焊管机械扩径变形分析

焊管在机械扩径工艺中，扩径模具扇形块在初始时处于收拢状态，扩径前模具工作表面与管坯内侧留有的间隙。扩径开始后，扩径头作用于模具扇形块使其沿径向外移，彼此间趋于分离状态，模具外接圆尺寸逐渐变大。一段空行程后，模具工作表面先与管坯内表面在椭圆短轴侧相接触。根据模具工作表面圆弧段的直径与管坯内径的比值不同而分两种情况，当比值大于1时，模具边缘圆角处首先与管坯内径接触，当比值小于1时，则首先在模具工作圆弧中间位置接触。扩径模具与管坯接触后，模具对管坯施加径向载荷，使管坯经过整圆、扩径过程而相继发生弹性和塑性变形。在数值模拟中，该过程表现为赋予刚性模具径向位移时，变形体由弹性变形逐渐进入塑性变形。

在实际生产中，扩径阶段结束后，模具需要在原位置做一段时间的停留，即保压稳定阶段。保压后，模具开始沿径向回到初始位置，恢复为收拢状态，管坯直径略有减小。在数值模拟中，该过程表现为赋予刚性模具反向径向位移，变形体发生弹性回复。

从宏观上看，直缝焊管管坯在扩径过程中的变形规律基本一致。扩径前，管坯具有初始椭圆度，在长轴侧与模具的间隙要大于短轴侧。机械扩径时的变形过程表现为整圆、扩径和卸载三个阶段：

(1)整圆阶段在直缝焊管生产工艺流程中，管坯在经过了之前的成形、焊接等多道工序后，根据成形方法不同其横截面形状大多近似为椭圆，并且还存在直线段和棱角。整圆阶段就是将管坯形状变成正圆。这一阶段管坯发生几何形状变化，但却不发生塑性变形。管坯内壁先在短径处与模具工作表面接触，在模具径向移动的作用下发生几何形状变化，长轴缩短，短轴伸长。

(2)扩径阶段扩径阶段扩径模具从横截面上看是利用多个扇形块胀开后撑起钢管内壁。每两个扇形块模具之间有的间隙，随着模具胀大间隙也逐渐增加因而在零件横断面上形成一些得不到模具支撑的悬空变形区和具有相同变形特点的过渡变形区，表现出一些比较的局部变形特征。在扩径阶段，管坯先是处于弹性变形阶段，当应力达到屈服时，管坯开始进入塑性变形阶段。

(3)卸载阶段此阶段管坯的变形主要为弹性回复。焊管保留卸载前的局部特征同时，焊管断面直径有所减小，焊管的椭圆度较原始管坯已经有了明显的减小。因此焊管尺寸、形状与加工前比较都发生变化。