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      基于Q345R的大型壓力容器旋壓工藝研究

      2021-01-04 03:57:08盛培真李連春
      中國金屬通報 2020年11期
      關(guān)鍵詞:旋壓封頭坯料

      盛培真,方 婧,李連春

      (蘭石集團能源裝備研究院,甘肅 蘭州 730314)

      金屬旋壓成型工藝是通過對金屬材料拉伸,表面擠壓等多種工藝有機結(jié)合的一種無切削的加工工藝,這種加工工藝在壓力容器封頭的加工成型中有著廣泛的應(yīng)用,具體操作是通過旋壓機的上下加緊缸,將金屬待加工坯料進行加緊調(diào)整,并進行旋轉(zhuǎn),之后選用相適應(yīng)的成型工藝參數(shù),旋壓模具進行金屬旋壓作業(yè),可以通過多次給進作業(yè),使得大型厚壁封頭的成型過程較為平穩(wěn),成型參數(shù)參數(shù)符合相關(guān)標準,無明顯成型缺陷。

      1 金屬旋壓成形的特點及工藝

      1.1 旋壓成形的特點

      在金屬旋壓成型的過程中,壓力輪逐漸向金屬坯料的起旋點靠近,由于壓力輪的接觸面積較小,在高速旋轉(zhuǎn)的情況下,單位面積內(nèi)的壓力可以達到3~5Mpa,這樣可以使得材料內(nèi)部的金屬顆粒在旋轉(zhuǎn)可擠壓的作用下,沿著運動軌跡在內(nèi)部產(chǎn)生金屬流動,通過這樣的流動可以使得金屬保持七原有的連續(xù)性和完整性,同時可以利用金屬材料硬化等特點,提高成品的屈服強度、抗拉強度、金屬硬度[1]。

      旋壓的過程同時還可以使得金屬材料的表面光潔度有所提高,由于在工作的時候壓力輪和成型輪共同的作用,金屬內(nèi)外表面都能達到較高的光潔度。

      對于大型封頭在旋壓過程中,由于采用多道次的旋壓,因此在材料中出現(xiàn)的缺陷(裂紋、夾層、夾渣)等問題可以通過目測進行觀察,這對后續(xù)的成型檢驗起到了一定的簡化作用,只需通過超聲波對金屬材料的成型厚度和內(nèi)部存在的裂紋進行檢測即可,降低了后期的檢測費用。

      1.2 旋壓工藝的分類

      旋壓工藝根據(jù)旋壓變形的特點被分為強力旋壓(變薄旋壓)和普通旋壓,簡稱強旋和普旋。強力旋壓屬于材料的厚度變化,普通旋壓則屬于材料形狀改變[2]。

      旋壓工藝主要可以分為兩種,一種是強力旋壓,這種旋壓方式使得金屬材料的厚度出現(xiàn)減薄,而普通旋壓,改變的只是材料的形狀,并不會改變坯料的厚度,普通材料僅僅通過改變材料的尺寸來使得工件成型,屬于無切削成型工藝過程。

      而強力旋壓的過程不僅改變了金屬的形狀,同時還改變了金屬的厚度、金屬的體積和毛坯的形狀,這是強力旋壓區(qū)別于普通旋壓的地方,這種成型工藝決定了在操作的時候要對于減薄進行控制,來提高旋壓成型的精度。

      旋壓工藝的選擇,還要根據(jù)所選材料進行熱處理,將金屬坯料加熱到一定的溫度,再進行旋壓操作,這種方法通常同于在常溫旋壓下金屬塑性較差的材料,以及金屬材料形變較為明顯的情況。

      1.3 旋壓理論基礎(chǔ)

      在旋壓之前,要對板料進行壓鼓預彎,使板料曲面接近封頭R大小。先制作樣板,封頭EHA4600樣板R=0.866Di(Di為封頭內(nèi)徑)=3983.6(mm),封頭EHA3020樣板R=0.866Di=2615.32(mm)。壓鼓模具選擇R=0.6Di,取靠近計算值的模具即可。壓鼓時控制好合適的壓力,只要造成板料彎曲即可,以免壓力過大造成減薄甚至報廢。壓鼓后要用樣板檢驗,合格后方可完工。壓鼓機主缸活塞桿采用冷硬球鐵、缸筒采用35#鍛件和16Mn熱卷板,行程保證直徑8500mm橢圓封頭及直徑10000碟形封頭制作。壓 鼓 模11套R900、R1100、R1300、R1450、R1600、R1800、R2100、R2500、R2800、R3200、R3500,材料采用優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵。壓鼓機如圖1所示。

