陸博福 陸 洋

(1.中國第一重型股份公司重裝事業(yè)技術質(zhì)量部，黑龍江 161042;2.齊齊哈爾大學，黑龍江 161006)

在石油化工壓力容器設備換熱器中的變徑殼體較為常見，多用于擴容部位以滿足化工工藝要求，其結構形式有折邊錐殼、無折邊錐殼和反向曲線變徑殼體。對于反向曲線變徑段殼體若按一般封頭沖壓方法加工成型，其產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。為此，本文在總結本企業(yè)制造容器變徑殼體的基礎上，對反向曲線的變徑殼體沖壓成型工藝及模具設計加以論述。

1 反向曲線變徑殼體沖壓工藝選擇

圖1 是反向曲線變徑殼體圖。根據(jù)反向曲線變徑殼體幾何形狀，必須采取兩次沖壓成型法。即先熱壓成型翻邊內(nèi)孔，而后再沖壓成型翻邊外圓。將坯料二次加熱沖壓，從而使零件全部得到成型加工?，F(xiàn)以DN800/600×12 合金鋼16MnR殼體變徑段為例說明成型工藝過程。

1.1 反向曲線變徑殼體內(nèi)孔翻邊沖壓

將鋼板坯料加熱到950～1 100℃，正放于翻邊沖壓下模具上，固定壓邊圈裝置，開動液壓機使上模向下移動加力，翻邊成型零件的小口直徑，退料。完成沖壓成型工作。

圖1 反向曲線變徑段殼體圖Figure 1 Drawing of reverse curve variable diameter shell section

1.2 反向曲線變徑殼體外圓沖壓成型

將鋼板坯料二次加熱到950～1 100℃，正放于翻邊沖壓下模具上，開動液壓機使上模向下移動加力，翻邊成型零件的大口直徑，退料。完成沖壓成型工作。

2 反向曲線變徑殼體展開下料計算

2.1 下料

零件采用大口向內(nèi)翻邊，小口向外翻邊的沖壓方法制做。坯料下成圓環(huán)板平板料即可。

2.2 殼體展開下料內(nèi)外圓直徑計算

根據(jù)等面積展開原理，取零件壁厚度中性層作為算料尺寸基準，而且由于相應兩段中性層圓弧的公切點連線為零件高度的中線，其尺寸為中徑dz。下面分別推導反向曲線變徑殼體下料展開內(nèi)外圓直徑dK、DK。

2.2.1 變徑殼體大端展開直徑計算

式中，H1是變徑殼體曲面高度，H1=全高-2h=184 mm;Rz是曲面半徑中值，Rz=106 mm。

得α=29.78°取為30°。

圖2 是反向曲線變徑殼體展開計算圖，變徑殼體大端曲線方程建立:

則有第一段大徑端曲線方程式為:

曲面微分:

曲面積分:

圖2 反向曲線變徑殼體大端展開計算坐標圖Figure 2 Calculating coordinate graph of reverse curve variable diameter shell large end spread

則有展開直徑:

式中，D 是大端中性層直徑，D=公稱內(nèi)徑+板厚度=812 mm;dz是殼體中徑值，dz=0.5(Dn+dn)+S=712 mm;r 是圓弧中性層半徑，按中性層計算，r=R+6=106 mm;h0是直邊高度，h0=30 mm。

由公式(1)得DK=974。

2.2.2 反向曲線變徑殼體小端展開直徑計算

圖3 為殼體小端展開計算坐標圖。

曲面積分:

式中，d 是變徑殼體小端中性層直徑，d=公稱內(nèi)徑+板厚度=612 mm;dZ=712 mm，h=30 mm;r=106 mm。由公式(2)得dK=489.5 mm。

3 沖壓工藝計算及模具設計

3.1 拉深系數(shù)的計算

大端拉深系數(shù)m1:

式中，Dn是變徑段大端公稱直徑Dn=800 mm;DK是大端展開直徑，DK=974 mm。

式中，d0是變徑段小端公稱直徑d0=600 mm;dK是小端展開直徑，dK=489.5 mm。

圖3 反向曲線變徑殼體小端展開計算坐標圖Figure 3 Calculating coordinate graph of reverse curve variable diameter shell little end spread

3.2 毛坯相對厚度的計算

(1)大端拉深相對厚度u1

可以一次成型，而且不用壓邊圈。

(2)小端拉深相對厚度u2

可以一次成型，而且不用壓邊圈。

3.3 沖壓模具的沖頭直徑設計

大小端的沖壓收縮比相同為0.65%。

Dr大=Dn(1+6.5%)=805+0.5mm

Dr小=Dn(1+6.5%)=604-0.5mm

該模具沖頭可用橢圓封頭模具代用。

3.4 下模拉環(huán)設計

3.4.1 拉環(huán)內(nèi)徑

拉環(huán)內(nèi)徑dM=(Dr+2S+z)

式中，Dr是上模沖頭直徑;S 是板厚度，S=12 mm;z 是間隔，z=1.5 mm。

變徑大端拉環(huán)設計時，Dr=805 mm，則拉環(huán)內(nèi)徑dM1=830+0.5mm。變徑小端拉環(huán)設計時，Dr=604 mm，則拉環(huán)內(nèi)徑dM2=629+0.5mm。

3.4.2 拉環(huán)圓角半徑RM確定

一般應取RM為3 至4 倍的板厚，則

RM=(3～4)S=(3～4)×12=36～48 mm

由于翻邊內(nèi)孔主要是靠拉環(huán)內(nèi)孔成型，所以圓弧半徑不應太小，為此取較大的值為宜即為48 mm。

整體下模厚度H 取3.5 倍的圓弧半徑為宜，即為H=168 mm。

拉環(huán)外徑=內(nèi)徑+200=1 030 mm

當采用組合套式下模時，其拉環(huán)厚度尺寸可減小至100 mm。材料為鍛造鐵，外套材料為鋼板焊接結構件后經(jīng)機加工即可，(有條件的可用鍛鋼件)。對于該下?？捎脴藴蕶E圓封頭的DN800×12 模具代用。

4 翻邊沖壓力計算

變徑段殼本沖壓是由兩個工藝過程，第一次是翻內(nèi)孔圓邊，第二次是外圓收縮沖壓成型。

4.1 內(nèi)孔翻邊沖壓力計算公式

式中，d1是翻邊直徑600 mm;S 是鋼板厚度12 mm;σb'是材料在沖壓結束溫度下的強度極限;m1是沖壓系數(shù)可按表1 選取。

表1 沖壓系數(shù)m1值Table 1 Punch coefficient m1value

4.2 變徑段殼體外圓沖壓力計算

若已知d1=800，d0'=974，則mk=1.22，已超出表1 所示的翻邊系數(shù)取值范圍，故不能用公式(3)計算沖壓力，而應用橢圓封頭沖壓力公式計算沖壓力:

計算得P=π800×12×15×0.50=226 200 kg。滿足壓力機設備能力要求。

5 結語

采用可靠的工藝技術方法對反向曲線變徑段殼體進行整體二次熱沖壓翻邊成型的關鍵在于:一是要根據(jù)等面積展開原理，應用微積分學精確計算毛坯下料展開直徑，二是通過沖壓工藝計算，確定沖壓模具結構形式是否采用壓邊裝置，三是選擇熱沖壓工件加熱溫度和終結溫度，從而保證沖壓封頭質(zhì)量符合要求。

本文所述的反向曲線變徑段殼體整體二次熱沖壓翻邊成型技術，可使所制成形封頭幾何尺寸完全符合圖紙要求，從而取得較為理想的效果。