基于內高壓的對焊法蘭快速成型技術研究

鄭道友

（浙江工貿職業(yè)技術學院汽車與機械工程學院，浙江 溫州325003）

0 前言

我國的閥門工業(yè)始于上世紀五十年代，直到八十年代初期才得以快速發(fā)展，到目前已初步形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品品種齊全，配套環(huán)節(jié)完善，行業(yè)整體上處于國際中上水平。但與之相配套的法蘭行業(yè)發(fā)展卻相對緩慢，由于法蘭結構簡單，進入門檻低，大量小微企業(yè)進入，競爭激烈，對新技術投入少，產(chǎn)品附加值不高，受原材料影響嚴重，生存難度大。因此，法蘭行業(yè)一直處于低端生產(chǎn)水平，尤其是近年來，隨著原材料價格上漲，導致法蘭行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本急劇增加，利潤稀薄，企業(yè)發(fā)展甚至生存面臨嚴峻考驗，整個法蘭行業(yè)面臨著洗牌的命運，同時也拖累了泵閥行業(yè)的發(fā)展。于是部分法蘭企業(yè)開始尋找新的突破點，加快自身研發(fā)，提升科技含量，以此降低原材料上漲對法蘭造成的影響，法蘭內高壓成型工藝技術正是在這種情形下開始被企業(yè)重視。內高壓成型是一種全新的現(xiàn)代先進制造技術，它以管材為加工對象，以液體為主要傳力介質的一種加工近凈成型液力塑性成形技術[1]。內高壓成型技術以節(jié)材、節(jié)能見長，比常規(guī)方法能顯著地縮短生產(chǎn)周期、提高效率、節(jié)約能源和節(jié)省資源，對于原材料依賴性強的法蘭行業(yè)能夠顯著地降低生產(chǎn)成本，因此，內高壓塑性成形技術近年來在國內外發(fā)展迅猛，尤其在航空、汽車制造技術以及管件生產(chǎn)上應用較多[2-3]。但是，內高壓成形過程復雜，影響因素眾多，如材料性能、摩擦、軸向進給、加載路徑形式、內壓以及模具等工藝因素，且諸多因素并非獨立而是相互制約，相互關聯(lián)的。另外，成形工作壓力大，成型工藝條件苛刻，目前國內還沒有較為系統(tǒng)、詳細、可行的模具和工藝參數(shù)的設計準則。所以，內高壓工藝生產(chǎn)目前只限制在航空、汽車部件等少數(shù)領域，在其他領域內推廣仍需解決許多技術問題。盡管內高壓成型技術從節(jié)材、節(jié)能等方面非常適合在法蘭生產(chǎn)上推廣應用，但需要解決的問題不少，目前還沒有應用先例。

1 對焊法蘭內高壓成型工藝分析

如圖1所示是內高壓成型技術加工對焊法蘭的原材料和成品，原材料只需如（a）圖所示的一段管材，通過內高壓擠壓成型即可得到如（b）圖所示的對焊法蘭。從中看出，利用內高壓成型技術加工法蘭在原材料上損失極少，真正做到了節(jié)約材料、綠色生產(chǎn)的目的。但是，對焊法蘭的成型過程還是比較復雜的，其工藝流程是：選料→切割管材→打磨→裝料→合?！鷶D壓成型→車削→檢驗→入庫。

首先是選材，內高壓成型屬于冷加工范疇，在擠壓成型過程中，材料的變形過程是非常復雜的，不同材料的流動應力不同，產(chǎn)生塑性變形消耗的擠壓力也不盡相同，對終端產(chǎn)品的形狀、穩(wěn)定性等都會有影響，材料的機械性能對對焊法蘭成型非常重要。因為內高壓成型速度很快，一般在幾秒鐘內完成，沒有良好的塑性和韌性的材料一般是很難成型，即使成型了，也存在很多缺陷，所選的材料必須具備很高塑性和韌性。其次必須具備一定的強度，內高壓成型后的對焊法蘭一般不需要進行其他處理就直接使用，因此所選材料需要具備一定的強度才能達到法蘭使用的要求。不過，內高壓成型過程中伴隨著冷作硬化，其強度會有一定增大。管材的切割工序看似比較簡單，但非常重要，在擠壓前必須把管材切割成長度一定的管段放到模具內進行擠壓，由于成型模具的型腔尺寸和體積都是固定的，所供管段必須準確，切割前必須進行長度和體積計算，一旦管段長度或者體積過小，模具的型腔就擠不滿，加工不出合格產(chǎn)品；反之，管段長度或體積過大，模具型腔被擠滿后，多余的材料就會使法蘭壁增厚，不但浪費材料，而且使成型后的法蘭尺寸不符合要求而需二次加工。打磨工序是管材切割后的去除毛刺的工程，工序簡單；至于其它如裝料、合模、擠壓成型、車削及檢驗等只要按規(guī)定要求操作即可。

圖1 內高壓成型法蘭的原料及產(chǎn)品

2 對焊法蘭內高壓成型關鍵技術研究

內高壓成型技術以節(jié)材、節(jié)能見長，能有效地降低零件重量、減少模具數(shù)量、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率，具有結構輕量化、加工技術柔性化以及綠色生產(chǎn)等特點[4-5]，非常適合于對焊法蘭的生產(chǎn)上推廣應用，但還需要解決非常多的技術難題。

