大容積高壓氣瓶旋壓成形工藝研究

鄧春鋒，邵 飛，梅鵬程

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000）

大容積高壓氣瓶旋壓成形工藝研究

鄧春鋒，邵 飛，梅鵬程

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000）

本文采用ABAQUS/Explicit動態顯式模塊對大容積高壓氣瓶旋壓成形工藝進行模擬分析，研究了旋壓溫度、進給比等工藝參數對旋壓成形的影響，確定了氣瓶旋壓成形的工藝參數范圍，對氣瓶旋壓成形具有指導意義。

旋壓成形；高壓氣瓶；工藝；應力分析；有限元

由于大容積高壓氣瓶旋壓成形過程變形機理復雜，目前實際生產中旋壓工藝的制定主要依靠工藝人員通過經驗計算公式并結合實際經驗的方法來確定，一方面造成設計周期長、試制費用高，另一方面也影響產品的最終質量。本文采用有限元分析軟件ABAQUS，對無縫氣瓶熱旋壓收口成形工藝進行模擬分析，比較了不同工藝參數對熱旋壓收口工藝的影響，為實際生產選擇合理工藝參數提供依據[1-3]。

1 模型

氣瓶旋壓成形過程是復雜的動態接觸過程，并且工件上的塑性區不斷變化，因此，采用ABAQUS/ Explicit動態顯式模塊對該過程進行模擬計算。模擬采用材料為制造氣瓶用材料4130X，材料密度7800kg/m3，彈性模量210000MPa，泊松比0.3，模型尺寸直徑?559mm，壁厚18mm。在模型中，僅把坯料定義為變形體，采用8節點六面體單元進行網格劃分，如圖1所示。其中管坯單元數為5600，節點數為8700；卡盤與旋輪被看作為剛體。考慮材料的各向異性對成形的影響很小，因此做出以下假設：①不考慮材料的各向異性的影響；②忽略重力及慣性的影響；③金屬塑性熱、管坯與空氣的對流和輻射散熱、管坯的補熱等熱邊界條件，簡化為初始條件中恒定的溫度條件。

圖1 氣瓶旋壓收口有限元模型

旋壓收口模擬計算中采用顯示算法，不存在大變形的收斂問題，節省內存，采用更新的Lagrange描述法來描述大變形的有限列式，并且采用ABAQUS的動態顯示有限元算法求解。

2 結果與分析

通過ABAQUS有限元分析，能夠得到旋壓溫度、進給比等工藝參數對氣瓶旋壓成形的影響，包括等效應力分布、等效變形、旋壓力、氣瓶壁厚等。

2.1 旋壓溫度對旋壓成形的影響

在其他工藝參數不變的條件下，分析了900℃～1200℃不同溫度下氣瓶的旋壓成形過程，結果如下。

2.1.1 旋壓溫度對等效應力分布的影響

圖2為不同溫度旋壓成形后等效應力分布云圖，從中可以看出，900℃～1200℃不同溫度下等效應力的分布特征相同；各溫度下等效應力最大值都在相應溫度下材料的強度極限以下，管坯不會出現斷裂、翅裂等缺陷；隨著溫度升高，等效應力最大值逐漸減小。

圖2 不同溫度旋壓成形后等效應力分布云圖

2.1.2 旋壓溫度對等效應變的影響

圖3為不同溫度旋壓成形后等效應變分布云圖，從中可以看出，900℃～1200℃的等效應變分布規律相同，等效應變沿軸向呈分層分布，并且在同一圓周上的分布相對均勻；在同一溫度下，等效應變的最大值出現在管坯直線段；隨著溫度升高，等效應變的最大值逐漸增大。

圖3 不同溫度旋壓成形后等效應變分布云圖

2.1.3 旋壓溫度對旋壓力的影響

圖4為旋壓力隨旋壓溫度的變化曲線，總旋壓力、徑向、軸向和切向旋壓力都是隨著溫度的升高而降低的，總旋壓力和徑向旋壓力變化較大，切向旋壓力變化比較平緩。旋壓溫度升高，旋壓力減小，這是因為溫度的升高降低了管坯金屬的變形抗力，提高了塑性，使得變形更容易進行，可見增加旋壓溫度有利于氣瓶收口熱旋壓的進行，這與實際情況相符。

2.1.4 不同旋壓溫度對氣瓶壁厚的影響

圖4 旋壓力隨旋壓溫度的變化曲線

表1是不同溫度旋壓收口后氣瓶最大和最小壁厚值。從中可以看到隨著旋壓溫度的升高，最小壁厚減薄，最大壁厚增加，即起旋點處的壁厚減薄增加，瓶肩增厚增加。這是由于高溫下金屬的變形抗力降低，塑性增加，所以隨著溫度的升高金屬更容易流動，變形增加。從旋壓溫度對壁厚影響的角度來看，在滿足熱變形的條件下，旋壓溫度越低，對氣瓶的旋壓收口成形質量越有利。

