第二篇 过程装备制造工艺——7成形加工

1、第篇 过程装备制造工艺 7 成形加工 7.1设备：卷板机。分类：冷卷 热卷 温卷 调整设备，轴线平行；把板坯装入上下辊之间；上辊下压，将板坯压弯；弯卷成形过程驱动两下辊旋转，板坯借助摩擦力而移动，并带动上辊转动。板坯移动过程中，连续通过最大受力位置（上辊最低线），使整个板坯（除两端）产生均匀一均匀一致的塑性变形致的塑性变形，得到一定曲率的弧形板。上述过程为一次行程。通常一次弯卷很难达到所要求的变形程度，经过几次反复，可将钢板弯卷成一定弯曲半径的筒节。冷卷成型冷卷成型根据筒节根据筒节卷圆成形卷圆成形时时，是否是否加热加热以及以及加热加热的的温度高低，分为：温度高低，分为：冷卷成型、热卷成型、温卷

2、成型。冷卷成型、热卷成型、温卷成型。冷卷成型冷卷成型通常是在室温下成型、不需要加通常是在室温下成型、不需要加热设备。热设备。特点是：成型过程不产生氧化皮，操作工艺特点是：成型过程不产生氧化皮，操作工艺简单且方便操作简单且方便操作, ,费用低。费用低。 钢板冷卷的变形率钢板冷卷的变形率冷卷变形率计算冷卷变形率计算注意：注意： 弯卷前后，弯卷前后，中面层长度不变中面层长度不变；但但沿钢板厚度方向，沿钢板厚度方向，钢板钢板塑性变形塑性变形程度程度是是变化的变化的；外侧伸长，内侧缩短。；外侧伸长，内侧缩短。按外侧相对伸长量计算变形率为: :( (DwDwDmDm)/ )/ DmDm 100/ Dm /

3、 Dm 100100结论钢板越厚、筒节的弯卷半径越小，则变形率越大。 临界变形率概念临界变形率概念冷弯冷弯变形率变形率达到达到临界变形率临界变形率，材料在随后热，材料在随后热切割、焊接或热处理时，将产生粗大的切割、焊接或热处理时，将产生粗大的再结晶晶再结晶晶粒粒。 金属材料冷弯后产生粗大再结晶晶粒的变形金属材料冷弯后产生粗大再结晶晶粒的变形速率，称为金属的临界变形率速率，称为金属的临界变形率钢材的理论临界变形率范围为钢材的理论临界变形率范围为5%5%10%10%。 实际变形率要求实际变形率要求应小于理论临界变形率，否则后续应小于理论临界变形率，否则后续热加热加工过工过程，会降低力学性能。程，会

4、降低力学性能。实际生产中，要求实际生产中，要求5%7.2.3.2 7.2.3.2 应力定性分析计算热冲压时径向拉应力的计算公式最大径向拉应力定性分析要解决两个问题：一是成型过程何时拉应力最大（需最大冲压力）；二是影响最大径向拉应力的因素。经推算和证明，经推算和证明，坯料坯料下表面完下表面完全包住全包住下模圆下模圆角时角时；此时径此时径向拉应力达到向拉应力达到最大值最大值。a a 成型过程何时拉应力最大（需最大冲压力）成型过程何时拉应力最大（需最大冲压力）料坯圆周料坯圆周刚开始向中刚开始向中心流动。心流动。此时，坯料此时，坯料上表面上表面 完全包完全包住住上模柱面以上模柱面以下的区域。下的区域。

5、b 影响最大径向拉应力的因素。毛坯直径、封头直径；金属的 变形抗力、硬化程度；摩擦力；弯曲力等因素有关。 切向应力定性分析计算冲压封头时，在边缘区域将产生很大的切向压缩应力，其坯料各位置切向应力计算公式如下：毛坯外径计算X X 处的毛坯直径结论： 最大切向压应力在坯料的最外缘。最大切向压应力大小s。7.2.3.3 7.2.3.3 影响折皱产生的影响折皱产生的几个几个因素因素相对厚度/Dm/Dm越小，坯料边缘的稳定性越差；在切应力作用下，容易丧失稳定而起皱。（切应力使板变厚）毛坯位置毛坯边缘切向应力大，容易丧失稳定而起皱的可能性就大。折皱的产生还与下列因素有关： 毛坯加热温度的均匀性； 封头是否

