郭訓(xùn)忠 陶 杰 李 鳴

1.南京航空航天大學(xué),南京,210016 2.江蘇華陽(yáng)金屬管件有限公司,鎮(zhèn)江,212400

0 引言

不銹鋼三通管件在石油、化工、天然氣、礦粉輸送、核電工程的管路系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用,對(duì)于提高管路系統(tǒng)的柔性、穩(wěn)定性和安全性具有重要意義[1]。采用沖壓焊接或機(jī)械加工工藝已不能滿足重要工程對(duì)管件高精度、高性能和低成本的要求,而采用液壓脹形工藝制備三通管件優(yōu)勢(shì)明顯：整體成形,流線連續(xù)分布;組織致密;強(qiáng)度高且質(zhì)量輕,綜合力學(xué)性能優(yōu)越;成本低,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等[2-8]。液壓脹形工藝制備的無(wú)縫不銹鋼三通管件在高溫、輻射及腐蝕環(huán)境下仍然擁有優(yōu)異的性能。目前,對(duì)于三通管件的液壓脹形,有學(xué)者提出了模糊算法、自適應(yīng)控制技術(shù)甚至多目標(biāo)優(yōu)化求解,來(lái)解決多目標(biāo)、多工藝參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題[9-14],但實(shí)際實(shí)施的難度較大且成本較高。

單純通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化提高三通管件的質(zhì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。通過(guò)改變成形零件的尺寸及形狀以提高材料的流動(dòng)性,從而提高管件的成形性能,相比較而言,效果明顯,具有不可忽視的作用。在成形零件選擇的基礎(chǔ)上,對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,是制備高質(zhì)量三通管件的正確思路。

在成形零件形式對(duì)成形質(zhì)量的影響方面,目前的研究主要集中于凹模過(guò)渡圓角半徑值對(duì)于成形質(zhì)量的影響。大量研究表明,隨著該圓角半徑值的增大,最終成形管件的壁厚差逐漸減小,壁厚均勻性得到了有效提高[9,15-16]。由于模具型面與沖頭形式對(duì)三通管件成形效果同樣具有重要影響,所以有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

本文通過(guò)研究不同形式的模具型面及沖頭對(duì)管件成形效果的影響來(lái)提高三通管件的成形質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上,研究了不同的加載路徑對(duì)成形結(jié)果的影響,最終制備出支管高度以及壁厚整體均勻性方面均滿足要求的不銹鋼三通管件。

1 有限元模擬

1.1 計(jì)算模型

用CAD軟件對(duì)模具型面、擠壓沖頭及管坯進(jìn)行幾何建模,然后將其導(dǎo)入成形模擬軟件中。管材用薄殼單元進(jìn)行離散,單元公式采用BELYTSCHKO-TSAY。通過(guò)對(duì)管材取樣的拉伸試驗(yàn),測(cè)定的材料E值為207GPa,泊松比γ為0.28,應(yīng)變硬化指數(shù) n為 0.502;K值為1.43GPa。將拉伸試驗(yàn)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并將其導(dǎo)入有限元模擬軟件中。模具型面的劃分采用充分體現(xiàn)其幾何特征的Tool mesh劃分,網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示。工具與管坯的接觸形式為SURFACE_TO_SURFACE。

圖1 有限元模型

1.2 模擬結(jié)果

1.2.1 不同模具型面的成形效果

現(xiàn)有的研究多采用圖2a所示的第一種形式的模具型面,即采用常用的兩圓柱面相貫,并對(duì)相貫線處倒R30mm圓角;第二種形式的新型模具型面則采用半圓弧線掃描的形式生成平滑曲面連接主管與支管,最終用平面過(guò)渡主管、支管及掃描曲面,其形狀如圖2b所示。304不銹鋼管坯尺寸為φ48.3mm×3mm×210mm,管坯與模具的間隙值為0.25mm。首先采用圓柱形沖頭施壓。左右沖頭相向進(jìn)給距離為50mm,成形壓力加載路徑如圖3所示。

