大口径厚壁90°弯头液压成形工艺与成形规律研究

2020-09-04王守东纪开盛岳晓露

锻压装备与制造技术 2020年4期

王守东，纪开盛，岳晓露

（1.河南神州精工制造股份有限公司，河南新乡 453731；2.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110036）

在运输业中，管道运输、铁路运输、公路运输、航空运输和水路运输是主要的五大运输方式，它在国民经济和社会发展中起着十分重要的作用。天然气、水、成品油、原油等液体物质皆可通过管道进行输送，由于其运输量大、距离长、安全性高、成本低等优点而在世界范围内得以迅猛发展。随着西气东输工程的不断推进，管道运输业在我国的会长足的发展[1]。

弯头是现代工业上应用量最大、应用面最广的一种管道基础件，是管线工程中重要的管件产品之一[2]。作为管路拐弯处的连接件，弯头被广泛的应用在化工、石油、冶金、国防、轻工等工业中[3]。弯头在输送液体或气体的过程中会有局部涡流出现，对管件的性能有较大的影响[4]。因此，对弯头的弯曲技术和质量的要求也越来越高。传统生产弯头的方法有焊接、冲压、热推制等，目前国外采用热推制方法生产大口径弯头，因为它具有生产效率高，产品规格多，生产过程连续性强，易于机械化生产等优点[5]。但传统的大口径厚壁弯头成形过程中常常存在外侧壁厚的过渡减薄、内侧起皱和横截面扁化等缺陷，也逐渐不在适用于生产大口径厚壁弯头生产[6-8]。

在工程领域中，管材液压成形技术正在逐渐被应用于制造各种截面沿轴向变化的中空零件之中[9-10]，它能够提高生产效率，并可以显著地改善传统生产工艺过程中的零件缺陷，增强其结构稳定性[11]。

本文拟对大口径厚壁90°弯头液压成形工艺过程进行有限元模拟，分析不同加载路径对大口径厚壁90°弯头液压成形效果的影响规律，获得了大口径厚壁90°弯头液压成形的最佳工艺参数。并基于数值模拟结果，对大口径厚壁90°弯头壁厚进行分析，揭示其液压成形规律。

1 零件尺寸及成形工艺分析

1.1 零件尺寸

大口径厚壁90°弯头是具有等截面的空心结构，其截面形状是圆形，弯头的几何尺寸见图 1，弯头外径为R240mm，壁厚为10mm，内弯外半径为750mm，内弯外半径为1230mm，弯头减薄率要求为35%。弯头用于液体运输，长时间埋于地下或裸露在空气中，因此研究材料选用具有高强度、良好的韧性及成形性等众多优良的性能，同时具备优良的耐腐蚀性的SS304奥氏体不锈钢[12-14]。

1.2 成形工艺分析

大口径厚壁90°弯头的关键工艺参数是内压力大小。液压弯管成形是液压和模具合模运动联合作用的复杂成形过程，因此它们之间的匹配关系对管件的成形性能影响非常大。液压较小，模具合模运动较快，会使得管坯无法向外膨胀，材料在弯头内弯处堆积，形成褶皱；液压较大，模具合模运动较慢，管坯快速膨胀，会使得管坯直径在合模前大于模具型腔直径，无法继续成形。因此，确定合适工艺及加载路径成为大口径厚壁90°弯头液压成形的关键。

大口径厚壁90°弯头液压成形过程有两阶段组成，第一阶段为压弯阶段，第二阶段为胀形阶段。在第一阶段是压弯过程，该阶段向管坯内充入液体并增压；左右两端推头保持不动，负责与模具配合将管坯牢牢卡住，上模向下运动，知道模具完全合模。在第二阶段是胀形过程，依靠合模力使上模与下模保持合模，左右两端推头保持不动，想向液体增压，使得管坯完全填充模具型腔，获得合格大口径厚壁90°弯头。为保证左右推头将管坯卡住及管内密封性，经90°弯头零件进行修改，零件成形后将多余部分切除即可。修改后零件如图2所示，零件两端直管直径小于弯头外径，直管与弯头间以圆弧过渡，红色线框内为成形后切除区域。

2 大口径厚壁90°弯头液压成形有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

使用Dynaform有限元模拟软件进行大口径厚壁90°弯头液压成形有限元模拟，考虑到修改后弯管两端直径小于零件要求直径，所以设计初始管坯直径与弯管两端一致。成形该件的管坯参数：管坯外壁直径为240mm，厚度为10mm，长度为2800mm；管坯材料性能参数为Dynaform有限元模拟软件所提供的SS304奥氏体不锈钢参数，239.48MPa是该材料的屈服点，其默认应力-应变曲线如图3所示。

管坯单元网格类型是自适应型正方形壳单元网格，单元边长为30mm，摩擦系数选自Dynaform有限元数值模拟软件中默认的标准钢的摩擦系数0.125，完成前处理设置后大口径厚壁90°弯头液压成形有限元计算模型如图4所示。