6、有焊缝；模具间隙大小和均匀性；下模圆角大小；圆角大，自由变形区增大，容下模圆角大小；圆角大，自由变形区增大，容易失稳；易失稳；润滑情况，润滑好，有利于金属均匀流动，可润滑情况，润滑好，有利于金属均匀流动，可避免由于受力不均、变形不均而产生的折皱和鼓避免由于受力不均、变形不均而产生的折皱和鼓包。包。7.2.3.47.2.3.4压边条件压边条件主要决定于D0、Dn与的关系，也与各制造厂的生产工艺和经验有关。折皱准数: (D0Dn)/由折皱准数确定的压边的条件如下：b b 球形封头热冲压采用压边圈的条件球形封头热冲压采用压边圈的条件D D0 0D Dn n(14(1415) 15) C C 平顶封头

7、热冲压采用压边圈的条件平顶封头热冲压采用压边圈的条件D D0 0D Dn n(21(2122) 22) a a 热冲压标准椭圆形封头的条件：热冲压标准椭圆形封头的条件：（D D0 0D Dn n） 18 182020当当D D0 04004001200mm1200mm时：（时：（D D0 0DnDn） 20 20当当D D0 0140014001900mm1900mm时：（时：（D D0 0DnDn） 19 19当当D D0 0200020004000mm4000mm时：（时：（D D0 0DnDn） 18 18压边圈压力分析压边力过大，增大了摩擦力，即增大了拉应力，会使封头拉薄，甚至拉裂；压

8、边力过小，则不能防止折皱的产生。根据分析和试验，不产生折皱的最适宜的压边力应是一个变值（应随冲压过程的进行而逐渐加大）。由于变值压边圈结构复杂，目前生产中大多采用固定压边力的压边圈。在这种情况下，压边力选取原则是：取保证不起折皱的最低压力值。a a 上模：上模直径Dsm 计算冷冲：DsmDn(1)材料回弹率；热冲：DsmDn(1)材料收缩率t100；（一般取经验值）t冲压结束温度与室温之差上模上部直径：Dsm Dsm（23）mm7.2.47.2.4冲压模具的设计冲压模具的设计冷冲冷冲上模上模曲面部分高度曲面部分高度: :HsmHsmhg(1hg(1 ) )hghg封头内封头内曲面部分曲面部分高

9、度高度热冲热冲上模曲面部分高度上模曲面部分高度HsmHsm=hg(1=hg(1)上模高度上模高度= = HsmHsm上模曲面部上模曲面部分高度分高度+ H0+ H0上模直边高上模直边高度度两部分组成两部分组成上模直边高度Ho（有锥度）封头直边高度Ho=h+H1+H2+H3封头高度修边余量1540mmmm卸料板厚度4080mm险余量40100上模壁厚上模壁厚当压力机400t，取3040mm；当 1500 t，取7080mm;下模由拉环和下模座组成。为了适应冲压不同尺为了适应冲压不同尺寸封头及模具设计的寸封头及模具设计的通用性，下模具设计的通用性，下模的结构常设计通用性，下模具设计的通用性，下模的

10、结构常设计为下模和下模座。这样在冲压不同直径封头时，只为下模和下模座。这样在冲压不同直径封头时，只需改变下模直径（拉环内径）即可。需改变下模直径（拉环内径）即可。模具间隙模具间隙a aa a值过大值过大，冲压力减小，但自由变形区宽度增加，易，冲压力减小，但自由变形区宽度增加，易产生鼓包和折皱，并影响封头直径尺寸；产生鼓包和折皱，并影响封头直径尺寸；a a值过小值过小，圆角及间隙处将产生很大的挤压力和摩擦圆角及间隙处将产生很大的挤压力和摩擦力力，使冲压力增大，不仅耗费功率，而且可能将封头，使冲压力增大，不仅耗费功率，而且可能将封头严严重拉薄重拉薄。因此，间隙应因此，间隙应考虑板厚考虑板厚 ，还应

11、考虑适当的，还应考虑适当的附加值附加值Z Z；间隙aZ (间隙附加值）(mm)热冲压时Z(0.10.2)冷冲压时Z(0.20.3)。两倍的间隙附加值2Z经验数据如下表下模内径D DxmxmD Dxmxm = =D Dsmsm +2+2+ +m mmmmm下模制造公差上模直径间隙下模外径D1D1D1=Dxm+200400mm（并要与下模座内径通用尺寸配合）下模圆角半径r r。若圆角太小，弯曲应力增大，冲压力增大，容易产生拉薄和表面微裂纹；若圆角太大，容易产生折皱和鼓包。 经验计算法如下：(mm)(mm)采用压边圈时：r=(23)不采用压边圈时：r=(46)自由变形区长度增加当毛坯很厚可采用双曲率