圖2 三通管件成形的不同型面

圖3 初始?jí)毫虞d路徑

對(duì)于三通管件的成形,主要的控制目標(biāo)為支管高度及最大壁厚減薄率。若最大壁厚減薄率皆滿足小于12.5%,則可用壁厚相對(duì)均勻性衡量成形質(zhì)量的高低。采用圖3的壓力加載路徑時(shí),第一種形式的模具型面成形的三通支管高度為60.06mm,最大減薄率為7.67%(支管頂部),最大增厚率為87.11%,發(fā)生在主管端部靠近過(guò)渡圓弧處;第二種形式的模具型面成形的不銹鋼三通管件支管高度為63.03mm,最大減薄率同樣位于支管頂部,但其減薄率為6%左右,管壁最大增厚率為81.36%,發(fā)生在主管,靠近與沖頭接觸位置處。從支管高度、最大最小壁厚差對(duì)比可知,第一種形式的模具型面成形的三通管件,其支管高度略小于第二種形式模具型面成形對(duì)應(yīng)的管件。另外,采用第二種形式的模具型面成形,三通壁厚的均勻性方面可以得到明顯改善。這是由于在成形過(guò)程中,材料在圖2b所示的模具型面的過(guò)渡圓弧處的流動(dòng)相對(duì)容易,所以對(duì)于支管的生長(zhǎng)以及壁厚的均勻性提供了便利的材料流動(dòng)特性。相對(duì)于圖2a出現(xiàn)的相貫尖角區(qū)域,圖2b所示平面區(qū)域的存在有效地提高了三通管件的成形性能。所以應(yīng)采用帶有平面特征的模具對(duì)三通管件實(shí)施液壓脹形。

1.2.2 不同沖頭的成形效果

圖4所示是三通管件在液壓脹形過(guò)程中所采用的三種不同形式的沖頭及其尺寸。1號(hào)沖頭采用的是圓柱形,其端部與不銹鋼管坯端部直接接觸;2號(hào)及3號(hào)沖頭采用的是階梯軸形式,但兩者不同的是細(xì)端的軸向尺寸。表1所示的是不同沖頭成形出的三通支管高度、壁厚最大減薄率及最大增厚率。從表中可以看出,使用階梯軸形式?jīng)_頭使不銹鋼三通管件的支管高度略有提高,壁厚減薄率雖然局部略有增加,但壁厚增厚率得到較大改善。采用圖3c沖頭制備無(wú)縫不銹鋼三通管件的整體壁厚減薄率分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看出,管件最大增厚部位在主管上部靠近與沖頭接觸部位。綜合比較,以3號(hào)沖頭成形效果為最佳,支管高度最高,且壁厚分布相對(duì)均勻。

圖4 三通管件成形的不同沖頭及尺寸(mm)

表1 不同沖頭對(duì)應(yīng)的三通管件支管高度與壁厚

圖5 減薄率分布云圖

1.2.3 內(nèi)壓力加載路徑對(duì)成形效果的影響

圖6 加載路徑示意圖

制備高質(zhì)量不銹鋼三通管件,除了選擇必要的成形零件外,還必須合理控制成形中所施加的內(nèi)壓力和軸向進(jìn)給量的大小及其匹配關(guān)系。通過(guò)對(duì)圖6所示的不同的加載路徑模擬計(jì)算,加載路徑3制備的三通管支管高度值最大,為73mm左右,但是造成了最嚴(yán)重的53%減薄。同時(shí),最大壁厚與最小壁厚的差值為3.58mm左右。加載路徑1是恒定壓力值,為90MPa,其對(duì)應(yīng)的最大支管高度值同樣很大,近72mm左右。盡管支管高度較高,但是上述兩條加載路徑因平均壓力值較大,在管坯變形的初始便迅速達(dá)到較高壓力值,造成壁厚的嚴(yán)重不均勻。而對(duì)于路徑5,在軸向沖頭已經(jīng)進(jìn)給10mm的情況下,依然不提供任何壓力,造成了管坯平均壁厚的增加,隨后的壓力提升已經(jīng)很難提高最終的高度,盡管壁厚相對(duì)均勻,但是支管高度過(guò)低,在路徑5的模擬結(jié)果中,其支管高度僅有56mm左右,如圖7所示。同樣,路徑2雖然初始提供了壓力,但其斜率較小,說(shuō)明初始?jí)毫χ递^小,也造成了支管高度較小的情況。而對(duì)于加載路徑4,從初始就提供內(nèi)高壓,并且其斜率介于路徑2和路徑3之間,在0.8s內(nèi)的壓力平均值為75MPa,其最終成形結(jié)果是：支管高度為68mm左右,其最大最小壁厚差為2.3mm。

