雙頭無縫高壓氣瓶摩擦塊旋壓成形工藝優(yōu)化數(shù)值模擬研究

李世楷，曾東，譚孝盼

成都格瑞特高壓容器有限責(zé)任公司 四川成都 610400

1 序言

大容積雙頭無縫高壓氣瓶廣泛應(yīng)用于海洋、石油化工及能源等領(lǐng)域的特殊場合，是用于充裝空氣、氮氣、氧氣及天然氣等氣體的Ⅲ類容器[1]。摩擦塊旋壓成形是旋壓成形技術(shù)中的一個分支，能一次性完成氣瓶的旋壓成形，成形過程較為簡單且成形效率高，非常適用于鉻鉬鋼等塑性較好鋼材氣瓶的成形[2]。但是，該旋壓成形方法在制備34CrMo4鋼雙頭無縫高壓氣瓶時，容易出現(xiàn)部分產(chǎn)品瓶嘴厚度不足的現(xiàn)象，分析認為是摩擦塊結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的。為解決該成形缺陷，提出了在摩擦塊底部增設(shè)成形面，通過在旋壓過程中改變瓶嘴部位金屬流動的方法，將部分金屬的軸向流動改變?yōu)閺较蛄鲃?，以增加瓶嘴厚度。同時，采用先進的有限元分析軟件Deform-3D對該旋壓成形過程進行了數(shù)值模擬研究，以便對實際生產(chǎn)過程進行預(yù)判和提供理論依據(jù)。

2 無縫雙頭高壓氣瓶摩擦塊旋壓成形工藝分析與優(yōu)化

2.1 無縫雙頭高壓氣瓶原旋壓成形工藝分析

摩擦塊旋壓法是借助一定型面的塊狀摩擦工具對旋轉(zhuǎn)管坯件進行旋壓縮徑成形的一種工藝，該方法適用于高壓容器封頭或底部的成形[3]。采用摩擦塊旋壓法時，首先對管坯收口端加熱至鍛造溫度，然后將摩擦塊對旋轉(zhuǎn)管坯徑向切入，當(dāng)摩擦塊沿自身翻轉(zhuǎn)軸緩慢旋轉(zhuǎn)90°時，凸起的成形面擠壓管坯使之逐漸向內(nèi)縮徑變形而收口，即可包絡(luò)出氣瓶封頭外形。這種旋壓法不用芯模，較多道次旋輪旋壓成形，具有成形效率高、成形過程與成形設(shè)備簡單，以及經(jīng)濟性好等優(yōu)點，十分適用于筒狀高壓氣瓶的成形[4]。圖1a所示為傳統(tǒng)摩擦塊旋壓法采用的摩擦塊的幾何尺寸，圖1b所示為旋壓成形過程。

圖1 傳統(tǒng)摩擦塊幾何尺寸及其旋壓成形過程

對高壓氣瓶采用傳統(tǒng)摩擦塊旋壓工藝成形時，由于瓶嘴端部缺少軸向約束力，使得瓶嘴處金屬沿徑向流動量不足，旋壓的產(chǎn)品瓶嘴厚度偏小，后續(xù)機加工余量不足，極有可能導(dǎo)致瓶嘴內(nèi)部加工出的連接螺紋頂部質(zhì)量較差，甚至導(dǎo)致殘次品的產(chǎn)生。圖2所示為旋壓成形時瓶嘴厚度不足而導(dǎo)致的殘次品。

圖2 傳統(tǒng)工藝加工的瓶嘴厚度

2.2 摩擦塊旋壓成形工藝優(yōu)化

為解決傳統(tǒng)方法生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的瓶嘴厚度不足的問題，在摩擦塊底部增加擋板，用于對瓶嘴端部的修形和約束，其余幾何尺寸不變，如圖3所示。由于擋板和摩擦塊是一體式設(shè)計，會隨著摩擦塊一起轉(zhuǎn)動，在旋壓過程中相當(dāng)于對瓶嘴有類似鐓粗的過程，可約束瓶嘴的伸長，增加瓶嘴厚度。

