核电用厚壁不锈钢方管拉拔成形工艺流程分析

   我国现在己成为不锈钢产品的生产大国，在不锈钢方管的拉拔生产中积累了不少经验，尤其在建筑用小规格薄壁不锈钢方管方面，一道次成形工艺很常见。但对于大规格中等壁厚的厚壁方管拉拔生产工艺介绍的很少。本文结合为我国首台AP 1000核电项目生产的规格为203.2mmx203.2mm×12.7 mm的不锈钢方管，介绍了实验初期阶段采用空拉工艺出现的边长中部内凹、边角划伤，尺寸超差等问题，后期采用有限元分析的方法选择圆管规格以及使用衬拉模具等方法，确定了重点参数，解决了存在的问题，保证了该合同的完成。

   产品规格及技术要求：203.2mm×203.2 mm×12.7 mm，材质为TP304,采用标准为ASTM A484。生产该产品完全依靠现有的设备和工艺，主要设备有60 MN (6000 t)挤压机和7MN (700t)的拉拔机及辅助设备。工艺流程:管坯→切断→镗孔→加热→穿孔→加热→挤压→酸洗→修磨→润滑→焊头→空拔→衬拔→探伤→定尺→包装。实施过程中出现的问题及处理办法：空拔主要参数如下:毛坯规格281mm×13.5mm，毛坏酸洗后，经修磨壁厚达到成品的要求;第一道次空拉前规格273mm×13.0mm，然后涂灰和焊头，拉后规格口230mm×230 mm×13.0mm:经第二道次空拉后，方管表现为边部下凹，角度超差，没有达到设计的要求。分析原因后，从改进拉拔模的设计开始并改空拉为衬拉。

   从空拉后不锈钢方管形状来看，两道次都采用空拉，由于壁厚较厚，此方案存在诸多问题。经分析确定，采用一道次过渡空拉和一道次衬拉(外模+芯棒)的方案。为了保证成功，需重新设计模具并配合有限元分析等办法。从空拉实验后不锈钢方管的断面来看，在拉拔模的孔型设计中存在空拉失败和周边压缩系数取值大等问题。失败主要是孔型模具的设计存在问题。失败的原因是由于不锈钢圆管拔制不锈钢方管时，圆管开始进入模具的接触面积和沿圆周上开始接触的位置不同。为了减小沿周长上变形的不同时性，在设计拉拔模入口道槽时尽量增加同时接触面积，以防止管子在变形中失稳。不均匀变形也是失稳的原因，这是由于不锈钢圆管进入孔型后的各部分变形量不同，内外层的金属变形不同所致，即角部和平面部分的金属延伸不同。一般角部金属延伸大，平面部分延伸小，角部受轴向压应力，壁厚稍微增厚，平面部分受轴向拉应力，壁厚相应减薄一些。

   失败问题的处理，主要从第一道空拉模的设计着手：空拉模模孔由入口锥、定径带及出口锥3部分组成。定径带是一个方柱体，其长度取1015 mm,出口锥为一方锥体，其尺寸与普通圆管冷拔模的取法相同。失稳原因大多源于入口锥设计存在问题。入口锥是由4个相同的二次曲面组成的喇叭口。二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区。入口锥的基本参数取值思路如下:入口平面的4个圆弧组成的弧方形，圆方弧的弧边的曲率半径近似取空拉前管坯直径，弧方角部近似取成品角的2倍，入口锥角根据经验保证负荷最小，取值范围10°13°区间，本次取12°。

   衬拉模(外模+芯棒)的设计：外模的模孔采用锥形模，定径带长度取7mm，入口锥角仍取12，模孔的凸起部分按正差控制。芯棒的设计原则是，芯棒断面必须与钢管内孔一致，以保证芯棒在模孔内位置稳定。芯棒采用柱形芯棒，为便于使芯棒进入孔模的定径带，芯棒的前端倒角2×30°，角部倒角5×45°，柱体段长度取100 mm。

  周边压缩系数表示圆管周长缩小量，为了保证充满孔型，不锈钢圆管周长应大于不锈钢方管周长，至少是相等。压缩系数选择恰当与否，成品平面部分容易出现凹陷对产品有重要影响。其值太小拔后不锈钢方管角部处圆角太大，若太大，则(证明了第1次空拉出现的问题)。为了验证第2次采用空拉+衬拉方案的可靠性，采用有限元方法进行了分析。采用软件建立了模具和方管的三维模型，并保存为模拟软件识别的格式。由于外模设计比较合理，即在外模的入口处设计了12°的锥角，且入口处宽度为233.9 mm，大于不锈钢方管外部的宽度225 mm，保证了第一道次圆变方后的方管能够较平缓的进入外模入口。 从模拟的结果来看，即使内模宽度(177.2 mm)与不锈钢方管内部宽度(199 mm)之间的间隙为21.8mm(不锈钢方管内部宽度一内模宽度)，即单边有10 mm左右的间隙，随着变形的进行，不锈钢方管能逐渐充满内模和外模之间的间隙，从而顺利实现变形。

   经过上述分析，可以发现，合理的第一道次空拉尺寸和衬拉模具设计对最终质量有着至关重要的作用，经过择优后的方案生产出合格的产品并完成了合同。厚壁方管的成形采用圆管坯经一道次空拉和一道次衬拉完全可以实现。第一道次空拉的尺寸控制尤为重要，若形状选取不合适，容易在空拉中产生失稳，从而导致最终产品的缺陷。