本發(fā)明屬于金屬管錐形模拔制，具體涉及一種基于固定芯棒錐形模拉拔金屬管件的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、通過固定芯棒錐形模拉拔的金屬管件加工變形工藝是金屬塑性加工成形的方法之一，不僅可以使得金屬管減徑、減壁達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)品尺寸，而且還可以使金屬材料晶粒細(xì)化、力學(xué)性能提高，因此，在金屬管件拉拔生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。在這種拉拔變形過程中，道次變形量的極大化可以使金屬晶粒更細(xì)小、組織更均勻、表面質(zhì)量更好，但同時也會帶來管件拉拔失穩(wěn)甚至拉斷的風(fēng)險。因此，如何通過合理地進(jìn)行工藝設(shè)計，使得拉拔工藝實現(xiàn)道次拉拔變形量極大化的同時避免拉拔力過大，一直是困擾企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的技術(shù)難題。目前采用有限元的模擬技術(shù)對拉拔過程變形規(guī)律研究有一定的進(jìn)展，雖然其對設(shè)計拉拔工藝能起到一定的幫助，但是其模擬計算量大且耗時過長，無法滿足生產(chǎn)線在線進(jìn)行工藝制定和優(yōu)化的實時性、高效率需求。如何研究開發(fā)一種可以科學(xué)合理、快速、高效實現(xiàn)拉拔工藝設(shè)計計算的方法，使固定芯棒錐形模拉拔過程中道次變形量極大化的同時避免拉拔工藝失穩(wěn)，成為一種迫切技術(shù)需要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)涉及固定芯棒錐形模拉拔過程中道次變形量極大化和避免拉拔工藝失穩(wěn)難以兼顧以及設(shè)計計算的問題，本發(fā)明將提供一種基于固定芯棒錐形模拉拔金屬管件的設(shè)計方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，具體包括以下技術(shù)方案：

3、一種基于固定芯棒錐形模拉拔金屬管件的設(shè)計方法，包括如下步驟：

4、（1）通過金屬管件的拉伸試驗得到金屬管件的屈服強(qiáng)度;

5、（2）通過gleeble試驗得到多組金屬管件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過多組金屬管件的應(yīng)力應(yīng)變曲線得到金屬管件的流變應(yīng)力模型；

6、（3）獲取加工變形溫度t、拉拔出口線速度、成品管的壁厚、成品管的外徑、來料金屬管件的壁厚、金屬管件與模具內(nèi)孔壁之間的摩擦系數(shù)以及金屬管件與芯棒之間的摩擦系數(shù)；

7、（4）預(yù)設(shè)基于固定芯棒錐形模，將來料金屬管件進(jìn)行拉拔得到成品管，將拉拔過程中的金屬管件的變形區(qū)劃分為減徑區(qū)和減壁區(qū)，并基于步驟（2）所述金屬管件的流變應(yīng)力模型和步驟（3）獲取的各參數(shù)以及能量法中的計算公式，以來料金屬管件的外徑和拉拔孔壓縮角為變量，迭代計算拉拔管件的出口端面平均拉拔應(yīng)力，迭代計算終止的條件為：

8、

9、式中，為誤差值；終止計算后，得到對應(yīng)設(shè)計的、。

10、本發(fā)明將金屬管件的道次變形量的極大化分策略是在來料金屬管件壁厚既定的情況下追求來料金屬管件外徑的極大化。本發(fā)明將對來料金屬管件和成品管的外徑和壁厚、優(yōu)化的拉拔孔壓縮角和拉拔最大拉緊度，結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計計算，使拉拔模具外的管件處在合理的最大拉緊度力學(xué)狀態(tài)，即，當(dāng)拉拔管件的出口端面平均拉拔應(yīng)力接近0.75倍金屬管件的屈服強(qiáng)度時迭代計算終止，在實現(xiàn)拉拔工藝獲得道次變形量極大化的同時保證工藝安全穩(wěn)定性，即：拉拔工件既不發(fā)生斷裂，也不在拉拔模具之外進(jìn)入塑性狀態(tài)。本發(fā)明可以提高工藝設(shè)計的效率，有效降低工藝試錯成本，提高生產(chǎn)效率。

11、本發(fā)明的設(shè)計方法中，先獲取金屬管件拉拔的屈服強(qiáng)度和流變應(yīng)力模型，預(yù)設(shè)來料金屬管件的外徑為固定值，再以拉拔孔壓縮角為變量，通過能量法計算公式迭代計算得到優(yōu)化的拉拔孔壓縮角，再基于已知的優(yōu)化的拉拔孔壓縮角、成品管的外徑和壁厚、拉拔速率、拉拔溫度和流變應(yīng)力模型，將來料金屬管件的外徑作為變量，迭代計算拉拔實時理論拉拔應(yīng)力，迭代計算時使得實時理論拉拔應(yīng)力接近金屬管件拉拔的屈服強(qiáng)度的0.75倍，以實現(xiàn)將拉拔的金屬管件的最大拉緊度力學(xué)狀態(tài)納入計算的范疇，終止迭代計算后，可以確定相對應(yīng)的來料金屬管件的外徑以及其他工藝參數(shù)。本發(fā)明的設(shè)計方法綜合應(yīng)用了基于金屬力學(xué)試驗數(shù)據(jù)和材料本構(gòu)模型建模技術(shù)、基于塑性力學(xué)原理的解析計算、計算機(jī)編程迭代求解技術(shù)，提高了工藝設(shè)計效率，降低了生產(chǎn)現(xiàn)場工藝的試錯成本，從而創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)效益。