圖3 對傳統(tǒng)摩擦塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其旋壓成形

3 高壓氣瓶摩擦塊旋壓成形模擬研究

3.1 模擬前處理

為研究優(yōu)化后的摩擦塊旋壓成形過程，設(shè)置兩組數(shù)值模擬進行對比分析，工藝數(shù)值采用同一組工程實際較佳值，即翻板轉(zhuǎn)速取0.150r/min（此時成形時間為100s）；主軸轉(zhuǎn)速取500r/min；旋壓溫度取1150℃。

由于Deform-3D前處理無法直接建立零件模型，故需借助其他CAD軟件建模后導(dǎo)入。本文直接導(dǎo)入到Deform-3D中的簡化模型的STL格式文件，均為采用SolidWorks建模后導(dǎo)出。管坯實際長度為3060mm、直徑為456mm、厚度為27mm，模擬時為減少不必要的計算，將長度減小為800mm，直徑和厚度不變。在Deform-3D前處理中將夾具與管坯的運動關(guān)系設(shè)置為“粘連”，兩者間采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)取1[5]，將摩擦塊與管坯間的幾何關(guān)系設(shè)置為“干涉”，干涉參數(shù)為默認的0.0001，兩者間采用庫倫摩擦，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，摩擦系數(shù)取0.25。采用四面體單元對管坯進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)設(shè)置為100000，最小邊界尺寸為5.63mm，時間步長設(shè)置為0.1[6]。對夾具施加某一轉(zhuǎn)速，使其沿自身軸旋轉(zhuǎn)，可保證在旋轉(zhuǎn)過程中管坯和夾具不會脫落；對摩擦塊也施加某一轉(zhuǎn)速，使其沿自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)摩擦塊的進給運動，即可完成高壓氣瓶旋壓收口工序。摩擦塊成形模擬幾何模型如圖4所示。

圖4 幾何模型

模擬時進行如下假設(shè)和規(guī)定。

1）將管坯定義為塑性體，忽略管坯的彈性變形，將夾具和摩擦塊定義為剛體。

2）假設(shè)管坯為理想情況，即各向同性。

3）模擬時假設(shè)管坯不氧化，不考慮重力和慣性的影響。

4）為便于區(qū)分優(yōu)化前和優(yōu)化后的摩擦塊，對兩者分別命名為摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ。

3.2 溫度場分析

圖5a、c所示為優(yōu)化前后的摩擦塊（摩擦塊Ⅰ、摩擦塊Ⅱ）旋壓收口過程中不同時刻的溫度分布云圖。由圖5a、c可知，溫度分布沿軸向呈環(huán)狀分布，同一圓環(huán)上溫度基本相同。因為旋壓熱來自于摩擦塊成形面和管坯的摩擦力，兩者之間的相對運動為沿管坯周向滑動，故管坯成形端溫度沿環(huán)狀分布。利用Deform-3D后處理中的點追蹤功能，在最終成形的封頭部位選取P1、P2、P3、P4、P5共5個點，觀察氣瓶在旋壓過程中溫度值隨成形時間的變化規(guī)律。圖5b、d所示為各點溫度變化曲線。從圖5b、d可看出，5個點變化規(guī)律都是先稍有下降再不同程度地上升，到達某一最大值后又不斷降低?？傮w來說，溫度下降是因為管坯和空氣發(fā)生了熱交換，溫度上升是因為摩擦塊與管坯之間產(chǎn)生的摩擦熱大于管坯向空氣散發(fā)的熱量。由于旋壓成形時摩擦塊與管坯的接觸位置是不斷變化的，因此當(dāng)某時刻所追蹤點所在位置與摩擦塊接觸時，圖中曲線出現(xiàn)最大值。

圖5 溫度場分布云圖及點追蹤圖

由圖5b、d可知，無論采用那種摩擦塊進行旋壓成形，平均溫度最高點均出現(xiàn)在點4位置，即在旋壓過程中氣瓶封頭過渡處的平均溫度最高，在第60～65s時達到最大值；平均溫度最低點出現(xiàn)在點5位置，即靠近瓶身的頸部平均溫度最低，波峰出現(xiàn)在第55～60s時刻。與采用摩擦塊Ⅰ時的旋壓溫度變化曲線相比，采用摩擦塊Ⅱ旋壓成形時，點1、點2的平均值明顯增大，尤其是對點1的增幅明顯。因為摩擦塊Ⅱ的擋板對氣瓶瓶嘴增加了修形作用，使瓶嘴部位變形熱和摩擦熱增大，導(dǎo)致成形過程中瓶嘴溫度的升高。

