（材料加工工程专业论文）大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究.pdf

中文摘要 大锻件广泛用于核能、水电、火电、交通运输等行业，是重大技术装备和重大工 程所必需的重要基础部件，其制造能力和水平直接决定着相关装备的制造能力和水 平。然而，我国现有大型锻件制造能力和水平与国外差距明显，一些高端产品如大型 水电、核电、火电、冶金等锻件仍然无法满足要求，成为制约我国重大工程建设和重 大技术装备制造业的瓶颈。 本文以核电蒸发器水室封头成形工艺为研究对象，采用有限元数值模拟与实验验 证相结合的研究方法，着重研究封头拉深成形和局部翻孔中材料塑性变形的规律及主 要工艺参数的优化，分析了影响拉深和翻孔成形的主要因素，总结出各工艺参数对成 形的影响规律，最终确定工艺方案。本课题的研究内容及得到的结论如下： 1 ) 对于拉深变形：通过对毛坯板形和模具的修改，并结合模具间隙的调整等不 同方案，解决初始方案中球面部分壁厚不均匀及直壁部分壁厚和支撑台位置不符合锻 件图的要求等问题，使球面部分壁厚最薄点在达到锻件图要求的前提下，争取了拉深 封头成形的最优效果，得到了合理的工艺参数( 毛坯板形结构、凹模圆角半径、凸凹 模间隙) 。 2 ) 对于翻孔变形：在板料拉深成形的基础上，对半球形封头在指定位置按要求 翻孔成形出两个接管段。在研究过程中，对工件的预加工孔径和孔型等参数进行优化， 兼顾接管段壁厚和最大翻起高度，改善了“收腰”现象，得到了合理的工艺参数( 预 加工孔径、冲头形状、凹模内径及圆角半径) 。 在得到优化方案的基础上，采用1 ：3 模拟实验的方法进行验证，由收集的实验 数据表明，实验结果与数值模拟结果在总体趋势上一致，验证了工艺方案的可行性， 完成了该工艺的1 ：3 模拟实验。 通过数值模拟和l ：3 实验模拟，分析了影响封头壁厚分布及其控制尺寸的主要 因素，分析了影响接管段形状及其控制尺寸的主要因素，获得了壁厚分布规律和符合 要求的接管段尺寸，完成了拉深毛坯的板形结构与模具设计及翻孔工艺的模具设计。 本课题的研究工作是为了提高大型锻件生产工艺的科学性和准确性，为同类型产 品的生产提供理论依据，为蒸发器水室封头的生产试制奠定基础，从而达到提高企业 经济效益、增强技术储备的目的。 关键词：半球形封头；拉深；壁厚；翻孔；预加工孔；参数优化；有限元 a b s t r a c t h e a v yf o r g i n g s ，a si m p o r t a n tb a s i cc o m p o n e n t si nt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t sa n d m a j o rp r o j e c t s ，a r ew i d e l yu s e di nn u c l e a rp o w e r , h y d r o p o w e r , t h e r m a lp o w e ra n d t r a n s p o r t a t i o n i t sm a n u f a c t u r i n gc a p a c i t ya n dt h el e v e ld i r e c t l yi n f l u e n c et h er e l a t e d e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gc a p a c i t ya n dt h el e v e l h o w e v e r , t h e r ei sah u g eg a pb e t w e e n c h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s s o m ea d v a n c e dp r o d u c t s ，l i k eh e a v yf o r g i n g su s e df o r l a r g e s c a l e dh y d r o p o w e r , n u c l e a rp o w e r , t h e r m a lp o w e ra n dm e t a l l u r g yi n d u s t r ya r ef a r b e y o n dt h ed e m a n dq u a l i t y , w h i c hh a sb e c a m et h eb o t t l e n e c kb l o c k i n gt h ek e yp r o j e c t c o n s t r u c t i o n sa n di m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t s o b j e c t i n gt h ef o r m i n gt e c h n o l o g yo ft h eh y d r o e c i u mh e a do nt h en u c l e a r e v a p o r a t o r , t h i sp a p e ru s e st h er e s e a