金屬管的擴(kuò)管制造方法
【專利摘要】在僅通過內(nèi)面工具進(jìn)行的擴(kuò)管制造中，目前，制造條件確定需要時(shí)間，還需要費(fèi)用。具體而言，通過擴(kuò)管加工模擬，評(píng)價(jià)被加工材料(10)前端通過工具(1)的肩部(3)后前進(jìn)了1.0m以上的狀態(tài)的被加工材料形狀，就其形狀而言，外徑收斂于目標(biāo)的±1％以內(nèi)，壁厚收斂于目標(biāo)的±7.5％以內(nèi)，且通過反復(fù)計(jì)算求出與工具的內(nèi)面間隙為1.0mm以內(nèi)的空心管形狀及工具形狀，以其為實(shí)際擴(kuò)管制造條件。
【專利說明】金屬管的擴(kuò)管制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬管的擴(kuò)管制造方法（tube expanding method for manufacturing),詳細(xì)而言，涉及空心管（Hollow piece)使用通過管乳制（tube rolling) 等制造的金屬管（metal tube or steel tube)，使內(nèi)面加工用工具（internal processing tool and/or mandrel bar or plug)通過空心管，由此對(duì)比空心管大徑的金屬管 (large-diameter metal tube)進(jìn)行擴(kuò)管制造時(shí)，通過模擬（simulation)可有利地確定其 適當(dāng)?shù)臄U(kuò)管制造條件（manufacturing condition of tube expanding method)的金屬管 的擴(kuò)管制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 如果根據(jù)制造方法大致區(qū)分金屬管，具有：利用如下方法制造的焊接管（welded tube),使用金屬板作為原材料，通過沖壓（press)及卷曲（roll)將其成形為圓弧狀 (arc-like)，通過將該圓弧的兩端部焊接接合，形成管形狀；和利用如下方法制造的無縫管 (seamless tube)，通過乳制、擠壓（extrusion)使金屬塊（solid metal blank or billet) 中空化，得到希望的尺寸。都通過作為用途的設(shè)備選定，但在管內(nèi)面（inside surface of a tube)有壓力，在因破損而給設(shè)備帶來重大影響的情況下，一般使用無縫管。
[0003] 作為這種設(shè)備的一例，有火力、原子能發(fā)電的發(fā)電廠（generating power plant and atomic power plant)內(nèi)的蒸氣配管（steam pipework)及熱交換器用配管（heat exchanger tubing)。近年來，以發(fā)電效率（power generation efficiency)提高為目的，實(shí) 現(xiàn)高溫化，熱交換用的細(xì)徑金屬管一直以來要求高品質(zhì)，另一方面，蒸氣配管也需要與大流 量化等的對(duì)應(yīng)（大徑化）。
[0004] 在當(dāng)前的無縫管的制造方法中，一般按直徑計(jì)400mm左右為上限。因此，在需要更 大的直徑的金屬管的情況下，將一次制造的管再次通過軋制等方法進(jìn)行擴(kuò)管。
[0005] 作為擴(kuò)管方法，有使用設(shè)置于多個(gè)乳棍（mill roll)之間的工具（tool)進(jìn)行擴(kuò) 管的方法（為便于說明而暫稱為方法A)。其適于大量地生產(chǎn)特定尺寸的產(chǎn)品，但設(shè)備費(fèi)用 (facility cost)高，另外，還有在外面?zhèn)纫蚺c乳棍的接觸而易產(chǎn)生瑕疵等缺點(diǎn)，不被廣泛 使用。