      圖1 壓鼓機

      2 有限元模型的建立

      成形三維模型的建立,包含模具和坯料兩部分,首先根據(jù)旋壓機相關(guān)設(shè)備資料建立各個零件模型,再根據(jù)工藝設(shè)計和要求建立合理的裝配關(guān)系,組合成能夠用于Simufact模擬用的三維裝配體。

      2.1 坯料三維設(shè)計

      經(jīng)二維放樣可知,坯料經(jīng)壓鼓完之后在R=3983.6時,展開圓心角為82.86°,厚23mm,由此可得坯料三維圖如圖2所示。

      圖2 EHA4600×23mm封頭坯料三維圖

      2.2 成形輪三維設(shè)計

      封 頭EHA4600×23,r=0.16×4600=736,故 成 形 輪 選 擇r=750的一只。查詢相關(guān)資料得r=750的成形輪有下述尺寸:高H=930mm,最大處周長C=2513.3mm,又知r=750mm,由此可得成形輪三維如圖3所示。

      圖3 成形輪三維圖

      2.3 壓力輪三維設(shè)計

      查詢相關(guān)資料得r=200的壓力輪有下述尺寸:高H=400mm,最大處周長C=2200mm,又知r=200mm,由此可得壓力輪三維如圖4所示。

      圖4 壓力輪三維圖

      2.4 上下壓緊缸、托盤及支撐輪的三維設(shè)計

      上下壓緊缸簡化為柱狀模型,并且下夾緊缸與下托盤合為一體,在建模模擬EHA4600×23規(guī)格的封頭時,建立了Φ1500及Φ2300,曲面直徑均等于封頭外徑的兩種類型的下托盤,上夾緊缸在建模時附加了內(nèi)徑1500mm的上托盤,并合為一體。

      支撐輪根據(jù)現(xiàn)場測量,簡化為圓臺的幾何體,大口端頭Φ=240mm,小口端頭Φ=180mm,長(即高)H=280mm。具體幾何模型如圖5所示。

      圖5 裝配體三維模圖

      3 仿真模擬結(jié)果

      3.1 壓力輪進給速度的確定

      壓力輪的進給速度大小是影響封頭旋壓成形最重要的因素,為驗證壓力輪最合理的進給速度,對EHA4600×23mm封頭進行了不同進給壓力輪速度仿真數(shù)據(jù)對比。

      3.2 EHA4600×23mm封頭

      材質(zhì):Q345R,壓力輪進給速度分別設(shè)置為0.8 mm/s、1.2 mm/s、1.5 mm/s。

      不同進給速度對幾何形狀結(jié)果對比:

      當壓力輪進給速度v=0.8mm/s時,R與r處過渡圓滑,封頭旋壓成形幾何形狀相對較好,但由于壓力輪進給速度較小,單位時間內(nèi)上移距離較小,導致壓力輪與坯料接觸持續(xù)時間較長,R處有變形(被輕微拉直)。如圖6所示。

      圖6 壓力輪進給速度v=0.8mm/s幾何形狀

      當壓力輪進給速度v=1.2mm/s時,封頭旋壓成形較好,R與r處過渡相對圓滑。如圖7所示。

      圖7 壓力輪進給速度v=1.2mm/s幾何形狀

      當壓力輪進給速度v=1.5mm/s時,由于壓力輪進給速度快,壓力輪與坯料接觸時間相對較短,旋壓封頭成形外觀質(zhì)量亦相對較好,但整體成形圓度不夠。如圖8所示。

      圖8 壓力輪進給速度v=1.5 mm/s幾何形狀

      4 結(jié)論

      通過對三種進給速度對比發(fā)現(xiàn),當壓力輪進給速度相對較小時(v=0.8mm/s),由于與坯料接觸時間較多,坯料持續(xù)受力時間較長,會造成R段出現(xiàn)拉直顯現(xiàn),當壓力輪進給速度相對較大時(v=1.5mm/s),坯料持續(xù)受力時間較短,R段被拉直顯現(xiàn)明顯緩解,但會造成坯料被壓力輪碾壓相對不均勻,成形幾何形狀不是最理想狀態(tài)。因此,從旋壓幾何形狀成形角度分析,壓力輪最理想的進給速度是在0.8 mm/s~1.2 mm/s之間。

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