r c hm e t h o dc o m b i n e d 、i t l lt h ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，m a i n l yr e s e a c h e st h el a wo f m a t e r i a l sp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r si nt h ed r a w i n g a n dl o c a lh o l ef l a n g i n g ，a n da n a l y z e st h em a i nf a c t o r se f f e c t i n gt h ed r a w i n ga n dh o l e f l a n g i n gf o r m i n g ，f i n a l l yw es u m m a r i z et h ee f f e c t i n gl a wo fe a c hp r o c e s sp a r a m e t e r si nt h e f o r m i n g ，a n dd e t e r m i n et h ep r o c e s sp r o j e c te v e n t u a l l y t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) d r a w i n gd e f o r m a t i o n ：t h r o u g ht ot h es e m i f i n l s h e dm a t e r i a l ss h a p eo fs t r i pa n dt h e m o l dr e v i s i o n ，a n du n i f i e st h em o l dg a pt h ea d j u s t m e n ta n ds oo nt h ed i f f e r e n tp l a n ，i nt h e s o l u t i o ni n i t i a lp l a ns p h e r i c a ls u r f a c ep a r t i a lw a l lt h i c k n e s sn o n u n i f o r ma n ds t r a i g h tw a l l p a r t i a lw a l lt h i c k n e s sa n db a c k su pt h ep o s i t i o nn o tt oc o n f o r mt of o r g i n gc h a r tq u e s t i o n s a n ds oo nr e q u i r e m e n t ，e n a b l e st h es p h e r i c a ls u r f a c ep a r t i a lw a l lt h i c k n e s st h i n n e s ts p o ti n t oa c h i e v et h ef o r g i n gc h a r tr e q u e s tu n d e rt h ep r e m i s e ，s t r i v e sf o rt h ed r a w i n gs h e l lc o v e r f o r m i n gt h em o s ts u p e r i o re f f e c t ，h a sd e t e r m i n e dt h er e a s o n a b l ec r a f tp a r a m e t e r 2 ) h o l ef l a n g i n g ：b a s e do nt h es h e e td r a w i n gf o r m i n ga n df o l l o w i n gt h er e q u i r e m e n t s ， h o l ef l a n g i n gf o r m st w ojo i n tp i p es e c t i o n si nt h ed e s i g n a t e ds p o tt ot h es e m i s p h e r i c a l h e a d c o n s i d e r i n gt h ew a l l t h i c k n e s sa n dm a x i m a mf l a n g i n gh e i g h to f jo i n tp i p es e c t i o n s ， w eo p t i m i z et h ef a c t o r so f p r e - p r o c e s s i n gh o l ed i a m e t e ra n dh o l ep r o f i l e ，i m p r o v et h e p h e n o m e n o no fr e t r a c tw a i s t ，a n dd e t e r m i n et h er e a s o n