螺旋扁管擠壓成形設(shè)備設(shè)計(jì)及有限元分析

楊弟洲，黃曉華，丁志輝，殷水忠，朱燦

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

傳熱過程是石油、化工、冶金和電力等行業(yè)中存在的必不可少環(huán)節(jié)。研究與開發(fā)新型高效換熱器兼具降低成本和節(jié)能降耗雙重意義。換熱管為管殼換熱器關(guān)鍵組件，國內(nèi)外學(xué)者針對管型進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出許多新型強(qiáng)化換熱管，螺旋扁管便是其中的一種。螺旋扁管結(jié)構(gòu)如圖1所示。相比普通管殼換熱器螺旋扁管具有強(qiáng)化傳熱、減少結(jié)垢、管束間自支撐、無折流板組件、空間體積小等特點(diǎn)更能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)需求，在石油、化工等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

圖1 螺旋扁管示意圖

羅軍杰[5]和溫曉春[6]在專利中分別提出利用模具逐段擠壓成形，盡管此生產(chǎn)方法簡單，但是生產(chǎn)不同參數(shù)規(guī)格扁管要更換相應(yīng)模具，其生產(chǎn)靈活性差且成本高；同時，擠壓時相鄰兩段的連接處由于兩次擠拉使管壁減薄，降低了螺旋扁管的剛度和耐腐蝕性，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。本文結(jié)合擠壓輥拔成形技術(shù)，采用一對成形軋輥同步擠壓扭轉(zhuǎn)的連續(xù)成形方式，設(shè)計(jì)出一種能生產(chǎn)壁厚均勻、節(jié)距可調(diào)、質(zhì)量合格的新型螺旋扁管成型設(shè)備。同時，利用有限元分析軟件DEFORM-3D對螺旋扁管成形過程進(jìn)行模擬，對其變形規(guī)律進(jìn)行研究，該研究可為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 螺旋扁管擠壓成形設(shè)備設(shè)計(jì)

新型成形設(shè)備將圓管壓扁和扭轉(zhuǎn)同步。擠壓變形實(shí)質(zhì)是圓環(huán)周長和壁厚基本不變，截面發(fā)生彎曲，形狀發(fā)生變化。借鑒輥拔工藝，設(shè)計(jì)了如圖2所示的螺旋扁管擠壓成形設(shè)備。其中圖2(a)左下部分為動力設(shè)備和傳動模塊，右側(cè)為推送模塊及輔助模塊。圖2(b)為成形模塊成形模塊有一對軸線平行安裝、間隙可調(diào)的對軋輥。當(dāng)軋輥徑向接觸時輥縫呈現(xiàn)封閉圓弧槽截面，管坯從輥縫間一次擠壓得到最終成形截面。擠壓同時圓盤帶動軋輥同時繞圓管軸心同步轉(zhuǎn)動，前后擠壓截面自然地相差一定角度形成扭紋。推進(jìn)模塊主要是開有半圓槽的一對推輥，其圓槽半徑略小于圓管，兩輥等速反向轉(zhuǎn)動，推動管坯前進(jìn)的同時禁止管坯自身轉(zhuǎn)動，配合成形軋輥形成扭紋。輔助模塊負(fù)責(zé)在線監(jiān)測、啟停控制和調(diào)速控制等作用。通過調(diào)節(jié)推進(jìn)輥的轉(zhuǎn)速，能改變圓管推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)距螺旋扁管的生產(chǎn)。相比模具擠壓成形，新型軋輥擠壓成形使螺旋扁管生產(chǎn)更高效、更靈活、質(zhì)量更高。

圖2 螺旋扁管擠壓成形設(shè)備圖

2 成形過程數(shù)值模擬

為進(jìn)一步了解擠壓成形原理對成形過程進(jìn)行有限元分析。該過程是非線性大變形過程，可采用鋼塑性有限元法分析[7-8]。

2.1 有限元模型的建立

經(jīng)簡化有限元模型包括軋輥、坯料和輔助推塊。根據(jù)加工現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)定了各模型的參數(shù)：1) 坯料，空心圓環(huán)體，外徑取19 mm，厚度取2 mm，成形后節(jié)距S=200 mm，考慮到管端部可能影響模擬結(jié)果，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱模擬長度不小于1/4節(jié)距，而模擬長度過大會延長數(shù)值模擬時間，故管坯模型長度取為160 mm。2)軋輥，由于擠壓前后截面周長不變，則軋輥圓弧槽母線長軸取22.5 mm，短軸取13 mm，軋輥軸肩半徑取30 mm。3) 推塊，主要作用是以給定的速度推動圓管通過軋輥，其尺寸任意。

2.2 初始條件設(shè)定

1) 變形溫度。采用冷擠壓工藝，整個模擬過程溫度設(shè)定為室溫即20 ℃。

2) 模型材料。管坯材料采用奧氏體不銹鋼，牌號0Cr17Ni12Mo2，其彈性模量為193 GPa，采用多線性彈塑性材料模型。成形軋輥和推塊皆視作剛體。

3) 網(wǎng)格劃分及步長。DEFORM-3D默認(rèn)網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，兼顧計(jì)算效率和精度[9-10]。對管坯自動劃分網(wǎng)格，采用絕對尺寸，全局網(wǎng)格最大寸為1.8 mm，比率為3。最終劃分成單元類型離散型單元數(shù)77 586，初始節(jié)點(diǎn)數(shù)19 139；考慮到截面擠壓扭曲變形，步長增量取0.08。

