壓力容器的生產(chǎn)中,封頭的沖壓加工成型是最 基礎的工序之一,沖壓模具的設計在封頭沖壓加工
中起決定性的作用, 筆者對超高強度鋼( 406 鋼) 薄 壁封頭沖壓過程中的技術(shù)難點及應采取的工藝措施 作進行了簡要分析。
1 技術(shù)要求及技術(shù)要點分析 1. 1 技術(shù)要求 某容器前、 后半橢球體材料為406 鋼, 板料厚
4. 0mm, b= 640MPa, 0. 2= 43MPa, 沖壓后橢球體 外型面長半徑和短半徑之比k= a∶b= 500∶250=
2∶1,如圖1 所示,與外型面切面檢測樣板不貼合間
隙 t, 型面處不大于2mm; 直線段部位不大于1. 5
mm,封頭表面劃傷、 碰傷、 拉痕、 麻坑等表面缺陷不
得大于0. 1mm, 不得有裂紋。
圖1 半橢球體沖壓后尺寸
1. 2 板料下料尺寸計算 沖壓板料毛坯尺寸過大將導致封頭沖壓過程中
主缸壓力增大,封頭直線段部位減薄嚴重, 甚至產(chǎn)生 龜裂成為裂紋源, 誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生;沖壓板料毛坯尺 寸過小導致所需壓邊力過大, 當設備壓邊力不夠大
時沖壓過程中板料流動過快就會引起鼓包、 皺折的 產(chǎn)生。封頭展開料尺寸推導如下:
圖 2 橢圓曲面表面積計算尺
橢圓曲線方程:
x 2
b2 + y 2
a2 = 1( 0 < b a) 焦距c2
= a2
- b2
;
( 1)
離心率: = c
a
則有: y 2 = a2 - x 2
a2
b2
= a2
b2
× ( b2 - x 2)
y = a
b
b2 - x 2
y′ = a
b
× - x
b2 - x 2
y′ 2 = (
a
b
) 2
x 2
b2
- x 2
d s = 1 + y′ 2 dx = 1 + 〔a
b
〕 2
x 2
b2
- x 2dx
=
b2
+ 〔c
b
〕 2
x 2
b2 - x 2 dx
d F = 2! y d s = 2! a
b
b2 - x 2
b2 + 〔c
b
〕 2x 2
b2 - x 2
dx
= 2! a
b
b2
+ 〔c
b
〕 2
x 2
dx
對橢圓封頭曲面進行積分得出表面積公式:
Fq = 2! a
b∫ b
0
b2 + 〔c
b
〕 2x 2 d x
= ! a
b
[
x
2 b2
+
c2
b2 x 2
+
b2
2c
ln〔c
b
x
+ b2
+
c2
b2 x 2
〕 ]
b
0
= ! a [
b
2
b2 + c2 + b2
2c
ln〔 b2
+ c2
+ c
b2 + c2 - C
〕 ]
= ! a [ a +
b2
2c
ln〔 a + c
a - c
〕 ]
= ! a [ a +
b2
2c
1
ln〔 1 +
1 - 〕
= ! a { a + b2
2c
1
ln[
a
b
( 1 + ) ] }
將a= kb = a2
- b2
a2 = k2
- 1
k 代入( 1) 式化
簡得出封頭曲面展開面面積:
F q = ! a2
[ 1 + 1
k k2
- 1
ln( k + k2
- 1) ]
( 2)
橢圓封頭曲面展開直徑D0 通解公式為( 由于直 邊量、 圓角半徑、 飛邊量相對較小, 為計算簡便,將其
直接加入展開直徑中) :
D 0 = F
!2h3 + 1
2 ! R + 2L
= Dz [ 1 + 1
k k 2
- 1
ln( k + k2
- 1) ]
+ 2h0 +
1
2 ! R + 2L
Dz——橢球封頭公稱內(nèi)徑D1+ 封頭鋼板厚度t
