封头成形的研究与发展(3)
3 爆炸成形
爆炸成形主要在于利用炸药的爆炸瞬间所产生的巨大能量来将板材加工成封头的一种成形方法。爆炸瞬间所带来的能量将板材迅速成形,晶粒来不及长大,并且减轻了塑性变形带来的加工硬化现象,所得的封头组织更均匀细密,这也是其他成形方法所不具备的优势。马安鹏等[22]对椭圆封头爆炸成形进行了数值模拟和研究,其中最为主要的是压边力的大小,当压边力增大时,胀形比也会随之增大,从而导致壁厚减薄量增加,封头深度降低,但对于起皱有着良好的抑制作用。
在实际的应用中,炸药的位置、类型以及配方,压边力大小以及拉环形状等都要依据实际封头形状和使用性能来确定。这些参数的选取都需要有丰富的经验和理论知识,并且成形过程较为复杂,因此在铁路罐车的实际生产中一般不采用此种方法来进行封头的成形。
4 应用分析
冲压成形一次性拉深大直径的封头需要有超大吨位的压力机,对设备要求较高,并且模具费用较为昂贵,因此生产成本相对较高,但工作效率高,成形质量好,非常适用于大批量生产。旋压成形不需要专用模具,适应性强、柔性高,可用于不同规格、形状的封头,因此成本较低,但成型质量不如冲压成形,工作效率低,适用于小批量多品种的封头生产。爆炸成形适用于难以成形的金属,并不需要专用的模具和压力机,适用于单件生产,而且成形后需要校形,工艺较前2种方法更为复杂。
5 结语
在封头的成形过程中,不论是冲压、旋压还是爆炸成形,都有其相应的优势。在实际的生产过程中,应该依据封头的外形、材质、具体的工作环境以及设备情况来考虑选取。与此同时,在封头的制备过程中应当考虑向更高效、更环保、更高精度的方向发展。
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随着科技的发展和社会的进步,货运行业的运输需求日益壮大。与此同时,在习主席倡导“蓝天保卫战”公转铁的运输大背景下,铁路物流的热度达到了前所未有的高度,尤其是依靠铁路物流在运输粉、液、气等方面的天然优势,在易燃易爆等危险化工品的运输过程中成为首要选择。目前,在我国铁路的提速和重载的需求情况下,铁路罐车的设计和制造要求也相应的进一步提高。封头作为铁路罐车的重要承力部件,它的力学性能会对行车安全产生直接的影响。然而,由于封头的尺寸大,材料厚,加工制造技术难度大,使得封头的成形质量成为决定铁路罐车产品质量高低的重要因素之一。现阶段,封头的成形方法主要分为冲压成形、旋压成形和爆炸成形等方法。基于此,本文主要对国内外有关封头成形技术的研究现状与发展进行探讨,并对各种成形方法的适用情况进行对比分析。1 冲压成形封头的成形主要分为热压成形和冷压成形。热压成形是在高温的条件下进行冲压成形,所获得的封头塑性好,易于成形。但同时受到温度场、应力、应变场的综合作用,封头的形状和尺寸精度难以控制,而且在封头的表面容易形成氧化层,使得封头的壁厚变化不均匀。冷压成形是在常温下冲压成形,由于加工硬化的作用,封头的强度、硬度均得到了一定的提高,对称部位的应力、应变都相同,尺寸的稳定性相对较好。但其在生产过程中,容易产生鼓包、起皱等现象 热压成形郭晓春等[1]对16MnR+SAF2507复合板材进行热压封头研究。通过研究表明,其具体的加热温度要控制在1 080 ℃左右,保温时间为18 min,压制成型的最终温度不能低于960 ℃,成形后要进行快速冷却。最后利用样板对封头尺寸进行检验,其最大间隙为87.9 mm,但复合板的结合状态、力学性能以及晶间腐蚀均能达到要求。刘帆[2]对16MnR/N复合板材封头的热压成形工艺进行了研究。利用ASTM G28-A法对不同热压温度下的封头进行试验,通过研究表明,热压温度控制在700 ℃以下并保温30 min时,金相图中没有明显的沉淀物产生,没有产生晶间腐蚀现象,可以获得性能较好的16MnR/N复合封头。崔军等[3]对锆制封头的成形方法进行研究。通过高温拉伸试验、晶粒控制等一系列研究最后确定出锆制封头的热压成形工艺参数:加热温度为730~750 ℃,成形温度控制在550 ℃以上,保温时间不超过10 min,模具预热温度控制在150 ℃以上。高焕丽等[4]对钢热压封头的性能展开研究,研究发现热压成形后的封头产生带状组织缺陷,严重降低了其力学性能。