大口徑厚壁90°彎頭液壓成形工藝與成形規(guī)律研究

王守東，紀(jì)開(kāi)盛，岳曉露

（1.河南神州精工制造股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036）

在運(yùn)輸業(yè)中，管道運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸和水路運(yùn)輸是主要的五大運(yùn)輸方式，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起著十分重要的作用。天然氣、水、成品油、原油等液體物質(zhì)皆可通過(guò)管道進(jìn)行輸送，由于其運(yùn)輸量大、距離長(zhǎng)、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而在世界范圍內(nèi)得以迅猛發(fā)展。隨著西氣東輸工程的不斷推進(jìn)，管道運(yùn)輸業(yè)在我國(guó)的會(huì)長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。

彎頭是現(xiàn)代工業(yè)上應(yīng)用量最大、應(yīng)用面最廣的一種管道基礎(chǔ)件，是管線工程中重要的管件產(chǎn)品之一[2]。作為管路拐彎處的連接件，彎頭被廣泛的應(yīng)用在化工、石油、冶金、國(guó)防、輕工等工業(yè)中[3]。彎頭在輸送液體或氣體的過(guò)程中會(huì)有局部渦流出現(xiàn)，對(duì)管件的性能有較大的影響[4]。因此，對(duì)彎頭的彎曲技術(shù)和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)生產(chǎn)彎頭的方法有焊接、沖壓、熱推制等，目前國(guó)外采用熱推制方法生產(chǎn)大口徑彎頭，因?yàn)樗哂猩a(chǎn)效率高，產(chǎn)品規(guī)格多，生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)性強(qiáng)，易于機(jī)械化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[5]。但傳統(tǒng)的大口徑厚壁彎頭成形過(guò)程中常常存在外側(cè)壁厚的過(guò)渡減薄、內(nèi)側(cè)起皺和橫截面扁化等缺陷，也逐漸不在適用于生產(chǎn)大口徑厚壁彎頭生產(chǎn)[6-8]。

在工程領(lǐng)域中，管材液壓成形技術(shù)正在逐漸被應(yīng)用于制造各種截面沿軸向變化的中空零件之中[9-10]，它能夠提高生產(chǎn)效率，并可以顯著地改善傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的零件缺陷，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[11]。

本文擬對(duì)大口徑厚壁90°彎頭液壓成形工藝過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，分析不同加載路徑對(duì)大口徑厚壁90°彎頭液壓成形效果的影響規(guī)律，獲得了大口徑厚壁90°彎頭液壓成形的最佳工藝參數(shù)。并基于數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)大口徑厚壁90°彎頭壁厚進(jìn)行分析，揭示其液壓成形規(guī)律。

1 零件尺寸及成形工藝分析

1.1 零件尺寸

大口徑厚壁90°彎頭是具有等截面的空心結(jié)構(gòu)，其截面形狀是圓形，彎頭的幾何尺寸見(jiàn)圖 1，彎頭外徑為R240mm，壁厚為10mm，內(nèi)彎外半徑為750mm，內(nèi)彎外半徑為1230mm，彎頭減薄率要求為35%。彎頭用于液體運(yùn)輸，長(zhǎng)時(shí)間埋于地下或裸露在空氣中，因此研究材料選用具有高強(qiáng)度、良好的韌性及成形性等眾多優(yōu)良的性能，同時(shí)具備優(yōu)良的耐腐蝕性的SS304奧氏體不銹鋼[12-14]。

1.2 成形工藝分析

大口徑厚壁90°彎頭的關(guān)鍵工藝參數(shù)是內(nèi)壓力大小。液壓彎管成形是液壓和模具合模運(yùn)動(dòng)聯(lián)合作用的復(fù)雜成形過(guò)程，因此它們之間的匹配關(guān)系對(duì)管件的成形性能影響非常大。液壓較小，模具合模運(yùn)動(dòng)較快，會(huì)使得管坯無(wú)法向外膨脹，材料在彎頭內(nèi)彎處堆積，形成褶皺；液壓較大，模具合模運(yùn)動(dòng)較慢，管坯快速膨脹，會(huì)使得管坯直徑在合模前大于模具型腔直徑，無(wú)法繼續(xù)成形。因此，確定合適工藝及加載路徑成為大口徑厚壁90°彎頭液壓成形的關(guān)鍵。

