小直徑厚壁筒體的卷制成形工藝分析

梁化，徐磊，易飛

（東方電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司，廣州 511455）

0 引言

管殼式換熱器外殼通常采用鋼板卷制或是直接使用鋼管制造，也有部分產(chǎn)品選用鍛件，但受原材料廠家制造能力和生產(chǎn)成本的限制，不一定能從市場上采購到非標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格的鋼管，采購成本過高一般會使鍛件成本更高，因此在管殼式換熱器中鋼板卷制焊接的筒體也最為常見[1]。對于部分直徑較小、材料厚度較大的筒體，其卷制可能超過或接近卷板機(jī)的設(shè)備能力極限，筒體卷制成形尺寸難以控制，對于形位精度要求較高的筒體甚至無法直接成形。本文從筒體卷制壓力的計算方法開始，分析材料的屈服強(qiáng)度、直徑、長度、厚度等參數(shù)對卷制壓力的影響，并根據(jù)某產(chǎn)品小直徑厚壁筒體出現(xiàn)過的典型問題進(jìn)行原因分析，找出該問題的處理方法。

1 卷制壓力與筒體材料、直徑、強(qiáng)度的常規(guī)計算方法

換熱器筒體卷制需考慮筒體是否超過卷板的極限能力，通常筒體的直徑和長度容易評估，簡單比較即可知道，但卷板需要的壓力等與卷板機(jī)的自身的功率有關(guān)。以三輥卷板機(jī)為例，卷板機(jī)下壓力與筒體的曲率、材料的屈服強(qiáng)度、筒體的長度有關(guān)系，其計算按理論模型[2]假設(shè)如下：卷板過程中用理論計算出的法向正壓力近似代替成形過程中卷板機(jī)的工作載荷，因板材較均勻且表面粗糙度相對較低，故忽略掉工作時輥子的切向摩擦力[3-7]，多次不斷地增加力矩才能將鋼板逐漸卷圓，最終達(dá)到需要的曲率半徑，因此達(dá)到規(guī)定的最大彎曲力矩時，材料卷制所受的應(yīng)力已使材料屈服，整體達(dá)到屈服極限，沿鋼板全長方向產(chǎn)生了塑性變形，按照直徑最小時塑性變形最大來考慮，此時的力矩也將達(dá)到最大值[4-6]。板料采用的是冷卷成形，卷制屬于冷塑性變形，材料會發(fā)生冷作硬化，表面硬度增加會導(dǎo)致彎矩的增加，力矩計算時引入了材料的硬化修正系數(shù)K。彎矩M理論公式為

式中：b、δ為卷制板材的寬度和厚度；σs為材料的屈服極限；K＝1.10～1.25，當(dāng)δ/R較大時K取較大值（R為板材中性層的目標(biāo)成形曲率半徑，本文中δ/R約為0.06，屬于筒體卷制中較大的情況，K值可適當(dāng)取較大值）。

卷制時受力情況如圖1所示，θ是連心線OO1與OO3的夾角，兩下輥對稱分布，其中心距為a，板材的彎曲力矩M即為需克服下輥作用在鋼板上的力N2產(chǎn)生的力矩，考慮板厚的影響，力N2近似為

圖1 理想三輥卷板成形示意圖

此理論模型主要為說明卷制過程中各參數(shù)與卷板機(jī)輥軸受力的關(guān)系，從彎矩和正壓力的計算公式分析，材料厚度對卷制過程受力影響最大，鋼板寬度、材料屈服強(qiáng)度是正向影響[5]，寬度大、屈服強(qiáng)度高將需要更大的卷制力矩，而直徑卻是反向影響，直徑越小則卷制需要的力矩越大。

2 卷板情況及問題

以我司某一產(chǎn)品為例，介紹該產(chǎn)品筒體的卷制情況及其出現(xiàn)的問題。卷制的筒體參數(shù)如下：材料為SA387Gr.22Cl2，屈服強(qiáng)度為435～460 MPa，材料厚度為25 mm（因采購的板材厚度為正偏差，板材實際厚度約為26.3 mm），板子寬度3000 mm（即筒體長度），筒體內(nèi)徑850 mm，筒體焊縫棱角度和直線度要求1 mm。卷制使用的設(shè)備是三輥卷板機(jī)，上輥直徑為680 mm，兩下輥直徑均為450 mm，卷板允許最大卷制長度為3000 mm[1]。

因筒體直徑小、材料強(qiáng)度較高且尺寸精度要求高，為防止產(chǎn)品卷制時出現(xiàn)尺寸不合格的情況，在正式卷制前使用了長度和厚度相同、強(qiáng)度類似的其他材料做過卷制試驗（卷制試驗時無產(chǎn)品材料，使用了其他材料代替，材料屈服強(qiáng)度約340～385 MPa，低于產(chǎn)品的實際屈服強(qiáng)度），卷制后將筒體合攏，并焊接了筒體縱縫，在該卷板機(jī)上校圓后檢查整體外形，發(fā)現(xiàn)直徑、直線度、圓度等尺寸均較好，可滿足驗收指標(biāo)，筒體兩端也很均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

因產(chǎn)品材料屈服強(qiáng)度比試驗材料更高，且筒體直徑小，根據(jù)第1節(jié)的計算方法，理論計算出的正壓力已接近卷板機(jī)設(shè)備許可的最大正壓力的90%，首個筒體卷制后的尺寸檢查（筒體直徑尺寸基本接近設(shè)計要求值，縱縫未焊接，測量時以筒體外周長減掉兩縱縫坡口間隙近似代替）后發(fā)現(xiàn)筒體兩端的周長尺寸與中間部分明顯不同，筒體呈現(xiàn)兩端大、中間小的腰鼓狀，測量位置及詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖2和表1所示。從左右兩個端部開始往筒體中間測量，筒體外周長有明顯變化，主要變形區(qū)域集中在靠近兩端各65 mm以內(nèi)的長度范圍。

