基于ABAQUS的双径冷拔模具对流体管冷拔成形精度分析*

闵小明， 欧阳八生

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421000)

0 引 言

流体管广泛应用于石油、化工、天然气等行业，它分冷拔钢管和热轧钢管两种，随着流体管正在向“大口径、高压输送、高钢级管材”趋势发展，冷拔流体管使用越来越多，质量要求也越来越高，其尺寸精度见表1(参照GB/T8163-2008)[1]。传统冷拔流体管方法多采用固定短芯头拉拔模具，其单道次拉拔能达到的精度等级为：外径尺寸偏差为D2级，壁厚尺寸偏差为S2级。但近年由于流体管、液压系统钢管、汽车用钢管等精度要求的提高，固定短芯头冷拔模具单道次拉拔已经难以满足精度要求。

影响冷拔成形精度的因素很多，如预处理[2-3]、拉拔模具的结构[4]、冷拔方法和工艺[5-6]等。为了提高冷拔精度，国内外学者进行了大量研究并取得了一定的效果，如: 反张力拉拔、强润滑拉拔、无模拉拔、辊式模拉拔法、超声波振动拉拔、可变径模具拉拔等等[7]。但这些工艺方法要么拉拔工序复杂，要么拉拔成本较高，效率较低。

介绍了一种新型双径冷拔模具，将两道次拉拔合并成一次，既满足了冷拔的高精度要求，又节约了时间、提高效率。以冷拔φ146×7 mm流体管为例，利用ABAQUS对两种不同模具冷拔过程进行模拟仿真，分析对比不同直径的坯料在两种冷拔模具(固定短芯头、双径模)拉拔下的成形精度，结果表明：在同等条件下，采用双径模具能够拉拔出外径精度与壁厚精度更高的流体管。

1 冷拔条件

(1) 坯料材料选用20号钢，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。坯料尺寸为φ146×7 mm，拉拔尺寸为φ140×6 mm。根据 GB/T8163-2008中热轧钢管的标准，坯料外径尺寸允许偏差为±1%Dmm，坯料壁厚尺寸允许偏差为为±12.5%S，即坯料的外径尺寸144.54～147.46 mm，壁厚尺寸6.125～7.875 mm。在冷拔前，坯料已进行酸洗、磷化、皂化等预处理且预处理工艺已进行优化，摩擦因数取为0.05[3]，如表1所列。

表1 GB/T8163-2008冷拔钢管的精度要求

(2) 模具材料选用42CrMo超高强度钢，其弹性模量为212 GPa，泊松比为0.28。

两种模具结构示意图如图1，结构尺寸见表2。其中，在双径模具结构图中，由于管材磷化膜经过前道次拉拔之后已被破坏，所以模具在前后两道次中间增加一个强制润滑液孔，为后道次拉拔注入润滑液，以抵消后道次拉拔中因磷化膜破坏而增大的摩擦力。

图1 两种模具结构示意图

尺寸双径模具固定短芯头模具α(°)1515β(°)15h1(mm)2525h2(mm)25R1(mm)71.369.7R2(mm)64.864.2r1(mm)69.7r2(mm)64.2

(3) 冷拔速度v=9 m/min。

2 冷拔有限元模型的建立

模型建立的假设前提：模孔为理想圆环形; 坯料内部组织均匀; 冷拔速度均匀。由于坯料和模具为轴对称结构，为简化分析，取冷拔时的纵截面的一半进行分析，将三维问题转变成二维问题。接触类型为摩擦接触。为了充分地模拟实际情况，并消除冲击对顶端尺寸的影响，在模拟的过程中，将前后端倒R2圆角，建立的二维有限元模型( 坯料直径为φ146×7 mm) 如图2，网格单元整体尺寸都为1，单元类型为CAX4I，即四节点四边形双线性非协调轴对称单元。

冷拔时，对冷拔内外模具施加固定约束，即在冷拔的过程中模具固定不动; 坯料整体沿Y方向下移Xmm(固定短芯头模具冷拔模拟中，坯料下移150 mm，用时1 s；双径模具中坯料下移225 mm，用时1.5 s)，用以模拟冷拔时的拉拔过程。通过管材的轴向位移和时间来控制冷拔速度，模拟速度为9 m/min。

图2 两种模具冷拔钢管的网格划分

3 两种冷拔模具对拉拔成形尺寸精度摸拟结果分析

3.1 外径偏差分析

坯料最终形变云图如图3所示，可以看出越靠近外壁表面，径向变形量越大，外表面的变形量最大，且坯料轴向截面的变形量各不相同。

图3 坯料最终形变云图

对3种不同尺寸的管材坯料在两种冷拔模具模拟分析，得到的外壁最大变形量如表3所示，可以计算出坯料冷拔后外径尺寸偏差，见表4。

从表4可以看出，坯料外径尺寸越大，其外径变形量也越大，其外径成形尺寸与目标尺寸φ140 mm偏差越大。依据GB/T17395-2008中管材标准化外径偏差等级划分，坯料在经过固定短芯头冷拔模具拉拔后，外径偏差等级可达到D2级(±1.0%D)；而双径冷拔模具外径偏差等级可达到D3级(±0.75%D)。

3.2 内壁偏差分析

选取基本尺寸φ146×7 mm的坯料，在两种模具冷拔模拟中，对其径向变形情况进行分析。在图3所示管材内壁ABC三个区域内表面，各取一个单元格，利用有限元软件分析得到单元格即内壁随时间的径向变形情况，如图4所示。

图4 基本尺寸坯料内壁单元格随时间的径向变形

同理，可得到最大和最小尺寸坯料的内壁随时间的径向变形情况，根椐坯料内壁变形量与壁厚成形尺寸的关系式(1)，计算出各坯料壁厚成形尺寸如表5所示。

SC=DC-(DP-SP-Δ)

(1)

式中：SC为壁厚成形尺寸；SP为坯料壁厚尺寸；DC为外径成形尺寸；DP为坯料外径尺寸；Δ为内壁变形量。

表5 坯料壁厚成形尺寸 /mm

从表5可以看出，坯料壁厚尺寸越大，其内壁变形量越小，其壁厚成形尺寸与目标壁厚尺寸6 mm偏差也越小。依据GB/T17395-2008中管材标准化壁厚偏差等级划分，坯料在经过固定短芯头冷拔模具拉拔后，其壁厚偏差等级可达到S3A级(±10%S)；而双径冷拔模具壁厚偏差等级可达到S3C级(-10%S)。

4 结 论

(1) 坯料尺寸对拉拔成形的影响：对于两种模具，坯料外径尺寸越大，其外径变形量增大，外径尺寸偏差也越大；坯料壁厚尺寸越大，其内壁变形量减小，成品壁厚尺寸偏差越小。

(2) 模拟分析拉拔成形精度：固定短芯头模具拉拔钢管，成品外径偏差等级为D2级，壁厚偏差等级为S3A级；双径模具拉拔模具拉拔钢管，成品外径偏差等级可达到D3级，壁厚偏差等级可达到S3C级。其结果表明，在同等情况下，双径模具比固定短芯头模具冷拔出的钢管外径精度提高一个等级，壁厚偏差可减小52.76%。

因此，双径冷拔模具可用在冷拔流体钢管、液压系统钢管、汽车用钢管等高精度钢管的拉拔，有利于保证质量，提高效率和和降低成本。