[0006] 作為其它的擴(kuò)管方法，有在管內(nèi)徑側(cè)設(shè)置工具，將管向工具的大徑端側(cè)推壓（例 如專利文獻(xiàn)1)或拉拔這種成形法（為便于說明而暫稱為方法B)。該擴(kuò)管方法中，可有加熱、 非加熱這兩種，但要將擴(kuò)管后的壁厚（thickness)減薄至外徑的5%左右的情況下，從生產(chǎn) 效率（production efficiency)這一點(diǎn)來看，在熱乳下實(shí)施。該方法從加工面看可以減少動(dòng) 力（power),另外，有管尺寸（tube size)的自由度（degree of freedom)較高等優(yōu)點(diǎn)，相反 制造需要一定的技能（skill)或經(jīng)驗(yàn)（experience)。原因是因?yàn)樵谙仁龅姆椒ˋ中可利 用乳棍（roll)固定外徑側(cè)，利用工具（tool)固定內(nèi)徑側(cè)，所以易實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品尺寸（size of finished product),但在方法B中，因外徑側(cè)沒有工具，所以變形的自由度（flexibility of deformation)高，外徑（external diameter)自不必說，就連壁厚、內(nèi)徑（internal diameter)也難以確定，工具形狀（tool shape)等的成形條件（forming condition) -般 很難。
[0007] 這樣，為了消除起因于變形的自由度高的情況的產(chǎn)品上的缺陷（defect)，還有能 夠抑制產(chǎn)品的彎曲（bentness)等的工具形狀的提案（例如專利文獻(xiàn)2)。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開昭61-56746號(hào)公報(bào)
[0011] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2001-113329號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 發(fā)明所要解決的課題
[0013] 然而，專利文獻(xiàn)2中完全沒有如何加工產(chǎn)品尺寸（product dimension)這種 基本的點(diǎn)的技術(shù)的公開，換言之，只不過說明在明白確定的尺寸作為對(duì)象的成形條件 (conditions of forming)的前提下，變更工具形狀（tool shape)是有效的。
[0014] 因此，方法B (推壓或牽拉管端，使工具貫通管內(nèi)徑側(cè)的方法）中，根據(jù)任意的產(chǎn)品 尺寸確定適當(dāng)?shù)墓ぞ咝螤睢⒖招墓艹叽邕@種制造條件（manufacturing condition)需要進(jìn) 行大量試制、試驗(yàn)，具有極困難且非經(jīng)濟(jì)性（non-economic)這一大缺點(diǎn)。因此，難以反映用 戶需求（customer needs),普及也延遲。
[0015] 本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于，提供一種金屬管的擴(kuò)管制造方法， 推壓或牽拉金屬管的管端，使工具貫通管內(nèi)徑側(cè)，其中，為了得到任意尺寸的最終產(chǎn)品，使 用模擬在特定的制約范圍（limited range)求出集中分析結(jié)果（analysis result)的擴(kuò)管 制造條件（工具形狀、空心管尺寸），從而可以容易地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸的擴(kuò)大及成為制造上問 題的試驗(yàn)時(shí)間（testing time)、費(fèi)用的削減（cost reduction),進(jìn)而可以容易地實(shí)現(xiàn)工業(yè) 化。
[0016] 此外，適用于本發(fā)明的擴(kuò)管制造方法的金屬管的制造方法和化學(xué)組成沒有特別地 限定，但特別優(yōu)選以下所示的金屬管。
[0017] (I) JISG 3458 配管用合金鋼鋼管（alloy steel pipe for piping) (STPA20， STPA22 ?26)(相當(dāng) ASTM A335, ASTM A405、BS 3604, DIN 17175, DIN 17177):
[0018] 優(yōu)選的組成范圍含有 C :0· 10-0. 15 %、Si :0· 10-1. 00 %、Mn :0· 30-0. 80 %、P : 0.035 % 以下、S :0.035 % 以下、Mo :0.40-1. 10%、Cr :0 % 或(λ 50-10.00%，另外，根據(jù)需 要可以添加 Cu :1%以下、Ni :2%以下、Nb :0. 1 %以下、V :0. 5 %以下、Ti :0. 2 %以下、B : 0. 005%以下、REM :0. 02%以下、Ca :0. 01%以下。作為不可避的雜質(zhì)容許有N :0. 010%以 下、0:0. 006%以下。此外，鋼管的制造方法優(yōu)選曼內(nèi)斯曼式穿孔乳制（Mannesmann type piercing)的無縫鋼管。