12、圆角或采用斜坡 圆角下模座内径=D1max+1下模座外径 DD0（毛坯外径）下模座尺寸计算高度H=h+(60100)下口内径D2下模内径Dxm+(510）压边圈尺寸计算内径Dn=Dxm+(5080)厚度=70120外径Dw=下模座外径D压边圈拉环下模座薄壁(D0一Dm)45的封头成形特点：带有压边圈的一次冲压成形法，在自由变形区也会产生鼓包和折皱。 可采用下列方法冲压：分析刚开始冲压，上模与毛坯的接触直径为Dc较小。不稳定L环形段，不与上、下模接触，容易丧失稳定。1、多次冲压成形法7.2.5 7.2.5 不同类型的封头冲压方法不同类型的封头冲压方法采用多次冲压成形法的特点即用同一个上模，多个下

13、模进行多次冲压成形；第一次冲压时，下模内径比上模内径小200mm。不稳定段不稳定段L L的宽度减少。的宽度减少。第二次冲压时，采用与封头规格相配合的下模第一次冲压：碟形第二次冲压：最后成形适应薄壁封头(D0 Dm ) / =120220开始冲压时，压边力0；随着过程的进行，周边增厚，压边力增大，满足冲压过程最佳压边力的实际要求。2 2、 采用有间隙压边圈法采用有间隙压边圈法冲压较薄壁封头（材料塑性好）(60 D0Dm 120)增加自由变形区的径向拉力，使该区拉力、变形均匀，避免折皱和鼓包。3 3、采用带坎拉深法、采用带坎拉深法当(D0Dm)6的封头认为是厚壁封头因毛坯较厚，边缘部分金属不易变形

14、，在拉深时急剧增厚，增厚率达10%以上；使通过下模圆角时的阻力大为增加，需要很大的冲压力；增大模具间隙；增大模具间隙；或将坯料边缘削或将坯料边缘削薄，再进行冲压加工。薄，再进行冲压加工。厚壁封头厚壁封头冲压时：冲压主要特点复板常发生折皱；两层材料的结合区产生裂纹，甚至撕裂。分析 复合钢板在加热时，基层和复层线膨胀系数不同，金属本身变形抗力也不同； 在相同的应力下，流动特点不同，产生的变形不同。 复板变形大，容易产生折皱；结合层产生裂纹。复合钢板封头的冲压复合钢板封头的冲压最常出现裂纹的部位是直边部分，因为这部分材料在冲压时的应力和变形最大。因此，无论厚度如何，冲压时都必须采用压边圈，防止复板起

15、皱。7.2.6 7.2.6 冲压后封头壁厚变化冲压后封头壁厚变化球形封头底部，冲压过程一直受拉应力，减薄量最大直边和靠近直边部分，冲压时切向压应力大，壁厚增加；且越接近边缘，增加壁厚越大。直边和靠近直边部分，冲压时切向压应力大，壁厚增加；且越接近边缘，增加壁厚越大。标准椭圆封头底部，与球形封头比较，冲压过程一直受较小的拉应力，减薄量较小此处有弯曲、胀形、拉延，且拉应力最大，壁厚减薄量最大7.2.7 7.2.7 封头的旋压成形封头的旋压成形适用于大型封头的制造。目前采用旋压成形法制造大型封头已成为主要方法。1. 旋压成形的特点 适合制造尺寸大、壁薄的大型封头，目前已制造5000mm、7000mm

16、、10000mm，甚至20000mm的超大型封头； 旋压机比水压机轻巧，制造相同尺寸的封头，比水压机约轻2.5倍 ；优点优点：旋压模具比冲压模具简单、尺寸小、成本低；适于单件小批生产；不易产生减薄和折皱，封头成形质量好；不适宜厚壁小直径，不适宜厚壁小直径，若旋压成形，比较麻若旋压成形，比较麻烦，不如冲压成形简单；烦，不如冲压成形简单； 旋压过程较慢，生产率低旋压过程较慢，生产率低于冲压成形。于冲压成形。若用冷旋压，对容易硬化的材料需消除硬化若用冷旋压，对容易硬化的材料需消除硬化热处理。热处理。缺点缺点：2 旋压成形的方法分类：按使用的主要设备情况，分为单机旋压法单机旋压法、联机旋压法联机旋压法

17、。单机旋压法在旋压机上一次完成封头的旋压成形过程。联机旋压法分别用压鼓机和旋压机对封头料坯先压鼓后翻边的成型方法。简单介绍单机旋压法。根据模具使用情况单机旋压法可分为：有模旋压法、无模旋压法、冲旋联合法。 有模旋压法有模旋压法特点：效率高、速度快，时间短，封头可一次成形，形状准确。特点：效率高、速度快，时间短，封头可一次成形，形状准确。缺点：必须备有不同尺寸封头所需模具，工装费用大。缺点：必须备有不同尺寸封头所需模具，工装费用大。无模旋压法无模旋压法该装备该装备构造与构造与控制比控制比较复杂，较复杂，适合于适合于批量生批量生产产冲旋联合法冲旋联合法冲旋联合法大都采用热旋压，需配合加热装置和装料

