摘要:本文針對無縫鋼管在局部徑向塑性成形過程中的開裂問題進行了簡要的分析，然后改進了模具，通過試驗表明改進的模具很好地解決了開裂問題。
　　關鍵詞：無縫鋼管，徑向塑性成形，開裂
　　
　　1、 引言
　　管材的塑性成形加工是以管材為毛坯，通過塑性加工手段，制造管材零件的加工技術，在管材的深加工中占有很重要的地位。管材塑性加工由于容易滿足塑性成形產品的輕量化、強韌化和低耗高效、精確制造等方面的要求，已成為先進塑性加工技術而面向21世紀研究與發展的一個重要方向，在航空航天、汽車、石油化工、輕工及交通運輸等工業部門中廣泛采用管材制造零件[1]。某廠在實際試生產中出現了鋼管變形區內壁出現縱向裂紋的現象。由于成形件在工作中受拉、壓、扭、彎等交變應力作用，導致內壁裂紋不斷擴展直至出現突發性斷裂，危及使用安全。因此，無縫鋼管在徑向模具塑性成形時，不容許有裂紋產生，否則將嚴重影響生產的成品率。本文針對生產中出現的鋼管內壁開裂問題，進行了簡要的分析，并提出了改進措施，試驗表明本方法有效地解決了該問題。
　　2、 無縫鋼管局部徑向塑性成形技術
　　無縫鋼管局部徑向塑性成形后的零件見圖1所示。
　　圖1.零件示意圖
　　零件是利用模具沖壓無縫鋼管使L2段產生局部塑性變成得到的，塑性成過程如圖2所示。零件對成形的要求是，壓型圓滑過渡，不允許有裂紋和皺褶，表面無明顯壓痕。
　　實際生產中鋼管放在下模的半圓形凹槽中，上模向下運動加載在鋼管上，使鋼管產生塑性變形得到所需的零件形狀。其變形過程為，首先是a區、d區受力，無縫鋼管的b區寬展，斷面形狀變為橢圓形，c區無縫鋼管的外表面與凹模貼合；當c區無縫鋼管的外表面與凹模貼合后，無縫鋼管首先在a區線接觸附近區域發生塑性變形，并擴展到整過橫斷面，最終成形。
　　從整過成形過程看，鋼管首先在a區線接觸附近區域近發生失穩，產生塑性彎曲變形，隨著變形的不斷進行，塑性彎曲不斷擴大，達到一定程度后，彎曲管壁受拉側的拉應力大于材料的強度極限b時，導致了鋼管裂紋的產生。由此可看出，控制成形過程中鋼管斷面的局部失穩是控制成型鋼管質量的關鍵。

　　3、成型過程中鋼管斷面局部失穩分析
　　由材料力學可知，作用于圓管的徑向壓力q達到某一值時，管壁將發生彎曲，即斷面形狀便喪失穩定性，管壁產生塌陷（圖3）。而開始失穩的載荷強度稱為臨界壓力，可按下公式確定[2]：
　　(1)
　　
　　式中t、R—分別為圓管的壁厚和半徑；
　　r、E—分別為圓管材的泊桑比和彈性模量；
　　N—大于或等于2的整數。
　　實際上當管壁內切向壓應力超過彈性極限后，將小于用上式計算得到的值。對于有明顯屈服點的材料可按下式確定；
　　
　　式中、Et分別為圓管材料的屈服極限和正切模量。
　　由以上兩式可見，當t值、E值或、值一定的情況下，鋼管斷面在成型過程中的局部失穩與圓管外加支撐對值的影響密切相關。即N愈大（支撐至少為2個），則值愈高，圓管也愈穩定。亦即通過改變作用力的位置，將集中力變為分布力可提高圓管成形穩定性。
　　4、模具改進
　　基于上述分析，對模具進行了改進設計，總的思路是：
　　1）凸模與管坯首先線接觸的a區，在變形或后續變形過程中，應盡量不與凸模直接發生線接觸是保證不發生裂紋的關鍵。為此，將凸模頂部開槽，將較大的集中載荷改變為兩個較小的集中載荷。
　　2）毛坯自由寬展部份b在整個成形過程中與凸模的接觸，先后由高到低順序接觸，它是a與c聯接的紐帶，由于是自由寬展部份，在發生變形時，向寬度方向的變形能否順利拉動a區全部向寬度變形，減小a區切向壓應力，是獲得正確形狀的關鍵部份。此區域盡量不與凹模接觸或少與凹模接觸。
　　模具的結構和尺寸如圖4所示：
　　（a）凸模
　　
　　（b）凹模
　　圖4模具設計圖
　　5、 試驗結果
　　本試驗用設備為60噸萬能材料試驗機，將模具安裝在試驗機上，由試驗機的活動臺帶動凸模壓在鋼管上，載荷是位移加載方式，由于加載速度很慢，可視為準靜態過程。試驗用鋼管材料為20號鋼正火狀態，規格為×5mm，相對厚度（t/D）為10.4％，數量為7件。一般來說鋼管的相對厚度（t/D）對無縫鋼管局部徑向塑性成形過程的失穩形態具有重要影響，目前該參數的選取方法沒有公開的報道，也是本課題進一步研究的內容。
　　（a）試驗現象
　　在從7件試驗件的試驗過程看，試驗具有良好的重復性。試驗過程中凸模開始加載階段，鋼管發生彈性變形，載荷與位移之間成線性關系變化，當載荷達到一定程度的時候，鋼管出現較明顯的塑性變形，此時載荷與位移之間的變化成非線性變化，切線彈性模量明顯小于彈性模量，隨著塑性變形的加深，鋼管材料出現應變硬化現象，此時載荷再次快速上升，而位移的變化則很小，零件的形狀也基本成形，試驗件未出現開裂現象，這可以從試驗件的照片（見圖5所示）中看出。
　　
　　圖5試驗件的及其截面形狀
　　從試驗件截面形狀可以看出試驗件形狀正確，過渡圓滑，成形無縫鋼管斷面與成形時所對應的a區、b區兩側均無宏觀裂紋產生。另外筆者還對試驗件進行了無損探傷，無損探傷的結果表明看成形無縫鋼管與成形時所對應的a區、b區兩側均無微觀裂紋產生。
　　（b）試驗數據
　　試驗中比較重要的方面有凸模的徑向壓下量、斷面形狀、裂紋情況和載荷四個方面，下面用表格的列出這幾項數據。
　　表1.試驗數據

　　
　　表中的徑向壓下量理論值是通過將鋼管放入模具中，凸模加載至300Kg時作為壓下量的測量零點，這樣可以消除鋼管的尺寸誤差和鋼管與設備之間的間隙誤差。從表中數據可以看出，鋼管的屈服載荷都是6.5噸，最大載荷和進行壓下量之間基本成正比關系，其截面尺寸也基本相同。
　　7、結論
　　由試驗結果看，試件壓型處過渡圓滑，無裂紋及皺褶，表面無明顯壓痕；斷面形狀好，圓滑過渡，與變形所對應的A區及B區兩側均無裂紋產生，效果十分理想。這說明模具進行這樣設計是合理、正確的。本文解決了無縫鋼管在模具中局部塑性成形的開裂問題，此類問題的實際生產提供了參考價值。
　　主要參考文獻：
　　[1]《管材塑性加工》王同海主編，山東工業大學出版社2001
　　[2]李連詩[M]，異形鋼管生產P19-20，冶金工業出版社，1999