[0019] (2) JISG 3462 鍋爐 / 熱交換器用合金鋼鋼管（alloy steel pipe for boiler and heat-exchange)(相當(dāng) STBA12 ?13, STBA20, STBA22 ?26) (ISO 9329-2 :1997, ISO 9330-2 ：1997, ASTM A161, A199, A179A200, A209, A213, A250, A423, BS 3059, DIN 17175, DIN17177)：
[0020] 優(yōu)選組成范圍含有 C :0· 10-0. 20 %、Si :0· 10-1. 00 %、Mn :0· 30-0. 80 %、P : 0.035 % 以下、S :0.035 % 以下、Mo :0.40-1. 10%、Cr :0 % 或(λ 50-10.00%，另外，根據(jù)需 要可以添加 Cu :1%以下、Ni :2%以下、Nb :0. 1 %以下、V :0. 5 %以下、Ti :0. 2 %以下、B : 0. 005%以下、REM :0. 02%以下、Ca :0. 01%以下。作為不可避的雜質(zhì)容許有N :0. 010%以 下、0 :0. 006%以下。另外，鋼管的制造方法優(yōu)選曼內(nèi)斯曼式穿孔軋制的無縫鋼管或利用高 頻電流（high-frequency current)的電阻焊接法（electric resistance welding)的電 阻焊接鋼管（electric resistance welded steel pipe)(電縫鋼管）。
[0021] 用于解決課題的技術(shù)方案
[0022] 為了解決上述問題而開發(fā)的本發(fā)明如以下所述。
[0023] (1) -種金屬管的擴(kuò)管制造方法，在從作為工具的最小徑端的始端到作為最大徑 端的終端依次具有順暢地連接的錐形部（taper portion)、肩部（shoulder portion)、平行 部（parallel portion)的內(nèi)面加工用工具中，將該工具的始端側(cè)作為入側(cè)，送入空心管內(nèi) 徑小于所述平行部直徑即工具最大徑的作為被加工材料的金屬管，使該工具通過管的內(nèi)徑 偵牝由此對(duì)所述被加工材料進(jìn)行擴(kuò)管加工，其中，
[0024] 通過基于有限要素分析的擴(kuò)管加工模擬，按以下的順序決定擴(kuò)管加工前的作為被 加工材料的空心管的尺寸、及所述工具的尺寸：
[0025] (a)設(shè)定產(chǎn)品的目標(biāo)外徑、目標(biāo)壁厚及工具的錐形部長度及向使用的擴(kuò)管加工裝 置的送入力（feed power)的上限即上限負(fù)荷（upper load);
[0026] (b)作為尺寸參數(shù)（size parameter)，設(shè)定空心管外徑、空心管壁厚、工具錐形部 的錐形角度即錐形角度、工具軸方向截面內(nèi)的軸方向截面內(nèi)的肩部曲率半徑（radius of curvature)即肩部R、工具平行部直徑即工具最大徑；
[0027] (c)將被加工材料分割為多個(gè)要素；
[0028] (d)執(zhí)行擴(kuò)管加工模擬，求出被加工材料前端在從肩部位置朝向工具出側(cè)前進(jìn) 1.0m以上的時(shí)刻的計(jì)算送入力（calculated feed power)即計(jì)算負(fù)荷（calculated load)、 被加工材料的加工后外徑、加工后壁厚、加工后內(nèi)徑；
[0029] (e)判定計(jì)算負(fù)荷是否為上限負(fù)荷以下（pass/fail)，如果為是（Yes)，則進(jìn)入 (f)，如果為否（No),則變更空心管壁厚或進(jìn)而變更錐形角度（taper angle),返回（c);
[0030] (f)判定是否加工后外徑為目標(biāo)外徑±1%的范圍內(nèi)且加工后壁厚為目標(biāo)壁厚 ±7. 5%的范圍內(nèi)，如果為是，則進(jìn)入（g)，如果為否，則變更空心管外徑及/或空心管壁厚， 返回（c);
[0031] (g)判定內(nèi)面間隙是否為Imm以下，其中，內(nèi)面間隙=加工后的內(nèi)徑-工具最大 徑，如果為是，則決定這時(shí)的尺寸參數(shù)為實(shí)際擴(kuò)管制造用，順序結(jié)束，如果為否，則變更肩部 R及/或錐形角度，返回（c)、（d)。