18、设备，冲旋联合法大都采用热旋压，需配合加热装置和装料设备，较适合于制造大型、单件的厚壁封头。较适合于制造大型、单件的厚壁封头。7.2.7 7.2.7 封头制造的质量要求封头制造的质量要求封头应尽量用整块钢板制成,必须拼接时,焊缝数量及位置，应满足封头的划线技术要求。封头冲压前，应清除钢板毛刺；冲压后去除内外表面的氧化皮,表面不允许有裂纹等缺陷。对于微小的表面裂纹和高度达3mm的个别凸起应进行修整。封头和筒体对接处的圆柱部分长度（直边高度）应符合下表要求。封头的几何形状和尺寸偏差内径内径偏差椭圆度(Dmax-Dmin)1000 32；41000 150074； 87.3 7.3 管子的弯曲管子的

19、弯曲7.3.1 7.3.1 管子弯曲应力分析和变形量计算管子弯曲应力分析和变形量计算7.3.1.17.3.1.1应力和变形分析（自由弯曲）应力和变形分析（自由弯曲） 管子外侧壁管子外侧壁 管子在管子在弯矩弯矩MM作用下，轴线外作用下，轴线外侧管壁侧管壁受拉应力受拉应力； 随着变形率的增大，拉力逐随着变形率的增大，拉力逐渐增大，管壁可能渐增大，管壁可能减薄减薄、严重严重时可产生微裂纹时可产生微裂纹；管子内侧壁管子内侧壁严重时可使管壁失稳产生内折皱受压应力作用，管壁可能增厚管子横截面变形管子横截面变形 在Nl与N2作用下，管子横截面变形； 自由弯曲时，变形将近似为椭圆形；半圆槽内弯曲，内侧基本上保

20、持半圆形外侧变扁。 影响弯管缺陷产生的主要因素影响弯管缺陷产生的主要因素a a 相对弯曲半径=R/dw ，它表示弯曲程度。管子外径dw越大，弯曲半径R越小，内、外侧的变形率越大。b b 相对弯曲壁厚=/dw表示弯曲横截面的稳定性；壁厚越小，管子直径越大，弯曲横截面的稳定性越差，越容易失稳。 实际生产中控制管子弯曲变形率的主要方式是控制管子的弯曲半径。弯曲半径有关规定，对一般受压10MPa10MPa的管子，如换热器U形弯管段的弯曲半径 R2dw；常用换热器的最小弯曲半径RminRmin如下表：7.3.1.2 7.3.1.2 管子变形率的控制管子变形率的控制7.3.2 7.3.2 弯管方法弯管方法

21、冷弯和热弯；有芯和无芯弯管；手工和机械弯管等多种方法。冷弯和热弯冷弯和热弯 1、主要考虑变形的难易程度及防止缺陷产生，直径较大（dw108)、直径60mm以上的厚壁管，弯管阻力较大，用热弯； 2、低碳钢、低合金钢可以冷弯或热弯；合金钢、高合金钢应选择热弯； 3、弯管形状较复杂，无法冷弯，可采用热弯； 4、不具备冷弯设备、可采用热弯。（1）手工弯管 手工弯管可分为冷弯和热弯。 管子在室温下的弯曲习惯上称作冷弯，由于冷弯效率高，质量好，操作环境好，所以直径108mm以下的管子多采用冷弯.手手 工工 热热 弯弯 热弯时一般要以砂子作填充物。 装砂子的作用：是阻止弯曲变形时管的截面变成椭圆形或内侧表面

22、起皱。 加热温度：低碳钢 950-1000 普通低合金钢850-1000 18-8型不锈钢1100-1200 7.3.3 7.3.3 控制缺陷的几种典型方法控制缺陷的几种典型方法 反变形法反变形法 弯管过程弯管过程 管子安装在弯管机中，并用管子安装在弯管机中，并用夹头夹头加紧。随着主动加紧。随着主动扇形轮的旋转，在扇形轮的旋转，在扇形轮槽内扇形轮槽内弯管。弯管。 注意注意：压紧辊压紧辊具有具有反变形槽反变形槽，在弯管前，在弯管前使管子先产生一个使管子先产生一个预预变形变形（弯曲弯曲实际实际变形变形方向相反方向相反）。）。主动扇形主动扇形轮（模）轮（模）压紧辊压紧辊导向辊导向辊夹头夹头e e在在0 01