模具型面及沖頭對304不銹鋼三通成形效果影響研究

郭訓忠 陶 杰 李 鳴

1.南京航空航天大學,南京,210016 2.江蘇華陽金屬管件有限公司,鎮江,212400

0 引言

不銹鋼三通管件在石油、化工、天然氣、礦粉輸送、核電工程的管路系統等方面有著廣泛的應用,對于提高管路系統的柔性、穩定性和安全性具有重要意義[1]。采用沖壓焊接或機械加工工藝已不能滿足重要工程對管件高精度、高性能和低成本的要求,而采用液壓脹形工藝制備三通管件優勢明顯：整體成形,流線連續分布;組織致密;強度高且質量輕,綜合力學性能優越;成本低,易實現自動化生產等[2-8]。液壓脹形工藝制備的無縫不銹鋼三通管件在高溫、輻射及腐蝕環境下仍然擁有優異的性能。目前,對于三通管件的液壓脹形,有學者提出了模糊算法、自適應控制技術甚至多目標優化求解,來解決多目標、多工藝參數優化的問題[9-14],但實際實施的難度較大且成本較高。

單純通過工藝參數的優化提高三通管件的質量是遠遠不夠的。通過改變成形零件的尺寸及形狀以提高材料的流動性,從而提高管件的成形性能,相比較而言,效果明顯,具有不可忽視的作用。在成形零件選擇的基礎上,對工藝參數進行進一步優化,是制備高質量三通管件的正確思路。

在成形零件形式對成形質量的影響方面,目前的研究主要集中于凹模過渡圓角半徑值對于成形質量的影響。大量研究表明,隨著該圓角半徑值的增大,最終成形管件的壁厚差逐漸減小,壁厚均勻性得到了有效提高[9,15-16]。由于模具型面與沖頭形式對三通管件成形效果同樣具有重要影響,所以有必要對其進行研究。

本文通過研究不同形式的模具型面及沖頭對管件成形效果的影響來提高三通管件的成形質量。在此基礎上,研究了不同的加載路徑對成形結果的影響,最終制備出支管高度以及壁厚整體均勻性方面均滿足要求的不銹鋼三通管件。

1 有限元模擬

1.1 計算模型

用CAD軟件對模具型面、擠壓沖頭及管坯進行幾何建模,然后將其導入成形模擬軟件中。管材用薄殼單元進行離散,單元公式采用BELYTSCHKO-TSAY。通過對管材取樣的拉伸試驗,測定的材料E值為207GPa,泊松比γ為0.28,應變硬化指數 n為 0.502;K值為1.43GPa。將拉伸試驗的工程應力-應變曲線轉化為材料的真實應力-應變曲線,并將其導入有限元模擬軟件中。模具型面的劃分采用充分體現其幾何特征的Tool mesh劃分,網格劃分后的有限元模型如圖1所示。工具與管坯的接觸形式為SURFACE_TO_SURFACE。

圖1 有限元模型

1.2 模擬結果

1.2.1 不同模具型面的成形效果

現有的研究多采用圖2a所示的第一種形式的模具型面,即采用常用的兩圓柱面相貫,并對相貫線處倒R30mm圓角;第二種形式的新型模具型面則采用半圓弧線掃描的形式生成平滑曲面連接主管與支管,最終用平面過渡主管、支管及掃描曲面,其形狀如圖2b所示。304不銹鋼管坯尺寸為φ48.3mm×3mm×210mm,管坯與模具的間隙值為0.25mm。首先采用圓柱形沖頭施壓。左右沖頭相向進給距離為50mm,成形壓力加載路徑如圖3所示。

圖2 三通管件成形的不同型面

圖3 初始壓力加載路徑

對于三通管件的成形,主要的控制目標為支管高度及最大壁厚減薄率。若最大壁厚減薄率皆滿足小于12.5%,則可用壁厚相對均勻性衡量成形質量的高低。采用圖3的壓力加載路徑時,第一種形式的模具型面成形的三通支管高度為60.06mm,最大減薄率為7.67%(支管頂部),最大增厚率為87.11%,發生在主管端部靠近過渡圓弧處;第二種形式的模具型面成形的不銹鋼三通管件支管高度為63.03mm,最大減薄率同樣位于支管頂部,但其減薄率為6%左右,管壁最大增厚率為81.36%,發生在主管,靠近與沖頭接觸位置處。從支管高度、最大最小壁厚差對比可知,第一種形式的模具型面成形的三通管件,其支管高度略小于第二種形式模具型面成形對應的管件。另外,采用第二種形式的模具型面成形,三通壁厚的均勻性方面可以得到明顯改善。這是由于在成形過程中,材料在圖2b所示的模具型面的過渡圓弧處的流動相對容易,所以對于支管的生長以及壁厚的均勻性提供了便利的材料流動特性。相對于圖2a出現的相貫尖角區域,圖2b所示平面區域的存在有效地提高了三通管件的成形性能。所以應采用帶有平面特征的模具對三通管件實施液壓脹形。

