置了邊界條件的節(jié)點(diǎn)。

(a)剖面圖；(b)網(wǎng)格圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 偏心擴(kuò)徑管材的變形規(guī)律分析

圖3為經(jīng)無外模偏心擴(kuò)徑拉拔后管材剖面的等效應(yīng)變分布圖。可以看到，芯模不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，管材應(yīng)變對(duì)稱分布；芯模偏轉(zhuǎn)角度為6°時(shí)管材應(yīng)變非對(duì)稱分布。芯模偏轉(zhuǎn)角度為6°時(shí)，大部分管材的等效應(yīng)變?cè)?.08以上，同時(shí)管材在軸向的等效應(yīng)變分布比較均勻，但在周向呈不均勻分布。這主要表現(xiàn)為管材上方的應(yīng)變明顯小于下方的應(yīng)變，其中管材上方的小變形區(qū)，其等效應(yīng)變大部分在0.08以下，而管材下方的大變形區(qū)，其等效應(yīng)變基本大于0.08。

應(yīng)變分布不均勻的原因可以從變形區(qū)的分布和應(yīng)力分布來分析。圖4為整個(gè)偏心擴(kuò)徑過程中不同時(shí)間點(diǎn)管材的等效應(yīng)力分布圖。從圖4可知，在偏心擴(kuò)徑過程中，管材在軸向的等效應(yīng)力分布不均勻，在周向的等效應(yīng)力分布也不均勻。一般在擴(kuò)徑過程中，根據(jù)不同變形特點(diǎn)可將管材分為待擴(kuò)徑部分、擴(kuò)徑部分、定徑部分和脫離芯模的回彈部分[2,9]，因此等效應(yīng)力在軸向的分布必然不均勻。

(a)0°；(b)6°

圖4 偏心擴(kuò)徑管材的等效應(yīng)力分布圖

從圖4(d)可知，擴(kuò)徑過程中，由于芯模的偏轉(zhuǎn)，在管材截面上產(chǎn)生了先變形區(qū)和后變形區(qū)。在擴(kuò)徑拉拔過程中，更靠近芯模的管材下方(先變形區(qū))會(huì)先接觸芯模，并受到來自于芯模徑向向外的合力作用發(fā)生變形；相應(yīng)的，管材上方(后變形區(qū))后接觸芯模發(fā)生變形，因此在同一時(shí)刻管材同一截面的各部分受力不均，變形程度也存在較大差異，尤其是上下兩部分。同時(shí)，可以看到，先接觸芯模的管材相當(dāng)于接觸了具有更大錐角的芯模，受到來自于芯模徑向向外更大的合力，擴(kuò)徑變形量比芯模不偏轉(zhuǎn)時(shí)更大；而后接觸芯模的管材相當(dāng)于接觸了具有更小錐角的芯模而發(fā)生變形，相應(yīng)的擴(kuò)徑變形量更小，即先變形區(qū)的大變形和后變形區(qū)的小變形導(dǎo)致了管材在周向等效應(yīng)力的分布不均和等效應(yīng)變的分布不均。

2.2 偏心擴(kuò)徑管材的形狀和尺寸分析

在偏心擴(kuò)徑管材尺寸穩(wěn)定的部分(距管頭70mm～75mm)取一截面，如圖5所示，其中紅線為同一尺寸理想管材截面的參考線。由圖可知，偏心擴(kuò)徑拉拔后的管材具有不同程度的形狀和尺寸偏差。

(a)偏轉(zhuǎn)角度0°；(b)偏轉(zhuǎn)角度2°；(c)偏轉(zhuǎn)角度4°；(d)偏轉(zhuǎn)角度6°

考慮到擴(kuò)徑后管材存在回彈現(xiàn)象，因此只對(duì)管材的內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，并以內(nèi)表面的形狀偏差表示管材的形狀偏差。測(cè)量結(jié)果記錄于表1中，其中，Dmax表示測(cè)量的最大內(nèi)徑、Dmin為最小內(nèi)徑，ΔD為最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑的差值。由于擴(kuò)徑后管材的內(nèi)表面可近似看成橢圓形，故采用橢圓的離心率來表征內(nèi)表面的圓度，則離心率越低，管材圓度越高，形狀偏差越小。將管材截面的內(nèi)表面看作橢圓，則長軸長2a=Dmax，短軸長2b=Dmin，其離心率由式(1)計(jì)算，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表1。

(1)

如表1所示，當(dāng)芯模的偏轉(zhuǎn)角度分別為0°、2°、4°和6°時(shí)，管材的ΔD分別為0.69mm、0.89mm、2.03mm和6.39mm，離心率分別為7.03%、7.96%、12.01%和21.19%。由此可知，芯模的偏轉(zhuǎn)角度越大，擴(kuò)徑后管材的內(nèi)徑波動(dòng)越大，離心率越大，管材的圓度也越差，即形狀偏差越大。

