一种小直径厚壁Inconel625波纹管研制

一种小直径Inconel625波纹管研制魏保恒，阳震，孙磊（洛阳船舶材料研究所，洛阳 ）摘要：本文阐述小直径高强合金材料波纹管的制造方法。关键词：Inconel625；波纹管；模具Application of Inconel625 bellows at high temperatureWei-Baoheng，Yang-Zhen，Sun-Lei(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang ,China)Abstract：This article introduces one manufacture craft about small diameter high intensity bellows。Key words：Inconel625，bellows，mold1 引言某炼化公司进口阀门装置使用一种波纹管，由于采购成本比较高、周期长，急需进行国产化研制工作。DN300 Inconel625波纹管是该装置的一个重要部件，该公司委托我单位对此波纹管进行国产化研制工作。波纹管材料：高强度镍合金Inconel625。查ASME SB 443-2004标准，相应规格Inconel625材料的力学性能数据见表1。波纹管参数见表2。表1材料牌号拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率Inconel62583042030%波纹管参数见表2：波根直径（mm）波高（mm）波距（mm）厚度（mm）波数321主波13、边波7.515.2529+2 技术人员对该公司提供的波纹管参数分析研究，认为该波纹管制造存在比较大的难度。2 制造难点本项目波纹管要求采用液压方法成型。对于液压成形的波纹管，当波纹管波高、波距较小时，其初波压力不仅要按内压圆筒受力产生周向屈服考虑，还应考虑模具约束对波纹管管坯受力的影响。本项目波纹管为Inconel625材料，由于该材料具有较高的屈服强度，由表2可以看出，波纹管的波高、波距均较小，波纹管展开长度仅34.7mm，故其成型时所需要的压力就更大。小的波高波距不仅使波纹管成形压力过高，15.2mm的波距和2mm得壁厚，导致成形模具厚度不能大于5.6mm；且波纹管材料的壁厚大，成型回弹大，也给制造带来了更高的难度。所以需要研究一种新的制造工艺方法。3 研制方案论证该波纹管波距比较小，决定了成型中模片厚度不能够太厚，但成型压力比较高，需要对模具的设计方案需要进行论证。3.1 模具材料选择波纹管成型模具通常选用普通碳钢材料，材料比较容易采购，模具制造费用适中。也可采用高强材料，但高强材料在市场上难以采购，采购周期长，且制造成本比较高。3.2 模具设计与分析3.2.1 选用普通碳钢设计模具某碳钢是常用一种低合金钢，具有较高的强度，良好的韧性和机械加工性能，材料采购周期短，制造费用适中，比较适宜用来制造波纹管成型模具，并且已经有了广泛的应用。A型模具A型模具最为常用，由于成型力比较大，若一次成型，设计出的模具大而薄，在成型过程中模具容易发生模片平面弯曲变形。在生产实际中，发现在成型力较大的情况下，低合金碳钢制作的小直径模具经过多次重复使用后，两半模发生弯曲变形，接合面存在较大的间隙，影响波纹管质量。常用结构形式低合金碳钢模具难以满足需要，所以设计I型模具，使用加强环替代套盒或者螺栓组合模具，提高模具整体的结构刚度，以消除上述不足。I型模具3.2.2 选用高强钢、普通碳钢设计模具某高强钢具有高强度，也有一定的韧性和机械加工性能，是制作成型模具的理想材料，但制造周期较长，模具制造费用较高。本文作者设计II型模具，模具包括横截面不同形状的模具，进行多次成型。II（1）模具R为VR型截面，有较大的受力面积，与管坯接触段具有较大的刚度，能够承受较大的应力，适于进行第一次成型。II（1）VR模具 II（1）VR模具有限元分析图（应力分布图和变形量分布图）II（2）模具R与常用模具横界面相同，但中模片厚度大于波纹管波距，也能够承受较大的应力，用于第二次成型，调整波纹管波距和波高，使波形参数逐步靠近需要的波形参数。II（2）模具II（3）模具为整形模具。经过两次成型后，在波纹管整形过程中，液体压力较低，模具承受较小的应力，可采用普通碳钢设计模具。中模片厚度小于波纹管波距，通过整形将波纹管波形参数调整到需要的尺寸。II（3）模具3.2.3 工艺波模具设计由于波纹管直边段外径大于其波根直径，通过压制出波高稍低的边波作为工艺波，然后将工艺波翻边来加工出所需的直边段。这是常用一种加工方法，但是由于波纹管直径较小，波距较小，材料屈服强度高和厚度较厚，翻边加工难度很大。作者设计在成型上下模盖加工一个台阶，台阶直径尺寸等于工艺波的外径，约束管坯的变形量和方向，加工出更合适的工艺波，减小翻边的难度。上下模盖有比较大的横截面积，具有较大的刚度和强度，选用普通碳钢即可满足使用要求。 4 模具方案的选择该型号的波纹管以前没有制造经验，需要制造新模具，由于需要模具较多，从降低方案试制失败风险成本的角度出发，需要验证模具设计方案是否可行。若方案可行，优先选用I型模具。若方案不可行，需要重新进行模具设计。作者决定每种型号的中模片制造2件，然后进行工艺试验。通过试验，方案I模具受力条件满足要求，但成型后，由于波纹管膨胀，模具难以拆卸下来，方案I不成功；方案II模具满足要求。因此选用II型模具制造波纹管。5 波纹管成型5.1 波纹管管坯固溶处理为了降低成型时的压力，减小成型模具所受应力，在成型之前对管坯进行固溶处理，降低Inconel625材料的屈服强度。5.2 波纹管成型工艺要点根据波形参数计算下料尺寸、成型压力、垫块高度。依次按顺序用II（1）、II（2）、II（3）模具成型。注意在每次拆换中模片时测量波形参数，根据波形参数调整合模垫块高度和成型时保持最高压力的时间。波纹管经过初波成型、再次成型、整形三道成型工序后完成，测量波高和波距尺寸，测量结果满足顾客要求。5.3 边波的加工在波纹管边波波峰处划线，每边留加工余量，用车床出去多余部分，然后进行翻边，翻出所需要的直边段部分。6 结论通过对两种模具进行工艺试验，得出以下结论：I型模具虽制造成本低，但生产应用中不可行；II模具虽制造成本比较高，但能够满足生产应用的要求；厚壁Inconel625材料在生产小直径波