CN1695842A - 冷拔内螺纹钢管的模具设计方法 - Google Patents

Abstract

一种冷拔内螺纹钢管的模具设计方法。其中：外模采用苏式模，材料选用合金钢或轴承钢，主要尺寸，模具长度l₀=(0.7－1.0)D₂，外模内孔直径取为成品钢管的直径D₂，外模外径Dw=(1.8－2.0)D₂，外模半锥角α=11°－15°，定径带长度l₂=(10％－12％)D₂；芯杆的直径：Dx=(D₂－2×S₁－2×S_k)/2；内模芯棒：导程角φ可以近似取为内螺纹钢管的螺旋升角φ₁，减壁变形区长度l₁=(S₀+r₀－R₂)/(tgα+tgβ)。芯棒倒锥角β=2°－6°。使用本发明方法能够保证内螺纹钢管模具设计的合理性，适合新产品的开发。由于通过数值模拟检验模具设计的合理性，省去了模具的制造和试验过程，新产品的设计投产周期可以降低50％以上。此外，因为模具的设计缺陷能够在计算机内被快速发现和纠正，也降低了新产品开发的试验费用。

Description

冷拔内螺纹钢管的模具设计方法

【技术领域】：本发明涉及一种新型冷拔内螺纹钢管的模具设计方法，属于金属塑性成型领域的无缝钢管生产。

【背景技术】：目前，我国电力工业和制造高热效率电站锅炉需要的内螺纹冷拔钢管多数需要进口，没有自主知识产权。内螺纹钢管成型过程复杂，模具设计困难，影响钢管成型过程和质量的因素多，国内只有少数生产企业能够生产，且普遍采用的是经验设计方法，存在的主要问题是设计周期长，试验费用高，成型效果差，产品精度低。模具的设计缺陷需要通过长时间反复试验才能克服，不能满足小批量多品种市场经济的需要。

【发明内容】：本发明目的是解决现有内螺纹冷拔钢管生产中模具设计的周期长，试验费用高，成型效果差，产品精度低的问题，提供一种冷拔内螺纹钢管的模具设计方法。

该模具的设计方法依次包括：外模、带螺旋沟槽的内模芯棒和芯杆的设计，其中

1)外模：采用苏式模，材料选用合金钢或轴承钢，主要尺寸，模具长度l₀＝(0.7-1.0)D₂，外模内孔直径取为成品钢管的直径D₂，外模外径Dw＝(1.8-2.0)D₂，外模半锥角α＝11°-15°，定径带长度l₂＝(10％-12％)D₂；

2)芯杆的直径：Dx＝(D₂-2×S_l-2×S_k)/2，式中S_l为拉拔后管材璧厚，S_h为内螺纹凸筋高度；

3)带螺旋沟槽的内模芯棒：

——芯棒的材料选用合金钢或轴承钢，

——导程角φ可以近似取为内螺纹钢管的螺旋升角φ₁，或按如下计算公式(1)计算，

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\left\{(1-\frac{2\mathrm{Ztg\β}}{d_0})\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_1\frac{0.25\mathrm{\π}[{(D_2+2\mathrm{Ztg\α})}^2-{(d_0-2\mathrm{Ztg\β})}^2]+\mathrm{nc}{S}_h(1-\frac{Z^2}{l_1^2})}{0.25\mathrm{\π}(D_2^2-d_0^2)+\mathrm{nc}{S}_h}\right\}----\left(1\right)$

式中，Z为芯棒的坐标，n为螺纹沟槽头数，φ₁为内螺纹钢管的螺旋升角，c为螺纹沟槽宽度，S_h为凸筋高度，，D₂为钢管直径，l₂为定径带长度，d₀为芯棒外径，芯棒内孔直径d₃取为芯杆直径Dx，即d₃＝Dx＝15mm，α为外模半锥角，β为芯棒倒锥角；

——减壁变形区长度l₁按下式计算：

l₁＝(S₀+r₀-R₂)/(tgα+tgβ)                                      (2)

