楊昌群，高金杰，馮智彥，趙升噸，王永飛

制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形工藝仿真分析

楊昌群1，高金杰2，馮智彥2，趙升噸2，王永飛2

（1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司，廣州 510000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

針對(duì)鐵路貨車(chē)空氣管路制動(dòng)系統(tǒng)中焊接法蘭接頭連接質(zhì)量不佳的問(wèn)題，提出一種制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝。分析了制動(dòng)管用AISI 321不銹鋼的高溫變形行為并構(gòu)建了本構(gòu)方程，并通過(guò)DEFORM–2D軟件對(duì)制動(dòng)管件法蘭接頭熱鐓擠工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)在低應(yīng)變速率時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，但在高應(yīng)變速率下會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。本構(gòu)方程得到的應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)為0.986，平均相對(duì)誤差為6.7%。在熱鐓擠工藝成形法蘭接頭過(guò)程中，擠壓階段的最大應(yīng)力位于制動(dòng)管擴(kuò)徑的圓錐面處；鐓粗階段的最大應(yīng)力位于法蘭接頭平面成形處，并最終轉(zhuǎn)移至法蘭接頭的圓角處。建立的本構(gòu)方程能夠反映AISI 321不銹鋼真實(shí)應(yīng)力–真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系，可用于描述該材料在熱鐓擠成形工藝中的塑性變形行為。在該制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形過(guò)程的鐓粗階段，摩擦因數(shù)保持在0.3以下能夠有效降低鐓粗力。

制動(dòng)管件；熱鐓擠；本構(gòu)方程；數(shù)值模擬

目前，國(guó)內(nèi)鐵路貨車(chē)制動(dòng)管系的連接方式主要有螺紋連接、法蘭連接及半剛性的壓緊式快裝管接頭連接，其中法蘭連接的用途最廣泛[1]。圖1為傳統(tǒng)制動(dòng)管法蘭連接原理示意圖，傳統(tǒng)制動(dòng)管法蘭連接主要是采用螺栓對(duì)焊接在管件端部的接頭體進(jìn)行緊固連接。長(zhǎng)期行車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)容易使法蘭連接松動(dòng)而導(dǎo)致壓縮空氣泄漏[2]，制動(dòng)管件法蘭處氣體泄漏的問(wèn)題已占制動(dòng)系統(tǒng)故障總數(shù)的18.9%，特別是在低溫環(huán)境下，接頭處焊接部位容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致法蘭接頭漏泄嚴(yán)重，甚至?xí)o(wú)法發(fā)車(chē)[3]。因此，接頭處質(zhì)量的好壞很大意義上決定了制動(dòng)系統(tǒng)的安全與否。

針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)管系法蘭連接處氣體泄漏的問(wèn)題，王力等[4]提出了制動(dòng)管系柔性連接技術(shù)，該技術(shù)減輕了車(chē)輛振動(dòng)、變形對(duì)制動(dòng)管系連接密封的影響，提高了管系連接密封的可靠性。伊松年等[5]采用了有唇邊結(jié)構(gòu)和具有自密封特性的新型密封墊圈，使法蘭變形時(shí)制動(dòng)管連接處仍能保持良好的密封性能。劉新等[6]提出了雙密封法蘭接頭，在接頭體上增加O型橡膠密封圈與原有E型橡膠密封圈配合，形成雙密封結(jié)構(gòu)。但是上述方案僅對(duì)現(xiàn)有法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)以減少氣體泄漏量，并沒(méi)有解決法蘭連接處氣體泄漏的根本問(wèn)題。

為了解決管件與接頭體之間連接質(zhì)量不佳的問(wèn)題，文中提出了一種管件一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝，利用高溫下先擠壓后鐓粗的思想，直接在管件端部成形一體式法蘭接頭，完全取代接頭體與管件的焊接結(jié)構(gòu)，從而避免了因焊接質(zhì)量不良引起開(kāi)裂或因連接剛性不夠最終導(dǎo)致管件內(nèi)壓縮空氣泄漏的問(wèn)題。以常見(jiàn)的制動(dòng)系統(tǒng)管件材料AISI 321不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）為研究對(duì)象，先采用熱模擬壓縮試驗(yàn)分析其熱變形行為，建立該材料的本構(gòu)方程，然后將該本構(gòu)方程導(dǎo)入到DEFORM–2D有限元軟件中，對(duì)熱鐓擠工藝過(guò)程的應(yīng)力情況以及不同工藝參數(shù)對(duì)成形力的影響進(jìn)行數(shù)值分析，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供一定的理論依據(jù)。