a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r s b a s e do nt h eo p t i m i z e dp r o j e c ta n d a d o p t i n gt h e1 ：3e x p e r i m e n tm e t h o dt ov e r i f y , t h e g a t h e r e de x p e r i m e n t a ld a t ac a i ls h o w t h ec o n s i s t e n c yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t ，v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e s sp r o je c t ，a n dc o m p l e t et h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sa n d1 ：3s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d1 ：3e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ep r o c e s sp a r a m e t e r se f f e c t i n gt h eh e a dw a l l t h i c k n e s sa n dc o n t r o l l i n gs i z e ，g e t t h ew a l l - t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o nl a wa n dt h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r se f f e c t i n gt h ej o i n t p i p es e c t i o n ss h a p ea n ds i z e ，a n dc o m p l e t et h ep l a t es h a p es t r u c t u r ea n dt h e d i ed e s i g no f t h eb l a n ka sw e l la st h ed i ed e s i g no ft h eh o l ef l a n g i n gp r o c e s s t h i st o p i cr e s e a r c hw o r ki st oi m p r o v et h es c i e n c ea n da c c u r a c yo ft h ep r o d u c t i o n p r o c e s st ot h el a r g e s c a l ef o r g i n g ，p r o v i d e st h et h e o r yb a s i sf o rt h es a m et y p ep r o d u c t p r o d u c t i o n ，a n de s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h et r yp r o d u c t i o no ft h eh y d r o e c i u mh e a d o nt h en u c l e a re v a p o r a t o r , t h u sr e a c h e st h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ee c o n o m i c b e n e f i ca n de n h a n c i n gt e c h n i c a lr e s e r v e k e yw o r d s ：s e m i s p h e r i c a lh e a d ； d r a w i n g ，w a l lt h i c k n e s s ；h o l e f l a n g i n g ，； p r e - h o l e ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；f e m 2 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：聋五垄日期：磁 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：蠢互蕴日期：丝擎笸 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源 1 1 1 选题背景 随着近年来我国国民经济持续快速的增长，电力包括煤炭、石油等能源已经开 始出现了供不应求的局面，而常规化石能源的大量使用，使环境污染问题不断加剧， 给生态环境造成很大压力，继而也造成了高昂的经济成本和环境成本，并对公众健 康产生了较明显的损害叫。这些不利因素都对社会、环境和经济的可持续发展构成 巨大压力。