2.2 加载路径的选择

2.2.1 加载路径设计

为了研究出合理的加载路径，可以通过大量的数值模拟来得出最优的加载路径，设计如图4所示的4条加载路径。在模拟过程中，模具与液压同时是开始进行加载，模具呈匀速运动，直至模具闭合，模具运动距离426mm；液压呈直线或折线加载，图4中0～10s为压弯阶段，10～20s为胀形阶段。液压从0MPa开始加载，加载路径A为液压线性加载，加载开始后20s，液压到达80MPa，成形结束；加载路径B为加载开始后6s，液压达到10MPa，加大增压速率，加压4s后，液压达到45MPa，然后减小加压速率，加压10s，液压达到100MPa，成形结束；加载路径C为加载开始后6s，液压达到5MPa，加大增压速率，加压4s后，液压达到20MPa，然后减小加压速率，加压10s，液压达到40MPa，成形结束；加载路径D为加载开始后6s，液压达到10MPa，加大增压速率，加压4s后，液压达到35MPa，然后减小加压速率，加压10s，液压达到40MPa，成形结束。

2.2.2 模拟结果分析

加载路径A模拟计算结果如图6所示。从图中发现管坯尺寸超过了模具直径，这是由于压弯阶段液压加载速率过快导致的。在这一阶段，模具给管坯向下的压力，管坯受力向模具两侧没有约束的区域发生变形，与此同时，过快的液压加载速率促进管坯膨胀。模具压力和液压共同作用使管坯尺寸在模具合模之前超过模具直径，使实验失败。这一结果说明，在模具闭合的前期，液压加载速率不宜过快。

加载路径B模拟计算结果如图7所示。图7为模拟结果成形极限图，在图中并未发现代表濒临破裂的黄色和代表破裂的红色区域，表明零件并未濒临破裂或破裂。在零件两端存在严重褶皱，但该区域属于切除部分，不影响弯头使用，在弯头区域存在少量轻微褶皱，同时，在图中圆圈内产生了凹坑。这是由于管料在弯曲过程中引起回弹,在零件侧壁产生凹陷变形，使得尺寸精度和外形无法达到要求。因此，加载路径B也无法作为大口径厚壁90°弯头的液压成形加载路径。

加载路径C模拟计算结果如图8所示。从图8a成形极限图中可以轻易的发现零件并未破裂或濒临破裂，在零件两端产生严重褶皱，但并不影响弯头使用。在弯头区域存在褶皱趋势，但并未产生褶皱，仍属于无褶皱范畴，不影响弯头使用。图8b为零件减薄率分布图，图中显示零件最大减薄率为36.513%，高于零件要求的35%。因此，加载路径C同样不可以作为大口径厚壁90°弯头的液压成形加载路径。

加载路径D模拟计算结果如图9所示。从图9a成形极限图中可以轻易的发现零件并未出现红色或黄色区域，表明变形过程中并未产生破裂或濒临破裂，在零件两端产生严重褶皱，切割后不影响弯头使用。在弯头区域存在少量代表具有褶皱趋势的蓝色区域，但并不代表该区域产生褶皱，不影响弯头使用。图9b为零件减薄率分布图，图中显示零件最大减薄率为34.691%，低于零件要求的35%。因此，零件合格，加载路径D可以作为大口径厚壁90°弯头的液压成形加载路径，用于成形该零件。

2.3 成形规律分析

图10为零件经过加载路径D模拟计算的壁厚分布图，图中显示随着变形量的增加零件壁厚总体呈现出减薄的趋势，零件内弯壁厚要高于外弯。将图10中零件沿平行于纸面方向进行剖切,在外弯一侧选择27个等距节点测量其壁厚分布，如图11a所示，在内弯一侧选择27个等距节点测量其壁厚分布，如图11b所示。从图11a发现，外弯顶部区域壁厚相对于其他位置减薄较为严重，但壁厚最薄的位置并不是在外弯最高处的节点，而是在最高处节点的两侧。在图11b中，内弯顶部区域壁厚相对于其他位置减薄较轻，但是壁厚减薄最轻处并不在内弯最高处节点，而是在最高处节点的两侧。将图片沿垂直于直面方向，在图10中箭头指示的位置进行剖切，沿整个圆形剖切界面均匀选择8个节点测量其壁厚分布，如图12所示。图12a中5点是零件外弯最高处，8点为零件内弯最高处。从图12这再次发现零件外弯顶部区域壁厚相对于其他位置减薄较为严重，但壁厚最薄的位置并不是在外弯最高处的节点，而是在最高处节点的两侧。这说明了在零件外弯最高处壁厚小于其周围壁厚，这是由零件最高处变形量小于其周围区域导致的。