[0032] (2)根據(jù)⑴所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中，
[0033] 使所述工具通過管內(nèi)徑側(cè)，且從外徑側(cè)加熱錐形部位置通過中的被加工材料部 分。
[0034] (3)根據(jù)上述（1)或（2)所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中，所述空心管為無縫 管。
[0035] (4)根據(jù)⑴?（3)中任一項(xiàng)所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中，
[0036] 所述擴(kuò)管加工模擬使用作為商用分析軟件的ABAQUS，以基于動(dòng)態(tài)顯示算法的二維 有限要素法進(jìn)行擴(kuò)管加工模擬。
[0037] 發(fā)明效果
[0038] 根據(jù)本發(fā)明，通過模擬和以簡潔的邏輯（logic)為基本的思考實(shí)驗(yàn)（thought experiment)，可決定適當(dāng)?shù)臄U(kuò)管制造條件，因此，與按照經(jīng)驗(yàn)的多標(biāo)準(zhǔn)（multitude levels)的試制（trial production),不經(jīng)過試驗(yàn)不可進(jìn)行所述決定的以往相比，實(shí)現(xiàn)試制 工序（trial production process)的大幅削減和至產(chǎn)品制造的時(shí)間縮短（time crunch)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1是表示本發(fā)明中所使用的擴(kuò)管制造裝置的一例的概略圖；
[0040] 圖2是作為本發(fā)明的模擬結(jié)果的一例表示計(jì)算負(fù)荷的推移的圖；
[0041] 圖3是作為本發(fā)明的模擬結(jié)果的一例表示加工后的尺寸的圖；
[0042] 圖4是表示本發(fā)明的擴(kuò)管加工模擬的順序的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 以下，對(duì)本發(fā)明詳細(xì)地進(jìn)行說明。
[0044] 本發(fā)明以下述金屬管的擴(kuò)管制造方法為前提，該方法為在從工具的最小徑端即始 端（starting end)到最大徑端即終端（terminal end)依次具有順暢地連接的錐形部、肩 部、平行部的內(nèi)面加工用工具中，將該工具的始端側(cè)作為入側(cè)，送入空心管內(nèi)徑小于上述平 行部直徑即工具最大徑的被加工材料即金屬管，使其通過管的內(nèi)徑側(cè)，由此對(duì)上述被加工 材料進(jìn)行擴(kuò)管加工。該前提自身是目前公知的。
[0045] 此外，該前提中還包含使上述工具通過管內(nèi)徑側(cè)，并且從外徑側(cè)加熱錐形部位置 通過中的被加工材料部分的情況。
[0046] 圖1表示在上述擴(kuò)管加工的實(shí)施中使用的擴(kuò)管加工裝置的一例。如圖1(b)所 示，工具（內(nèi)面加工用工具）1從最小徑端即始端到最小徑端即終端依次具有順暢地連接 的錐形部2、肩部3、平行部4。另一方面，如圖1(a)所示，工具1經(jīng)由與始端側(cè)連結(jié)的心軸 (mandrel) 5而由工具支承單元（tool support means) 12支承，固定位置。被加工材料（金 屬管）10在加工前的空心管中具有比工具1的平行部外徑即工具最大徑小的內(nèi)徑，將工具1 的始端側(cè)作為入側(cè)，向工具1送入。作為該送入單元，本例中，具備從工具入側(cè)推壓管的管 推壓單元（pusher) 11。由此，使工具1通過被加工材料10的內(nèi)徑側(cè)。此外，作為送入單元， 代替本例的從工具入側(cè)推壓管的管推壓單元11，也可以使用從工具出側(cè)牽拉的管牽拉單元 (drawer)(省略圖)。
[0047] 本例表示進(jìn)行上述加熱的情況，在錐形部位置以環(huán)繞被加工材料10的通路的形 式設(shè)置加熱裝置（heating device)即感應(yīng)線圈（induction coil) 13,其從外徑側(cè)加熱錐形 部位置通過中的材料部分。加熱裝置不限于感應(yīng)線圈13,也可以是燃燒器（burner)?；虼?替上述加熱，也可以利用爐等事先預(yù)加熱（pre-heating)空心管。