式中，S₀为管坯厚度，r₀为管坯外半径，R₂为成品钢管半径。

芯棒倒锥角β＝2°-6°，导程角φ取为内螺纹钢管的螺旋升角φ₁，取值50°-70°。

本发明的优点和积极效果：本发明在充分研究内螺纹钢管冷拔成型过程和大量参数研究的基础上，发明了一种冷拔内螺纹钢管的模具设计方法——使用该方法能够保证内螺纹钢管模具设计的合理性，适合新产品的开发。由于通过数值模拟而不是通过生产试验检验模具设计的合理性，省去了模具的制造和试验过程，新产品的设计投产周期可以降低50％以上。此外，因为模具的设计缺陷能够在计算机内被快速发现和纠正，也降低了新产品开发的试验费用。

【附图说明】：

图1是内螺纹钢管与模具示意图；

图2是4头倒锥角芯棒模型示意图；

图3、图4是使用上述的模具经模拟检验得到的合格内螺纹钢管示意图；

图5、图6、图7、图8是经模拟检验得到的不合格内螺纹钢管示意图。

【具体实施方式】：

实施例1、内螺纹钢管的模具设计方法：

如图1所示，内螺纹钢管、模具形状及参数的意义，其中1-外模，2-管料，3-芯棒，4-芯杆。

D₀-管坯直径(mm)

D₁-减壁区与减径区分界面处的管材直径(mm)

D₂-拉拔后管材直径(mm)

d₀-定径带芯棒直径(mm)

S₀-管坯厚度(mm)

S₁-拉拔后管材璧厚(mm)

S_h-内螺纹凸筋高度(mm)

α-外模锥角(°)

β-芯棒模锥角(°)

l-塑变形区长度(mm)

l₁-减壁变形区长度(mm)

l₂-定径区长度(mm)

箭头代表芯棒旋转方向。

内螺纹钢管模具的设计方法：

第一、钢管管坯的选择

1)根据成品钢管产品要求确定管坯尺寸及材料参数，钢管管坯的材料与成品钢管的材料相同；

2)钢管管坯的外径D₁＝(1+ε_d)D₂，ε_d为减径率，10％≤ε_d≤15％，钢管材料的屈服应力接近240MPa时可以取上限，钢管的屈服应力接近或高于350MPa时取下限。

3)钢管管坯的壁厚S₀(1+ε_s)S₁，ε_s为减壁率，ε_s≤25％-30％，钢管材料的屈服应力接近240MPa时可以取上限，钢管的屈服应力接近或高于350MPa时取下限。

如，成品钢管尺寸φ37.2mm×3.8mm，凸筋高度Sh＝0.8mm，凸筋宽度t＝3.5mm，凸筋的螺旋升角φ＝60°，螺纹头数Z＝4，材料为20A。

毛坯钢管，材料20A，尺寸按照上述方法取为φ42mm×5mm。

第二、外模设计：

外模的材料选用合金钢或轴承钢，材料牌号为20MnCr5或Gr15。

长25mm，定径带长5mm，定径带直径取为成品钢管直径37.2mm，外模外径取为75mm，半锥模角取为15°。

第三、芯杆设计：

直径取为Dx＝15mm。

第四、芯棒的设计：

螺纹沟槽头数n取4头或8头；本例近似取导程角为60°，螺纹沟槽宽度c取3.67mm；沟槽深度取0.844mm，芯棒定径带长度l₂＝5mm，芯棒外径d₀＝29.6mm，芯杆直径和芯棒内孔直径D_x＝15mm，外模半锥角α＝15°，芯棒倒锥角，β＝2°。按照上述方法设计的芯棒如图2所示。

实施例2

外模：长25mm，定径带长5mm，半锥模角取为13°。

芯杆：直径取为Dx＝15mm。

芯棒：本例近似取导程角为60°，芯棒定径带长度l₂＝5mm，芯棒外径d₀＝29.6mm，芯杆直径和芯棒内孔直径D_x＝15mm，芯棒倒锥角，β＝3°，其余同例1。

