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针对现有弯头制造中存在的问题,提出了用环壳液压胀形工艺制造弯头的方法,分析了环壳的应力特点,并给出了其最后的成形压力. 通过实验研究了环壳胀形过程中位移、应变的变化规律及成形后壳体的几何尺寸,并对其成形过程中的起皱进行了分析. 研究表明用液压液压胀形工艺制作弯头是可行的。
弯头作为管路系统的关键元件,在石油、化工、天然气、水电和机械等行业应用越来越多. 传统的成形方法,例如:钢管绕弯法和推制弯头法,其主要用于制作中小型标准系列弯头,用这些方法制作的弯头最大管径不超过1 m. 而实际工程应用中,对大管径弯头的需求越来越多。
球形容器无模液压胀形工艺1985 年提出以来,在理论分析,实验研究和工程应用方面取得了许多成果,目前制造的球形容器最大直径达9. 4 m ,最大壁厚达24 mm ,应用于供水,液化气和建筑装饰等领域,并且已扩展到椭球等非球类壳体的液压成形。在此基础上,本文提出一种新的大直径弯头液压成形工艺,采用该方法加工弯头可以不需要模具和压力机,不需要管材,节省投资,降低生产成本。
1 基本成形工艺无模液压成形环壳用以制作弯头的基本工艺过程是:首先焊接一个横截面为多边形的多棱环壳,内部冲满压力介质后,施以内压,在内压作用下横截面由多边形逐渐变成圆,最终成为一个圆形环壳,如图1 所示. 根据需要,一个圆形环壳可以切割成4 个90°弯头或6 个60°弯头或其它规格的弯头。
无模液压成形方法加工大型弯头,与原有的弯头制造方法相比,具有明显的优点. 主要表现在以下几个方面: ①不需管坯作原料,可节约制管设备及模具费用,且可得到任意大直径而壁厚相对较薄的弯头. ②坯料为平板或可展曲面,因而下料简单,精度容易保证,组装焊接方便. ③由于上述二条原因,可以缩短制造周期,生产成本大大降低. 因不需要任何专用设备,尤其适合于现场加工大型弯头。
2 理论分析
2. 1 环壳应力分布
在承受均匀内压的理想环壳(图2) 中,由Φ所限定的部分壳体内力垂直方向平衡条件和壳体的一般平衡方程,可以推出切向薄膜应力σ< 和环向薄膜应力σθ为:
式中, r0 为弯管半径; R0 为弯曲中径; r 为环壳上任一点到对称轴的距离; t 为弯管壁厚。
2. 2 最终成形压力由式(1) 和(2) 知, σ< > σθ,有σ1 = σ< ,σ2 =σθ,σ3 = 0 ,由Tresca 屈服准则σ1 - σ3 =σs ,求出环壳在不同部位产生塑性变形的压力。
式中σs 为材料的屈服应力. 比较式(3) ～ 式(5) ,有pa < pb < pc , a 点最先屈服, b 点次之, c 点最后屈服,即塑性变形首先产生于内环壳,然后逐渐扩展到外环壳, c 点的压力为整个环壳的最终成形压力.3 实验研究及结果分析3. 1 壳体的结构及材料成形前多棱环壳的结构如图3 所示. 环壳的设计尺寸为:弯曲中径R0 = 150 mm ,管半径r0 =50 mm ,壁厚t = 1. 5 mm. 胀形前多棱环壳的横截面为正六边形,图中环壳由4 种壳体单元组成,即受外压的圆柱壳A 和锥壳B , 受内压的锥壳C和圆柱壳D . 壳体材料为低碳钢Q235A ,其屈服极限σs = 208 MPa。
3. 2 成形压力的计算根据环壳的结构尺寸及壳体的材料, 由式(3) 、(4) 和(5) ,可以计算出壳体在不同点的成形压力。
在a 点有 pa = 4. 99 MPa在b 点有 pb = 6. 24 MPa在c 点有 pc = 7. 13 MPa实验中最终成形压力为7. 35 MPa , 与理论计算的成形压力pc 基本符合。
3. 3 成形环壳的几何尺寸为了探讨环壳的胀形过程,对壳体结构进行了法向位移和几何形状分析. 图4 为各子壳元中点法向位移随内压的变化,由图4 可以看出,各子壳元中点法向位移随内压的增加而增大. 胀形后,环壳的横截面由正六边形变为圆形。
3. 4 应变分布图5 为各子壳元中点应变随内压的变化规律,由图5 可以看出,在整个胀形过程中,各壳元的切向应变ε< 始终拉伸状态,受外压的子壳元A和子壳元B 的环向应变εθ 处于压缩状态,而受内压的子壳元C 和子壳元D 的环向应变处于拉伸状态。
3. 5 起皱分析在胀形过程中, 子壳元A 和子壳元B 出现了一些小皱(图6) ,有限元模拟也显示了相同的结果。起皱主要是由于在这两个子壳元上存在着环向压应力。
受外压的圆柱壳,其临界失稳应力为式中, E为扬氏模量; d为圆柱壳的直径; t为壳体的壁厚. 本实验中, d =213.4 mm, t =1.5 mm, E =2. 1 ×1011 Pa ,可以算得,临界应力σcr = 11. 4 MPa. 由于受外压的圆柱壳元A 的长度较短, 并且与锥壳元B 相连接的焊缝在胀形过程中基本可视为刚性结构,所以实际的临界应力值要比计算值大。
当环向应力σθ大于临界应力σc r 时,壳体发生起皱,但其可以通过局部加热和冷却的方法得以消除. 另外,也可以通过改变胀形前多棱环壳的结构或是其他一些工艺方法来防止起皱的发生. 目前,这些工作正在进行中,关于这方面的研究将在以后的文章中介绍.4 结论用液压胀形环壳来制作弯头是一种新工艺,通过实验研究可以看出所成形环壳的截面不圆度较小,整体成形效果较好,可以满足工程技术要求,说明用无模液压胀形法制作弯头是可行的. 该方法具有不使用管材作原料,不需要专用设备和模具,下料简单,组焊容易,周期短,成本低等优点,为制作大型弯头和非标准系列弯头提供了一种新工艺。