[0048] 在實(shí)際的擴(kuò)管加工中一般進(jìn)行上述加熱，該加熱裝置的位置是包含工具1的區(qū) 域,該區(qū)域希望的長度至少為500mm左右，理想的為2000mm左右。
[0049] 本發(fā)明中，與目前不同，通過基于有限要素分析（finite element analysis)擴(kuò)管 加工模擬，按特定的順序確定擴(kuò)管加工前的被加工材料即空心管的尺寸、及上述工具的尺 寸。對(duì)于該順序在圖4及以下進(jìn)行說明。此外，在以下的說明中，空心管是無縫管，且假設(shè) 在擴(kuò)管加工時(shí)進(jìn)行上述加熱的情況。在此，無縫管是指通過軋制法或擠壓法（extrusion method)將具有圓形截面或四角截面的鋼述（billet)乃至大鋼述（bloom)形成中空體 (hollow body)的管，或進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行管乳制的管。
[0050] 首先，作為順序（a)，設(shè)定產(chǎn)品的目標(biāo)外徑、目標(biāo)壁厚、目標(biāo)內(nèi)徑及工具的錐形部長 度及使用的擴(kuò)管加工裝置的送入力的上限即上限負(fù)荷。
[0051] (優(yōu)選的設(shè)定方法）
[0052] ?目標(biāo)外徑、目標(biāo)壁厚及擴(kuò)管加工裝置的上限負(fù)荷=各規(guī)定的值。
[0053] ?工具的錐形部長度N上述加熱裝置的長度區(qū)域。
[0054] 接著，在步驟（b)中，作為尺寸參數(shù)，設(shè)定空心管外徑、空心管壁厚、工具錐形部的 錐形角度即錐形角度、工具軸方向截面內(nèi)的軸方向截面內(nèi)的肩部曲率半徑即肩部R、工具平 行部直徑即工具最大徑。即，對(duì)這些尺寸參數(shù)賦予初始值。
[0055] (優(yōu)選的設(shè)定方法）
[0056] ?空心管外徑N-般為無縫管的上限外徑的400mm。但在要減小加工前后的外徑 差的情況下也可以低于400mm。
[0057] ?空心管壁厚N產(chǎn)品截面積和空心管截面積的一致解（match solution)(產(chǎn)品截 面積和空心管截面積為相同的解）。
[0058] ?錐形角度N arctan (((產(chǎn)品內(nèi)徑-空心管內(nèi)徑）/2) /錐形部長度）。此外，在該 式中，代替產(chǎn)品內(nèi)徑也可以采用工具最大徑。
[0059] ?工具最大徑N產(chǎn)品內(nèi)徑+上述加熱導(dǎo)致的熱膨脹量。
[0060] 此外，產(chǎn)品內(nèi)徑=目標(biāo)外徑_2 *目標(biāo)壁厚。
[0061] ?肩部R N與空心管外徑同等乃至其2倍。
[0062] 接著，在順序（C)中，將被加工材料分割為多個(gè)要素。這時(shí)，在確保分析精度這一 點(diǎn)上，加工部（錐形部通過中的部分）的各要素優(yōu)選在沿著管長度方向的截面內(nèi)沿管壁厚 方向的尺寸Ad為5mm以下，沿管長度方向的尺寸AL為Ad的2倍以下的矩形狀要素 (rectangle element)。此外，從節(jié)約計(jì)算時(shí)間這一點(diǎn)來看，Ad優(yōu)選為Imm以上，AL優(yōu)選 為Ad的0.5倍以上。加工部以外的部分的分割優(yōu)選與加工部同樣，計(jì)算時(shí)間過大的情況 也可以減少分割數(shù)（division number)(增大要素尺寸（element size))。此外，基于三維 有限要素法的分析需要時(shí)間和成本，但由于可進(jìn)行進(jìn)一步提高精度的分析，所以也可以應(yīng) 用這些。
[0063] 接著，在順序（d)中，執(zhí)行擴(kuò)管加工模擬，求出被加工材料的前端從肩部位置朝向 工具出側(cè)前進(jìn)I. Om以上的時(shí)刻的計(jì)算送入力即計(jì)算負(fù)荷、被加工材料的加工后外徑、加工 后壁厚、加工后內(nèi)徑。
[0064] 基于有限要素分析的模擬是所謂假定變形前后的形狀，進(jìn)行微調(diào)整用于實(shí)現(xiàn)其計(jì) 算穩(wěn)定性（calculation stability)的形狀的正常分析（steady analysis)或?qū)Ρ患庸?材料前端完全擴(kuò)管的非正常分析（non-stability analysis)的模擬，例如優(yōu)選使用基于 動(dòng)態(tài)顯不算法（dynamic explicit method)的二維有限要素法（two-dimensional finite element method)的模擬。分析需要的軟件（code)可優(yōu)選使用商用分析軟件（commercial analysis code)即 ABAQUS 等。但是，不是否定靜態(tài)隱式法（static implicit method)的 軟件。