1 制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝

1.1 成形件及熱鐓擠工藝原理

圖2為利用DN32型AISI 321不銹鋼管（內(nèi)徑36 mm，外徑24 mm）成形的制動(dòng)管一體式法蘭接頭的形狀與尺寸，熱鐓擠成形工藝原理如圖3所示，該工藝過(guò)程分為擠壓和鐓粗2個(gè)階段。在擠壓階段，夾具夾持著預(yù)熱管件坯料以速度1進(jìn)給，而擠壓內(nèi)模具以比1略小的速度2同向運(yùn)動(dòng)，使管件末端擠壓變形，填滿(mǎn)因擠壓內(nèi)模具運(yùn)動(dòng)而不斷變大的型腔，達(dá)到聚料的目的。在鐓粗階段，夾具固定坯料，鐓粗內(nèi)模具以速度3將管件端部的聚料鐓粗為法蘭接頭。

圖1 傳統(tǒng)制動(dòng)管件法蘭連接原理[2]

圖2 管件端部法蘭接頭的形狀與尺寸（mm）

Fig.2 Shape and size of flange joint at pipe end (mm)

1.2 熱模擬壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文中通過(guò)熱模擬壓縮試驗(yàn)獲取AISI 321不銹鋼真應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的工藝過(guò)程，其工藝過(guò)程如下：將AISI 321不銹鋼試樣（8 mm×12 mm）加熱到不同溫度（900、1 000、1 100、1 200 ℃），保溫5 min后，分別在不同應(yīng)變速率（1、10、20、50 s?1）下進(jìn)行變形量為60%的壓縮試驗(yàn)，同時(shí)記錄相應(yīng)的真應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)。當(dāng)試樣達(dá)到預(yù)設(shè)變形量后，取出試樣并水冷至室溫。

圖3 熱鐓擠成形工藝原理

Fig.3 Principle of hot upsetting-extruding process

1.3 數(shù)值分析參數(shù)設(shè)置

在熱鐓擠工藝成形一體式法蘭接頭的DEFORM數(shù)值模擬過(guò)程中，選用熱模擬壓縮試驗(yàn)獲得的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)構(gòu)建材料本構(gòu)模型，并選取軸對(duì)稱(chēng)分析方式、Newton–Raphson迭代方式和Lagrangian Inceremental求解類(lèi)型進(jìn)行分析。其中擠壓過(guò)程第1階段只有坯料運(yùn)動(dòng)，設(shè)置步數(shù)為107，步長(zhǎng)為0.005 s，此時(shí)坯料進(jìn)給速度為+方向30 mm/s；第2階段坯料和內(nèi)模具同向運(yùn)動(dòng)，設(shè)置步數(shù)為500，步長(zhǎng)為0.005 s，此時(shí)坯料速度保持30 mm/s不變，根據(jù)定速比=2.89，計(jì)算得到內(nèi)模具速度為10.37 mm/s。在鐓粗階段，內(nèi)模具運(yùn)動(dòng)速度為沿?方向10 mm/s，設(shè)置步數(shù)為1 080，步長(zhǎng)為0.001 s。其他參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱鐓擠成形模擬參數(shù)