3.3 旋壓力分析

將摩擦塊Ⅱ所受旋壓力沿軸向、徑向和切向分解為3個相互垂直的力進行分析。圖6所示為采用摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形時的旋壓力分布。

圖6 1150℃時旋壓力分布

由圖6可看出，在0～50s時，摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ各旋壓力變化趨勢基本對應(yīng)相同。原因是采用上述工藝數(shù)值旋壓成形時，第50s時摩擦塊Ⅱ的擋板才開始參與成形，此階段金屬的流動基本相同，故旋壓力也基本不變；在50～100s時，摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ各旋壓分力的變化都呈不同程度的增大，其中增大程度最大的為軸向旋壓分力，在第75s左右時出現(xiàn)了波峰；對徑向和切向旋壓力的增值很小，對徑向旋壓力的增值略大于切向旋壓力的增值。原因是65s左右是擋板對氣瓶瓶嘴端部的主要成形階段，擋板對瓶嘴端部有軸向鐓粗作用，故此時對摩擦塊Ⅱ的軸向旋壓力最大，且對擋板的擠壓力也最大，也是摩擦塊擋板最容易脫落的時候，在試制時要特別注意。

由氣瓶摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形各分力變化趨勢可知，在采用某一工藝時，將摩擦塊Ⅰ換成摩擦塊Ⅱ，對切向旋壓分力和徑向旋壓分力影響很小，對軸向旋壓分力影響最大，對總旋壓分力影響次之。在高壓氣瓶摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形時，各旋壓分力由大到小依次為：徑向旋壓分力、軸向旋壓分力、切向旋壓分力。

3.4 旋壓溫度對優(yōu)化摩擦塊旋壓成形的影響

旋壓溫度是高壓氣瓶摩擦塊旋壓成形的重要參數(shù)之一，會直接影響金屬變形抗力和流動性，對旋壓力的影響尤其明顯。當(dāng)旋壓溫度選擇過低時，會使旋壓力增大[7]，工程實際中極有可能造成旋壓機過載；當(dāng)旋壓溫度選擇過高時，會影響材料力學(xué)性能，降低產(chǎn)品合格率。因此，為尋求更適合摩擦塊Ⅱ旋壓收口的旋壓溫度范圍，設(shè)置摩擦塊轉(zhuǎn)速為0.150r/min，旋壓溫度分別為1100℃、1125℃、1150℃、1175℃，進行多組模擬對比試驗，模擬的旋壓力與旋壓溫度的關(guān)系如圖7所示。模擬結(jié)果表明，當(dāng)旋壓溫度為1175℃時，旋壓過程最高溫度達到1312℃。生產(chǎn)經(jīng)驗表明，此溫度極有可能造成管坯過燒現(xiàn)象，使管坯材料晶粒增大，力學(xué)性能下降，故摩擦塊Ⅱ的旋壓溫度不宜超過1175℃；當(dāng)旋壓溫度低于1100℃時，總旋壓力增幅較大，極有可能造成旋壓機過載，故旋壓溫度不宜低于1100℃。綜上所述，對于摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形，其最佳旋壓溫度為1125～1150℃。

圖7 旋壓力與旋壓溫度的關(guān)系

由圖7可知，對于高壓氣瓶摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形，總旋壓力的變化趨勢最接近徑向旋壓分力，徑向旋壓力對總旋壓力的影響最大，切向旋壓力對總旋壓力的影響最小。徑向旋壓分力隨溫度變化波動最大，對溫度變化最為敏感，切向旋壓力受旋壓溫度的影響最小。

3.5 摩擦塊轉(zhuǎn)速對優(yōu)化摩擦塊旋壓成形的影響

在高壓氣瓶摩擦塊旋壓成形中，摩擦塊轉(zhuǎn)速可直接影響旋壓進給量的大小，研究摩擦塊轉(zhuǎn)速相當(dāng)于研究進給量對旋壓成形的影響[8，9]。為探討氣瓶摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形時摩擦塊轉(zhuǎn)速與旋壓成形的關(guān)系，設(shè)置旋壓溫度為1125℃，摩擦塊轉(zhuǎn)速分別為0.125r/min、0.150r/min、0.188r/min的3組旋壓收口模擬進行對比。由于在實際生產(chǎn)時，旋壓力的大小可指導(dǎo)摩擦塊材料的選擇、旋壓機的設(shè)計等，故以旋壓力作為判斷依據(jù)。摩擦塊轉(zhuǎn)速對旋壓成形的影響如圖8所示。