[0065] 本發(fā)明中，上述正常分析、非正常分析的任一種中都根據(jù)被加工材料的前端通過 與工具的錐形部鄰接的肩部前進(jìn)I. Om以上的時(shí)刻的結(jié)果，進(jìn)行評(píng)價(jià)。這是因?yàn)樵谟?jì)算上， 如果不是一定量的長度通過工具后，則加工其本身不穩(wěn)定。另外，在實(shí)際的加工中也從前端 進(jìn)行擴(kuò)管加工的情況下，最前端附近因材料行進(jìn)側(cè)沒有約束部，所以外徑、壁厚都為與中央 部相比不同的值。因此，假想這些的點(diǎn)都應(yīng)該使用如上述那樣的條件。但是也存在有根據(jù) 分析條件，不必在前進(jìn)I. Om以上后或根據(jù)經(jīng)過相當(dāng)這些的時(shí)間后的形狀進(jìn)行評(píng)價(jià)的情況， 作為在多數(shù)條件下可普遍地適用的制約，設(shè)為I. Om以上。另外，優(yōu)選為I. 4m以上。
[0066] 這時(shí)，作為結(jié)果，獲得計(jì)算負(fù)荷、加工后的外徑、加工后的壁厚、加工后的內(nèi)徑。
[0067] 接著，在順序（e)中判定計(jì)算負(fù)荷是否為上限負(fù)荷以下，如果是，則進(jìn)入（f)。如果 否，則變更空心管壁厚或進(jìn)一步變更工具錐形部角度，返回（c)。
[0068] 需要使計(jì)算負(fù)荷不超過上限負(fù)荷（設(shè)備的加工力（machining ability of equipment))。在此，若成為大幅高于設(shè)備的加工力的計(jì)算負(fù)荷時(shí)，以使空心管壁厚薄壁化、 降低錐形角度的順序施加變更，再次實(shí)施模擬。薄壁化因截面積減小，所以可以降低加工所 需的計(jì)算負(fù)荷，減小錐形角度與降低加工時(shí)的阻力相關(guān)聯(lián)。在滿足該設(shè)備的主要條件的情 況下，進(jìn)入順序（f)。
[0069] 在順序（f)中，判定加工后外徑是否為目標(biāo)外徑±1%的范圍內(nèi)，且加工后壁厚是 否為目標(biāo)壁厚±7. 5%的范圍內(nèi)，如果是，則進(jìn)入（g)。如果是否，則變更空心管外徑及/或 空心管壁厚而返回（c)。
[0070] 在此，判定相對(duì)于產(chǎn)品目標(biāo)尺寸的偏差（deviation)(=(加工后的尺寸-目標(biāo)尺 寸）/目標(biāo)尺寸*1〇〇 (%))在外徑方面，是不是閾值（threshold value)的±1%以內(nèi)，在 壁厚方面，是不是閾值的±7. 5%以內(nèi)。外徑偏差（outside diameter deviation)、壁厚偏 差的各閾值（±1%、±7. 5% )分別考慮實(shí)際產(chǎn)品的尺寸公差（size tolerance)來確定。 判定結(jié)果如果是，則進(jìn)入（g)，如果否，則以偏差集中在閾值以內(nèi)的方式變更空心管外徑及 /或空心管壁厚，反復(fù)進(jìn)行模擬。
[0071] 最后，在順序（g)，判定內(nèi)面的間隙=加工后的內(nèi)徑-工具最大徑是否為Imm以下， 如果是，則判定為這時(shí)的尺寸參數(shù)是實(shí)際擴(kuò)管制造用，結(jié)束順序。如果否，則變更肩部R及 /或錐形角度，返回（d)。
[0072] 在判定結(jié)果為否的情況下，如果加工后的壁厚大體為目標(biāo)壁厚，則優(yōu)先變更肩部 R，如果加工后的壁厚厚且加工后的內(nèi)徑大，則變更錐形部角度，可以更簡便地獲得最終形 狀。如果增加肩部R，則使錐形部和平行部（工具最大徑部）緩緩地連接，即使被加工材料 被推入（或拉出），并被加工，也可以大體沿著工具變形，因此，可以將壁厚等的變化抑制在 極微小，并使內(nèi)徑變化。當(dāng)然，壁厚、內(nèi)徑都大的情況下，稍微減小錐形部角度，再次進(jìn)行模 擬，在上述順序中反復(fù)計(jì)算即可。
[0073] 實(shí)施例
[0074] (實(shí)施例1)
[0075] 作為分析對(duì)象產(chǎn)品，使用外徑609. 6mm、壁厚24. Imm的STPA24(低合金鍋爐鋼 (low-alloy boiler steel)，無縫鋼管）。