2.1 振動軸壓技術研究

由圖1看出，要把圓形空心管件擠壓成對焊法蘭，而且要保證擠壓質量，軸向推進壓力非常關鍵。在內高壓成形過程中，目前一般采用軸向壓力隨內壓的增大而呈線性遞增方式進行加載。當軸向壓力相對過大時，容易導致管壁受壓失穩(wěn)而起皺，阻礙了材料向脹形區(qū)域的流動，致使所能成形的管高度降低。相反，如軸向壓力相對過小，則由于不能有效推動材料向脹形區(qū)域的流動，同樣也不能讓管壁厚度增加。在對焊法蘭內高壓成型過程中采用振動軸壓技術，在內壓增大的同時進行軸向加載能有效地解決該難題。振動軸壓技術就是在定常的壓邊力上疊加一個振動激勵軸壓，可以比較顯著地提高極限拉深比，而且拉深件的壁厚分布也更加均勻。振動激勵下的定常壓邊力要比未疊加振動激勵時的定常壓小，對于法蘭盤，采用多大的激勵信號振幅，以及多大的振動激勵頻率才是最佳，對成型后的對焊法蘭質量最優(yōu)等，不同規(guī)格的法蘭盤有不同的數(shù)據(jù)。

2.2 大厚度法蘭盤內高壓成型技術研究

隨著國內閥門企業(yè)技術力量的加強，許多企業(yè)的產(chǎn)品進入石油、化工領域，甚至核能領域，這些領域對閥門及其配套的管件要求較高，配套的法蘭壁厚很大，而內高壓成形的最佳成型對象則是薄壁管材，薄壁管材成型需要的內壓小，軸向進給相對簡單，加載路徑容易控制。而壁厚較大的法蘭件成型壓力大，最高達到1000 MPa，如此大的內高壓使法蘭管件外壁膨脹后緊貼在模具內壁，將產(chǎn)生非常大的摩擦力，導致加載路徑控制非常困難，容易出現(xiàn)在不合理的加載區(qū)域內加載，成型中將出現(xiàn)破裂、屈曲等失效形式，使產(chǎn)品精度下降，質量不合格，甚至不能成型。對于壁厚較大的管件內高壓成形，最佳方法是采用梯度加壓技術，即在成型過程中，軸壓是隨內壓的增大而變化，研究兩者的關系，找出它們之間的最佳匹配關系，使成型后的產(chǎn)品質量好，精度較高，成型產(chǎn)品壁厚達到最大值。

2.3 精密法蘭盤內高壓成型技術研究

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，許多泵閥需要采用高精度對焊法蘭與之配套，這些法蘭如果采用傳統(tǒng)的鍛造、焊接、鑄造、機加工等方法生產(chǎn)，加工工序繁多，加工時間長，耗材多，成本高，另外，多道工序造成誤差累積，很難保證要求較高的復雜管件精度。如果采用內高壓成型技術，只需一副模具、一道工序就能完成一個復雜零件的成型，且沒有廢料產(chǎn)生，耗材少，成本低。對焊法蘭盤采用內高壓成型雖然工序簡單，但是，它的成形是一個非常復雜的動態(tài)過程，內部壓力和軸向進給量之間的關系很難用顯數(shù)形式表達，對于不同的形狀、不同材質的零件，其參數(shù)是完全不一樣的。因此，對焊法蘭成型之前，需要經(jīng)過長時間且耗費大量人力物力的試制過程，以得到所需的加工工藝參數(shù)，例如尺寸、軸向力、內壓力及潤滑等。而傳統(tǒng)的試制過程是一個“試錯”的過程，取決于試驗者的直覺、經(jīng)驗和隨著零件幾何形狀的日益復雜，經(jīng)驗和設計準則只能提供部分的幫助。而且在法蘭內高壓成形領域，相關的經(jīng)驗積累和資料庫仍然相當匾乏，因此為了縮短試驗時間同時降低試驗成本，采用有限元數(shù)值模擬技術來幫助對焊法蘭內高壓成形工藝試驗與研究，對焊法蘭內高壓成形過程數(shù)值模擬可以分析成形件的厚度變化、應力應變分布及成形缺陷等，并可以通過有限元仿真方便地獲得最優(yōu)加載路徑，得到接近實際的參數(shù)，可以大大提對焊法蘭的精度。

3 結論

盡管內高壓成型技術以節(jié)材、節(jié)能見長而非常適合于在對焊法蘭上推廣應用，可以有效地減少模具數(shù)量、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率，但是，真正將其應用于生產(chǎn)實際，還需要解決諸多技術問題，才能生產(chǎn)處合格的對焊法蘭。其中成熟的振動軸壓技術可以提高成型的法蘭質量，梯度加壓技術可以擠壓出大厚度法蘭盤，采用有限元數(shù)值模擬技術可以提高對焊法蘭盤成型的精度。

［1］劉利軍，等.管材外高壓成型工藝研究現(xiàn)狀及應用[J].床與液壓,2007，4，35（4）：98-99.

［2］范軍鋒,陳銘.中國汽車輕量化之路初探[J].鑄造,2006，55（10）：995-1003.

［3］范軍鋒，等.汽車輕量化與制造工藝[J].機械設計與制造,2009，7（7）：141-143.

［4］何昌德,楊普新.輕量化材料及加工技術在現(xiàn)代汽車上的發(fā)展和應用[J].裝備制造技術,2011（2）：93-96.

［5］陳維,莊千芳.管材內高壓成形產(chǎn)品失效機理分析及對策研究[J].熱加工工藝,2010，39（17）：104-106.