锥形方管是由板料冲压成形后焊接而成的，其生产效率低，成品尺寸精度差^{[1, 2]}.在本实验中，讨论用无模拉伸方法加工锥形方管，主要研究变形区域宽度等工艺参数对方管断面形状、表面质量和锥形方管锥度等影响规律.

锥形方管无模拉伸方法如图 1所示.无模拉伸时拉伸速度v₁与冷热源移动速度v₂的比值决定断面减缩率R_s的大小，拉伸中v₁(或v₂)一定，使v₂(或v₁)发生变化，都可以加工锥形方管^{[3, 4, 5, 6]}.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 锥形方管无模拉伸图 Fig. 1 Schematic of tapered square pipe dieless drawing

在实验中使用的是20mm×20mm，壁厚1.2~2.3mm的普通碳素方形钢管.拉伸速度v₁为5.0~2.5mm/min，加热线圈移动速度v₂为40~75mm/min，加工温度为800℃，实验在无模拉伸试验机上进行.

加热线圈形状和尺寸如图 2所示，实验中采用的加热线圈有3种，线圈宽度分别为10,22,36mm，加热线圈上的空气冷却装置有6个直径为1mm的喷嘴，实验时压缩空气为0.5kg/cm².图 3为空气冷却器的形状和尺寸.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 加热线圈形状尺寸 Fig. 2 Shapes and dimensions of heating coils (a)—单圈线圈； (b)—双圈线圈； (c)—三圈线圈.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 空气冷却器形状尺寸 Fig. 3 Shapes and dimensions of compressed-air cooler

本研究作为简化加工锥度的方法，采用v₂值一定，拉伸速度v₁ 阶段变化的方法.这时，断面减缩率与拉伸速度和冷热源移动速度的关系^{[7, 8, 9]}为

方管无模拉伸时，即使断面减缩率一定，随着变形区宽度(加热宽度)不同，方管边长、壁厚也会不同.方管拉伸时，方管的断面形状畸变问题也会发生，因此，需要了解变形区宽度对拉伸后方管的断面尺寸及形状缺陷的影响.

图 4给出了加工前后方管的断面形状，方断面形状拉伸后趋向圆形.设ξ为无模拉伸后方管边长减少率、ν为壁厚减少率、η为断面形状缺陷膨胀率，则：

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 加工前后方管断面形状 Fig. 4 Cross-section shape of square pipe before and after drawing

方管拉伸时，ξ,ν,η受变形区宽度W的影响.变形区宽度W对方管边长减少率ξ的影响情况如图 5所示.实验中，使断面减缩率值为20 % ，边长减少率随着变形区宽度的增加而增加，变形区宽度越大，边长减少率也越大.断面减缩率为20 % ，变形区宽度W对方管壁厚减少率ν的影响如图 6所示，随着变形区宽度W减小，壁厚减少率ν增大.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 边长减少率与变形区宽度间的关系 Fig. 5 Relationships between reduction rate of side length and deformation width

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图6 壁厚减少率与变形区宽度的关系 Fig. 6 Relationships between reduction rate of wall thickness and deformation width

由实验结果可知，变形区宽度W较小时，壁厚减少率ν增大，主要是管的壁厚减小.变形区宽度W较大时，边长减少率增大，主要是管的边长减小.

当断面减缩率为20 % 时，变形区宽度W对方管断面形状缺陷膨胀率η的影响如图 7所示.对于各种不同的壁厚t₀，变形区宽度增大，断面形状缺陷膨胀率减小.壁厚增大，也会使断面形状缺陷膨胀率减小.例如，当t₀=2.3mm，W=33mm，即壁厚和变形区宽度都比较大时，则几乎不产生膨胀现象.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图7 断面形状膨胀率与变形区宽度的关系 Fig. 7 Relationships between section shape expansion rate and deformation width

锥形方管拉伸断面膨胀率随断面减缩率的变化规律如图 8所示.3圈线圈加热时断面膨胀率最小.同时，断面减缩率增大时，断面膨胀率相应增大，断面减缩率减小时，断面膨胀率也减小.

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图8 断面膨胀率随断面减缩率的变化 Fig. 8 Relationships between expansion rate and reduction rate

如上所述，要得到较高的锥角加工精度，需要采用较小的变形区宽度；考虑抑制膨胀现象，则应采用较大的变形区宽度.提高锥角加工精度与抑制断面形状膨胀对变形区宽度要求不同.

锥形方管加工后边长与轴向尺寸的关系如图 9所示.实验中采用的加热线圈为2圈,v₁按5—10—15—20—25mm/min阶梯变化，时间间隔40s，v₂保持定值40mm/mim，最终的工件加工轮廓与计算结果一致性很好.

图 9(Figure 9)

Fig. 9

图9 拉伸后边长相对轴向尺寸变化 Fig. 9 Variation of side length along longitudinal direction of pipe after drawing

工件加工后锥角Ф′与设计锥角Ф的关系如 图 10所示.采用1圈或2圈加热线圈时，加工件的锥角与设计锥角相对一致，加工件的锥角与设计锥角的误差在±1.0 % 以内.采用3圈加热线圈时加工件锥角较设计值偏大.

图 10(Figure 10)

Fig. 10

图10 成品锥角与设计锥角的关系 Fig. 10 Relationship between experimental taper angle of products and calculated ones

1) 在断面减缩率一定的条件下，方管边长的变化由无模拉伸变形区宽度(加热宽度)决定，变形区宽度W越大，边长减少率ξ也越大；同样，方管壁厚变化也由无模拉伸变形区宽度决定，方管变形区宽度W越大，则壁厚减少率ν越小.

2) 无模拉伸方管断面形状膨胀率η随着拉伸变形区宽度W增大而减小，壁厚对断面形状膨胀率也有影响，壁厚较大，断面形状膨胀率较小；当壁厚和变形宽度都比较大时，几乎不产生膨胀现象.

3) 锥型方管拉伸采用1圈或2圈加热线圈时，加工件的锥角与设计锥角相对一致，采用3圈线圈锥角较设计值偏大，锥型方管拉伸如果需要得到较高的锥角加工精度，应采用较小的变形区宽度.

4) 采用无模拉伸的方法可以加工带有一定锥度的锥形方管，锥管角精度在1.0 % 以内，加工后锥形方管的轮廓与控制曲线的计算结果一致性很好.