專利名稱：冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種新型冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法，屬于金屬塑性成型領域的無縫鋼管生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
目前，我國電力工業(yè)和制造高熱效率電站鍋爐需要的內(nèi)螺紋冷拔鋼管多數(shù)需要進口，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)。內(nèi)螺紋鋼管成型過程復雜，模具設計困難，影響鋼管成型過程和質(zhì)量的因素多，國內(nèi)只有少數(shù)生產(chǎn)企業(yè)能夠生產(chǎn)，且普遍采用的是經(jīng)驗設計方法，存在的主要問題是設計周期長，試驗費用高，成型效果差，產(chǎn)品精度低。模具的設計缺陷需要通過長時間反復試驗才能克服，不能滿足小批量多品種市場經(jīng)濟的需要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有內(nèi)螺紋冷拔鋼管生產(chǎn)中模具設計的周期長，試驗費用高，成型效果差，產(chǎn)品精度低的問題，提供一種冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法。
該模具的設計方法依次包括外模、帶螺旋溝槽的內(nèi)模芯棒和芯桿的設計，其中1)外模采用蘇式模，材料選用合金鋼或軸承鋼，主要尺寸，模具長度l0＝(0.7-1.0)D2，外模內(nèi)孔直徑取為成品鋼管的直徑D2，外模外徑Dw＝(1.8-2.0)D2，外模半錐角α＝11°-15°，定徑帶長度l2＝(10％-12％)D2；2)芯桿的直徑Dx＝(D2-2×Sl-2×Sk)/2，式中Sl為拉拔后管材璧厚，Sh為內(nèi)螺紋凸筋高度；3)帶螺旋溝槽的內(nèi)模芯棒——芯棒的材料選用合金鋼或軸承鋼，——導程角φ可以近似取為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角φ1，或按如下計算公式(1)計算，
φ=arctg{(1-2Ztgβd0)tgφ10.25π[(D2+2Ztgα)2-(d0-2Ztgβ)2]+ncSh(1-Z2l12)0.25π(D22-d02)+ncSh}----(1)]]>式中，Z為芯棒的坐標，n為螺紋溝槽頭數(shù)，φ1為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角，c為螺紋溝槽寬度，Sh為凸筋高度，，D2為鋼管直徑，l2為定徑帶長度，d0為芯棒外徑，芯棒內(nèi)孔直徑d3取為芯桿直徑Dx，即d3＝Dx＝15mm，α為外模半錐角，β為芯棒倒錐角；——減壁變形區(qū)長度l1按下式計算l1＝(S0+r0-R2)/(tgα+tgβ) (2)式中，S0為管坯厚度，r0為管坯外半徑，R2為成品鋼管半徑。
芯棒倒錐角β＝2°-6°，導程角φ取為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角φ1，取值50°-70°。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明在充分研究內(nèi)螺紋鋼管冷拔成型過程和大量參數(shù)研究的基礎上，發(fā)明了一種冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法——使用該方法能夠保證內(nèi)螺紋鋼管模具設計的合理性，適合新產(chǎn)品的開發(fā)。由于通過數(shù)值模擬而不是通過生產(chǎn)試驗檢驗模具設計的合理性，省去了模具的制造和試驗過程，新產(chǎn)品的設計投產(chǎn)周期可以降低50％以上。此外，因為模具的設計缺陷能夠在計算機內(nèi)被快速發(fā)現(xiàn)和糾正，也降低了新產(chǎn)品開發(fā)的試驗費用。

圖1是內(nèi)螺紋鋼管與模具示意圖；圖2是4頭倒錐角芯棒模型示意圖；圖3、圖4是使用上述的模具經(jīng)模擬檢驗得到的合格內(nèi)螺紋鋼管示意圖；圖5、圖6、圖7、圖8是經(jīng)模擬檢驗得到的不合格內(nèi)螺紋鋼管示意圖。
具體實施方式
實施例1、內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法如圖1所示，內(nèi)螺紋鋼管、模具形狀及參數(shù)的意義，其中1-外模，2-管料，3-芯棒，4-芯桿。
D0-管坯直徑(mm)
D1-減壁區(qū)與減徑區(qū)分界面處的管材直徑(mm)D2-拉拔后管材直徑(mm)d0-定徑帶芯棒直徑(mm)S0-管坯厚度(mm)S1-拉拔后管材璧厚(mm)Sh-內(nèi)螺紋凸筋高度(mm)α-外模錐角(°)β-芯棒模錐角(°)l-塑變形區(qū)長度(mm)l1-減壁變形區(qū)長度(mm)l2-定徑區(qū)長度(mm)箭頭代表芯棒旋轉(zhuǎn)方向。
內(nèi)螺紋鋼管模具的設計方法第一、鋼管管坯的選擇1)根據(jù)成品鋼管產(chǎn)品要求確定管坯尺寸及材料參數(shù)，鋼管管坯的材料與成品鋼管的材料相同；2)鋼管管坯的外徑D1＝(1+εd)D2，εd為減徑率，10％≤εd≤15％，鋼管材料的屈服應力接近240MPa時可以取上限，鋼管的屈服應力接近或高于350MPa時取下限。
