不銹鋼短半徑180°彎頭制造工藝研究

宋樹(shù)康

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013)

短半徑彎頭，俗稱(chēng)急彎彎頭或者1D彎頭，廣泛用于石油、化工、電力、冶金、鍋爐等行業(yè)的設(shè)備和管路配管中，材料大多采用奧氏體不銹鋼。目前生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品常用的工藝有三種，一是在管坯內(nèi)充高壓油，用專(zhuān)用擠壓機(jī)擠壓成型，該工藝適用于壁厚薄的產(chǎn)品，壁厚一般只有0.2 mm～2 mm，用于房屋等建筑工程中；二是中頻感應(yīng)加熱推制成型，適用于中、厚壁產(chǎn)品；三是在通用壓力機(jī)上用專(zhuān)用模具壓制成型，具有效率低、質(zhì)量差的缺點(diǎn)。

中頻感應(yīng)加熱推彎工藝是我國(guó)20世紀(jì)80年代后期逐步發(fā)展起來(lái)的彎管成型新工藝，具有生產(chǎn)效率高、橢圓度小、壁厚均勻等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于質(zhì)量要求高、批量大的產(chǎn)品，普遍應(yīng)用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼和鋁材等彎頭的制造。但是，對(duì)于不銹鋼中、小規(guī)格彎頭的制造，由于芯模的高溫?zé)釓?qiáng)度不夠，使得很難用此工藝制造中、小規(guī)格不銹鋼彎頭。

本文根據(jù)熱推制彎頭壁厚不減薄理論[1]，結(jié)合中頻感應(yīng)加熱推制工藝的特點(diǎn)和難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)空心芯模成功彎制不銹鋼短半徑均勻壁厚180°彎頭，成功解決了不銹鋼、高溫合金鋼等材料中、小規(guī)格彎頭制造的工藝難題。

1 典型產(chǎn)品規(guī)格及主要技術(shù)要求

圖1 彎頭示意圖Figure 1 The sketch for bending elbow

2 工藝難點(diǎn)分析

中頻感應(yīng)加熱推制彎頭雖具有橢圓度小、壁厚均勻、外觀質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。但是，熱推制不銹鋼彎頭有下述技術(shù)難點(diǎn)：

(1)由于奧氏體不銹鋼無(wú)磁性，磁場(chǎng)反應(yīng)弱，中頻感應(yīng)加熱奧氏體不銹鋼材料時(shí)感應(yīng)電流小、升溫慢。00Cr17Ni14Mo2鋼變形溫度較高，一般應(yīng)在950～1 050℃。

(2)GB/T14976高精度級(jí)鋼管的壁厚偏差為+12.5%-10%，即鋼管公稱(chēng)壁厚5 mm的最小實(shí)際壁厚為4.5 mm，因此，在彎曲過(guò)程中外弧壁厚稍有減薄，彎頭的最小壁厚就可能超標(biāo)。

(3)芯模在1 000℃左右的高溫狀態(tài)下受軸向拉應(yīng)力P和彎矩力M，二力合并，芯模極易在感應(yīng)圈高溫處斷裂，特別是中、小規(guī)格的產(chǎn)品，如圖2所示。芯模材料即使采用高溫合金ZG40Cr25Ni20，在982℃的抗拉強(qiáng)度也只有60.7 MPa，當(dāng)芯模溫度在1 050℃時(shí)強(qiáng)度更低。

(4)推制180°彎頭時(shí)容易產(chǎn)生扭曲。

3 工藝方案設(shè)計(jì)

3.1 熱推制彎頭的成型原理

芯模固定在推制機(jī)上不動(dòng)，推板推動(dòng)坯管邊感應(yīng)加熱邊勻速往前移動(dòng)。由于芯模出口端大，呈羊角型，受推力P及芯模阻力f和擴(kuò)張力g的作用，使管坯產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和內(nèi)弧軸向壓縮彎曲變形。推制原理請(qǐng)見(jiàn)圖2。

3.2 空心芯模設(shè)計(jì)

芯模溫度控制在芯模材料熱強(qiáng)度的允許范圍內(nèi)，特別是感應(yīng)圈處。由于高溫合金4Cr25Ni20在982℃的抗拉強(qiáng)度只有60.7 MPa，因此，解決好中、小規(guī)格推制彎頭芯模的熱強(qiáng)度問(wèn)題，是成功完成產(chǎn)品成型的關(guān)鍵。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，將芯模設(shè)計(jì)成空心芯模，芯模內(nèi)過(guò)冷卻水，使芯模外層處于1 000℃左右的高溫狀態(tài)，內(nèi)層處于350℃左右的中低溫狀態(tài)。這樣就提高了芯模的熱強(qiáng)度，使它在高溫狀態(tài)下能夠承擔(dān)起較大的推力而不斷裂。

推制彎頭芯模設(shè)計(jì)成如圖3形狀，進(jìn)口端直徑為坯料內(nèi)徑，出口端直徑為彎頭產(chǎn)品內(nèi)徑，芯模彎曲半徑為R64 mm。

3.3 管坯規(guī)格計(jì)算

根據(jù)熱推制彎頭壁厚不減薄理論，計(jì)算管坯尺寸。

管坯外徑：

=49.4 mm

式中：DP為坯管外徑(mm)；R為彎曲半徑(mm)；δ為彎頭壁厚(mm)；Dw為彎頭外徑(mm)。

圖2 推制彎頭受力圖Figure 2 The stress analysis of bending elbow during induction heating

圖3 推制彎頭空心芯模Figure 3 The core mould for induction heating

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用的管坯外徑向鋼管規(guī)格尺寸檔靠，選用?51 mm×5 mm冷拔(軋)無(wú)縫管。坯管長(zhǎng)度：

=308 mm

式中：LP為管坯長(zhǎng)度(mm)；dw為彎頭內(nèi)徑(mm)；Dp為管坯外徑(mm)；dp為管坯內(nèi)徑(mm)。

計(jì)算結(jié)果加上兩端加工余量，坯管長(zhǎng)度采用325 mm。

3.4 加熱溫度

加熱溫度950～1 050℃，加熱溫度要均勻。局部溫度過(guò)高時(shí)，內(nèi)弧要失穩(wěn)起趨，溫度過(guò)低時(shí)要推破；整體溫度太高時(shí)，產(chǎn)品整體壓縮量大，彎曲半徑變小，長(zhǎng)度不夠；整體溫度偏低時(shí)，彎曲半徑變大，因此選擇合適的加熱溫度非常重要。

4 結(jié)論

根據(jù)熱推制彎頭壁厚不減薄理論，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的空心成型芯模并采用芯模內(nèi)孔通水冷卻使芯模內(nèi)壁保持在較低溫度區(qū)，解決了中頻感應(yīng)加熱推制過(guò)程中成型芯模的熱強(qiáng)度問(wèn)題。通過(guò)成功彎制180°?76×5-R63.5不銹鋼短半徑均勻壁厚180°彎頭的工藝實(shí)踐，解決了不銹鋼、高溫合金鋼等材料彎頭制造的工藝難題，也從實(shí)踐角度證明了熱推制彎頭壁厚不減薄理論的正確性。

[1] 宋樹(shù)康.熱推制彎頭壁厚不減薄理論.大型鑄鍛件，2010(6)：29～30，45.