[0076] 由于產(chǎn)品外徑為約600mm，所以空心管外徑將作為無縫鋼管易得到的大徑即 406. 4mm作為初始值，空心管壁厚將大體產(chǎn)品壁厚即25mm作為初始值。為了抑制加工動(dòng)力 (manufacturing energy),假定在加工部（工具錐形部）附近通過感應(yīng)加熱（induction heating)加熱至900°C左右，在此，根據(jù)產(chǎn)品外徑、產(chǎn)品壁厚，將工具最大徑設(shè)為562mm。此 夕卜，工具和管內(nèi)面的摩擦系數(shù)（frictional coefficient)以加工前涂布潤滑劑（lubricant agent or lubrication)為前提，設(shè)為0.1。另外，假定使用的擴(kuò)管加工裝置的送入力的上 限即上限負(fù)荷為800tonf。
[0077] 在此，錐形部長度設(shè)為 1200mm，錐形角度=arctan (arctangent function)(((工 具最大徑-空心管內(nèi)徑）/2)/錐形部長度）N 6度。此外，空心管內(nèi)徑=空心管外徑-2* 空心管壁厚。錐形角度也可以設(shè)定更大的值，但其越大，相對(duì)于被加工材料的所謂的阻力越 大，因此，可知需要加工動(dòng)力，因此，在加工機(jī)械的設(shè)備規(guī)格（machine specification)上，從 低值開始分析。肩部R將空心管外徑的約1/2即R200作為初始值。
[0078] 將空心管壁厚如上所述設(shè)為25mm，因此，為了將被加工材料分割為壁厚方向尺寸 為5mm以下的要素，需要至少5個(gè)分割以上的分割，但因?yàn)橛锌赡芗俣楦”?，所以在?采用9個(gè)分割。加工部（錐形部）長度如上所述設(shè)為1200mm，因此，為將該長度方向的要素 尺寸設(shè)為與壁厚方向的情況同程度乃至2倍程度，加工部長度的分割設(shè)為300個(gè)分割。此 夕卜，加工部以外的部分也為同樣的分割。
[0079] 就擴(kuò)管加工模擬而言，假定管圓周方向（circumferential direction of tube) 均等，初期，概略假定為比工具稍大地進(jìn)行變形，設(shè)定形狀，變形自此發(fā)展，以動(dòng)態(tài)顯示算法 的二維有限要素法進(jìn)行。作為分析需要的軟件使用商用分析軟件即ABAQUS。
[0080] 開始模擬，在看作為被加工材料的前端通過肩部后前進(jìn)I. Om以上的狀態(tài)下，評(píng)價(jià) 計(jì)算負(fù)荷、變形狀態(tài)（加工后的尺寸）。負(fù)荷如圖2所示，如果被加工材料的前端從肩部的 行進(jìn)長度為I. Om以上，則慢慢穩(wěn)定，如果為I. 4m以上，則大體穩(wěn)定在480tonf。因其比假設(shè) 的上限負(fù)荷SOOtonf更加小，所以可以沒問題地進(jìn)行擴(kuò)管加工。在此得到的加工后尺寸為 外徑=612. 6mm、壁厚=22. 75mm，與目標(biāo)尺寸相比，外徑大、壁厚小。
[0081] 因此，慢慢使空心管壁厚變化，進(jìn)行幾次模擬。圖3表示其結(jié)果。另外，該圖中表 不外徑偏差的閾值（±1% )以內(nèi)的外徑合格范圍及壁厚偏差的閾值（±7. 5% )以內(nèi)的壁 厚合格范圍。從這可知，適當(dāng)?shù)目招墓鼙诤駷?5. 5?27. 5_。接著，在該區(qū)域，對(duì)于內(nèi)面間 隙評(píng)價(jià)模擬結(jié)果。在此，肩部R變化至空心管外徑的大體2倍即R = 800mm。其結(jié)果確認(rèn) 了，在R = 300mm時(shí)，內(nèi)面間隙為2. 01mm，但通過設(shè)為R = 400mm，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)面間隙I. 62mm， 進(jìn)而，在R = 600mm以上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)面間隙I. Omm以下。
[0082] 如以上，確認(rèn)在較少的模擬條件下可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定具有大量水準(zhǔn)的擴(kuò)管加工條 件。
[0083] 表1表示這些的匯總。
[0084] (實(shí)施例2)