1.2.2 不同沖頭的成形效果

圖4所示是三通管件在液壓脹形過程中所采用的三種不同形式的沖頭及其尺寸。1號沖頭采用的是圓柱形,其端部與不銹鋼管坯端部直接接觸;2號及3號沖頭采用的是階梯軸形式,但兩者不同的是細端的軸向尺寸。表1所示的是不同沖頭成形出的三通支管高度、壁厚最大減薄率及最大增厚率。從表中可以看出,使用階梯軸形式沖頭使不銹鋼三通管件的支管高度略有提高,壁厚減薄率雖然局部略有增加,但壁厚增厚率得到較大改善。采用圖3c沖頭制備無縫不銹鋼三通管件的整體壁厚減薄率分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看出,管件最大增厚部位在主管上部靠近與沖頭接觸部位。綜合比較,以3號沖頭成形效果為最佳,支管高度最高,且壁厚分布相對均勻。

圖4 三通管件成形的不同沖頭及尺寸(mm)

表1 不同沖頭對應的三通管件支管高度與壁厚

圖5 減薄率分布云圖

1.2.3 內壓力加載路徑對成形效果的影響

圖6 加載路徑示意圖

制備高質量不銹鋼三通管件,除了選擇必要的成形零件外,還必須合理控制成形中所施加的內壓力和軸向進給量的大小及其匹配關系。通過對圖6所示的不同的加載路徑模擬計算,加載路徑3制備的三通管支管高度值最大,為73mm左右,但是造成了最嚴重的53%減薄。同時,最大壁厚與最小壁厚的差值為3.58mm左右。加載路徑1是恒定壓力值,為90MPa,其對應的最大支管高度值同樣很大,近72mm左右。盡管支管高度較高,但是上述兩條加載路徑因平均壓力值較大,在管坯變形的初始便迅速達到較高壓力值,造成壁厚的嚴重不均勻。而對于路徑5,在軸向沖頭已經進給10mm的情況下,依然不提供任何壓力,造成了管坯平均壁厚的增加,隨后的壓力提升已經很難提高最終的高度,盡管壁厚相對均勻,但是支管高度過低,在路徑5的模擬結果中,其支管高度僅有56mm左右,如圖7所示。同樣,路徑2雖然初始提供了壓力,但其斜率較小,說明初始壓力值較小,也造成了支管高度較小的情況。而對于加載路徑4,從初始就提供內高壓,并且其斜率介于路徑2和路徑3之間,在0.8s內的壓力平均值為75MPa,其最終成形結果是：支管高度為68mm左右,其最大最小壁厚差為2.3mm。

圖7 加載路徑5下的三通管件

2 液壓脹形實驗

根據三通管件的液壓脹形原理以及數值模擬結果,采用WETORI IST 800-1200液壓機及模具對SS304三通管件實施冷成形。圖8a為WETORI IST 800-1200液壓機,圖8b為對應的成形模具及沖頭。另外研制了特殊潤滑涂層,由粒度不小于300目的 CaSO4?2H2 O、機械油、潤滑脂三種組分按質量比為 1∶(3～10)∶(0.1～0.8)混合而成。將 φ48.3mm×210mm 的SS304管坯外表面均勻涂抹潤滑涂層后進行液壓脹形從而制備三通管件。

圖8 液壓成形工藝裝置

從圖9a可以看出,三通管件冷變形前的組織為奧氏體組織,晶界清晰完整,組織均勻性良好。三通管件在液壓脹形過程中,高壓液體因推動支管向上生長,使圖9b所示位置的材料受到拉應力,且該處的變形量較大,數值模擬計算的該處最大變形量約為53%。同時,該處也是材料從主管向支管方向流動的主要區域。其對應位置的金相組織如圖9b所示,從圖中可以看出,因變形量較大,晶粒沿主要變形方向被拉長,晶粒形狀改變明顯,方向性顯著,充分地顯示了三通管件在此區域的變形特征。

圖9 304不銹鋼三通管件金相組織

對于成形后的三通管件,剖開后對相應截面進行厚度測量,并計算其減薄率。另外,測量實際成形的三通管件支管高度值。從圖10所示的三通管件主管長度與支管高度可知,采用液壓脹形工藝成形后的304無縫不銹鋼三通管件的支管為68mm,其高度滿足GBT12459-2005要求。圖11是304無縫不銹鋼三通管件兩個不同區域的壁厚減薄率分布圖,模擬值和實驗值基本一致。

圖10 實際成形的三通管件

圖11 模擬結果和實驗結果

3 結論

(1)采用具有平面特征型面的模具及3#沖頭成形的不銹鋼三通管件質量在支管高度以及壁厚均勻性方面有明顯改善,可以提高三通管件的成形質量;

(2)采用壓力加載路徑4成形三通管件,其支管高度及壁厚差均相對較優;材料從主管向支管方向流動的主要區域因變形量較大,晶粒沿主要變形方向被拉長,晶粒形狀改變明顯,方向性顯著;

(3)實際成形的不銹鋼三通管件在支管高度方面與模擬值基本一致,壁厚分布規律與模擬值分布規律接近。通過成形工具和壓力加載路徑的合理選擇,可以制備出質量較高的無縫不銹鋼三通管件。

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