機械擴徑工藝與工藝參數(shù)優(yōu)化

1、機械擴徑工藝與工藝參數(shù)優(yōu)化摘要:本文設(shè)計了鋼管擴徑的相關(guān)模具，并在萬能實驗機上進(jìn)行實驗。考察了擴徑系數(shù)、頂錐錐角、摩擦系數(shù)對圓管擴徑力的影響，擴徑系數(shù)、頂錐錐角對變形分配的影響以及擴徑系數(shù)、頂錐錐角對橢圓管規(guī)圓效果的影響。關(guān)鍵詞:擴徑工藝參數(shù)優(yōu)化鋼管擴徑1鋼管擴徑技術(shù)的應(yīng)用擴徑是一種用小直徑管坯生產(chǎn)大直徑管材的方法。擴徑有兩種方法:壓人擴徑和拉拔擴徑，壓人擴徑法適合于管壁較厚、直徑較粗、長度較短且長度與直徑之比不大于10的管材。對于為了控制內(nèi)徑尺寸精度而進(jìn)行的擴徑操作，則可以使用較長的管坯。為了在擴徑后較容易從管坯中取出擴徑壓桿，擴徑壓桿應(yīng)有一定的錐度，在3m長度上其直徑相差3mm4mm。一般

2、情況下，壓人擴徑操作在液壓拉拔機上進(jìn)行。拉拔擴徑法適合于較小斷面的薄壁長管生產(chǎn)，可在普通的鏈?zhǔn)嚼浒喂軝C上進(jìn)行。擴徑拉伸方法和特點是：銅合金管材擴徑拉伸的方法有壓人擴徑法和拉伸擴徑法。（1）壓人擴徑法。在油壓機上將直徑大于管坯內(nèi)徑的芯棒壓人管材內(nèi)部，使管材內(nèi)徑擴大，壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑厚壁管材的小批量生產(chǎn)。（2）拉伸擴徑法。用拉伸機將直徑大于管材內(nèi)徑的芯頭拉過管坯內(nèi)部，使管材內(nèi)徑擴大，壁厚、長度減小。該方法適合于大直徑薄壁管材的生產(chǎn)。在擴徑拉伸時,管材軸向受拉應(yīng)力，因此，對塑性低的合金不宜采用。擴徑拉伸是將直徑大于管坯的模芯壓入管材內(nèi)端部，采用壓人法或拉伸法實現(xiàn)內(nèi)徑擴大、壁厚、長度

3、減小。2擴徑工藝原理根據(jù)外加彎矩的大小，橢圓管的彈塑性變形有以下幾種情況，當(dāng)附加彎矩很小時，橢圓管斷面只發(fā)生彈性變形，當(dāng)附加彎矩增加一定值,橢圓表面發(fā)生彈性變形，但橢圓管的內(nèi)外表面都達(dá)到屈服極限，當(dāng)再增加附加彎矩時，距離中性面一定距離的地方發(fā)生彈性變形，靠近內(nèi)外表面的地方發(fā)生塑性變形，如果附加彎矩繼續(xù)增加，塑性變形的區(qū)域逐步增加,直至中性面也發(fā)生塑性變形。長軸兩端實際上是斷面繼續(xù)彎曲增大曲率的過程，斷面中性面以上處于受拉狀態(tài)、中性面以下處于受壓狀態(tài)，長軸兩端中性面以上軸向方向處于受壓狀態(tài)、中性面以下軸向方向處于受拉狀態(tài)，因此原來成直線的中軸線逐步變成向內(nèi)凹的曲線，短軸方向?qū)嶋H上是斷面曲率變小的

4、過程，在圓管加工成橢圓管的過程中,原來成直線的中軸線逐步變成向外凸的曲線。不管向內(nèi)凹的長軸縱向纖維還是向外凸的短軸縱向纖維，都是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在塑性變形過程中，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)總是存在的，當(dāng)用擴徑系數(shù)很小的錐頭擴徑時，塑性變形量很小，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)表現(xiàn)的更加明顯，使長軸方向向內(nèi)凹的縱向纖維變成外凸，同時使短軸方向向外凸的縱向纖維變成內(nèi)凹，從而實現(xiàn)長短軸的互換：當(dāng)擴徑系數(shù)較大的錐頭擴徑時,塑性變形量很大，掩蓋了這種不穩(wěn)定的翹曲變形，因此也沒有表現(xiàn)出這種長短軸互換的反?，F(xiàn)象拉拔式擴徑機的主要工作原理是：通過一組（34）個直徑逐漸增大的頂頭插人并通過鋼管全長，使鋼管直徑擴大，壁厚減薄，長度略為

