方断面锥形管无模拉伸实验

夏鸿雁, 卞　清, 吴　迪

(1. 沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳110044;

2. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳　110004)



方断面锥形管无模拉伸实验

夏鸿雁1, 卞清1, 吴迪2

(1. 沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳110044;

2. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳110004)

摘要:在锥形管无模拉伸实验的基础上,研究了各种工艺参数对方断面锥形管外形和断面形状的影响,分析了方断面锥形管无模拉伸时影响断面形状膨胀程度的因素.结果表明,方断面管拉伸断面形状膨胀率随拉伸变形区宽度的增大而减小,随断面减缩率增大而增大,随方管壁厚增大而减小,当壁厚和变形区宽度都比较大时,几乎不产生膨胀现象.采用无模拉伸的方法可以加工带有一定锥度的方断面锥形管,加工后方断面锥形管的轮廓与控制曲线的计算结果一致性较好.

关键词:方断面锥形管; 无模拉伸; 实验研究; 锥管角精度; 断面形状膨胀率

在本实验中,采用无模拉伸方法加工方断面锥形管,主要研究断面减缩率、变形区宽度(加热线圈宽度)等工艺参数对方断面锥形管断面形状、表面平坦度等成形质量的影响规律.

1实验方法

方断面锥形管无模拉伸时断面减缩率Rs是由拉伸速度V1与冷热源移动速度V2的比值决定的,拉伸中无论使V1或V2中的哪一个发生变化,锥度加工都是可以实现的,如图1所示.使冷热源移动速度V2(或拉伸速度V1)连续变化加工锥度,速度变化呈非线性,对加工速度控制困难.本实验采用冷热源移动速度V2不变,使拉伸速度V1阶段变化作为简化加工锥度的方法[1-5].

图1　方断面锥形管无模拉伸

在拉伸实验中,保持冷热源移动方向与拉伸方向一致,这时,断面减缩率与拉伸速度和冷热源移动速度的关系[6-7]:

RS=V1/V2

本实验是在无模拉伸实验机上进行的,实验材料是20 mm×20 mm普通碳素方形钢管,壁厚为1.2~2.3 mm,拉伸速度V1取5.0～2.5 mm/min,加热线圈(冷热源)移动速度V2取40～75 mm/min,加工温度为800 ℃.实验中加热线圈分为3种,分别是宽度为(10,22,38)mm的线圈,在加热线圈后端设有空气冷却喷嘴,实验时压缩空气压力为0.5 kg/cm[2].

2实验结果与讨论

2.1　方断面锥形管外形

图2给出了方断面锥形管加工后沿轴向尺寸方向方管边长的变化情况.

实验中采用2圈加热线圈,保持V2为40 mm/mim,使V1以40 s的时间间隔,按5-10-15-20-25 mm/min逐渐增大,方断面锥形管加工后的轮廓与V1控制曲线的计算结果一致性很好.

图3给出了方断面锥形管成品的实际锥角Ф′与设计锥角Ф[8]的比较.加热线圈为1圈(或2圈)时,其成品的实际锥角Ф′与设计锥角Ф能保持较为一致,成品实际的锥角Ф′与设计锥角Ф的误差在±1.0%以内.采用加热圈3圈时成品实际锥角变大,因而实际锥角较设计锥角偏大.

图2　沿轴线尺寸方向边长变化情况

图3　成品实际锥角与设计锥角的关系

2.2　方断面锥形管断面变形情况

方断面锥形管无模拉伸时,即使断面减缩率Rs一定,随着变形区宽度W的不同,方管的边长L和壁厚t也可得一系列值.另外,在方管拉伸时,还有方管的断面形状缺陷(如方断面形状圆化现象)问题发生,因此,要研究变形宽度等工艺参数对拉伸后方断面锥形管断面形状尺寸及缺陷的影响.

方管成形后方断面形状趋向圆形,图4给出了拉伸成形前后方管的断面形状.设拉伸成形后方管的边长减少率为ξ、管壁厚减少率为ν、管断面形状膨胀率为η,有如下定义:

式中:L0为拉伸前方管边长;L1,L2分别为拉伸后方管实际边长和理论边长;t0,t分别为拉伸前后管壁厚.

方断面锥形管拉伸时,ξ,ν,η受变形区宽度和断面减缩率的影响.

图4　拉伸成形前后方管断面形状

图5给出了断面减缩率Rs为20%,即V1/(V1+V2)=0.2时,方管壁厚减少率ν与变形区宽度W的关系,变形区宽度越小,壁厚减少率越大.