表1 偏心擴(kuò)徑管材的形狀偏差值

擴(kuò)徑后管材的尺寸偏差以壁厚偏心率E來表征偏差大小，壁厚偏心率的計(jì)算如式(2)所示，其中，tmax為測(cè)量的最大壁厚值，tmin為最小壁厚值。

(2)

從管材截面的-Z方向開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔30°即測(cè)量管材的壁厚，并將相應(yīng)的結(jié)果記錄于表2。

表2 偏心擴(kuò)徑管材的壁厚(單位：mm)

由表2可知，當(dāng)芯模的偏轉(zhuǎn)角度分別為0°、2°、4°和6°時(shí)，管材的壁厚最大值分別為8.59mm、 8.70mm、8.75mm和8.78mm，最小值分別為8.51mm、8.53mm、8.49mm和8.49mm。根據(jù)式(2)可分別計(jì)算出芯模偏轉(zhuǎn)角度為0°、2°、4°和6°時(shí)，擴(kuò)徑管材的壁厚偏心率E分別為0.47%、0.99%、1.51%和1.68%?？梢娦灸５钠D(zhuǎn)角度越大，管材的壁厚偏心率越大，即尺寸偏差越大。根據(jù)壁厚數(shù)據(jù)計(jì)算方差，得到當(dāng)芯模偏轉(zhuǎn)角度為0°、2°、4°和6°時(shí)，擴(kuò)徑管材壁厚的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.020、0.054、0.103和0.109。這表明隨著芯模偏轉(zhuǎn)角度的增大，擴(kuò)徑后管材的壁厚波動(dòng)越大，但壁厚波動(dòng)有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這和壁厚偏心率的結(jié)果基本一致。

圖6為偏心擴(kuò)徑后管材的壁厚分布圖，其中的曲線為用Gaussian函數(shù)進(jìn)行的近似擬合。

圖6 偏心擴(kuò)徑管材的壁厚分布

從圖6可知，芯模不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，管材壁厚偏差很小；芯模發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，管材壁厚偏差增大，并隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增大至4°和6°時(shí)，管材的壁厚偏差快速增大并存在穩(wěn)定在一個(gè)范圍的趨勢(shì)。芯模發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)， 0°(330°)附近的管材壁厚最小，180°附近的管材壁厚最大，這表明管材在0°(330°)附近的變形量最大，在180°附近的變形量最小。這與等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)茍D的分析結(jié)果基本一致，即由于芯模具有一定的偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)致管材在擴(kuò)徑過程中產(chǎn)生了先變形區(qū)和后變形區(qū)、大變形區(qū)和小變形區(qū)，變形量大的區(qū)域壁厚小，變形量小的區(qū)域壁厚大；而且隨著芯模偏轉(zhuǎn)角度的增大，管材各部分受到的應(yīng)力差異越大，應(yīng)變也越不均勻，因此管材的壁厚偏差越大，管材的圓度也因此變差。

3 結(jié)論

(1)偏心擴(kuò)徑拉拔后，管材的等效應(yīng)變?cè)谥芟蚍植疾痪?。這是由于擴(kuò)徑過程中，先接觸芯模的管材部分率先受到來自于芯模徑向向外的合力作用而發(fā)生變形，且該先變形區(qū)受到遠(yuǎn)大于后變形區(qū)的合力作用，產(chǎn)生更大的變形量，即應(yīng)力的分布不均導(dǎo)致了管材應(yīng)變分布的不均。

(2)芯模的偏轉(zhuǎn)角度越大，擴(kuò)徑后管材的圓度越差，壁厚偏心率也越大。當(dāng)芯模的偏轉(zhuǎn)角度分別為0°、2°、4°和6°時(shí)，擴(kuò)徑管材的離心率分別為7.03%、7.96%、12.01%和21.19%，壁厚偏心率分別為0.47%、0.99%、1.51%和1.68%。

(3)偏心擴(kuò)徑管材的壁厚分布規(guī)律和管材的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律具有很好的一致性，即先變形、大變形區(qū)域的管材壁厚較小，后變形、小變形區(qū)域的管材壁厚較大。因此，實(shí)際生產(chǎn)中要定期檢查擴(kuò)徑拉拔設(shè)備的精度，并加強(qiáng)生產(chǎn)時(shí)模具的水平、對(duì)中裝配，以減少生產(chǎn)操作引起管材受力不均導(dǎo)致的管材偏心問題。