大口徑厚壁90°彎頭液壓成形過(guò)程有兩階段組成，第一階段為壓彎階段，第二階段為脹形階段。在第一階段是壓彎過(guò)程，該階段向管坯內(nèi)充入液體并增壓；左右兩端推頭保持不動(dòng)，負(fù)責(zé)與模具配合將管坯牢牢卡住，上模向下運(yùn)動(dòng)，知道模具完全合模。在第二階段是脹形過(guò)程，依靠合模力使上模與下模保持合模，左右兩端推頭保持不動(dòng)，想向液體增壓，使得管坯完全填充模具型腔，獲得合格大口徑厚壁90°彎頭。為保證左右推頭將管坯卡住及管內(nèi)密封性，經(jīng)90°彎頭零件進(jìn)行修改，零件成形后將多余部分切除即可。修改后零件如圖2所示，零件兩端直管直徑小于彎頭外徑，直管與彎頭間以圓弧過(guò)渡，紅色線框內(nèi)為成形后切除區(qū)域。

2 大口徑厚壁90°彎頭液壓成形有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

使用Dynaform有限元模擬軟件進(jìn)行大口徑厚壁90°彎頭液壓成形有限元模擬，考慮到修改后彎管兩端直徑小于零件要求直徑，所以設(shè)計(jì)初始管坯直徑與彎管兩端一致。成形該件的管坯參數(shù)：管坯外壁直徑為240mm，厚度為10mm，長(zhǎng)度為2800mm；管坯材料性能參數(shù)為Dynaform有限元模擬軟件所提供的SS304奧氏體不銹鋼參數(shù)，239.48MPa是該材料的屈服點(diǎn)，其默認(rèn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

管坯單元網(wǎng)格類(lèi)型是自適應(yīng)型正方形殼單元網(wǎng)格，單元邊長(zhǎng)為30mm，摩擦系數(shù)選自Dynaform有限元數(shù)值模擬軟件中默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)鋼的摩擦系數(shù)0.125，完成前處理設(shè)置后大口徑厚壁90°彎頭液壓成形有限元計(jì)算模型如圖4所示。

2.2 加載路徑的選擇

2.2.1 加載路徑設(shè)計(jì)

為了研究出合理的加載路徑，可以通過(guò)大量的數(shù)值模擬來(lái)得出最優(yōu)的加載路徑，設(shè)計(jì)如圖4所示的4條加載路徑。在模擬過(guò)程中，模具與液壓同時(shí)是開(kāi)始進(jìn)行加載，模具呈勻速運(yùn)動(dòng)，直至模具閉合，模具運(yùn)動(dòng)距離426mm；液壓呈直線或折線加載，圖4中0～10s為壓彎階段，10～20s為脹形階段。液壓從0MPa開(kāi)始加載，加載路徑A為液壓線性加載，加載開(kāi)始后20s，液壓到達(dá)80MPa，成形結(jié)束；加載路徑B為加載開(kāi)始后6s，液壓達(dá)到10MPa，加大增壓速率，加壓4s后，液壓達(dá)到45MPa，然后減小加壓速率，加壓10s，液壓達(dá)到100MPa，成形結(jié)束；加載路徑C為加載開(kāi)始后6s，液壓達(dá)到5MPa，加大增壓速率，加壓4s后，液壓達(dá)到20MPa，然后減小加壓速率，加壓10s，液壓達(dá)到40MPa，成形結(jié)束；加載路徑D為加載開(kāi)始后6s，液壓達(dá)到10MPa，加大增壓速率，加壓4s后，液壓達(dá)到35MPa，然后減小加壓速率，加壓10s，液壓達(dá)到40MPa，成形結(jié)束。

2.2.2 模擬結(jié)果分析

加載路徑A模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中發(fā)現(xiàn)管坯尺寸超過(guò)了模具直徑，這是由于壓彎階段液壓加載速率過(guò)快導(dǎo)致的。在這一階段，模具給管坯向下的壓力，管坯受力向模具兩側(cè)沒(méi)有約束的區(qū)域發(fā)生變形，與此同時(shí)，過(guò)快的液壓加載速率促進(jìn)管坯膨脹。模具壓力和液壓共同作用使管坯尺寸在模具合模之前超過(guò)模具直徑，使實(shí)驗(yàn)失敗。這一結(jié)果說(shuō)明，在模具閉合的前期，液壓加載速率不宜過(guò)快。

加載路徑B模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。圖7為模擬結(jié)果成形極限圖，在圖中并未發(fā)現(xiàn)代表瀕臨破裂的黃色和代表破裂的紅色區(qū)域，表明零件并未瀕臨破裂或破裂。在零件兩端存在嚴(yán)重褶皺，但該區(qū)域?qū)儆谇谐糠郑挥绊憦濐^使用，在彎頭區(qū)域存在少量輕微褶皺，同時(shí)，在圖中圓圈內(nèi)產(chǎn)生了凹坑。這是由于管料在彎曲過(guò)程中引起回彈,在零件側(cè)壁產(chǎn)生凹陷變形，使得尺寸精度和外形無(wú)法達(dá)到要求。因此，加載路徑B也無(wú)法作為大口徑厚壁90°彎頭的液壓成形加載路徑。