Tab.1 Simulation parameters of hot upsetting-extruding process

2 AISI 321不銹鋼本構(gòu)方程的建立

2.1 應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)分析

不同成形溫度、應(yīng)變速率下AISI 321不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示，由圖4可以看出，壓縮時(shí)AISI 321不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大，隨著成形溫度的升高而減小。加工硬化效應(yīng)和動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)在壓縮過(guò)程中相互作用，共同決定了應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的趨勢(shì)[7-8]。在初始變形階段，塑性變形產(chǎn)生的位錯(cuò)密度迅速增加，加工硬化效應(yīng)占主導(dǎo)地位，而動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)非常有限，AISI 321不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力迅速上升直至達(dá)到峰值應(yīng)力。但是隨著成形溫度的升高，達(dá)到峰值應(yīng)力所需的真實(shí)應(yīng)變逐漸減小，這是由于溫升降低了材料的臨界剪切應(yīng)力，促進(jìn)了位錯(cuò)的交滑移和攀移，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界真實(shí)應(yīng)變逐漸減小[9-10]。隨著變形的繼續(xù)，位錯(cuò)的相互抵消和重排現(xiàn)象加劇，動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)逐漸明顯。真應(yīng)力–真應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定甚至下降的趨勢(shì)。在低應(yīng)變速率下，AISI 321不銹鋼真應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，如圖4a和b所示；而在高應(yīng)變速率下，真應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，特別是在50 s?1時(shí)最為明顯，如圖4d所示，高應(yīng)變速率促進(jìn)位錯(cuò)大量形成，高密度位錯(cuò)阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶行為，因此真實(shí)應(yīng)力會(huì)增大。同時(shí)，變形過(guò)程中產(chǎn)生的孿晶變形改變了晶粒取向，使材料在沿著晶粒有利的取向方向上繼續(xù)變形，因此，真實(shí)應(yīng)力降低，如此反復(fù)作用形成真應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的波動(dòng)現(xiàn)象[11-12]。

2.2 本構(gòu)方程求解及驗(yàn)證

金屬材料熱成形時(shí)真實(shí)應(yīng)力與成形溫度、應(yīng)變速率、真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系可用Arrhenius方程[13-15]描述，如式（1）所示。成形溫度、應(yīng)變速率對(duì)材料塑性變形行為的影響可通過(guò)Zener–Hollomon參數(shù)表示，如式（2）所示。在式（1）中，冪指數(shù)規(guī)律適用于低應(yīng)力水平的情況，如式（3）所示，而指數(shù)規(guī)律適用于高應(yīng)力水平的情況，如式（4）所示，而在整個(gè)變形范圍內(nèi)，Arrhenius方程中的雙曲正弦規(guī)律則更為適用[16-18]，如式（5）所示。

圖4 不同成形溫度、應(yīng)變速率下AISI 321不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)

Fig.4 True stress-true strain curves of AISI 321 stainless steel at different forming temperature and strain rates

圖5 真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)真實(shí)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

圖6 真實(shí)應(yīng)變0.5時(shí)ln[sinh(ασ)]與、T的關(guān)系

將已獲得的參數(shù)=2.085 7×1018、2=7.915 2、=0.004 57、=440.63 kJ/mol代入式（5），得到AISI 321不銹鋼在熱成形溫度下的本構(gòu)方程，如式（9）所示，根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，真實(shí)應(yīng)力可以表達(dá)為Zener–Hollomon參數(shù)的函數(shù)[20]，如式（10）所示。采用Zener–Hollomon參數(shù)表達(dá)AISI 321不銹鋼的本構(gòu)方程，如式（11）所示。

圖7為AISI 321不銹鋼本構(gòu)方程預(yù)測(cè)值與=0.5時(shí)的真實(shí)應(yīng)力值的比較結(jié)果，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.986，平均相對(duì)誤差為6.7%，可見(jiàn)該本構(gòu)方程能夠反映AISI 321不銹鋼真實(shí)應(yīng)力–真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系，可用于描述該材料熱鐓擠成形工藝中的塑性變形行為。

圖7 AISI 321不銹鋼本構(gòu)方程預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相關(guān)性