圖8 摩擦塊轉(zhuǎn)速對旋壓成形的影響

由圖8可知，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加摩擦塊轉(zhuǎn)速會使各向旋壓力不同程度的增大，其中，對軸向、切向旋壓力的增幅較大，對徑向旋壓力的增幅較小。當(dāng)摩擦塊轉(zhuǎn)速為0.188r/min時，氣瓶瓶嘴出現(xiàn)失穩(wěn)缺陷，若實際生產(chǎn)中出現(xiàn)該類問題，極有可能造成產(chǎn)品不合格。摩擦塊轉(zhuǎn)速采用0.188r/min時，瓶嘴位置出現(xiàn)失穩(wěn)缺陷的主要原因是摩擦塊轉(zhuǎn)速選擇過大，使成形區(qū)少量金屬堆疊在摩擦塊前端而難以發(fā)生周向流動，并隨著摩擦塊的繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，該部位金屬受到向內(nèi)的擠壓，使其向內(nèi)褶皺，最終導(dǎo)致瓶嘴位置出現(xiàn)失穩(wěn)缺陷。故對于摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形，摩擦塊轉(zhuǎn)速不宜超過0.188r/min。但摩擦塊轉(zhuǎn)速過小時，又會使成形時間增加，導(dǎo)致管坯溫度降低及旋壓力增大，加劇摩擦塊的磨損、減少旋壓機使用壽命。由此可見，摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形的最佳轉(zhuǎn)速為0.125～0.150r/min。

3.6 主軸轉(zhuǎn)速對優(yōu)化摩擦塊旋壓成形的影響

主軸轉(zhuǎn)速主要影響旋壓成形表面粗糙度，適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速可改善工件表面粗糙度[10]，在實際生產(chǎn)中，主軸轉(zhuǎn)速主要依據(jù)旋壓機設(shè)計合理取值。圖9所示為采用不同主軸轉(zhuǎn)速時氣瓶封頭部位的表面質(zhì)量效果。從圖9可看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速分別為400r/min、500r/min和600r/min時，氣瓶封頭外表面質(zhì)量較好。但主軸轉(zhuǎn)速過高時，一方面會使管坯和空氣的熱交換加劇，降低管坯的成形溫度，反而不利于氣瓶旋壓的進行，且會加劇摩擦塊的磨損，減少摩擦塊的使用壽命；另一方面，由于管坯在旋壓成形時有較多的氧化皮脫落，主軸轉(zhuǎn)速越大，管坯表面的離心率也越大，會使旋壓過程中高溫氧化皮飛濺得更遠，增加了操作現(xiàn)場的安全隱患。綜合考慮上述因素及旋壓機旋壓條件、大容積雙頭高壓氣瓶尺寸要求、34CrMo4合金鋼的特性，以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，選擇主軸轉(zhuǎn)速為500r/min為宜。

圖9 不同主軸轉(zhuǎn)速時氣瓶封頭的表面效果

4 產(chǎn)品試制與分析

4.1 產(chǎn)品試制

旋壓設(shè)備采用的是610熱旋壓機，如圖10a所示，用于試制氣瓶的摩擦塊Ⅱ是在摩擦塊Ⅰ的基礎(chǔ)上焊接擋板而成。為更清晰地反應(yīng)出旋壓機、摩擦塊的相對位置和幾何尺寸，建立的三維模型如圖10b所示。

圖10 旋壓機及摩擦塊Ⅱ示意

在610旋壓機上安裝好摩擦塊Ⅱ后進行試制，所用管坯的幾何尺寸為外徑456mm、長度3060mm、厚度27mm的34CrMo4無縫鋼管，即為制造大容積雙頭高壓氣瓶的管坯，試制參數(shù)見表1。

表1 高壓氣瓶試制參數(shù)

