焊管機械擴徑變形分析

焊管在機械擴徑工藝中，擴徑模具扇形塊在初始時處于收攏狀態，擴徑前模具工作表面與管坯內側留有的間隙。擴徑開始后，擴徑頭作用于模具扇形塊使其沿徑向外移，彼此間趨于分離狀態，模具外接圓尺寸逐漸變大。一段空行程后，模具工作表面先與管坯內表面在橢圓短軸側相接觸。根據模具工作表面圓弧段的直徑與管坯內徑的比值不同而分兩種情況，當比值大于1時，模具邊緣圓角處首先與管坯內徑接觸，當比值小于1時，則首先在模具工作圓弧中間位置接觸。擴徑模具與管坯接觸后，模具對管坯施加徑向載荷，使管坯經過整圓、擴徑過程而相繼發生彈性和塑性變形。在數值模擬中，該過程表現為賦予剛性模具徑向位移時，變形體由彈性變形逐漸進入塑性變形。

在實際生產中，擴徑階段結束后，模具需要在原位置做一段時間的停留，即保壓穩定階段。保壓后，模具開始沿徑向回到初始位置，恢復為收攏狀態，管坯直徑略有減小。在數值模擬中，該過程表現為賦予剛性模具反向徑向位移，變形體發生彈性回復。

從宏觀上看，直縫焊管管坯在擴徑過程中的變形規律基本一致。擴徑前，管坯具有初始橢圓度，在長軸側與模具的間隙要大于短軸側。機械擴徑時的變形過程表現為整圓、擴徑和卸載三個階段：

(1)整圓階段在直縫焊管生產工藝流程中，管坯在經過了之前的成形、焊接等多道工序后，根據成形方法不同其橫截面形狀大多近似為橢圓，并且還存在直線段和棱角。整圓階段就是將管坯形狀變成正圓。這一階段管坯發生幾何形狀變化，但卻不發生塑性變形。管坯內壁先在短徑處與模具工作表面接觸，在模具徑向移動的作用下發生幾何形狀變化，長軸縮短，短軸伸長。

(2)擴徑階段擴徑階段擴徑模具從橫截面上看是利用多個扇形塊脹開后撐起鋼管內壁。每兩個扇形塊模具之間有的間隙，隨著模具脹大間隙也逐漸增加因而在零件橫斷面上形成一些得不到模具支撐的懸空變形區和具有相同變形特點的過渡變形區，表現出一些比較的局部變形特征。在擴徑階段，管坯先是處于彈性變形階段，當應力達到屈服時，管坯開始進入塑性變形階段。

(3)卸載階段此階段管坯的變形主要為彈性回復。焊管保留卸載前的局部特征同時，焊管斷面直徑有所減小，焊管的橢圓度較原始管坯已經有了明顯的減小。因此焊管尺寸、形狀與加工前比較都發生變化。