国内外机械扩径工艺研究现状

在国外，有关学者针对合金元素对扩径力的影响及机械扩径机的工作原理做过初步研究，借助有限元软件建立了对焊管进行管端机械扩径的数值模拟模型。McCutcheon等对钢管材质中不同合金元素对扩径的力学性能参数的影响进行了研究，得出了各个元素对扩径力影响程度由大到小依次为：碳，钒，钼，锰和镍,以及合金元素对钢板的抗拉强度与对钢管的强度极限影响相同的结论[22]。Rys.Jan等就对管筒形零件机械扩径工艺进行研究，采用圆柱形模型并考虑加工硬化预测管体扩径模式，通过对两个钢管进行扩径，简要说明了扩径过程的三个方面的问题，即扩径压力的局限性、扩径位移要求和扩径过程技术参数的确定等[23]。1998年，前苏联的Marin.B.N.借助有限元软件，建立了对焊管进行管端机械扩径的数值模拟模型[24]。2005年，G.Palumbo等在文献中将制造大直径焊管的扩径阶段界定为尺寸和形状的校准阶段，详细介绍了机械扩径机的工作原理和扩径行为，并探讨了机械扩径机在焊管制造过程中的重要地位。

在国内，《焊管》杂志在1997年发表了名为“焊管胀形工艺理论研究”的研究报告。作者以小直径薄壁无缝钢管为研究对象，首次运用有限元程序模拟分析，采用由4瓣模具构成的机械扩径实验装置，对管材的扩径工艺进行了试验研究。《重型机械》在1999年发表了名为“螺旋焊管冷扩径技术的实验研究”的研究报告。作者以螺旋焊管为研究对象，就螺旋焊管的可扩性、螺旋焊管机械扩径时焊缝与扩径头的接触问题、扩径力计算方法以及扩径率对残余应力和屈服强度的影响等问题进行了试验研究。但研究工作未涉及工艺因素及模具参数对管坯成形质量的影响等问题，对制品尺寸精度的指导作用有限。

针对机械扩径工艺中扩径力的计算方法，付正荣通过使用扇形块为12块的扩径头对高频埋弧焊螺旋焊管进行冷扩径的工艺试验研究，首次提出了扩径工艺能够改善管坯残余应力分布和提高屈服强度这一结论；给出了残余应力和扩径率、屈服极限和扩径率的试验曲线；并对扩径过程中扇形块、锥体和管坯的受力分析，得出了扩径力的计算公式，与实验值相比误差为2%[27]。燕山大学郭宝峰教授在此基础上改进了扩径力的计算公式，同时，基于弹塑性理论系统地分析了管坯的变形特征，给出了机械扩径的成形条件。其使用非线性有限元软件MARC得出了机械扩径模具参数和工艺参数对产品质量的影响，采用机械扩径工艺对大口径直缝焊管分段扩径，对其理论公式和有限元分析结果进行了实验验证，结果表明理论公式和有限元分析结果基本满足工程要求。

本世纪初，机械扩径工艺参数对制品质量影响的研究已逐步成熟，但扩径过程与工艺参数相互影响，很难获得最优工艺参数。随着计算机技术的发展，数值模拟计算和神经网格的方法得以广泛应用。以提高制品质量为目标，采用先进的计算方法和物理实验相结合，成为优化扩径工艺参数的新潮流。杨兴厚采用正交表优化方法，以管线钢产品的尺寸精度和形状精度为指标，对多种规格机械扩径制品的主要工艺参数的组合进行优化[34-36]。通过比较分析各组试验中工艺参数的最优组合，给出了适用于多种规格管坯的扩径工艺参数的推荐取值范围。对于扩径率，取0.75%～1.25%对于制品质量较为有益；对于模具相对凸模半径，以1.05～1.1为好；对于边缘圆角半径，推荐取0.5t 0～0.75t 0(t 0为管坯壁厚)[37-38]。优化结果为实际生产中制订工艺参数提供了更为可靠的数据参照，更有利于提高制品的尺寸和形状精度。上述研究成果大都基于管线钢材的机械扩径，对304不锈钢旋压件机械扩径工艺的研究起到一定的参考作用。但两者在截面尺寸形状的变化规律上不尽相同，针对不同的材料，在模具尺寸和工艺参数上应当做适度的调整。另外，对较长距离管坯在机械扩径中直线度的变化缺少相关文献的技术支持，而如何改善制品母线的直线度精度，这一点值得深入研究分析。