因此适宜的热处理工艺非常重要,采用920~940 ℃正火,正火后强冷保证5 ℃/min以上,回火温度690~720 ℃保温时间根据厚度调整,回火后进行空冷。梁方杰[5]对1Cr18Ni9Ti不锈钢椭圆封头热压制裂纹进行了分析研究,结果表明,温度的提高会使δ铁素体的体量增多,这会破坏奥氏体的连续性,导致塑性减低,热压制时δ铁素体被拉断,导致封头出现热裂纹。邓晓婷等[6]利用X射线、有损全释放2种方法对热冲压球形封头的残余应力进行了测试分析,研究发现,封头外壁的残余应力从底部开始增大,在过渡区转折,进入直边段后迅速增大到最大值。邵将等[7]利用大量的热冲压封头为对象,针对热冲压后封头的减薄率进行了分析研究,通过不断修正和分析最后得出了减薄率的计算公式为:η=12%×(H+δmin) / (SR+δmin/2)。上述研究结果表明,对于塑性较差、冷作硬化现象严重的材料而言,在进行封头的压制过程中,为防止低应力脆断现象的发生应尽可能地选用热压成形。但在热压成形的工艺方法下所获得的封头外形尺寸不够稳定,而且容易产生组织缺陷,从而降低封头的力学性能。与此同时,加热不均匀导致的热应力过大,也会使封头产生热裂纹。基于上述情况,热压成形后必须配以相应的热处理工艺来消除缺陷,以提高封头的力学性能,但必须保证均匀加热,防止过大的热应力产生 冷压成形陈志英等[8]利用DEFORM-3D对薄板圆筒形封头的冷压成形工艺进行模拟研究,通过模拟分析发现,采用锥形凹模(凹模角度为30°)能够解决封头法兰起皱问题,有效降低了废品率,减少了材料的浪费。朱里红等[9]利用正交实验和Dynaform软件对大型薄壁封头的拉延筋类型和参数进行优化分析,最后结合试验验证优化出最佳的拉延筋类型为拉延槛,位置在距离凹模内壁120 mm处,高度为30 mm。惠培子等[10]对冷压S标准椭圆封头的塑性变形分布进行了相应的研究,利用ABAQUS软件对整个的冲压过程进行模拟分析,主要针对封头的等效塑性应变、厚度变化规律以及经向塑性应变进行了分析。王妍娜[11]对大直径球形封头的下料尺寸计算进行了研究,通过将封头曲面按圆锥面近似展开,利用三角函数关系进行推导计算出下料的展开尺寸,确保整个封头的成形质量。魏承辉等[12]利用相关的工艺计算,设计了蝶形封头的冷压模具,在不采用压边圈的情形下,选择通过2次拉伸将封头最终拉伸成形(弯曲模和弯曲-拉伸复合模),以防止出现起皱的成形问题。类似的封头均可以采用这种模具结构来完成冷压成形。王世东等[13]研究了空气罐封头的成形特点,并设计了相应的模具。通过研究表明,当封头的局部需要成形时,相关联部分的变形会不均匀,这会导致材料流动性降低而出现裂纹。一般这种情况下,就需要改进工艺和模具结构来保证成型质量。吴伯洁等[14]利用Dynaform软件对封头拉伸工艺进行模拟和改进,研究表明,通过设置拉延筋可以提高拉深阻力以防止起皱等现象的发生,同时拉延筋可以降低压边圈的载荷和壁厚的减薄量。最大主应力降低了约50%,最大主应变降低了约18%。古创国等[15]应用Abaqus软件对椭球封头的冷拉伸过程进行了有限元模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比。主要研究了压边力、凹模圆角半径、摩擦力对椭球封头减薄和起皱的影响规律。综上所述,冷压成形过程中容易出现起皱、过度减薄以及裂纹等现象。起皱主要出现在靠近凹模圆角的悬空区域,这是由于周向压应力大于此处材料的抗失稳能力所导致的。而减薄主要出现在封头底部和凹模圆角的悬空区,这主要是因为切向拉应力过大导致壁厚过度减薄。同时,在封头的局部需要成形时,要对封头的成形模具和工艺方法进行改进,防止由于材料的流动不均匀导致的裂纹出现。通常情况下,可以利用改变压边力的大小、凹模圆角半径、拉延筋类型等方法来避免冷压过程中可能出现的起皱和裂纹等现象。2 旋压成形旋压成形是指将平板坯料或空心坯料固定在旋压机的模具上,在坯料随同机床主轴转动的同时,用旋轮或赶棒加压于坯料,使其逐渐变形并紧贴于模具,从而获得所要求的零件。旋压成形适用于加工各种形状复杂的旋转体零件,可代替拉伸、翻边、缩口、胀形、弯边和叠缝等工序。旋压主要分为普通旋压和变薄旋压,后者也称为强力旋压。张艳秋等[16]应用ANSYS软件对薄壁铝合金封头的旋压成形工艺进行了研究。