3 一體式法蘭熱鐓擠過(guò)程的數(shù)值分析

3.1 應(yīng)力分析

一體式法蘭熱鐓擠過(guò)程中坯料的等效應(yīng)力變化如圖8所示。在擠壓階段（見(jiàn)圖8a—d），坯料在剛進(jìn)入型腔時(shí)受到內(nèi)模具的阻力開(kāi)始擴(kuò)徑，在坯料頂端區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值為219 MPa（見(jiàn)圖8a）。隨著內(nèi)模具開(kāi)始與坯料同向運(yùn)動(dòng)，坯料頂端區(qū)域的應(yīng)力值迅速減小，最大等效應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圓錐面處，如圖8b所示。隨著擠壓變形的加劇，坯料的等效應(yīng)力仍然主要分布在圓錐面處，如圖8c和d所示。但是坯料溫度的降低導(dǎo)致金屬流動(dòng)阻力增加，同時(shí)變形坯料在模具型腔的堆積也使坯料與內(nèi)外模具間的摩擦力不斷增大，最終導(dǎo)致擠壓階段坯料的等效應(yīng)力最大值增大至506 MPa。在鐓粗階段開(kāi)始時(shí)，坯料的等效應(yīng)力主要集中在坯料頂端與內(nèi)模具接觸區(qū)域，應(yīng)力值為120～180 MPa，如圖8e和f所示。當(dāng)鐓粗進(jìn)行到1 500步時(shí)，頂端坯料受到外模具凸臺(tái)的徑向限制，等效應(yīng)力略有增大。坯料的內(nèi)徑與模具接觸區(qū)域的等效應(yīng)力迅速增大，最大值達(dá)到193 MPa，如圖8g所示。在鐓粗結(jié)束階段，坯料在鐓粗外模具凸臺(tái)的擠壓下形成法蘭接頭，等效應(yīng)力主要集中在法蘭接頭的圓角處，最大值達(dá)到269 MPa。

圖8 鐓粗階段和擠壓階段1/2坯料等效應(yīng)力分布

3.2 不同參數(shù)對(duì)擠壓力及鐓粗力的影響

在傳統(tǒng)零件熱鍛生產(chǎn)成形過(guò)程中，模具預(yù)熱溫度一般為200～300 ℃，文中為進(jìn)一步優(yōu)化模具預(yù)熱溫度，對(duì)模具在室溫以及更高預(yù)熱溫度下進(jìn)行仿真研究。模具預(yù)熱溫度分別為20、100、300、500、700 ℃時(shí)的擠壓力曲線(xiàn)如圖9所示，由圖9可以看出，擠壓力的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同。坯料剛接觸內(nèi)模具圓錐面時(shí)（0.5 s），坯料開(kāi)始擴(kuò)徑，擠壓力直線(xiàn)增大；隨后內(nèi)模具開(kāi)始和坯料同向運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致擠壓力小幅下降后逐漸增大至最大值，但是隨著模具預(yù)熱溫度由20 ℃上升至100、300、500、700 ℃，最大擠壓力由650 kN降至599、476、369、266 kN，降幅分別為7.8%、27%、43%、59%，說(shuō)明較高的模具預(yù)熱溫度可以有效降低擠壓力。模具的溫度越高，坯料與模具接觸耗散的熱量越少；坯料溫度越高，流動(dòng)阻力越小，成形力相應(yīng)就會(huì)越小，但是過(guò)高的模具預(yù)熱溫度對(duì)模具材料及加熱設(shè)備要求較高。

圖9 不同模具預(yù)熱溫度對(duì)擠壓力的影響

Fig.9 Effect of mould preheating temperature on extrusion force

同理，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)坯料與模具間的剪切摩擦因數(shù)分別為0.1、0.2、0.3時(shí)，擠壓力及鐓粗力曲線(xiàn)如圖10所示。由圖10a可知，不同摩擦因數(shù)下擠壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，但是當(dāng)摩擦因數(shù)從0.1增長(zhǎng)到0.2、0.3時(shí)，擠壓力最大值從369 kN上升到了406 kN、450 kN。因此，為了降低擠壓力，坯料與模具間必須采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑以降低摩擦力。不同摩擦因數(shù)下鐓粗力的變化趨勢(shì)如圖10b所示。在鐓粗初始階段，模具與坯料接觸后，成形力迅速直線(xiàn)上升至一個(gè)固定值。當(dāng)坯料前端彎曲到貼緊外模具的內(nèi)壁時(shí)，管件末端發(fā)生了劇烈變形，成形力也隨時(shí)間的增加而穩(wěn)定上升，但是當(dāng)模具型腔即將充滿(mǎn)時(shí)，成形力迅速增大至最大值。當(dāng)摩擦因數(shù)從0.1增大到0.2時(shí)，鐓粗力雖略有增大，但是區(qū)別并不明顯；當(dāng)摩擦因數(shù)增大到0.3時(shí)，鐓粗力明顯增大。因此，鐓粗階段摩擦因數(shù)保持在0.3以下能夠有效降低鐓粗力。