[0085] 將實(shí)施例1中獲得的模擬結(jié)果與實(shí)際擴(kuò)管加工的情況比較，進(jìn)行用于驗(yàn)證本發(fā)明 的有效性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用小型擠壓裝置，該模型比設(shè)為1/5,為了避免溫度等干擾，將鉛管 作為被加工材料，通過冷軋進(jìn)行擴(kuò)管加工。被加工材料及工具為實(shí)施例1的1/5尺寸。
[0086] 表2的CaseA表不實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該表的CaseB表不模擬結(jié)果。根據(jù)表2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 示與模擬結(jié)果大體類似的趨勢的值，可以驗(yàn)證本發(fā)明的有效性。
[0087] 標(biāo)號(hào)說明
[0088] 1工具（內(nèi)面加工用工具）、2錐形部、3肩部、4平行部、5心軸、10被加工材料（金 屬管）11管推壓單元、12工具支承單元、13感應(yīng)線圈
[0089] (表 1)
[0090]
[0091] (表 2)

【權(quán)利要求】
1. 一種金屬管的擴(kuò)管制造方法，在從作為工具的最小徑端的始端到作為最大徑端的終 端依次具有順暢地連接的錐形部、肩部、平行部的內(nèi)面加工用工具中，將該工具的始端側(cè)作 為入側(cè)，送入空心管內(nèi)徑小于所述平行部直徑即工具最大徑的作為被加工材料的金屬管， 使該工具通過管的內(nèi)徑側(cè)，由此對(duì)所述被加工材料進(jìn)行擴(kuò)管加工，其中， 通過基于有限要素分析的擴(kuò)管加工模擬，按以下的順序決定擴(kuò)管加工前的作為被加工 材料的空心管的尺寸、及所述工具的尺寸： (a) 設(shè)定產(chǎn)品的目標(biāo)外徑、目標(biāo)壁厚及工具的錐形部長度及使用的擴(kuò)管加工裝置的送 入力的上限即上限負(fù)荷； (b) 作為尺寸參數(shù)，設(shè)定空心管外徑、空心管壁厚、工具錐形部的錐形角度即錐形角度、 工具軸方向截面內(nèi)的軸方向截面內(nèi)的肩部曲率半徑即肩部R、工具平行部直徑即工具最大 徑； (c) 將被加工材料分割為多個(gè)要素； (d) 執(zhí)行擴(kuò)管加工模擬，求出被加工材料前端在從肩部位置朝向工具出側(cè)前進(jìn)1. Om以 上的時(shí)刻的計(jì)算送入力即計(jì)算負(fù)荷、被加工材料的加工后外徑、加工后壁厚、加工后內(nèi)徑； (e) 判定計(jì)算負(fù)荷是否為上限負(fù)荷以下，如果為是，則進(jìn)入（f)，如果為否，則變更空心 管壁厚或進(jìn)而變更錐形角度，返回（c); (f) 判定是否加工后外徑為目標(biāo)外徑±1 %的范圍內(nèi)且加工后壁厚為目標(biāo)壁厚 ±7. 5%的范圍內(nèi)，如果為是，則進(jìn)入（g)，如果為否，則變更空心管外徑及/或空心管壁厚， 返回（c); (g) 判定內(nèi)面間隙是否為1mm以下，其中，內(nèi)面間隙=加工后的內(nèi)徑-工具最大徑，如 果為是，則決定這時(shí)的尺寸參數(shù)為實(shí)際擴(kuò)管制造用，順序結(jié)束，如果為否，則變更肩部R及/ 或錐形角度，返回（c)、（d)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中， 使所述工具通過管內(nèi)徑側(cè)，并從外徑側(cè)加熱錐形部位置通過中的被加工材料部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中， 所述空心管為無縫管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的金屬管的擴(kuò)管制造方法，其中， 所述擴(kuò)管加工模擬使用作為商用分析軟件的ABAQUS，以基于動(dòng)態(tài)顯示算法的二維有限 要素法進(jìn)行擴(kuò)管加工模擬。
【文檔編號(hào)】B21D41/02GK104349853SQ201280073608
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月29日
【發(fā)明者】勝村龍郎, 板倉教次, 南部征一郎, 石川和俊 申請人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社