4.2 試制結(jié)果分析

氣瓶封頭處厚度是衡量高壓氣瓶旋壓收口成形成功與否的重要參數(shù)之一。氣瓶封頭厚度過小時，不僅會導(dǎo)致高壓氣瓶剛度、強度及使用壽命不足，且過小的厚度無法為后續(xù)車削內(nèi)螺紋保證充足的加工余量，導(dǎo)致聯(lián)接螺紋高度不足、聯(lián)接強度不達標致使整個氣瓶報廢。隨機抽取1支采用工藝參數(shù)一試制的氣瓶，將氣瓶封頭剖開后檢測其厚度，經(jīng)過測量可知氣瓶封頭縮徑處和過渡處稍有增厚，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。模擬和試制的壁厚對比如圖11所示。在封頭位置依次取8個點測量其厚度值，并按式（1）計算出模擬誤差δ，即

圖11 壁厚值對比

式中δ——模擬誤差（%）；

t模擬——模擬壁厚（mm）；

t試制——試制壁厚（mm）。

由圖11可知，試制結(jié)果和模擬結(jié)果非常吻合，模擬誤差最大值出現(xiàn)在瓶口端部，為7.8%，其他位置誤差值均未超過5%。模擬結(jié)果較試制結(jié)果厚度整體偏大，主要是因為在實際旋壓過程中管坯成形部位有少量金屬氧化、脫落，而模擬時假設(shè)成形效果比較理想，即不考慮旋壓過程中金屬的流失。

圖12所示為采用摩擦塊Ⅰ和摩擦塊Ⅱ旋壓成形后的瓶嘴厚度剖面。由圖12可見，采用摩擦塊Ⅱ旋壓成形時，能使瓶嘴部位更多的金屬沿徑向流動，使其厚度明顯增大，為后續(xù)機加工內(nèi)螺紋保留充足的加工余量，以保證螺紋質(zhì)量。

圖12 瓶嘴厚度對比

圖13所示為采用工藝參數(shù)一試制產(chǎn)品和模擬結(jié)果的對比。由圖13a、b可知，實際旋壓的溫度分布和模擬結(jié)果基本一致。

圖13 模擬與試制結(jié)果對比

為進一步驗證摩擦塊Ⅱ轉(zhuǎn)速對高壓氣瓶旋壓收口成形的影響以及模擬結(jié)果的科學(xué)性，改變摩擦塊轉(zhuǎn)速進行了驗證試驗，采用表1中的工藝參數(shù)二，其余工藝參數(shù)保持不變。

試制結(jié)果和模擬結(jié)果對比如圖14所示。與模擬結(jié)果預(yù)測相同，實際試制時瓶口內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了失穩(wěn)缺陷，試制缺陷外形和模擬結(jié)果高度一致。由于瓶嘴內(nèi)側(cè)需要加工內(nèi)螺紋，當(dāng)實際制造的產(chǎn)品出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)缺陷時，加工的內(nèi)螺紋強度不能滿足設(shè)計要求，故可直接將該氣瓶判為報廢。同時，本次試制結(jié)果再次證明對于摩擦塊Ⅱ旋壓收口成形，摩擦塊轉(zhuǎn)速必須＜0.188r/min。

圖14 失穩(wěn)缺陷對比

5 結(jié)束語

1）采用優(yōu)化的摩擦塊旋壓能有效解決工程實際中瓶嘴厚度不足的問題，通過有限元分析得到其最佳工藝數(shù)值范圍為：旋壓溫度1125～1150℃；摩擦塊轉(zhuǎn)速0.125～0.150r/min；針對610旋壓機，主軸轉(zhuǎn)速為500r/min。

2）優(yōu)化的摩擦塊旋壓成形過程中，瓶嘴端部的溫度上升浮動較大，65s時達到最大值，此時擋板對氣瓶瓶嘴端部主要成形階段的擠壓力最大，也是摩擦塊擋板最容易脫落的時候，在試制時應(yīng)特別注意。

3）采用優(yōu)化的摩擦塊旋壓成形時，徑向旋壓力對總旋壓力的影響最大，切向旋壓力對總旋壓力的影響最小。徑向旋壓分力隨溫度變化波動最大且對溫度變化最為敏感，切向旋壓力受旋壓溫度的影響較小。