实施例3

外模：长25mm，定径带长5mm，半锥模角取为12°。

芯杆：直径取为Dx＝15mm。

芯棒：本例近似取导程角为60°，芯棒定径带长度l₂＝5mm，芯棒外径d₀＝29.6mm芯杆直径和芯棒内孔直径D_x＝15mm，芯棒倒锥角，β＝5°，其余同例1。

实施例4

模具设计合理性的检验方法

模具设计合理性检验方法采用专用的内螺纹钢管成型过程计算机模拟系统完成。该系统模拟过程如下：

创建钢管和模具的实体模型，划分有限元网格，赋予钢管和模具的材料参数，给定边界条件，模拟内螺纹钢管的冷拔成型过程，提取计算结果图片和数据文件，分析计算结果等。

如图3-图8为采用专用的内螺纹钢管成型过程模拟系统完成的对模具设计合理性检验的例子，图3-图4给出了使用上述的模具经冷拔得到的内螺纹钢管，为正品，图3为脱模后的4头内螺纹钢管/局部，图4脱模后的8头内螺纹钢管/局部。图5-图8为废品，图5钢管头部出现缩口(α＝11° β＝2°)，图6钢管凸筋多处产生毛刺(α＝16°β＝7°)，图7钢管前端内壁出现台阶(α＝16°β＝6°)，图8钢管前端扩口穿透外模(α＝11° β＝3°ε_s＞30％)。

Claims (2)

1、一种冷拔内螺纹钢管的模具设计方法，其特征是该设计方法依次包括：外模、带螺旋沟槽的内模芯棒和芯杆的设计，其中

1)外模：采用苏式模，材料选用合金钢或轴承钢，主要尺寸，模具长度l₀＝(0.7-1.0)D₂，外模内孔直径取为成品钢管的直径D₂，外模外径Dw＝(1.8-2.0)D₂，外模半锥角α＝11°-15°，定径带长度l₂，成品钢管直径小于30mm时取3mm，成品钢管直径大于30mm时，取l₂＝(10％-12％)D₂；

2)芯杆的直径：Dx＝(D₂-2×S₁-2×S_k)/2，式中S₁为拉拔后管材璧厚，S_h为内螺纹凸筋高度；

3)带螺旋沟槽的内模芯棒：

——芯棒的材料选用合金钢或轴承钢，

——导程角φ可以近似取为内螺纹钢管的螺旋升角φ₁，或按如下计算公式(1)计算，

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\left\{(1-\frac{2\mathrm{Ztg\β}}{d_0})\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_1\frac{0.25\mathrm{\π}[{(D_2+2\mathrm{Ztg\α})}^2-{(d_0-2\mathrm{Ztg\β})}^2]+\mathrm{nc}{S}_h(1-\frac{Z^2}{l_1^2})}{0.25\mathrm{\π}(D_2^2-d_0^2)+\mathrm{nc}{S}_h}\right\}---\left(1\right)$

式中，Z为芯棒的坐标，n为螺纹沟槽头数，φ₁为内螺纹钢管的螺旋升角，c为螺纹沟槽宽度，S_h为凸筋高度，，D₂为钢管直径，d₀为芯棒外径，α为外模半锥角，β为芯棒倒锥角；

l₂为定径带长度，芯棒内孔直径d₃取为芯杆直径Dx，d₃＝Dx＝15mm；

——减壁变形区长度l₁按下式计算：

l₁＝(S₀+r₀-R₂)/(tgα+tgβ)    (2)

式中，S₀为管坯厚度(mm)，r₀为管坯半径，R₂为成品管半径。

2、根据权利要求1所述的模具设计方法，其特征是芯棒倒锥角β＝2°-6°，导程角φ取为内螺纹钢管的螺旋升角φ₁，取值50°-70°。

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