核電用厚壁不銹鋼方管拉拔成形工藝流程分析

   我國現在己成為不銹鋼產品的生產大國，在不銹鋼方管的拉拔生產中積累了不少經驗，尤其在建筑用小規格薄壁不銹鋼方管方面，一道次成形工藝很常見。但對于大規格中等壁厚的厚壁方管拉拔生產工藝介紹的很少。本文結合為我國首臺AP 1000核電項目生產的規格為203.2mmx203.2mm×12.7 mm的不銹鋼方管，介紹了實驗初期階段采用空拉工藝出現的邊長中部內凹、邊角劃傷，尺寸超差等問題，后期采用有限元分析的方法選擇圓管規格以及使用襯拉模具等方法，確定了重點參數，解決了存在的問題，保證了該合同的完成。

   產品規格及技術要求：203.2mm×203.2 mm×12.7 mm，材質為TP304,采用標準為ASTM A484。生產該產品完全依靠現有的設備和工藝，主要設備有60 MN (6000 t)擠壓機和7MN (700t)的拉拔機及輔助設備。工藝流程:管坯→切斷→鏜孔→加熱→穿孔→加熱→擠壓→酸洗→修磨→潤滑→焊頭→空拔→襯拔→探傷→定尺→包裝。實施過程中出現的問題及處理辦法：空拔主要參數如下:毛坯規格281mm×13.5mm，毛壞酸洗后，經修磨壁厚達到成品的要求;第一道次空拉前規格273mm×13.0mm，然后涂灰和焊頭，拉后規格口230mm×230 mm×13.0mm:經第二道次空拉后，方管表現為邊部下凹，角度超差，沒有達到設計的要求。分析原因后，從改進拉拔模的設計開始并改空拉為襯拉。

   從空拉后不銹鋼方管形狀來看，兩道次都采用空拉，由于壁厚較厚，此方案存在諸多問題。經分析確定，采用一道次過渡空拉和一道次襯拉(外模+芯棒)的方案。為了保證成功，需重新設計模具并配合有限元分析等辦法。從空拉實驗后不銹鋼方管的斷面來看，在拉拔模的孔型設計中存在空拉失敗和周邊壓縮系數取值大等問題。失敗主要是孔型模具的設計存在問題。失敗的原因是由于不銹鋼圓管拔制不銹鋼方管時，圓管開始進入模具的接觸面積和沿圓周上開始接觸的位置不同。為了減小沿周長上變形的不同時性，在設計拉拔模入口道槽時盡量增加同時接觸面積，以防止管子在變形中失穩。不均勻變形也是失穩的原因，這是由于不銹鋼圓管進入孔型后的各部分變形量不同，內外層的金屬變形不同所致，即角部和平面部分的金屬延伸不同。一般角部金屬延伸大，平面部分延伸小，角部受軸向壓應力，壁厚稍微增厚，平面部分受軸向拉應力，壁厚相應減薄一些。

   失敗問題的處理，主要從第一道空拉模的設計著手：空拉模?？子扇肟阱F、定徑帶及出口錐3部分組成。定徑帶是一個方柱體，其長度取1015 mm,出口錐為一方錐體，其尺寸與普通圓管冷拔模的取法相同。失穩原因大多源于入口錐設計存在問題。入口錐是由4個相同的二次曲面組成的喇叭口。二次曲面與定徑帶方柱體的表面相交形成過渡區。入口錐的基本參數取值思路如下:入口平面的4個圓弧組成的弧方形，圓方弧的弧邊的曲率半徑近似取空拉前管坯直徑，弧方角部近似取成品角的2倍，入口錐角根據經驗保證負荷最小，取值范圍10°13°區間，本次取12°。

   襯拉模(外模+芯棒)的設計：外模的?？撞捎缅F形模，定徑帶長度取7mm，入口錐角仍取12，?？椎耐蛊鸩糠职凑羁刂?。芯棒的設計原則是，芯棒斷面必須與鋼管內孔一致，以保證芯棒在?？變任恢梅€定。芯棒采用柱形芯棒，為便于使芯棒進入孔模的定徑帶，芯棒的前端倒角2×30°，角部倒角5×45°，柱體段長度取100 mm。

  周邊壓縮系數表示圓管周長縮小量，為了保證充滿孔型，不銹鋼圓管周長應大于不銹鋼方管周長，至少是相等。壓縮系數選擇恰當與否，成品平面部分容易出現凹陷對產品有重要影響。其值太小拔后不銹鋼方管角部處圓角太大，若太大，則(證明了第1次空拉出現的問題)。為了驗證第2次采用空拉+襯拉方案的可靠性，采用有限元方法進行了分析。采用軟件建立了模具和方管的三維模型，并保存為模擬軟件識別的格式。由于外模設計比較合理，即在外模的入口處設計了12°的錐角，且入口處寬度為233.9 mm，大于不銹鋼方管外部的寬度225 mm，保證了第一道次圓變方后的方管能夠較平緩的進入外模入口。 從模擬的結果來看，即使內模寬度(177.2 mm)與不銹鋼方管內部寬度(199 mm)之間的間隙為21.8mm(不銹鋼方管內部寬度一內模寬度)，即單邊有10 mm左右的間隙，隨著變形的進行，不銹鋼方管能逐漸充滿內模和外模之間的間隙，從而順利實現變形。

   經過上述分析，可以發現，合理的第一道次空拉尺寸和襯拉模具設計對最終質量有著至關重要的作用，經過擇優后的方案生產出合格的產品并完成了合同。厚壁方管的成形采用圓管坯經一道次空拉和一道次襯拉完全可以實現。第一道次空拉的尺寸控制尤為重要，若形狀選取不合適，容易在空拉中產生失穩，從而導致最終產品的缺陷。