圖7 加載路徑5下的三通管件

2 液壓脹形實(shí)驗(yàn)

根據(jù)三通管件的液壓脹形原理以及數(shù)值模擬結(jié)果,采用WETORI IST 800-1200液壓機(jī)及模具對(duì)SS304三通管件實(shí)施冷成形。圖8a為WETORI IST 800-1200液壓機(jī),圖8b為對(duì)應(yīng)的成形模具及沖頭。另外研制了特殊潤(rùn)滑涂層,由粒度不小于300目的 CaSO4?2H2 O、機(jī)械油、潤(rùn)滑脂三種組分按質(zhì)量比為 1∶(3～10)∶(0.1～0.8)混合而成。將 φ48.3mm×210mm 的SS304管坯外表面均勻涂抹潤(rùn)滑涂層后進(jìn)行液壓脹形從而制備三通管件。

圖8 液壓成形工藝裝置

從圖9a可以看出,三通管件冷變形前的組織為奧氏體組織,晶界清晰完整,組織均勻性良好。三通管件在液壓脹形過(guò)程中,高壓液體因推動(dòng)支管向上生長(zhǎng),使圖9b所示位置的材料受到拉應(yīng)力,且該處的變形量較大,數(shù)值模擬計(jì)算的該處最大變形量約為53%。同時(shí),該處也是材料從主管向支管方向流動(dòng)的主要區(qū)域。其對(duì)應(yīng)位置的金相組織如圖9b所示,從圖中可以看出,因變形量較大,晶粒沿主要變形方向被拉長(zhǎng),晶粒形狀改變明顯,方向性顯著,充分地顯示了三通管件在此區(qū)域的變形特征。

圖9 304不銹鋼三通管件金相組織

對(duì)于成形后的三通管件,剖開(kāi)后對(duì)相應(yīng)截面進(jìn)行厚度測(cè)量,并計(jì)算其減薄率。另外,測(cè)量實(shí)際成形的三通管件支管高度值。從圖10所示的三通管件主管長(zhǎng)度與支管高度可知,采用液壓脹形工藝成形后的304無(wú)縫不銹鋼三通管件的支管為68mm,其高度滿足GBT12459-2005要求。圖11是304無(wú)縫不銹鋼三通管件兩個(gè)不同區(qū)域的壁厚減薄率分布圖,模擬值和實(shí)驗(yàn)值基本一致。

圖10 實(shí)際成形的三通管件

圖11 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)采用具有平面特征型面的模具及3#沖頭成形的不銹鋼三通管件質(zhì)量在支管高度以及壁厚均勻性方面有明顯改善,可以提高三通管件的成形質(zhì)量;

(2)采用壓力加載路徑4成形三通管件,其支管高度及壁厚差均相對(duì)較優(yōu);材料從主管向支管方向流動(dòng)的主要區(qū)域因變形量較大,晶粒沿主要變形方向被拉長(zhǎng),晶粒形狀改變明顯,方向性顯著;

(3)實(shí)際成形的不銹鋼三通管件在支管高度方面與模擬值基本一致,壁厚分布規(guī)律與模擬值分布規(guī)律接近。通過(guò)成形工具和壓力加載路徑的合理選擇,可以制備出質(zhì)量較高的無(wú)縫不銹鋼三通管件。

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