圖10 不同摩擦因數(shù)對(duì)擠壓力和鐓粗力的影響

Fig.10Effect of different frictional coefficient on extrusion force and upsetting force

4 結(jié)論

針對(duì)鐵路貨車(chē)空氣管路制動(dòng)系統(tǒng)中焊接法蘭接頭連接質(zhì)量不佳的問(wèn)題，提出了一種制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝。分析了制動(dòng)管用AISI 321不銹鋼的高溫變形行為，并構(gòu)建了該材料的本構(gòu)方程。在此基礎(chǔ)上，采用DEFORM–2D軟件對(duì)制動(dòng)管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了熱鐓擠過(guò)程中坯料的等效應(yīng)力變化情況，揭示了不同參數(shù)對(duì)擠壓力及鐓粗力的影響，從中獲得的結(jié)論如下。

1）AISI 321不銹鋼材料的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)在低應(yīng)變速率時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，但在高應(yīng)變速率下會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)；建立的材料本構(gòu)方程的應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)為0.986，平均相對(duì)誤差為6.7%。

2）在熱鐓擠工藝成形法蘭接頭過(guò)程中，擠壓階段的最大應(yīng)力位于制動(dòng)管擴(kuò)徑的圓錐面處；鐓粗階段的最大應(yīng)力位于法蘭接頭平面成形處，并最終轉(zhuǎn)移至法蘭接頭的圓角處。

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Numerical Analysis of Hot Upsetting-extruding Process for Integrated Flange Fitting on Brake Pipe

YANG Chang-qun1, GAO Jin-jie2, FENG Zhi-yan2, ZHAO Sheng-dun2, WANG Yong-fei2

(1. South China Branch of National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co., Ltd., Guangzhou 510000, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The work aims to propose ahot upsetting-extruding process for integrated flange fitting on brake pipe to solve the poor connection quality of welded flange on the brake pipeline system of the freight train. The high temperature deformation behavior of AISI 321 stainless steel for brake pipe was analyzed and the corresponding constitutive equations was established. Then the numerical analysis of the hot upsetting-extruding process for flange fitting on brake pipe was conducted with DEFORM-2D software. Results showed that the stress-strain curve presented steady flow at lower strain rates, but had obvious fluctuation at higher strain rates. The correlation coefficient between the calculated stress and the experimental stress of constitutive equation was 0.986 and the average relative error was 6.7%. During the hot upsetting-extruding process to form the flange fitting, the maximal stress of the extruding process was located at the conical surface of the tube expanding part; while the maximal stress of the upsetting process was placed at the flat surface of the integrated flange fitting and finally transferred to the rounded corners of the flange fitting. The established constitutive equation can reflect the relationship between real stress and real strain of AISI 321 stainless steel, and can be used to describe the plastic deformation behavior of this material during hot upsetting-extrusion. In the upsetting stage of the hot upsetting-extruding of integrated flange fitting on brake pipe, keeping the friction coefficient below 0.3 can effectively reduce the upsetting force.

brake pipe; hot upsetting-extruding; constitutive equation; numerical analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.009

TG249.9

A

1674-6457(2022)07-0064-08

2021–03–16

航天科技創(chuàng)新應(yīng)用研究項(xiàng)目（1A0A9FC6）；航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1937203）；陜西省液壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（YYJS2022KF 06）

楊昌群（1967—），男，高級(jí)專(zhuān)家，主要研究方向?yàn)閮x表自動(dòng)化及其智能制造。

王永飛（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)塑性精確成形技術(shù)及其智能裝備。

責(zé)任編輯：蔣紅晨