· 92 ·
收稿日期: 2010- 05- 15
作者簡介: 羅春華( 1978- ) ,男, 學士學位, 2001年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學材料學院,致力于材料成型與控制研究。 羅春華 · 薄壁封頭沖壓中的技術(shù)要點淺析 2010 年第20 期
h0—封頭直邊高度
k—橢圓封頭公稱直徑與厚度之比
R—凹模圓腳半徑+ 1
2 t
L—飛邊寬度 當k= 2 時(為標準型橢圓封頭) : Dz= 992mm+
4mm, h0= 35mm, R = 25+ 2mm, L= 76mm。代入
( 3)式得
D0 = Dz [ 1 + 1
2 22
- 1
ln( 2 + 22
- 1) ]
+ 2h0 + 1
2 ! R + 2L
= 1. 175Dz + 2h0 + 1
2 ! R + 2L
= 1 400mm
驗證: ∀1 400 封頭代入公式D0= ∀1 900 的與現(xiàn) 行工藝相符, ∀600 封頭代入公式的與現(xiàn)行工藝基本 一致,該尺寸經(jīng)過生產(chǎn)驗證效果良好。
2 模具設計時考慮因素 2. 1 皺折、 鼓包缺陷及模具整體結(jié)構(gòu)的確定:
封頭沖壓時坯料外緣的壓縮量最大,其值為:
△L = ! ( Dp - Dm) ( 5)
Dp——坯料直徑,
Dm——拉深后大口直徑(帶飛邊)
此壓縮量向三個方向流動: 向垂直于拉深方
向的切向流動,增加邊緣厚度; 拉深時向中心流 動,補充徑向拉薄; 向外自由伸長, 即徑向擴大。 由 于徑向流動阻力小,所以向外伸長往往較大。 如果坯 料較薄或模具不當、 工藝不當,使封頭在拉延過程中
其變形區(qū)切向壓應力大于徑向拉應力時, 就會喪失 穩(wěn)定而產(chǎn)生皺折或鼓包。影響皺折產(chǎn)生的主要原因 是坯料的相對厚度t / Dm ( t 板料厚度, Dm 拉深后封
頭帶飛邊時直徑) , 相對厚度越大, 坯料邊緣穩(wěn)定性 越好, 切向壓應力只能使板邊變厚;相對厚度越小,
對板邊縱向彎曲抗力越小, 易喪失穩(wěn)定而起皺。此 外,熱沖時板坯料加熱溫度不均、 模具間隙及下模圓
角太大、 坯料劃、 碰傷嚴重、 壓邊力太小或不均等都 能產(chǎn)生皺折和鼓包。坯料產(chǎn)生皺折后,很難通過陰、 陽模具間的間隙, 容易被拉斷。 即使通過陰、 陽模,皺
折也無法消除,會影響封頭質(zhì)量。 高碳鋼和普通低碳鋼橢球體封頭不起皺折條件 為:
Dp - Dm < ( 1 ～20) t ( 6)
Dp——坯料直徑,
Dm——拉深后大口直徑,
t——封頭壁厚。
對某直徑∀1 000 容器封頭,初期沖壓過程中皺 折和鼓包現(xiàn)象嚴重, 按公式( 6) 計算 Dp - Dm=
1 400- ( 1 000+ 50+ 76×2) = 198> 20t 容易產(chǎn)生 皺折和鼓包, 所以對模具進行了完善,采用增加壓邊
圈的方法解決,設計了帶壓邊圈的模具如圖3 所示,
沖壓時利用壓力機邊缸給壓邊圈一定壓力, 沖前使 用適量的潤滑油等措施,減少并最終避免了鼓包和
皺折現(xiàn)象的發(fā)生。為了校正橢球體型面增加了底拖 用于校形工序,使橢球體型面良好過渡;設計了陰模 直口與陰模拖直口,裝配時用壓板螺栓定位,從而保 證了陰模與陰模拖的同軸度。
圖3 壓邊圈
2. 2 凹模圓角半徑R凹 的確定 一般來說, R凹 盡可能取大些,大的R凹 可以降低 極限拉深系數(shù),減少沖壓時摩擦阻力、 提高材料的流
