无缝钢管冷拔头的应力分析及结构优化

张尚毅，沈征杰，庞德禹，王明家

（1.扬州诚德钢管有限公司，江苏 扬州 225200；2.燕山大学，河北 秦皇岛 066004）

冷拔是生产精密、薄壁和高机械性能钢管的有效方法之一。短芯棒冷拔是将带有内模的芯杆固定，管坯通过模孔实现减径和减壁。这种成型方式具有工艺设备简单、成型效果好的优点，在高性能钢管制造领域得到了广泛应用。但受到理论水平和研究方法的限制，一直以来，各个生产厂家大多采用生产经验来确定冷拔钢管的生产工艺参数［1］；而对冷拔过程中钢管的应力分布状态、钢管内部金属流动规律缺乏深入的认识，钢管拔断、开裂事故时有发生，特别是钢管在冷拔过程中容易发生横向开裂现象，且纵向开裂问题相当普遍［2］。

为了更好地提高钢管的冷拔质量，降低冷拔过程中的质量问题，已有学者进行了相关研究［3-10］。为了解决钢管拔制过程中出现的冷拔头横向开裂、纵向开裂及冷拔头断头等问题，现利用ANSYS/LSDYNA 软件对空拔钢管冷拔头进行数值模拟，分析产生横向开裂、纵向开裂等问题的原因，并在此基础上优化设计冷拔头结构，以解决生产中冷拔头开裂、断头的问题［11-15］。

1 模型建立及模拟参数设定

钢管冷拔头有限元模型如图1 所示。冷拔头为开有缺口的形式，与扬州诚德钢管有限公司实际生产类型一致。来料毛管材质为4140，管坯规格Ф385 mm×50 mm，通过一道次冷拔工序后，目标尺寸为Ф358 mm×47 mm；由于冷拔外模与内模变形量很小，在冷拔模拟过程中将其设置为刚体；冷拔管设置为弹塑性体，冷拔速度为10 mm/s。初始有限元模型的材料参数见表1。管坯材料的流动应力是温度、应变、应变速率的函数，4140 材料的应力-应变曲线如图2 所示。

图1 钢管冷拔头有限元模型示意

表1 初始有限元模型4140 材质材料参数

图2 4140 材料的应力-应变曲线

2 应力和应变及金属流动分析

2.1 应力分析

钢管在冷拔过程中的应力分布如图3 所示。由图3 可知，钢管在冷拔过程中，管体轴向受拉应力，径向受压应力；拉应力、压应力分布均匀，最大应力均位于管坯与模具定径带的接触部位，为350 MPa；最小拉应力发生在拔制力作用端，为150 MPa；从圆周方向看，应力分布非常均匀；钢管在冷拔过程中不会发生开裂，与实际生产相符。

从图3 还看出，在冷拔过程中，冷拔头的应力集中点并不在圆弧顶点处，而是在其两侧，因此此区域在冷拔过程中容易开裂，从而形成断头，实际冷拔生产过程中也是在该区域形成断头，验证了上述应力分析结果。

图3 钢管在冷拔过程中的应力分布

2.2 应变及金属流动分析

钢管在冷拔过程中的应变分布如图4 所示。从图4 可知，钢管在冷拔过程中，应变主要集中在定径带处；由于该计算模型的减壁量（3 mm）较大，因此钢管内壁的应变远大于对应外壁的应变。钢管在冷拔过程中的金属流动如图5 所示。从图5 可以看出，冷拔过程中金属沿着轴向流动，在定径带处，外壁金属向内流动，内壁金属向外流动，从而实现了减径和减壁。

图4 4140 材质钢管在冷拔过程中的应变分布

图5 4140 材质钢管在冷拔过程中的金属流动

3 冷拔头结构的优化改进

为了改进生产过程中冷拔头断裂的问题，对冷拔头的结构进行优化设计。根据现场生产分析，将冷拔头设计成3 种结构形式：相割、相切和相离，并对3 种的冷拔头结构进行应力模拟分析。优化设计的冷拔头形式如图6 所示。

图6 优化设计的冷拔头形式

3 种结构冷拔头的应力分布如图7 所示。由图7 可知，冷拔头结构为相割时应力最大（图7a），相切时次之（图7b），相离时最小（图7c），可认为相离冷拔头结构在冷拔过程中不易开裂、断头。在生产中采用图7（c）所示的相离冷拔头进行生产验证，发现冷拔钢管不再出现冷拔头开裂、断头现象。

图7 3 种结构冷拔头的应力分布

4 结论

（1）冷拔过程中，冷拔头应力最大的区域并不是圆弧顶点区域，而是在其两侧区域。

（2）冷拔过程中，金属沿着轴向流动，定径带处金属从外壁向内壁流动、内壁金属向外壁流动，从而实现减径、减壁。

（3）冷拔头相离结构在冷拔过程中应力最小，采用这种结构的冷拔头在冷拔过程中不容易发生开裂、断头。