冷拔Q345钢无缝管成形数值仿真及工装优化研究

摘要

在管材冷拔生产中，固定短芯棒拉拔工艺是最主要的方式之一。其中模具结构设计的合理与否直接关系到拉拔后管材的质量。本文中冷拔模具结构与传统模具不同，模具变形区是由一段直线和圆弧线组成的，造成管材的变形行为发生变化，所以借助有限元仿真技术来模拟钢管的冷拔过程。本文中成品管规格要求为88.9×76.2mm（外径×内径），材料为 Q345钢，选用95×79mm的改制管冷拔一道次成形。
　　在不同应变速率下进行Q345钢拉伸实验，选用两种方法进行J-C材料本构模型参数拟合，结果表明，优化计算法（L-M法）拟合后与实验数据吻合较好，曲线有很好的外推能力。通过模拟拉伸实验，确定韧性断裂准则损伤临界值DC。
　　在管材稳定变形阶段，内模与外模过渡圆角连线区域内，钢管的等效应力达到最大865MPa；等效应变沿壁厚方向分布不均匀，在中间层应变最大；拔制后钢管轴向残余应力分布呈内拉外压状态；壁厚中损伤值最大为0.19，小于临界值；在实际生产中冷拔模具的入口圆弧处和过渡圆角处磨损最严重。同样在模拟后，模具工作表面磨损深度分布图中也出现两个极值点，最后从界面压力和相对流动速度解释了这种现象。
　　选定模具结构参数范围，深入分析了模具半锥角、定径带长度、过渡圆角半径、过渡带长度和模具入口圆弧半径参数变化对拉拔力、模具最大磨损深度、损伤值分布、轴向残余应力分布的影响。最后借助正交实验法，在综合各指标基础上，确定了新型模具结构参数。使用新型模具拉拔后，拉拔力降低10%，最大磨损深度降低3%，轴向残余应力降低14%，损伤值由0.19降到0.15，且沿着壁厚分布均匀。