5、縮短,具體過程如圖1所示。已擴口的管端用壓緊環(huán)2固定，打開冷卻水噴射器3,冷卻擴口管端使其變黑”以增加鋼管強度，隨后再引入第一個頂頭4。頂頭4固定在心棒5上，心棒的另一端與拉拔鏈條相連電動機使鏈條不斷運動產(chǎn)生拉力，以使頂頭穿過整根鋼管插入頂頭時速度要小些，之后速度增大，使鋼管溫度不致過于降低。當(dāng)?shù)谝桓旑^穿過之后,緊接著引入第二根直徑稍大的頂頭，這樣連續(xù)的引進(jìn)頂頭與心棒，使鋼管被擴至所需直徑。頂頭拉拔速度應(yīng)盡可能快，以便有可能在一次加熱擴口后就完成所需擴徑的加工。一次加熱最多可進(jìn)行三四次拉拔，如還不能達(dá)到所需直徑，則需進(jìn)行第二次擴口、加熱，并用一組直徑更大的頂頭再次進(jìn)行拉拔。之后，卸下鋼管，用

6、氧氣乙炔火焰將端部擴口部分切除，并在冷床上進(jìn)行冷卻，然后鋼管按一般順序（與熱軋鋼管相同）的精整，由輥道將已擴徑之鋼管運往精整工段，進(jìn)行精整和水壓試驗。3塑性成形中應(yīng)用的優(yōu)化算法3.1數(shù)學(xué)算法塑性成形中應(yīng)用最多的方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃可以描述為在一些數(shù)學(xué)關(guān)系諸如等式或不等式表示的約束條件下，求一個（或一組）函數(shù)極值問題的方法。常見的數(shù)學(xué)規(guī)劃包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多層規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃以及發(fā)展較新的隨機規(guī)劃和模糊規(guī)劃等。它有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)論證，又有許多成功應(yīng)用的實例，所以成為塑性成形加工首選的算法。在數(shù)學(xué)規(guī)劃中，按是否對目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)，將優(yōu)化算法分成不利用梯度的算法

7、和利用梯度的算法。梯度算法收斂速度快，對初始設(shè)計點不敏感。非梯度法簡單易用，但收斂速度慢。3.2有限元逆向模擬技術(shù)它是基于剛塑性有限元發(fā)展起來的優(yōu)化方法。它從工件的最終形狀出發(fā)，用有限元法倒推滿足成形要求的初始和中間毛坯形狀，然后根據(jù)經(jīng)驗確定模具形狀。因此又被稱為有限元逆向追蹤法。有限元逆向模擬法特別適用于加載路徑已知的成形工藝。而在塑性成形中，成形路徑一般是未知的。因此，在塑性成形中，主要用于選擇最優(yōu)預(yù)成形及成形路徑。3.3實驗優(yōu)化法實驗優(yōu)化法就是通過廣義實驗（包括實物實驗與非實物實驗）進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計的一種優(yōu)化方法。它從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理設(shè)計實驗方案，有效控制實驗干擾，科學(xué)處理實驗數(shù)據(jù)，全面進(jìn)行優(yōu)化分析，直接實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域4結(jié)語可膨脹管技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井作業(yè)中，既能解決井眼變徑問題，又能大量節(jié)約作業(yè)成本，被認(rèn)為是21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一?？膳蛎浌茉阢@井中擴徑的工作基本原理是用錐頭將井下圓鋼管冷脹到需要的尺寸。可膨脹管技術(shù)的關(guān)鍵就是擴徑工藝的選擇，目前國內(nèi)對可膨脹管的研究只是停留在跟蹤階段。參考文獻(xiàn)余大典,王嘯修.直縫焊管機械擴徑工藝技術(shù)研究J.寶鋼技術(shù),2008(3).李聚群，楊曉紅,姚志英管材擴徑時摩擦對變形狀態(tài)的影響