核电作为一种经济、清洁的替代能源已经在世界各国达成共识。积极推 进核电建设是必然也是最现实的选择乜卅。 大锻件广泛应用于核能、水电、火电、交通运输等行业，是重大技术装备和重 大工程所必需的重要基础部件，其制造能力和水平直接决定着相关装备的制造能力 和水平。然而，我国现有大型锻件制造能力和水平与国外差距明显，一些高端产品 如大型水电、核电、火电、冶金等锻件仍然无法满足要求，成为制约我国重大工程 建设和重大技术装备制造业的瓶颈，因此，提高大型锻件生产工艺的科学性和准确 性势在必行。本课题正是在已有的理论基础上，着重对大型厚壁半球形封头的成形 工艺进行了研究。 1 1 2 大型锻件的质量要求及特点 大锻件的工作条件和受力情况极为复杂和繁重，又要求在服役期内有很高的可 靠性，而且核电设备的锻件结构复杂、尺寸大、壁厚、质量、技术要求等极为严格， 综合机械性能很高，并且要求有良好的内部组织。 大型锻件的质量，必须满足三个方面的要求：一是消除钢锭内部的冶金缺陷， 二是要获得大小均匀的细晶粒组织，三是实现锻件力学性能的定向定量分布。由于 尺寸和重量的特征，实现上述大型锻件的质量要求，有着特殊的难度。 大型锻件的生产有以下三个主要特点： ( 1 ) 质量要求严格。大型锻件是重大技术装备的关键零部件，工件条件特殊， 受力情况复杂，要求质量可靠、性能优良，确保安全运行。 ( 2 ) 工艺过程复杂。大锻件的生产过程是一项系统工程，包括：冶炼、铸锭、 加热、锻造、粗加工、热处理等。工艺环节多，周期长，生产技术复杂。 ( 3 ) 生产费用高。大锻件的原料能源劳动力及工具消耗大，生产周期长，占用 大型设备多，因而生产成本高。 1 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 提高大型锻件质量，保证其在运行过程中的安全性和可靠性，提高材料利用率， 降低消耗，在技术上和经济上都有十分重要的意义伊1 2 1 。 1 2 国内外核电大型锻件的研究及其技术发展趋势 大型锻件是综合材料、冶炼、锻造、热处理、焊接和检测为一体的高技术产品， 大型锻件的制造是重大技术装备制造的关键技术之一，其质量直接影响到成套装备 的整体水平和运行可靠性，这也就对大型锻件提出了更高的要求n 割。 在传统设计中，水室封头是由顶盖和法兰焊接而成的。经过多年的应用、优化 和改进，传统方案已趋于完善和规范化，但是随着大尺寸厚壁部件的出现，若仍沿 用焊接方法，那么产生层状撕裂的倾向在加大，而且在层状撕裂的附近往往又会诱 发新的裂纹，这样对焊接工艺和焊材提出了高的要求。为避免焊接缺陷在大锻件中 引起的一系列问题，封头设计向整锻一体化方向发展。现在已经有利用大型整体封 头建造核电站用蒸气发生器的方案在实施，这样就缩短了生产时间和在役无损检查 的范围，从而提高核电生产能力。 整体式封头在成形后仍存在一些问题，比如半球形封头在完成拉深工艺后存在 壁厚不均，尤其是球面部分壁厚不均现象明显，而直壁部分壁厚较薄。壁厚不均加 上大型钢锭将会导致如下问题：锻造过程中难以获得精确尺寸；热处理过程中难以 在整个体积上取得适当的力学性能等n 钔。在随后进行的翻孔工艺中，存在的“收腰” 现象以及壁厚与翻起高度间的矛盾关系等等。这些问题的存在足以影响了半球形封 头成形的质量，因此研究位于球冠不同部位、不同形态和尺寸缺陷在胀形变形过程 中演变及成形规律，研究模具、坯料的关键参数对缺陷形态的影响规律，掌握温度、 速率等合理工艺参数的范围，提出预成形所需最小锻比等问题对大型厚壁半球形封 头的成形有十分重要的作用。 目前国际上的先进锻造机组主要是：日本铸锻钢株式会社( j c f c ) ：在1 9 9 2 年，j c f c 根据通过用铅进行的模拟试验和有限元法进行的记算模拟，开发了合理的 锻造工艺，制造了第一个带支撑耳柄的整锻下封头。法国克鲁索锻造厂( c r e o s o t f o r g ei n d u s t r i e ) 成熟的空心钢锭制造技术在国际上首屈一指，所有核电、石化容 器筒形锻件全部采用空心钢锭制造，降低了大量的生产成本。韩国斗山重工和日本 室兰制钢所( j s w ) 也在整锻方面做过一定的研究。 当前，中国一重、二重等我国大锻件生产企业在引进吸收在消化的基础上，都 取得了长足的进展。尽管如此，国内对封头尤其是大尺寸厚壁工件的成形过程分析 2 第一章绪论 还很缺乏，也没有科学地给出成形过程中的规律。不论与起步早的日本j s w 相比， 还是与生产大锻件历史不长的韩国斗山重工相比，我国大型锻件水平受国家宏观政 策的导向和支持力度的限制，目前仍停留在3 0 0 吨级钢锭和3 0 0 6 0 0 m 1 】| 发电机组锻 件阶段，还没有真正涉及到大型锻件，在相关技术上仍是受制与人。 根据已查得的文献资料发现，对于厚壁球形封头的成形，国内外一些工厂虽对 之作了一定的研究，但主要是从生产中的工艺方面入手进行分析，在相关塑性成形 理论方面的研究较少。重庆大学的李海峰等同学对封头的热拉伸工艺做了理论分析 c 1 s 。对于翻孔工艺的特点及应用，国内外对其进行了大量的研究，但仅局限于薄板 料的研究。y a m a d a 和k o i d e 采用塑性增量理论的方法研究了平底圆柱形冲头的翻孔 成形工艺。尤其在日本，很多学者运用f e m ( 有限元) 结合实验探讨了翻孔工艺成 形方面的许多问题。