不銹鋼進(jìn)氣管擴(kuò)口工藝設(shè)計(jì)

王躍臻，王延欣，陶阿嶸

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261001）

不銹鋼進(jìn)氣管擴(kuò)口工藝設(shè)計(jì)

王躍臻1，王延欣2，陶阿嶸1

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261001）

介紹一種兩端為圓筒、中間為錐部過(guò)渡的進(jìn)氣管零件的擴(kuò)口脹形工藝方案的確定及實(shí)施驗(yàn)證過(guò)程，闡述不銹鋼管擴(kuò)口脹形工藝成形特點(diǎn)，對(duì)擴(kuò)口脹形過(guò)程中的管坯受力狀況進(jìn)行分析，計(jì)算管坯擴(kuò)口毛坯高度、擴(kuò)口脹形系數(shù)和伸長(zhǎng)率，對(duì)需控制解決的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行研究分析，對(duì)產(chǎn)品的工藝性作了適當(dāng)改進(jìn)。

擴(kuò)口脹形；脹形系數(shù)；破裂；失穩(wěn)；變形趨向

如圖1所示某公司不銹鋼進(jìn)氣管零件，材料0Cr18Ni9,壁厚1.5mm。零件批量中等，產(chǎn)品尺寸精度一般，外表面的表面質(zhì)量要求較高。

圖1 零件圖

1 工藝分析及計(jì)算

1.1 成形工藝方案確定

該零件兩端為直徑不等的圓筒形狀，中間是錐部過(guò)渡。根據(jù)產(chǎn)品圖分析，有兩種不同的成形方案，如圖2所示。

圖2 兩種工藝方案

方案1采用縮口成形，需要在外徑為109.5mm的直管的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮口。直管毛坯需特別定制，且縮口成形模具結(jié)構(gòu)制造困難，對(duì)于中等批量的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，模具成本過(guò)高；而方案2采用擴(kuò)口脹形方案，利用直徑100mm的直管毛坯進(jìn)行擴(kuò)口脹形，其模具結(jié)構(gòu)比方案1簡(jiǎn)單，模具加工制造容易。所以，采用方案2工藝成形。

對(duì)該零件結(jié)構(gòu)形狀尺寸進(jìn)行分析，考慮采用直徑?100×1.5的管材擴(kuò)口后沖孔，再在兩端起箍的工藝方案成形。本文針對(duì)該方案中的擴(kuò)口工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1.2 擴(kuò)口脹形工藝分析

擴(kuò)口是將空心件或管子端部直徑加以擴(kuò)大的沖壓工序[1]。管材擴(kuò)口脹形是在壓力作用下使管材沿徑向擴(kuò)張的成形工藝。管材脹形的方法很多，根據(jù)脹形時(shí)變形條件的不同，可將脹形方法分為三類：自然脹形、軸向壓縮脹形、復(fù)合脹形。在脹形過(guò)程中，若僅對(duì)管坯內(nèi)壁施加徑向壓力（內(nèi)脹力），其脹形成形主要靠管壁厚度的局部變薄和軸向的自由收縮（縮短）來(lái)完成，則稱為自然脹形[2]。

本方案中的管件擴(kuò)口脹形采用自然脹形，主要依靠產(chǎn)品毛坯壁部的局部厚度變薄和軸向的自由收縮來(lái)成形，最終使右端的口部徑向尺寸變大，毛坯的最小內(nèi)徑保持?100不變。對(duì)于軸向有收縮的變形方式，是指在脹形部位局部變薄的同時(shí)，還伴隨著管坯軸向的自由收縮，從而使軸向收縮部分的材料補(bǔ)充到脹形部位，緩解了脹形區(qū)材料的不足，故脹形成形極限要比軸向無(wú)收縮的自然脹形大。成形極限增加的多少與軸向自由收縮量的大小有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，脹形部位越靠近管坯端部，且脹形區(qū)形狀為軸對(duì)稱時(shí)，軸向收縮量就越大，成形極限就越高[2]。

1.3 脹形系數(shù)和伸長(zhǎng)率計(jì)算

脹形時(shí)的變形程度受材料的極限伸長(zhǎng)率限制，一般用脹形系數(shù)Kp表示。Kp=dmax/d0，其中dmax為脹形后最大直徑，d0為脹形前毛坯直徑。則產(chǎn)品成形的脹形系數(shù)

