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JCOE成形工艺参数和模具参数对焊管质量的影响

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JCOE渐进式多步模压成形是一种大口径直缝焊管成形技术,由于该工艺设备投资少,适应市场能力强,在很多国家得到了广泛应用。但其工艺路线长、成形工艺技术参数多、模具结构复杂,目前的大部分工艺参数的设计工作仍然依赖于操作人员的经验。这种生产方法存在焊管几何形状误差大、生产效率低等现实问题。

同时,在直缝焊管的生产实践中,由于管坯材料性能等不确定因素对焊管成形质量的影响,导致焊管成形质量不稳定。本文以Φ1219mm×22mm×12000mm焊管为例,将直缝焊管JCOE成形过程作为分析对象,从JCOE成形变形特征、JCOE成形工艺参数和模具参数优化设计和JCOE成形焊管质量稳健性等三个方面展开系统研究,以生产效率、管坯几何精度和成形质量稳健性为优化目标,各工艺阶段工艺参数和模具参数为设计变量,提出JCOE成形工艺参数和模具参数优化方案。

首先,本文以Hill精确弯曲理论为基础,考虑径向应力、宽向应力和中性层内移,建立预弯、对称弯曲和非对称弯曲三种弯曲模式数学模型,得到三种弯曲模式下的应力应变、截面弯矩、模具受力和板料回弹等相关理论模型。数学模型不仅分析预弯和JCO成形的基本变形特征,而且提供了工艺参数和模具参数的设计理论基础;

同时,建立了理想状态下的JCO成形管坯几何规划模型,提出管坯不同工艺阶段的质量评价指标,确定各工艺阶段的工艺参数和模具参数,为JCOE成形工艺的系统分析奠定基础。其次,采用有限元分析软件ABAQUS建立了包括预弯、JCO成形和机械扩径在内的系统全面分析有限元模型,并通过实验的方法验证了模型的准确性。仿真结果揭示成形过程中应力/应变状态、几何形状和力学性能等变形特征。以JCO成形管坯几何规划模型为基础,得到了成形过程中各工艺参数和模具参数与成形质量的相关影响规律。

第三,将预弯、JCO成形和机械扩径成形作为研究对象,采用优化拉丁方设计安排仿真实验方案,以仿真结果为样本点,采用径向基函数响应面法构建JCOE成形质量预测模型。以管坯横断面几何精度和成形效率为目标,应用遗传算法和灰色关联分析进行JCOE成形工艺参数和模具参数多目标优化设计,得到了JCOE成形工艺参数和模具参数的最优方案。

通过与原始设计方案对比可知:在保证焊管横断面几何精度的前提下,优化方案的压下道次比原始设计方案减少12次,生产效率明显提高。最后,应用田口设计法设计仿真方案,建立包含材料性能参数在内的响应面模型,并采用蒙特卡洛模拟抽样分析了焊管成形质量的概率分布情况。通过分析可知原始设计方案和确定性优化方案的焊管质量稳健性均需进一步改善。本文根据稳健性设计原理和6sigma质量评价标准,基于随机模型的稳健设计方法获得了JCOE成形工艺参数和模具参数稳健性优化设计方案。

通过对比分析可知:稳健性优化方案比确定性优化方案的弯曲次数增加2次,但显著提高了焊管成形质量稳健性。本文以产品制造品质及高效率要求为驱动,重点揭示了JCOE成形工艺参数和模具参数相关规律、提出JCOE成形工艺参数和模具参数多目标优化方案和JCOE成形质量稳健性设计方案,从而有效控制成形质量,为进一步提高大口径直缝焊管的制造技术水平提供了理论基础。

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