结果显示，f e m 模拟与实验具有相同的变形过程，这对预测翻 孔产品的尺寸很有效。2 0 0 0 年9 月日本大学大学院理工学研究科今关亮介和日本大 学理工学部机械工学科内田幸彦等对厚板料变薄翻孔的成形特征进行了更加细致 的分析。分析了三种成形类型，着力分析了影响翻孔成形的因素，坯料预加工孔径 与厚度的比率和凸模直径与凹模中心孔径间的比率之间的关系、成形高度与间隙间 的关系、成形高度对凸模直径和间隙问的关系等，并通过有限元软件分析了翻孔的 变形机理n 6 1 明。 1 3 塑性成形中数值模拟技术的发展 金属的塑性加工是以塑性为前提条件。塑性越好，则预示着金属具有更好的塑 性成形适应能力。从工艺角度出发，人们总是希望变形金属具有良好的塑性。金属 塑性加工作为金属加工的一种重要工艺方法，它不仅生产效率、高原材料消耗少， 而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织，因此，塑性加工作为制造业的一 个重要分支，广泛应用于工业制造中n9 1 。其成形过程是复杂的弹塑性大变形，影响 因素众多，如模具形状、毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等。该过程涉及到 几何非线性、材料非线性等一系列难题。 现在广泛采用的金属塑性成形研究方法是将传统的塑性加工技术和近代计算 机技术相结合。作为一种有效的数值计算方法，目前有限元已被应用到金属塑性成 形加工过程的数值模拟之中，它可以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离 散任意形状的变形体，适用于任意速度边界条件。通过有限元数值模拟，可以在模 具加工制造之前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流 3 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 动规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。这样，可 以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要问题在设计阶段就可以有效解决。 根据变形的特征，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺。体积成形 中，如锻造、挤压、轧制等，金属塑性变形较大，而弹性变形相对较小可忽略。在 板料成形中，如冷冲压、冷轧等，金属材料虽然总的变形较大，但其中的弹性变形 部分也占一定比例，此时必须与塑性变形同时考虑。正因为如此，形成了刚塑性材 料模型和弹塑性材料模型塑性有限元法就被分为刚( 粘) 塑性有限元法和弹塑性有 限元法。弹塑性有限元法考虑了金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是 p r a n d l t m i s s 本构方程。弹塑性有限元法可分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹 塑性有限元法，前者主要分析金属成形过程中的初期情况，后者应用于变形量发生 大变化的后期阶段。在模拟分析时常用到的软件有m a r c 、a n s y s 、f o r g e 等这 些软件的基本方程都是基于l a g r a n g e ( 拉格朗日) 坐标而写的。相比较而言刚( 粘) 塑性有限元法忽略了成形中的弹性变形，其基本理论是变分原理。该分析方法适用 于锻造、挤压和轧制等，并且刚塑性有限元通常只用于冷加工、而对于热加工则要 用到刚粘塑性有限元法。由于刚( 粘) 塑性有限元法是一种基于变分原理的有限 元方法，使计算的增量步长可以取得大一点，并且该方法可以用小变形的计算方法 处理大变形问题，所以刚( 粘) 塑性有限元法克服了弹塑性有限元法中计算量大、 运算时间长、效率低等不足，使计算程序大大简化，计算效率大大提高。目前它己 成为金属体积成形的主要数值模拟方法。常用的刚( 粘) 塑性有限元分析软件有 d e f o i m 、a l p i d 、m a f a p 等，其基本方程是对于e u l e r ( 欧拉) 坐标系而写的。 如今很多有限元分析软件已经很商业化了，不少企业开始采用它们来进行模具的设 计和工艺等的分析啪1 。d e f o r m 是由美国s f t c 公司开发的一套面向塑性加工及相 关行业的工艺分析有限元软件，利用d e f o r m 可以在计算机上模拟工件的塑性加 工过程，了解加工过程中材料流动状态；预测各种缺陷的产生和扩展、修正、优化 工艺设计方案，达到减少材料消耗，降低生产成本，缩短新产品开发周期，提高产 品质量的目的。 d e f o r m 软件分为2 d 和3 d 系统，两者功能类似，只是后者处理的对象为复 杂的三维零件和模具等。因此可以利用该软件对成形过程等进行模拟仿真分析。 结合我国机械行业发展态势，大锻件的控制锻造还存在很多难题有待于解决。 其中，对锻造工艺方案进行数值模拟是解决上述问题的重要方法。控制锻造涉及两 个方面的内容，一是对锻件外部几何形状的控制，二是对锻件组织和性能的控制。 