图5　方管壁厚减少率与变形区宽度关系

图6给出了方管变形区宽度与边长减少率ξ的关系.实验中采用断面减缩率Rs为20%,即V1/(V1+V2)=0.2.结果表明,边长减少率ξ随着变形区宽度的增加而增加,即变形区宽度越大,ξ也越大.

图6　方管边长减少率与变形区宽度关系

图7给出了断面减缩率Rs为20%时,方管断面形状膨胀率η与变形区宽度W的关系.对于不同壁厚t0的方管,随着变形区宽度W的增大,断面形状膨胀率η都会减小.同时,方管壁厚对于膨胀率也有影响,壁厚较大时断面形状膨胀率η较小.如当t0=2.3 mm时,若W=38 mm,即当壁厚和变形宽度都较大时,则膨胀现象不明显.

图7　方管断面形状膨胀率与变形区宽度的关系

图8给出了锥管方管拉伸时锥管边缘的平坦度f随边长的变化,f=(L1-L2)/2.加热线圈速度V2为60mm/min,拉伸速度V1设为40s间隔,从5-10-15-20-25mm/min.多次拉伸与一次拉伸比较,几乎不产生膨胀现象,减小断面减缩率可实现高精度加工.

图8　方管表面平坦度与边长关系

图9给出了方管边长L与断面减缩率Rs的关系.在进行方管无模拉伸时,即使断面减缩率是一定的,对于不同的线圈宽度(变形区宽度),锥管的边长是不同的,加热线圈圈数越多,即变形宽度越大,边长减少量越大.

综上所述,对于方管断面形状变化,变形区宽度较小时,主要是方管壁厚减小;变形区宽度较大时,主要是管边长减小;为了提高锥角的加工精度,可考虑适当减小变形区宽度;为了抑制膨胀现象发生,应取较大变形区宽度.可见,提高锥管角精度和抑制膨胀的最佳加工条件是相反的.

图9　方管边长与断面减缩率的关系

3结论

根据实验研究,可得出以下结论:

(1) 采用无模拉伸方法所加工方断面锥形管的实际外形与理论计算外形一致性较好,成品的实际锥角与设计锥角的误差在±1.0%以内.为了提高方断面锥形管拉伸锥角的精度,应保持较小变形区宽度.

(2) 变形区宽度增大,方管边长的减少率增大,方管断面形状膨胀率减小.

(3) 方管壁厚减少率与变形区宽度有关,变形宽度越大,壁厚减少率越小.

(4) 多次拉伸与一次拉伸比较,几乎不产生膨胀现象,减小断面减缩率可实现高精度加工.

(5) 对于不同的线圈宽度(变形区宽度),锥管的边长是不同的,加热线圈圈数越多,即变形宽度越大,边长减少量越大.

参考文献:

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(Xia Hongyan,Bian Qing, Wu Di. Special Technique for Forming Big Inch Tapered Square Pipes[J]. Journal of Northeastern University: Natural Science, 2014,35(1):56-59.)

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【责任编辑: 祝颖】

(Xia Hongyan,Wu Di. Mathematical Model to Schedule Dieless Drawing Speed for Tapered Tubes[J]. Journal of Northeastern University: Natural Science, 2009,30(6): 833-836.)

Dieless Drawing Foundational Experiment Study on Tapered Pipe with Square-Section

XiaHongyan1,BianQing1,WuDi2

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. The State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract:Based on tapered square pipe dieless drawing foundational experiment study, the influence factors on variation of pipe profile and sectional shape are studied. The influence factors and law on section rounding factor of square pipe are analyzed. The results show that rounding factor decreases with the deformation width increases and increases with reduction factor in area. The larger the wall thickness is, the smaller is the rounding factor; when deformation of wall thickness and width are relatively large, there is almost no expansion. In the experiments, square shaped steel pipes are mainly used, and tapered pipes with large angles are obtained. The tapered profile of pipe drawn by the stepped control method of pulling velocity agrees nearly well with the calculated ones.

Key words:tapered pipe with square-section; dieless drawing; experiment study; cone angle precision; sectional shape rounding factor

收稿日期:2014-05-25

中图分类号:TG 356.5

文献标志码:A

作者简介:夏鸿雁(1962-),女,内蒙古通辽人,沈阳大学副教授,博士; 吴迪(1952-),男,辽宁绥中人,东北大学教授,博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50672060); 国家重点实验室开放课题基金资助(201202).

文章编号:2095-5456(2015)01-0017-04