3)鋼管管坯的壁厚S0(1+εs)S1，εs為減壁率，εs≤25％-30％，鋼管材料的屈服應力接近240MPa時可以取上限，鋼管的屈服應力接近或高于350MPa時取下限。
如，成品鋼管尺寸φ37.2mm×3.8mm，凸筋高度Sh＝0.8mm，凸筋寬度t＝3.5mm，凸筋的螺旋升角φ＝60°，螺紋頭數(shù)Z＝4，材料為20A。
毛坯鋼管，材料20A，尺寸按照上述方法取為φ42mm×5mm。
第二、外模設計外模的材料選用合金鋼或軸承鋼，材料牌號為20MnCr5或Gr15。
長25mm，定徑帶長5mm，定徑帶直徑取為成品鋼管直徑37.2mm，外模外徑取為75mm，半錐模角取為15°。
第三、芯桿設計直徑取為Dx＝15mm。
第四、芯棒的設計螺紋溝槽頭數(shù)n取4頭或8頭；本例近似取導程角為60°，螺紋溝槽寬度c取3.67mm；溝槽深度取0.844mm，芯棒定徑帶長度l2＝5mm，芯棒外徑d0＝29.6mm，芯桿直徑和芯棒內(nèi)孔直徑Dx＝15mm，外模半錐角α＝15°，芯棒倒錐角，β＝2°。按照上述方法設計的芯棒如圖2所示。
實施例2外模長25mm，定徑帶長5mm，半錐模角取為13°。
芯桿直徑取為Dx＝15mm。
芯棒本例近似取導程角為60°，芯棒定徑帶長度l2＝5mm，芯棒外徑d0＝29.6mm，芯桿直徑和芯棒內(nèi)孔直徑Dx＝15mm，芯棒倒錐角，β＝3°，其余同例1。
實施例3外模長25mm，定徑帶長5mm，半錐模角取為12°。
芯桿直徑取為Dx＝15mm。
芯棒本例近似取導程角為60°，芯棒定徑帶長度l2＝5mm，芯棒外徑d0＝29.6mm芯桿直徑和芯棒內(nèi)孔直徑Dx＝15mm，芯棒倒錐角，β＝5°，其余同例1。
實施例4模具設計合理性的檢驗方法模具設計合理性檢驗方法采用專用的內(nèi)螺紋鋼管成型過程計算機模擬系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)模擬過程如下創(chuàng)建鋼管和模具的實體模型，劃分有限元網(wǎng)格，賦予鋼管和模具的材料參數(shù)，給定邊界條件，模擬內(nèi)螺紋鋼管的冷拔成型過程，提取計算結(jié)果圖片和數(shù)據(jù)文件，分析計算結(jié)果等。
如圖3-圖8為采用專用的內(nèi)螺紋鋼管成型過程模擬系統(tǒng)完成的對模具設計合理性檢驗的例子，圖3-圖4給出了使用上述的模具經(jīng)冷拔得到的內(nèi)螺紋鋼管，為正品，圖3為脫模后的4頭內(nèi)螺紋鋼管/局部，圖4脫模后的8頭內(nèi)螺紋鋼管/局部。圖5-圖8為廢品，圖5鋼管頭部出現(xiàn)縮口(α＝11° β＝2°)，圖6鋼管凸筋多處產(chǎn)生毛刺(α＝16°β＝7°)，圖7鋼管前端內(nèi)壁出現(xiàn)臺階(α＝16°β＝6°)，圖8鋼管前端擴口穿透外模(α＝11° β＝3°εs＞30％)。
權(quán)利要求
1.一種冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法，其特征是該設計方法依次包括外模、帶螺旋溝槽的內(nèi)模芯棒和芯桿的設計，其中1)外模采用蘇式模，材料選用合金鋼或軸承鋼，主要尺寸，模具長度l0＝(0.7-1.0)D2，外模內(nèi)孔直徑取為成品鋼管的直徑D2，外模外徑Dw＝(1.8-2.0)D2，外模半錐角α＝11°-15°，定徑帶長度l2，成品鋼管直徑小于30mm時取3mm，成品鋼管直徑大于30mm時，取l2＝(10％-12％)D2；2)芯桿的直徑Dx＝(D2-2×S1-2×Sk)/2，式中S1為拉拔后管材璧厚，Sh為內(nèi)螺紋凸筋高度；3)帶螺旋溝槽的內(nèi)模芯棒——芯棒的材料選用合金鋼或軸承鋼，——導程角φ可以近似取為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角φ1，或按如下計算公式(1)計算，φ=arctg{(1-2Ztgβd0)tgφ10.25π[(D2+2Ztgα)2-(d0-2Ztgβ)2]+ncSh(1-Z2l12)0.25π(D22-d02)+ncSh}---(1)]]>式中，Z為芯棒的坐標，n為螺紋溝槽頭數(shù)，φ1為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角，c為螺紋溝槽寬度，Sh為凸筋高度，，D2為鋼管直徑，d0為芯棒外徑，α為外模半錐角，β為芯棒倒錐角；l2為定徑帶長度，芯棒內(nèi)孔直徑d3取為芯桿直徑Dx，d3＝Dx＝15mm；——減壁變形區(qū)長度l1按下式計算l1＝(S0+r0-R2)/(tgα+tgβ)(2)式中，S0為管坯厚度(mm)，r0為管坯半徑，R2為成品管半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具設計方法，其特征是芯棒倒錐角β＝2°-6°，導程角φ取為內(nèi)螺紋鋼管的螺旋升角φ1，取值50°-70°。
全文摘要
一種冷拔內(nèi)螺紋鋼管的模具設計方法。其中外模采用蘇式模，材料選用合金鋼或軸承鋼，主要尺寸，模具長度l
文檔編號B21C3/00GK1695842SQ20051001353
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者溫殿英, 葉金鐸, 史津平 申請人:天津理工大學