4 第一章绪论 故基于控制锻造和本课题的需要，获得良好的外部几何尺寸和防开裂是研究的重中 之重。该论文采用d e f o r m 软件分析，对大型厚壁半球形封头工艺进行开发与研 究。 1 4 研究的内容和实验拟采用的试验方法以及意义 1 4 1 研究方法及内容 ( 1 ) 拉深工艺模拟：利用有限元( d e f o r m ) 软件进行数值模拟，研究在保证 球面部分壁厚最薄点达到锻件图要求的前提下，考虑在一定程度上改变毛坯的板形 结构，结合模具以及间隙的调整，争取拉深封头成形的最优效果，确定合理的工艺 参数( 毛坯板形结构、凹模圆角半径、凸凹模间隙) 。 ( 2 ) 翻孔工艺模拟：利用有限元( d e f o r m ) 软件进行数值模拟，在板料拉深成 形的基础上，在优先考虑壁厚的前提下，争取最大翻起高度；改善“收腰 现象； 确定合理的工艺参数( 预加工孔径、冲头形状、凹模内径及圆角半径) 。 综上，研究板料成形后的规律特性，确定合理的板形结构；研究模具的主要参 数对成形过程的影响，确定合理的模具参数。毛坯的板形结构，再结合模具以及间 隙的调整等外部条件，将半球形封头成形规律以科学化，以便正确地设计模具和毛 坯，并根据优化后的工艺参数，进行缩比为1 ：3 的模拟试验，验证计算机模拟确 定的主要参数( 坯料结构、模具主要工艺参数等) 的合理性，完善工艺设计。 研究方法流程图： 厂、 厂、 a 5 0 8 - i h 钢热力获得a 5 0 8 - i i i 钢 学模拟实验不同温度下的 本构关系 、l7 。 7 ，r、 厂、 分析模拟后封 选取几组工艺参数在 头成形的各项 d e f o r m 软件下进行模 指标 厂、 拟达到工艺参数 、l o 卜 优化的目的 y 1 ：3 试验验证 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 1 4 2 本课题研究的实用意义 大型锻件的制造是重大技术装备制造的关键技术之一，其质量直接影响到成套 装备的整体水平和运行可靠性。而其中大型厚壁半球形封头又是化工、核电等设备 的重要零件之一，长期以来尽管众多学者对半球形零件成形作了大量研究，但还 没有科学地给出成形过程中的规律。 本课题的研究工作是为了提高大型厚壁半球形封头生产工艺的科学性和准确 性，为同类型产品的生产提供理论依据，缩短其生产周期，为其工装设计提供技术 支持，减少前期生产及工艺探索的工作量，避免因前期准备不足而可能带来的不必 要损失，实现更低的成本、更短的周期、更好的质量，从而达到提高企业经济效益、 增强技术储备的目的。 6 第二章半球形封头成形理论分析及其变形过程 第二章半球形封头成形理论分析及其变形过程 封头，作为蒸汽发生器上的关键元件，在能源、化工等工业领域中起着十分重要 的作用。封头的分类，有不同的方式：按照其形状可分为椭圆形半球形、平底形、 碟形、无折边球形、有折边锥形、无折边锥形封头等；按照其壁厚可分为薄壁、中 厚壁、厚壁封头：按照其材料可分为普通碳素钢、普通低合金钢、合金钢、不锈钢、 有色金属钢封头等。封头的成形方法，目前主要有冷、热拉深，旋压，爆炸成形等乜。 由于封头的类型、加工工艺相当繁杂，涉及面广，为了突出重点，这里主要针 对本论文的研究对象，就半球形封头的成形工艺，对目前己有的理论和加工工艺作 一分析与归纳。 2 1 封头成形工艺概述 尽管封头的种类较多，但常用的是椭圆形和半球形封头，而且大都是由板料制 成的。封头的成形方法，目前主要有拉深成形，旋压成形，高速成形( 高能成形，当 其能源为炸药时特称为爆炸成形) 等。这三种方法各有其特点：用冲压( 拉深) 成形整 体一次性拉深大直径的封头，往往需要大吨位及大台面的冲压设备以及笨重而又昂 贵的模具，故而成本较高，但效率高，适用于批量生产；用旋压法可采用并非庞大 的通用旋压机又不需专用模具( 无胎旋压) ，因此成本低。用该法制造锥形封头较拉 深法成本低，其效率也比拉深法低，同时难于加工比较深的椭圆形封头和半球形封 头，多适用于浅碟形封头生产；至于高速高能成形法，其优点是模具结构简单，无 需上模和大型冲压设备，成本低，特别适用于某些难于变形的金属，缺点是效率低， 仅适用于单件生产，成形后往往还需要校形。目前，在国外比较普遍采用旋压法生 产；而在国内，多采用冲压拉深法成形，有条件的工厂偶尔也采用旋压法生产。 对于大型厚壁球形封头的成形，目前国内外还没有一套完整又成熟的理论。早 在二十世纪六十年代后期，我国就有研制大型压力、化工容器的设想，但由于未能 解决大型封头的技术问题而没有实现。其中关键的技术之一便是大型球形封头的热 拉深成形拉射。 2 2 半球形封头拉深工艺理论分析 拉深，是利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种开口的空心件，或将已 制成的开口空心件毛坯，加工成其他形状空心件的一种基本冲压加工方法，拉深也 7 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 称拉伸或拉延乜引。利用拉深方法可以加工筒形、阶梯形、锥形和其他不规则形状的 薄壁形零件，如果和其他冲压工艺相结合，还可能冲制出形状极为复杂的零件瞳钔。 