圖2 筒體測量位置

表1 筒體周長及厚度mm

除該筒體外，我公司還卷制了大量的相同材料的其他筒體，尺寸差異較小。通過對比發(fā)現(xiàn)，筒體卷制前后靠近兩端的材料厚度明顯減薄，且越靠近邊緣減薄越多，筒體兩端的外周長比中間部分偏大，兩端65 mm范圍成喇叭狀，但外形較平緩，沒有出現(xiàn)突變的情況，材料的卷制延展量也偏大（測量位置左側(cè)15表示距離左端面15 mm，其余類似）。

3 原因分析及處理

根據(jù)筒體變形測量數(shù)據(jù)情況，并結(jié)合卷板機(jī)的設(shè)備性能參數(shù)，分析筒體變形原因是因卷制所需的正壓力大，卷板機(jī)上輥的變形，導(dǎo)致筒體兩端鋼板過壓，鋼板局部所受壓力遠(yuǎn)超中間部分導(dǎo)致，詳細(xì)如下：1）筒體長度過大、強(qiáng)度高、材料厚度偏大，導(dǎo)致下壓力過大。卷制所需的彎矩與材料的寬度（即筒體長度）、屈服強(qiáng)度和厚度的平方成正比，根據(jù)力學(xué)計算情況，不計入摩擦因數(shù)的情況下，該彎矩已超過設(shè)備最大能力的80%。產(chǎn)品長度較大，為減少環(huán)焊縫的數(shù)量，將單個筒體的長度設(shè)置的比較大，因此造成卷板時設(shè)備負(fù)荷過大，實際卷制時卷板機(jī)的工作情況證實負(fù)荷接近設(shè)備極限。2）筒體直徑較小，使用的卷板機(jī)輥軸受限。筒體的直徑偏小，可選擇的卷板機(jī)范圍受限，尤其是主要受力的上輥，一般其直徑需不小于卷制筒體內(nèi)徑的1.3倍，否則卷制精度難以保證，該筒體的內(nèi)徑僅為850 mm，無法選擇大直徑尺寸輥軸的卷板機(jī)，實際卷制機(jī)的上輥直徑為680 mm，且筒體長度已達(dá)到卷板機(jī)的極限。由于直徑小，根據(jù)第1節(jié)的卷板機(jī)下壓力計算公式，下壓力與筒體直徑成反比，直徑越小所需的下壓力越大。3）卷制所需的下壓力過大，卷板機(jī)上輥產(chǎn)生變形。根據(jù)下壓力計算公式，在幾乎是使用設(shè)備允許的最大能力的工作情況下，上輥產(chǎn)生了少量彈性變形，導(dǎo)致筒體兩端部分過壓，材料減薄超過中間部分，變形如圖3所示。

圖3 上輥變形示意圖

如果在不處理筒體周長的情況下，在縱縫焊接后筒體的周長將不均勻，直接校圓后直線度可能不滿足1 mm的設(shè)計要求，但通過多次工藝試驗后發(fā)現(xiàn)，筒體焊接后，通過校圓可以將延展偏大的筒體兩端壓回部分，但不能僅靠校圓將增大的部分完全壓至與中間部分平齊，校圓前還需對筒體伸長部分進(jìn)行修割，達(dá)到該區(qū)域的周長尺寸，以確保最終的直線度，本次修割主要針對兩端“喇叭口”部分延展過長的部分進(jìn)行修割，焊接、校圓后的筒體數(shù)據(jù)如表2所示。

筒體校圓后的尺寸檢查結(jié)果顯示直線度和圓度較好，但筒體兩端的材料厚度明顯減薄，如表2所示。筒體兩端被壓回的部分，屬于原外周長偏大的喇叭口區(qū)域，因筒體縱縫焊接后，筒體已成整圓，卷板機(jī)校圓時所需的壓力比卷制時小，卷板機(jī)輥軸有足夠的壓力和剛度壓平筒體變形部分，但原喇叭口區(qū)域被再次強(qiáng)行壓回，鋼板局部被滾軋，造成該區(qū)域板材的進(jìn)一步減薄。此外卷制和校圓時，若下壓量偏大，即卷制速度太快時，局部的減薄程度比慢速均勻卷制時更大。

表2 校圓后筒體周長及厚度mm

4 結(jié)論

對于小直徑的筒體卷制，特別是尺寸精度要求較高的筒體，需選擇合適的卷板機(jī)，并根據(jù)制造工藝確定筒體長度，確有必要需用鋼板卷制的筒體，需要的彎矩和下壓力不宜過大，主要建議如下：1）盡量選擇合適尺寸的卷板機(jī)，卷板機(jī)的輥軸應(yīng)有足夠的剛度；2）在設(shè)備受限的情況下，可以減小筒體的長度，必要時增加拼接焊縫數(shù)量；3）卷制需要的彎矩和下壓力不要超過設(shè)備極限能力的70%～80%，特別是在校圓階段，否則難以保證筒體卷制后的尺寸精度；4）卷制時操作速度不宜過快，每次壓制下壓量不宜過大，否則兩中心夾角θ偏大后導(dǎo)致下壓力過大，筒體兩端減薄量也更大；5）筒體存在延展不一致的情況時，需根據(jù)設(shè)備的情況確定焊接前的長度調(diào)整量，設(shè)備不同、材料不同的情況下，筒體長度需修割的調(diào)整量也不一樣；6）筒體校圓后兩端的減薄仍然存在，必要時需預(yù)留材料厚度余量，或是將減薄過大的部分切除。