而伸長(zhǎng)率δ=（dmax-d0）/d0=9.5%，查閱沖壓手冊(cè)，不銹鋼0Cr18Ni9的極限脹形系數(shù)為1.28，而許用伸長(zhǎng)率[δ]=35%，即產(chǎn)品成形的脹形系數(shù)小于極限脹形系數(shù)，伸長(zhǎng)率小于許用伸長(zhǎng)率，故可以通過(guò)一次擴(kuò)脹成形來(lái)完成。

1.4 產(chǎn)品毛坯高度計(jì)算

查詢手冊(cè)可知，對(duì)于帶圓筒形部分的擴(kuò)口件，按照下面公式來(lái)計(jì)算擴(kuò)口毛坯的高度：

計(jì)算得H0=223，其中h1=60，d=109.5，d0=100，sinα=0.046。由于產(chǎn)品尺寸精度要求一般，所以不留切邊余量。

2 成形特點(diǎn)及變形趨向控制

擴(kuò)口脹形過(guò)程中，管坯在內(nèi)壓力p作用下自然脹形，其力學(xué)模型如圖3所示。脹形變形區(qū)主要承受雙向拉應(yīng)力的平面應(yīng)力狀態(tài)和兩向拉伸、一向壓縮的應(yīng)變狀態(tài)。由于脹形區(qū)材料處于雙向受拉的不利變形條件，其成形主要靠管坯壁厚的變薄和軸向的自由收縮（縮短）來(lái)完成，故脹形區(qū)極易嚴(yán)重變薄甚至破裂。因此，控制脹形區(qū)材料的過(guò)度變薄和防止破裂，是自然脹形工藝需要考慮的主要問(wèn)題[2]。

圖3 自然脹形的力學(xué)模型

3 模具結(jié)構(gòu)

圖4 模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析計(jì)算，設(shè)計(jì)如圖 4所示模具結(jié)構(gòu)，使直徑100mm的毛坯通過(guò)定位圈定位放置在下模，擴(kuò)口脹形過(guò)程中隨著凸模下行實(shí)現(xiàn)管坯的逐步脹形。

4 工藝方案驗(yàn)證實(shí)施

按照方案2設(shè)計(jì)并制造模具后，對(duì)此方案在200t油壓機(jī)上進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)脹成形時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂、脹形時(shí)管坯底部失穩(wěn)現(xiàn)象，廢品率較高，竟達(dá)28%左右；同時(shí)，由于擴(kuò)脹過(guò)程中拉延油炭化，管子內(nèi)徑清洗困難，易造成清潔度超標(biāo)。為此，再次對(duì)該工藝方案進(jìn)行深入研究、分析改進(jìn)。

通常情況下，擴(kuò)口凸模的表面質(zhì)量、精度以及擴(kuò)口毛坯的整潔程度、端部是否有毛刺等因素可影響擴(kuò)口脹形的開(kāi)裂，工藝驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)此加強(qiáng)了控制，雖然零件開(kāi)裂現(xiàn)象有所降低，但管料毛坯失穩(wěn)現(xiàn)象并無(wú)明顯降低。所以還應(yīng)從其他方面尋找突破口。

0Cr18Ni9鋼是奧氏體不銹鋼，但一般同時(shí)伴生有δ鐵素體。由于δ鐵素體屈服強(qiáng)度高于奧氏體而延伸率低于奧氏體，因此在大的塑性變形中，δ鐵素體與奧氏體的塑性流變不匹配，易導(dǎo)致在δ鐵素體與奧氏體的相界面上萌生微裂紋，且變形越大，裂紋擴(kuò)展越長(zhǎng)[3]。

鋼管在擴(kuò)徑力作用下，其成形變形符合“沖壓成形變形的趨向性原理”。從該原理可知沖壓變形力是通過(guò)毛坯的傳力區(qū)而施加于變形區(qū)，使其產(chǎn)生塑性變形。在成形過(guò)程中，變形區(qū)、傳力區(qū)的范圍及尺寸不斷變化和互相轉(zhuǎn)化，當(dāng)變形區(qū)或傳力區(qū)有兩種以上的變形時(shí)，則首先發(fā)生的是需要變形力最小的變形方式，它首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形[4]。在工藝過(guò)程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)時(shí)，除要保證變形區(qū)為弱區(qū)外，同時(shí)還要保證變形區(qū)必須實(shí)現(xiàn)的變形方式要求最小的變形力。