4) 邊界條件。擠壓過程中，管坯受到推輥摩擦約束只沿軸向進(jìn)給而不繞軸轉(zhuǎn)動，因此選取管坯遠(yuǎn)離擠壓側(cè)的端面節(jié)點(diǎn)定義速度約束，即X=0,Y=0。

5) 摩擦模型。由于擠壓成形時軋輥和管坯相對滑動，故采用庫侖摩擦模型，擠壓時軋輥?zhàn)陨頃D(zhuǎn)動，管坯和軋輥實(shí)際發(fā)生滾動摩擦。摩擦系數(shù)相對較小取0.12[11-12]。初步確定模型各部件幾何參數(shù)和工藝參數(shù)，完成建模和前處理設(shè)置，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元裝配模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際擠壓加工情況，設(shè)定管坯軸向推進(jìn)速度為40mm/s，成形軋輥轉(zhuǎn)速度設(shè)定為1.256rad/s。擠壓成形的螺旋扁管如圖4所示。成形過程管坯截面受徑向擠壓和扭轉(zhuǎn)，管坯縱截面的應(yīng)變變化近似平行接觸邊線規(guī)律分布，重點(diǎn)分析橫截面的應(yīng)變規(guī)律，取圖4中A-A截面。仿真結(jié)果如圖5所示。壓扁初期和中期截面由圓環(huán)變成橢圓，進(jìn)一步橢圓短軸端點(diǎn)的圓弧趨向直線端。該過程中截面應(yīng)變變化如圖5(a)、圖5(b)所示。短軸端點(diǎn)處圓弧的外壁x軸方向出現(xiàn)拉應(yīng)變，內(nèi)壁與之相反出現(xiàn)壓應(yīng)變，其分布主要是扭轉(zhuǎn)引起；在y軸方向外壁出現(xiàn)壓應(yīng)變，內(nèi)壁出現(xiàn)拉應(yīng)變，其主要原因是圓弧平直化時外壁弧長大于內(nèi)壁，因此內(nèi)部受拉外部受擠。壓扁末期如圖5(c)所示，由于“內(nèi)拉外壓” 應(yīng)變持續(xù)加劇，直邊出現(xiàn)輕微塌陷，并且此時長軸和短軸與內(nèi)外壁交點(diǎn)區(qū)域應(yīng)變達(dá)到最大值。整個成形過程管坯受沿z向進(jìn)給推力，在z向截面主要呈現(xiàn)壓應(yīng)變，分布區(qū)域無明顯差異僅大小區(qū)分。

圖4 螺旋扁管圖

圖5 擠壓過程應(yīng)變分布圖

此處給出擠壓時z向推力隨行程的變化，如圖6所示。由圖可知，推力趨于平穩(wěn)時基本分布于[1 200，1 400]區(qū)間范圍，其峰值是1 394N，經(jīng)計(jì)算得推力平均值是1 209N。借鑒Laila S.Bayoumi在文獻(xiàn)中計(jì)算壓扁力的理論方法[13]，計(jì)算得理論推力值為1 346N。仿真所得平均值與理論值誤差為10.2%。由此可見此仿真具有一定可靠性。

圖6 行程—載荷圖

3 加工參數(shù)對推力的影響規(guī)律

為避免因推力過大導(dǎo)致擠壓時管坯失穩(wěn)、起皺問題，借助仿真探究擠壓軸向進(jìn)給速度Vz、摩擦系數(shù)f、軋輥半徑R各因素對推力影響關(guān)系。由于擠壓過程推力在一定范圍內(nèi)波動，選用平均值和峰值反映推力水平。仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真模擬參數(shù)表

圖7反映了不同擠壓參數(shù)對推力的影響。

由圖7可得到擠壓參數(shù)對推力的影響規(guī)律：隨著進(jìn)給速度和摩擦系數(shù)增大，推力呈增大趨勢；而增大軋輥半徑能使推力及其峰值隨著減小，但減小幅度不明顯。當(dāng)其他參數(shù)不變時，若進(jìn)給速度為60 mm/s時，推力平均值達(dá)1 417 N，最大值達(dá)1 649 N；若摩擦系數(shù)為0.20時，推力平均值達(dá)1 384 N，最大值達(dá)1 586 N。這也反映出擠壓速度和摩擦系數(shù)較大時推力整體變大且穩(wěn)定性較差，相比較摩擦系數(shù)速度影響更為顯著。

圖7 不同參數(shù)對推力影響

4 結(jié)語

1) 采用擠壓工藝生產(chǎn)螺旋扁管，設(shè)計(jì)了對輥同步扭轉(zhuǎn)擠壓成形設(shè)備，有效避免了普通模具擠壓時導(dǎo)致管壁減薄、耐腐蝕性及強(qiáng)度差、模具生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)靈活性差等不足。同時實(shí)現(xiàn)連續(xù)推進(jìn)擠壓使生產(chǎn)效率提高。

2) 分析了擠壓成形截面變化過程，即管坯截面由壓扁初期規(guī)則橢圓化進(jìn)一步到壓扁中期圓弧平直化，至最終壓扁末期平直圓弧出現(xiàn)輕微塌陷。研究了截面xy向應(yīng)變變化，發(fā)現(xiàn)管坯內(nèi)外壁相反分布的應(yīng)變特性，在長短軸圓弧附近區(qū)域應(yīng)變最大。

3) 利用數(shù)值模擬對不同工藝參數(shù)時的軸向推力進(jìn)行計(jì)算，找出各工藝參數(shù)對推力的影響規(guī)律，摩擦系數(shù)和進(jìn)給速度增大時，軸向推力也隨之變大，推力波動性也變大，而隨軋輥半徑增大軸向推力小幅減小，即軋輥半徑影響效果較弱。

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