加載路徑C模擬計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8a成形極限圖中可以輕易的發(fā)現(xiàn)零件并未破裂或?yàn)l臨破裂，在零件兩端產(chǎn)生嚴(yán)重褶皺，但并不影響彎頭使用。在彎頭區(qū)域存在褶皺趨勢(shì)，但并未產(chǎn)生褶皺，仍屬于無(wú)褶皺范疇，不影響彎頭使用。圖8b為零件減薄率分布圖，圖中顯示零件最大減薄率為36.513%，高于零件要求的35%。因此，加載路徑C同樣不可以作為大口徑厚壁90°彎頭的液壓成形加載路徑。

加載路徑D模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9a成形極限圖中可以輕易的發(fā)現(xiàn)零件并未出現(xiàn)紅色或黃色區(qū)域，表明變形過(guò)程中并未產(chǎn)生破裂或?yàn)l臨破裂，在零件兩端產(chǎn)生嚴(yán)重褶皺，切割后不影響彎頭使用。在彎頭區(qū)域存在少量代表具有褶皺趨勢(shì)的藍(lán)色區(qū)域，但并不代表該區(qū)域產(chǎn)生褶皺，不影響彎頭使用。圖9b為零件減薄率分布圖，圖中顯示零件最大減薄率為34.691%，低于零件要求的35%。因此，零件合格，加載路徑D可以作為大口徑厚壁90°彎頭的液壓成形加載路徑，用于成形該零件。

2.3 成形規(guī)律分析

圖10為零件經(jīng)過(guò)加載路徑D模擬計(jì)算的壁厚分布圖，圖中顯示隨著變形量的增加零件壁厚總體呈現(xiàn)出減薄的趨勢(shì)，零件內(nèi)彎壁厚要高于外彎。將圖10中零件沿平行于紙面方向進(jìn)行剖切,在外彎一側(cè)選擇27個(gè)等距節(jié)點(diǎn)測(cè)量其壁厚分布，如圖11a所示，在內(nèi)彎一側(cè)選擇27個(gè)等距節(jié)點(diǎn)測(cè)量其壁厚分布，如圖11b所示。從圖11a發(fā)現(xiàn)，外彎頂部區(qū)域壁厚相對(duì)于其他位置減薄較為嚴(yán)重，但壁厚最薄的位置并不是在外彎最高處的節(jié)點(diǎn)，而是在最高處節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)。在圖11b中，內(nèi)彎頂部區(qū)域壁厚相對(duì)于其他位置減薄較輕，但是壁厚減薄最輕處并不在內(nèi)彎最高處節(jié)點(diǎn)，而是在最高處節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)。將圖片沿垂直于直面方向，在圖10中箭頭指示的位置進(jìn)行剖切，沿整個(gè)圓形剖切界面均勻選擇8個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量其壁厚分布，如圖12所示。圖12a中5點(diǎn)是零件外彎最高處，8點(diǎn)為零件內(nèi)彎最高處。從圖12這再次發(fā)現(xiàn)零件外彎頂部區(qū)域壁厚相對(duì)于其他位置減薄較為嚴(yán)重，但壁厚最薄的位置并不是在外彎最高處的節(jié)點(diǎn)，而是在最高處節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)。這說(shuō)明了在零件外彎最高處壁厚小于其周?chē)诤瘢@是由零件最高處變形量小于其周?chē)鷧^(qū)域?qū)е碌摹?/p>

3 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算確定了500mm大口徑厚壁90°彎頭液壓成形工藝參數(shù)。選擇加載路徑4為最佳工藝，加載開(kāi)始后6s，液壓達(dá)到10MPa，加大增壓速率，加壓4s后，液壓達(dá)到35MPa，然后減小加壓速率，加壓10s，液壓達(dá)到40MPa，成形結(jié)束。

（2）零件成形后，零件最大減薄率為34.691%，隨著變形量的增加零件壁厚總體呈現(xiàn)出減薄的趨勢(shì)，零件內(nèi)彎壁厚要高于外彎。

（3）在零件外彎最高處壁厚小于其周?chē)诤瘢⑶伊慵罡咛幾冃瘟啃∮谄渲車(chē)鷧^(qū)域。