動性, 從而提高橢球體表面質(zhì)量,但是R凹 過大時會
削弱壓邊圈的作用, 引起起皺和鼓包現(xiàn)象; R凹 過小 時使材料流動性降低,使封頭表面質(zhì)量降低甚至產(chǎn) 生龜裂形成裂紋源, 導致封頭被拉裂,還會降低模具
的使用壽命,因此R凹 的大小要適當。橢球體凹模圓 角半徑可以參考公式:
R 凹 = C1C2t ( 7)
C1——考慮材料的力學性能系數(shù),對于軟鋼、 硬 鋁C1= 1; 對于純銅、 黃銅、 防銹鋁, C1=
0. 8;對于406 高強度鋼取C1= 1. 2～1. 5
C2——考慮板料厚度與拉深系數(shù),取5～6. 5
R 凹 = 1. 2 ×5 ×4 = 24mm
考慮406 鋼沖壓性能及工件使用性能取R凹 =
25mm,經(jīng)過實際使用該圓角半徑可行。
圖 4 凹模圓角半徑的選取
2. 3 模具間隙的確定
一般來說, 間隙過小會增大沖壓時摩擦阻力、 降 低材料的流動性,降低工件表面質(zhì)量、 使工件拉伸后 變得更薄,甚至產(chǎn)生龜裂形成裂紋源,導致封頭表面 拉裂,降低模具使用壽命;間隙過大沖壓時摩擦阻力
會減小、 材料的流動性增大,引起皺褶和鼓包現(xiàn)象,
因此模具間隙大小要適當, 間隙Z 一般取( 1～1. 1
t ) ,考慮406 鋼沖壓性能、 工件表面質(zhì)量、 模具使用
壽命及工藝可靠性要求, 取間隙Z 為4. 4mm。 3 拉深次數(shù)的確定 拉深次數(shù)和拉深量是沖壓工藝編制中的關(guān)鍵點 之一,直接關(guān)系到拉深件的質(zhì)量和拉深工作的經(jīng)濟
性。理論計算: 拉深次數(shù)決定于每次拉深時允許的 極限變形程度,拉伸系數(shù)m 是衡量拉深變形程度的
一個重要的工藝參數(shù):拉伸系數(shù)。 m——每次拉深后工件直徑Dz 與拉深毛坯D0
的比值m= Dz/ D0
代入Dz= 1 000- 4= 996
D0= 1. 175Dz+ 2×35+ 25×2+ 70×2= 1 400
得: m= 0. 7115
板料一次拉深最小拉深系數(shù)m0, 30CrMnSiA 拉 深系數(shù)0. 62～0. 70, 406 鋼經(jīng)過球化退火后材料沖 壓性能大大改善, 一次拉深最小拉深系數(shù)應小于 0. 7, 因此m> m0,即該封頭可以一次拉深成型。 為了
節(jié)省成本縮短生產(chǎn)周期我們采用了, 一次沖壓拉伸 到深度300mm, 退火后沖壓校形并拉深至要求尺 寸。
4 結(jié)論 封頭沖壓過程中,計算好板料毛坯尺寸、 設計模 具時選擇合適的模具整體結(jié)構(gòu),計算好陰模過渡圓 角,設計、 計算好拉深次數(shù),確定好模具間隙, 根據(jù)實
驗情況確定壓邊力等基礎性控制點, 沖壓加工前對 板料進行認真的清理,對模具和封頭上的劃、 碰傷及 時修磨,添加適量的潤滑油等措施,就能生產(chǎn)出合格
的封頭。 在這篇文章的完成過程中得到蘇冬梅、 趙俊龍 二位同志的大力支持和幫助, 在此表示感謝。 [參考文獻]
[ 1] 陸博福,陸平. 非標準橢圓及標準橢圓形封頭 沖壓展開下料尺寸的計算[ J] . 壓力容器,
2008, ( 6) .
[ 2] 阮鑫, 趙博龍,張志勛. 薄壁封頭沖壓成型過 程中的幾個技術(shù)要點淺析[ J] . 河北化工
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