而半球形封头就是一类旋转体曲面形状零件，其拉深成形过程有其自身的特点，坯 料各部分所处位置的不同，导致了各自的应力状态和变形状况的不同。按照其变形 特点的不同，可人为将板料划为四个区域：法兰区、凹模圆角区、悬空锥形区和球 形区2 5 删。 2 2 1 半球形封头拉深过程变形规律 设等厚度t o 和半径勘的毛坯在冲头的作用下，拉深成形为壁厚，和半径r ，直 壁高度为日的半球形封头，如图2 1 所示。 成形初期，冲头与毛坯中心很小区域够 接触，所需载荷较小，不足以使毛坯法兰 部分限 p - r o ) 拉入凹模，法兰固定不动， p o = r d 。当载荷处于刚好把毛坯拉入凹模 的临界状态时，滞加到纷，制件够於对应 毛坯半径，口，此时切向应力仍为压应力。 其后，毛坯被拉入凹模，p o r d ，此时其 切向应力为拉应力，应力状态发生了改变， 定义钐抛为应力分界圆。 毛坯被完全拉入凹模后，形成了半球形 制件，起皱最大处对应毛坯半径口。 1 ) 法兰部分 r p o - - ，礼毒 j 体积不变条件矿”2 = 0 得 箬= 石t r 其解为 小毒广+ c 边界条件p = 肪时，= r 。，吻= d 为单向应力状态： ，= 一丢口 弧乩丢一乩舍得孚= 压，则积分常量 c = p 。2 一届五 式( 6 ) 代入( 5 ) 等效应变 手= 孚厄了再再i 阳i 可 ( 4 ) 矿一加 矿一加 。2 。2 扛， 拉， o 气 h 2 k 2 m 之二矗 产 巳 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 胪胪每毫e 兰0 蚓t o l n 磊 ， o一|p一乙 。 2 南2 h 等 ， 径向应力可表示为 矿i 2 0 s ( 旷，) = 詈陋一；- n 磊) ， 由式( 1 2 ) ，( 1 ) 以及( 6 ) ( 11 ) 和( 7 ) 得 吼( 鼍翘 争詈 ， 由式( 6 ) ，( 1 3 ) 以及( 7 ) 得 一( 闷 扣詈 ， 式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 给定不同的助可以得到法兰上尸一，和f 一幻关系。 2 ) 球冠部分 夕x r s i n e n n ，冲头首先与毛坯点接触，随着冲头下移，接触面积增大，( p 随 之增大，本区应力变化复杂，求解应力分布比较困难，这里不做详细讨论，但根据 变形特点可知有下述边界条件 尸= 0 时，= f r o p = r s i n f p 时，。p = 万26 s ，。= 万1 g s 在球冠区与锥形区交界处q ，为平面应变状态( 后述锥形部分可以证明) 。 制件与毛坯间的尺寸对应关系，见锥形部分。 3 ) 锥形部分 r s i n 伊 0 ，o 0 缈口时 f = t o c o s q ，盯 - 1 一 ( 2 0 ) ，= r 1 + c o s ( p a ( c o s c p 口一2c o s q ) ) j 在法兰部分没有进入凹模前，毛坯所对应的凹模 圆角处( 如图2 3 ) ，壁厚变化与包角有关。包角的大 小总是与球冠区苁小同步变化，因此其壁厚变化为 r2t o c o s q d 法兰进入凹模部分，可以分解成先拉深成半径为 r 的假想圆筒，然后再按面积相等法则成为球面的两 个过程的迭加，这样在毛坯板料，= r 处，制件上的 横向位移最大，就是起皱最大处纨。令r = r ，由式( 2 0 ) 图2 - 3 凹模圆角处 得最大的内皱位置 n g 2 - 3a r e a 毗f i l l e td i e 9 审= 翻叼c 。s ( 三c 。j t p 。) l 。2 。， = r - j 法兰拉深为假想圆筒的高度按应力应变关系求解。 由列维一米赛斯方程得 。= 一而2 a p - c r o 。 ( 2 2 ) 设小位移函数调足 1 2 咄石 = 第二章半球形封头成形理论分析及其变形过程 以上两式和式( 1 ) 代入( 2 2 ) 得 其解为 p = 助时，坳= d p o 得 则 咋2 万c 习, p 2 正8 p d 习p o 审 p 当法兰上任意础入凹模后，p = r ，设假想圆筒高度为z ，则 积分 整理得 d z = 一2 i p2 一码8 r d o o p o iz f 刀_ i p o = r e x p l2 2 一砌等 应用面积相等2x r z = 2u r 2 忙纨一c 伽纠得 z i 2 c o s 一c o s 缈 将式( 2 1 ) 代入上式，得 令式( 1 3 ) 和( 1 4 ) p = r 得 z1 i 2 9 - c o s c p 。一c o s 矽 r二 o 1 3 r ：气么挣等 ，：肌j 2 一j 1 加景 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 一p一一p 竺 批百 。一书 却一切 r 一 一 8 2 一 一 ， = 忽 zrjo 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 式中 捌一( 书2 + 给定不同的缈，由式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可以得到毛坯与制件 g o 寺r c o sc p 口时，直壁任意高度 1 h = z - 主r 删9 。 ( 2 7 ) 给定不同的z ，由式( 2 3 ) 和( 2 6 ) 得到直壁部分尺寸对应规律。生产实践中，由于 制件受到冲头和凹模间隙的制约，直壁部分的壁厚可能是常量，对应规律更易求出。 在直壁顶端，9 0 = r 时，式( 2 6 ) 得到最大壁厚 吨慝 ( 2 8 ) 综上所述，可知0 伊 钆时，t 逐渐增厚( 程巩固沈国劬大型厚壁半球形封头拉深成形研究做了详细论述，见文献e 3 1 ) 。 2 2 2 半球形封头拉深工艺模具设计 1 ) 凹模设计 凹模的设计对拉深过程有着重大的影响，其关键又在于凹模工作部分即模1 2 1 圆角 形状，即凹模圆角半径r a ，它影响到拉深变形力、是否起皱、材料壁部的变薄程度、 拉深系数和次数、以及模具的寿命等。 当凹模圆角半径r d 过小时，材料流过凹模需承受较大的弯曲变形阻力，此时凹模 圆角对板料施加的压力加大，引起摩擦力的增加，磨损加剧，使模具的寿命降低； 当弯曲后的材料被拉入凸凹模间隙进行校直时，又会使反向弯曲的校直力增加，从 而使封头内总的拉深力增加，变薄严重，甚至拉裂。 当凹模圆角半径r a 越大时，对于减少封头的变薄量及冲压力有利，所需拉深力越 低，这对减少拉深件的壁部变薄降低拉深系数和减少拉深次数提高模具寿命等有明 显好处。但是，凹模圆角半径取得过大，拉深初期毛坯与模具非接触表面的宽度加 大，由于这部分材料不受压边力的作用，因而易引起起皱；在拉深后期也会因毛坯 过早脱离压边圈的压力作用而可能起皱，使拉深件质量不好。因此，在生产上一般 在保证工件质量的前提下尽量取最大值，通常可按经验公式计算。2 稍1 ： r a = o 8 4 ( d d ) f 1 4 第二章半球形封头成形理论分析及其变形过程 式中：卜毛坯直径或上道工序拉深件直径，n l i t l ； d 本道工序后拉深的直径，m m 。 2 ) 凸模设计 凸模圆角半径r 。对拉深力的影响很小，但其值也必须合适，若r ，太小，拉深初期 毛坯在r 。处弯曲变形大，危险断面受拉力增大，工件易产生局部变薄或拉裂。而且多 工序拉深时，由于后继工序的压边圈圆角半径应等于前道工序的凸模圆角半径，所 以当r 。过小时，在以后的拉深工序中毛坯沿压边圈滑动的阻力会增大，这对拉深过程 是不利的。因而，凸模圆角半径不能太小。若凸模圆角半径r 。过大，会使r ，处材料在 拉深初期不与凸模表面接触，易产生底部变薄和内皱。一般凸模圆角半径比凹模圆 角半径要小一些。 在实际生产中，凸模圆角半径r ，可按下列关系决定： 多次拉深中的第一次：r p _ ( o 7 1 o ) r d 多次拉深中的以后各次：r 。一= ( 以- 一咖- 2 t ) 么 式中d 。一- 前后两道工序中毛坯的过渡直径。 单次拉深或最后一次拉深的凸模圆角半径，取等于零件的圆角半径，但不得小 于( 2 3 ) t 。如果零件的圆角半径要求小于( 2 3 ) t ，除浅拉深外，凸模圆角半 径仍应取( 2 3 ) t ，最后再用一次整形来得到零件所要求的圆角半径。 因本论文中封头壁厚，散热慢，故脱模温度较高，存在较大的尺寸收缩率，而 且壁越厚，尺寸收缩越严重。实践证明，不同尺寸的封头，其散热速度不一样，随 之尺寸收缩率也不一样，因而在收缩率的取值上，应是实际生产条件与经验相结合。 但在工艺设计之初，因收缩率引起的问题应在凸模设计上予以考虑n 蚓。 3 ) 凸模与凹模的间隙 拉深模中凹模与凸模直径之间的空隙尺寸定义为拉深模间隙。拉深模间隙是指 单面间隙。间隙的大小对拉深力、拉深件的质量以及拉深模的寿命都有影响： ( 1 ) 拉深力：间隙越小，拉深力越大。间隙太小，凸缘区变厚的材料通过间隙时， 校直与变形的阻力增加，与模具表面间的摩擦磨损严重，使拉深力增加：而 间隙过大，对毛坯的校直和挤压作用减小，拉深力降低。 ( 2 ) 零件质量：间隙较小时，得到的零件直壁平直而光滑，质量较好，精度较高， 但零件变薄严重，甚至会拉断；而间隙过大，容易起皱，并且毛坯口部的增 厚得不到消除，拉深出的零件直壁部分不直。 大型厚壁半球形封头成形工艺的理论与实验研究 ( 3 ) 模具寿命：间隙越小，模具的磨损越严重，而相反，当间隙较大时，模具的 寿命提高。 因此，确定间隙的原则是：既要考虑板材本身的厚度和公差，又要考虑板料的增 厚现象，间隙一般都比毛坯厚度略大一些。其值可按下式计算： 单边间隙：z = r 。，+ c t 式中：k 一板料的最大厚度，其中f 一= f + 一板料的正偏差 c 一考虑增厚现象而增大的系数c 值在有关手册中可以查到。 近来有的研究者认为：将凸、凹模之间的间隙取得比原毛坯料厚d 、1 0 时，对提 高危险断面处的抗拉强度最为有利，原因是：由于间隙小，使毛坯的危险断面处提 前紧紧包住凸模，在凸模面摩擦阻力作用下，阻碍危险断面处的变薄和断裂；但要 凹模内壁能够很好润滑，使其与材料之间的摩擦作用很小。但是，实践证明，当间 隙小于板厚1 0 的以上时，由于材料的减薄过多，材料通过间隙时的变形阻力过大， 反而使拉深件更容易拉裂口7 删。 2 3 半球形封头翻孔工艺理论分析 2 3 1 半球形封头翻孑l 过程分析 翻边是在成形坯料的平面部分或曲面部分上，使板料沿一定的曲线翻成竖立边 缘的成形方法，属成形工序。 按照翻边的变形性质可以分为伸长类翻边和压缩类翻边。伸长类翻边的特点 是：坯料变形区为双向拉应