擴(kuò)口時(shí)變形區(qū)材料主要受切向拉應(yīng)力作用易于破裂。同時(shí)，在非變形區(qū)（傳力區(qū)）筒壁，在擴(kuò)徑力作用下（進(jìn)氣管零件錐形過(guò)渡部位擴(kuò)口脹形所需擴(kuò)徑力）對(duì)管坯傳力區(qū)產(chǎn)生軸向力。當(dāng)該軸向力等于或超過(guò)壓桿出現(xiàn)縱向彎曲失穩(wěn)時(shí)的臨界力時(shí)就會(huì)造成管坯底部彎曲失穩(wěn)。故擴(kuò)口脹形的極限變形程度除受破裂條件限制外，還受失穩(wěn)條件限制。

因此，為避免擴(kuò)脹過(guò)程中管坯底部失穩(wěn)，同時(shí)減少擴(kuò)口脹形中的開(kāi)裂現(xiàn)象，考慮降低進(jìn)氣管零件錐形過(guò)渡部位擴(kuò)口脹形所需的擴(kuò)徑力。根據(jù)擴(kuò)口脹形的特點(diǎn)，查閱資料手冊(cè)，可知擴(kuò)徑力計(jì)算公式為：

式中：P——擴(kuò)徑力；

σb——材料的抗拉強(qiáng)度；

t——管料料厚；

D——管料擴(kuò)徑后的最大直徑；

F——擴(kuò)徑面積。

由上式可知，在利用直徑100mm的直管擴(kuò)脹到109.5mm過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂、皺折失穩(wěn)現(xiàn)象，廢品率較高的原因是過(guò)渡部分過(guò)長(zhǎng)，此時(shí)不銹鋼管在擴(kuò)脹變形時(shí)對(duì)管材的材質(zhì)、壁厚和模具間隙、模具潤(rùn)滑都有嚴(yán)格要求，上述條件稍有變化就會(huì)出現(xiàn)前述的開(kāi)裂失穩(wěn)現(xiàn)象，造成長(zhǎng)期以來(lái)零件廢品率居高不下，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。如果在滿足進(jìn)氣管零件的進(jìn)氣排量要求的前提下，不改變材料壁厚、擴(kuò)口前后毛坯直徑的條件下，只減小進(jìn)氣管零件錐形過(guò)渡部位長(zhǎng)度即可明顯減小擴(kuò)徑力，從而減小作用在管坯底部所受軸向力，從而解決上述問(wèn)題。

通過(guò)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門的對(duì)接溝通，在能夠滿足進(jìn)氣管零件的進(jìn)氣排量要求的前提下，將圖1所示進(jìn)氣管零件作了改進(jìn)，縮小了其錐部過(guò)渡部位的尺寸。改進(jìn)后的零件如圖5所示。對(duì)模具中的凸模結(jié)構(gòu)也作了相應(yīng)的改變，如圖6所示。

圖5 改進(jìn)后的零件圖

圖6 改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的模具順利驗(yàn)證成功，零件擴(kuò)脹合格率達(dá)98%，成功解決了零件開(kāi)裂和端部彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象，使零件生產(chǎn)成本極大降低，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下，適當(dāng)對(duì)產(chǎn)品的工藝性進(jìn)行改進(jìn)，力求獲得最佳的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]肖祥芷，王孝培.中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典（第3卷）[M].江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2]王同海，編著.管材塑性加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]何 曉.1Cr18Ni9Ti不銹鋼導(dǎo)管擴(kuò)口開(kāi)裂分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），1995，（2）.

[4]韓來(lái)福.擴(kuò)口、縮口復(fù)合成型工藝分析與應(yīng)用[D].全國(guó)機(jī)械裝備先進(jìn)制造技術(shù)高峰論壇文集.

Process design of air inlet pipe diffuser of stainless steel

Wangyuezhen1,WANG Yanxin2,TAO Arong1
（1.Shandong Vocational College of Science and Technology,Weifang 261001,Shandong China; 2.Weichai Heavy Machinery Limited Co.,Weifang 261001,Shandong China）

In this paper,a new method for the determination and implementation of the expansion process of the expansion of the air inlet pipe with an end part of a cylinder shaped cone part is introduced.In this paper,the forming characteristics of the expansion process of the stainless steel tube is expounded,and the stress state of the tube blank in the process of expanding the tube blank is analyzed.The height of the tube,the expansion coefficient and the elongation at break are calculated.And the need to control the key technology to solve the analysis,the process of the product to make a proper improvement.

Expansion;Expansion coefficient;Fracture;Instability;Deformation trend

TG386.43

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.021

1672-0121（2016）06-0084-03

2016-10-15；

2016-11-20

王躍臻（1972-），女，高級(jí)工程師，從事沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)教研。E-mail：wangyz199609@163.com