表1 不同溫度旋壓收口后氣瓶最大和最小壁厚

綜合旋壓溫度對旋壓過程應力場、應變場、旋壓力和氣瓶壁厚的影響，可以看到在高壓氣瓶熱旋壓收口成形過程中，為了減小旋壓力、保證旋壓質量，并能夠進行大變形量的旋壓成形，必須控制好加熱溫度。一方面如果加熱溫度達不到旋壓溫度，金屬的伸展性較差，會導致旋壓力的增加，在一些特殊情況下旋壓過程甚至不能進行；另一方面加熱溫度太高，浪費能源，會帶來管坯金屬過燒等問題，并且起旋點處減薄增加過多會導致得不到合格的產品。綜合模擬結果并結合4130X鋼高溫性能情況選擇旋壓溫度為1100℃～1200℃。

2.2 進給比對旋壓成形的影響

模擬分析了旋壓溫度為1100℃并且其他工藝參數相同情況下，進給比為1.8mm/r、2.3mm/r、3.1mm/r時氣瓶的旋壓成形。

2.2.1 進給比對應力場分布的影響

圖5為不同進給比旋壓成形后等效應力分布云圖，工件變形后的等效應力分布規律相同，進給比的增加對應力大小變化影響較小，最大等效應力隨著進給比的增加略有增加。

圖5 不同進給比旋壓成形后等效應力分布云圖

2.2.2 進給比對應變場分布的影響

圖6為不同進給比旋壓成形后等效應變分布云圖，可以看出，進給比為1.8mm/r、2.3mm/r和3.1mm/r旋壓后工件的等效應變分布規律相同，等效應變沿軸向呈分層分布，并且在同一圓周上的分布相對均勻；各進給比下等效應變的最大值均出現在管坯直線段；隨著進給比的增加，等效應變變化不大，呈現略有增大趨勢。

圖6 不同進給比旋壓成形后等效應變分布云圖

2.2.3 進給比對旋壓力的影響

圖7為旋壓力最大值隨進給比的變化曲線。圖中，旋壓溫度一定時前7個道次內，旋輪進給比由1.8mm/r增加到3.1mm/r時，總旋壓力由486.1kN增加到624.2kN，增加了138.1kN；徑向旋壓力由432.5kN增加到 623.9kN，增加了 191.4kN；軸向旋壓力由-323.3kN增加到-368.8kN，增加了45.5kN；切向旋壓力由-59.4kN增加到-75.3kN，增加了15.9kN。可見，隨著進給比的增加，總旋壓力和三向旋壓力均呈現增加的趨勢。這是因為在旋壓過程中，旋輪與工件接觸的軌跡是一條螺旋線，當進給比增加時，螺旋線相互重合的區域減小，有更多的金屬同時變形，所以導致旋壓力的增加。

圖7 旋壓力隨進給比的變化曲線

2.2.4 進給比對氣瓶壁厚的影響

表2為進給比分別為1.8mm/r、2.3mm/r和3.1mm/r氣瓶旋壓收口后最大和最小壁厚值。隨著進給比的增加氣瓶起旋點處最小壁厚減薄，瓶肩最大壁厚處壁厚增加，壁厚增加的趨勢隨著進給比的增加而增大。這是因為進給比增加，管坯金屬變形速度增加，收縮的金屬使管坯壁厚由薄變厚堆積，在這種情況下，對于同一個截面金屬向前流動變慢了，而使管坯壁厚增厚的速度變快。但是總的來說，進給比對管坯壁厚增加和減少影響不大。

綜合進給比對旋壓過程應力場、應變場、旋壓力和氣瓶壁厚的影響，選擇旋輪進給比的原則是：在滿足變形、保證成形質量的情況下，盡量取大一些，以提高生產效率。

表2 不同進給比氣瓶旋壓收口后最大和最小壁厚

3 結論

（1）隨著溫度升高，等效應力最大值逐漸減小，等效應變的最大值逐漸增大，總旋壓力、徑向、軸向和切向旋壓力降低。

（2）隨著進給比的增加，總旋壓力和三向旋壓力均呈現增加的趨勢，等效應變略有增大趨勢。

（3）4130X鋼管旋壓成形溫度為 1100℃～1200℃，旋輪進給比在滿足變形、保證成形質量的情況下，盡量取大一些，以提高生產效率。

[1]夏琴香，陳家華，梁佰祥，等.基于數值模擬的無芯模旋壓收口工藝[J].華南理工大學學報（自然科學版），2006，34（2）：1-7.

[2]張 濤，林 剛，周景龍，等.旋壓縮口過程的三維有限元數值模擬[J].鍛壓技術，2001，26（5）：26-28.

[3]趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007：320-346.

Research of spin forming process for large-volume high-pressure cylinders

DENG Chunfeng,SHAO Fei,MEI Pengcheng
（Luoyang Sunrui Special Equipment Co.,Ltd.,Luoyang 471000,Henan China）

The simulation analysis has been conducted to the spin forming process for large-volume highpressure cylinders in the text by use of ABAQUS/Explicit dynamic display module.The influence of process parameters including spin temperature and feed ratio etc to the spin forming has been studied.The process parameter range of spin forming for the cylinders has been determined.It provides reference for actual spin forming process of cylinders.

High-pressure cylinders;Spin forming;Stress analysis;FEM

TG335.19

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.020

1672-0121（2016）06-0080-04

2016-07-30；

2016-09-06

鄧春鋒（1972-），男，高級工程師，從事特種高壓容器設計及研發。E-mail：cfdeng2000@163.com