12、優(yōu)選地，步驟（1）中，所述拉伸試驗過程中，設(shè)置多個拉伸停頓點，使得所述金屬管件的屈服強(qiáng)度為累計加工硬化效果的金屬管件屈服強(qiáng)度。

13、優(yōu)選地，步驟（2）中，所述金屬管件的流變應(yīng)力模型為johnson-cook流變應(yīng)力模型。優(yōu)選地，步驟（4）中，所述能量法中的計算公式包括如下計算式：

14、

15、式中，

16、為單位體積對應(yīng)的拉拔出口拉拔力做功，其計算式為：

17、

18、式中，

19、為拉拔管件的出口端面平均拉拔應(yīng)力；

20、為拉拔時發(fā)生金屬流量對應(yīng)的管件拉拔后長度；

21、為拉拔時發(fā)生金屬流量對應(yīng)的管件拉拔前長度；

22、為減徑區(qū)的理想單位體積應(yīng)變能，其計算式為：

23、

24、式中，

25、為減徑變形區(qū)對應(yīng)的平均流變應(yīng)力；

26、為減徑變形區(qū)內(nèi)金屬管件發(fā)生的等效應(yīng)變值，其計算式為：

27、

28、式中，

29、

30、

31、

32、將上述代入步驟（2）所述金屬管件的流變應(yīng)力模型中，計算求得拉拔減徑區(qū)內(nèi)的平均流變應(yīng)力，且在計算過程中，取等效應(yīng)變程度的近似值計算式為：

33、

34、等效應(yīng)變速率的計算式為：

35、

36、式中，t為金屬通過變形區(qū)的變形時間，其計算式為：

37、

38、式中，

39、為金屬管件的入口線速度；為金屬管件進(jìn)入減壁區(qū)處的瞬時線速度；、的值在已知金屬管件拉拔出口線速度的前提下，根據(jù)金屬體積不變定律計算得到；

40、為減壁區(qū)的理想單位體積應(yīng)變能，其計算式為：

41、

42、式中，

43、為減壁變形區(qū)對應(yīng)的平均流變應(yīng)力；

44、為減壁變形區(qū)內(nèi)管件發(fā)生的等效應(yīng)變值，其計算式為：

45、

46、式中，

47、

48、

49、

50、將上述代入步驟（2）所述金屬管件的流變應(yīng)力模型中，計算求得拉拔減壁區(qū)內(nèi)的平均流變應(yīng)力；在計算過程中，取等效應(yīng)變程度的近似值計算式為：

51、

52、等效應(yīng)變速率的計算式為：

53、

54、式中，t為金屬通過變形區(qū)的變形時間，其計算式為：

55、

56、式中，

57、為金屬管件的拉拔出口線速度，為金屬管件進(jìn)入減壁區(qū)處的瞬時線速度，、的值在已知金屬管件拉拔出口線速度的前提下，根據(jù)金屬體積不變定律計算得到；

58、為變形區(qū)內(nèi)單位體積剪切應(yīng)變能，其計算式為：

59、

60、式中，為拉拔孔壓縮角；

61、為變形區(qū)內(nèi)的單位體積摩擦做功，其計算式為：

62、

63、式中，

64、為金屬管件與模具內(nèi)孔壁之間的摩擦系數(shù)；

65、為金屬管件與芯棒之間的摩擦系數(shù)；

66、為減徑區(qū)模具對金屬管件壓強(qiáng)的徑向分量；

67、為減壁區(qū)模具對金屬管件壓強(qiáng)的徑向分量；

68、為減壁區(qū)芯棒對金屬管件內(nèi)壁的壓強(qiáng)；

69、為單位體積流量的金屬在減徑區(qū)克服摩擦做的功長度；

70、為單位體積流量的金屬在減壁區(qū)克服摩擦做的功長度。

71、優(yōu)選地，步驟（3）中，所述為0.5-4mm。

72、優(yōu)選地，步驟（3）中，所述為20-40mm。

73、優(yōu)選地，步驟（3）中，所述為0.5-4mm。

74、優(yōu)選地，步驟（3）中，所述為400-800mm/s。

75、優(yōu)選地，步驟（3）中，所述為15-30℃。

76、優(yōu)選地，步驟（4）中，所述為30-80mm。

77、優(yōu)選地，步驟（4）中，所述為8-20°。

78、優(yōu)選地，步驟（4）中，所述＜1%，進(jìn)一步優(yōu)選＜0.1%。

79、誤差值越接近0，拉拔管件的出口端面平均拉拔應(yīng)力越接近0.75倍金屬管件的屈服強(qiáng)度，可以避免單道次大幅度變形引起的管件拉拔失穩(wěn)。

80、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：（1）本發(fā)明的設(shè)計方法，基于科學(xué)工程計算方式進(jìn)行工藝設(shè)計，在得到固定芯棒錐形模拉拔道次最大變形量同時，可以避免單道次大幅度變形引起的管件拉拔失穩(wěn)；（2）本發(fā)明的設(shè)計方法，由于綜合應(yīng)用了基于金屬力學(xué)試驗數(shù)據(jù)和材料本構(gòu)模型建模技術(shù)、基于塑性力學(xué)原理的解析計算、計算機(jī)編程迭代求解技術(shù)，提高了工藝設(shè)計效率，降低了生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝試錯成本，從而創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)效益。