研究表明,在薄壁封头的旋压成形过程中,翻边部分的外缘容易发生起皱。为防止发生失效,应采取弯边来提高外缘的刚度,同时应尽可能选择较小的进给比。刘兴家等[17]对椭圆封头旋压控制参数进行了研究,对旋压成形的机理进行分析,建立旋压轨迹方程,并研究了渐开线参数的确定方法以及施压道次间距对起皱和减薄的影响。李文平等[18]对蝶形封头的旋压成形进行了数值分析,主要研究了旋压过程中的应力应变规律,其加工的主要难点在于外缘的折边部分,球冠部分的旋压力基本保持不变,在外缘折边时需要更大的旋压力。万晋等[19]利用有限元分析对近似椭圆封头和标准椭圆封头进行了对比研究,研究结果表明,近似椭圆封头虽然在外形上与标准椭圆封头较为接近,但在小圆弧的过渡区,应力分布更为复杂并且σmax与Smax都比标准椭圆封头大10%~60%。因此,在实际应用过程中2种封头的强度并不等效,不能互换。A. Fiorentino等[20]对板料旋压的受力和精度进行了试验研究,通过研究结果发现,当刀具的路径选择较小的角度时,封头的受力明显降低并且所得的尺寸精度也较高。高晶晶[21]对大型壁厚封头的旋压成型工艺进行研究,利用有限元软件进行数值模拟,针对旋轮进给比、摩擦因数、旋轮安装角对封头的应力应变、壁厚等的影响规律进行了探索,同时对第二、第三次旋压成形规律进行了研究。从上述研究中可以看出,由于在旋压过程中,外缘的宽度和刚度随着进给不断地降低,塑性变形区不断加大,从而导致封头的外缘容易失稳而产生皱折。因此,在旋压前需要对毛坯的外缘进行预弯边来提高刚度。同时,通过数值模拟发现,旋压过程中球冠部分的旋压力基本保持不变,在外缘折边时需要更大的旋压力。这主要是由于随着进给的不断增加,外缘的变形程度增加,加工硬化现象等因素造成的。通常情形下,通过旋压制成的封头产品在外形上呈近似椭圆结构,与冷压成形的标准椭圆相比,旋压成形的封头在应力分布上更为复杂,并且2种封头的强度并不等效,在实际生产中如果要替换则需要重新校核强度。因此,旋压成形的方法在大批量的生产中有一定的局限性。3 爆炸成形爆炸成形主要在于利用炸药的爆炸瞬间所产生的巨大能量来将板材加工成封头的一种成形方法。爆炸瞬间所带来的能量将板材迅速成形,晶粒来不及长大,并且减轻了塑性变形带来的加工硬化现象,所得的封头组织更均匀细密,这也是其他成形方法所不具备的优势。马安鹏等[22]对椭圆封头爆炸成形进行了数值模拟和研究,其中最为主要的是压边力的大小,当压边力增大时,胀形比也会随之增大,从而导致壁厚减薄量增加,封头深度降低,但对于起皱有着良好的抑制作用。在实际的应用中,炸药的位置、类型以及配方,压边力大小以及拉环形状等都要依据实际封头形状和使用性能来确定。这些参数的选取都需要有丰富的经验和理论知识,并且成形过程较为复杂,因此在铁路罐车的实际生产中一般不采用此种方法来进行封头的成形。4 应用分析冲压成形一次性拉深大直径的封头需要有超大吨位的压力机,对设备要求较高,并且模具费用较为昂贵,因此生产成本相对较高,但工作效率高,成形质量好,非常适用于大批量生产。旋压成形不需要专用模具,适应性强、柔性高,可用于不同规格、形状的封头,因此成本较低,但成型质量不如冲压成形,工作效率低,适用于小批量多品种的封头生产。爆炸成形适用于难以成形的金属,并不需要专用的模具和压力机,适用于单件生产,而且成形后需要校形,工艺较前2种方法更为复杂。5 结语在封头的成形过程中,不论是冲压、旋压还是爆炸成形,都有其相应的优势。在实际的生产过程中,应该依据封头的外形、材质、具体的工作环境以及设备情况来考虑选取。与此同时,在封头的制备过程中应当考虑向更高效、更环保、更高精度的方向发展。参考文献[1] 郭晓春, 管云胜, 邹华, 等. 超级双相钢复合板16MnR+SAF2507热成型工艺[J]. 压力容器, 2007(1):42-44.[2] 刘帆. 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文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0107/410.html
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