反向曲線(xiàn)變徑殼體沖壓成型工藝及模具設(shè)計(jì)

陸博福 陸 洋

(1.中國(guó)第一重型股份公司重裝事業(yè)技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江 161042;2.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 161006)

在石油化工壓力容器設(shè)備換熱器中的變徑殼體較為常見(jiàn)，多用于擴(kuò)容部位以滿(mǎn)足化工工藝要求，其結(jié)構(gòu)形式有折邊錐殼、無(wú)折邊錐殼和反向曲線(xiàn)變徑殼體。對(duì)于反向曲線(xiàn)變徑段殼體若按一般封頭沖壓方法加工成型，其產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。為此，本文在總結(jié)本企業(yè)制造容器變徑殼體的基礎(chǔ)上，對(duì)反向曲線(xiàn)的變徑殼體沖壓成型工藝及模具設(shè)計(jì)加以論述。

1 反向曲線(xiàn)變徑殼體沖壓工藝選擇

圖1 是反向曲線(xiàn)變徑殼體圖。根據(jù)反向曲線(xiàn)變徑殼體幾何形狀，必須采取兩次沖壓成型法。即先熱壓成型翻邊內(nèi)孔，而后再?zèng)_壓成型翻邊外圓。將坯料二次加熱沖壓，從而使零件全部得到成型加工?，F(xiàn)以DN800/600×12 合金鋼16MnR殼體變徑段為例說(shuō)明成型工藝過(guò)程。

1.1 反向曲線(xiàn)變徑殼體內(nèi)孔翻邊沖壓

將鋼板坯料加熱到950～1 100℃，正放于翻邊沖壓下模具上，固定壓邊圈裝置，開(kāi)動(dòng)液壓機(jī)使上模向下移動(dòng)加力，翻邊成型零件的小口直徑，退料。完成沖壓成型工作。

圖1 反向曲線(xiàn)變徑段殼體圖Figure 1 Drawing of reverse curve variable diameter shell section

1.2 反向曲線(xiàn)變徑殼體外圓沖壓成型

將鋼板坯料二次加熱到950～1 100℃，正放于翻邊沖壓下模具上，開(kāi)動(dòng)液壓機(jī)使上模向下移動(dòng)加力，翻邊成型零件的大口直徑，退料。完成沖壓成型工作。

2 反向曲線(xiàn)變徑殼體展開(kāi)下料計(jì)算

2.1 下料

零件采用大口向內(nèi)翻邊，小口向外翻邊的沖壓方法制做。坯料下成圓環(huán)板平板料即可。

2.2 殼體展開(kāi)下料內(nèi)外圓直徑計(jì)算

根據(jù)等面積展開(kāi)原理，取零件壁厚度中性層作為算料尺寸基準(zhǔn)，而且由于相應(yīng)兩段中性層圓弧的公切點(diǎn)連線(xiàn)為零件高度的中線(xiàn)，其尺寸為中徑dz。下面分別推導(dǎo)反向曲線(xiàn)變徑殼體下料展開(kāi)內(nèi)外圓直徑dK、DK。

2.2.1 變徑殼體大端展開(kāi)直徑計(jì)算

式中，H1是變徑殼體曲面高度，H1=全高-2h=184 mm;Rz是曲面半徑中值，Rz=106 mm。

得α=29.78°取為30°。

圖2 是反向曲線(xiàn)變徑殼體展開(kāi)計(jì)算圖，變徑殼體大端曲線(xiàn)方程建立:

則有第一段大徑端曲線(xiàn)方程式為:

曲面微分:

曲面積分:

圖2 反向曲線(xiàn)變徑殼體大端展開(kāi)計(jì)算坐標(biāo)圖Figure 2 Calculating coordinate graph of reverse curve variable diameter shell large end spread

則有展開(kāi)直徑:

式中，D 是大端中性層直徑，D=公稱(chēng)內(nèi)徑+板厚度=812 mm;dz是殼體中徑值，dz=0.5(Dn+dn)+S=712 mm;r 是圓弧中性層半徑，按中性層計(jì)算，r=R+6=106 mm;h0是直邊高度，h0=30 mm。

由公式(1)得DK=974。

2.2.2 反向曲線(xiàn)變徑殼體小端展開(kāi)直徑計(jì)算

圖3 為殼體小端展開(kāi)計(jì)算坐標(biāo)圖。

曲面積分:

式中，d 是變徑殼體小端中性層直徑，d=公稱(chēng)內(nèi)徑+板厚度=612 mm;dZ=712 mm，h=30 mm;r=106 mm。由公式(2)得dK=489.5 mm。

3 沖壓工藝計(jì)算及模具設(shè)計(jì)

3.1 拉深系數(shù)的計(jì)算

大端拉深系數(shù)m1:

式中，Dn是變徑段大端公稱(chēng)直徑Dn=800 mm;DK是大端展開(kāi)直徑，DK=974 mm。

式中，d0是變徑段小端公稱(chēng)直徑d0=600 mm;dK是小端展開(kāi)直徑，dK=489.5 mm。

圖3 反向曲線(xiàn)變徑殼體小端展開(kāi)計(jì)算坐標(biāo)圖Figure 3 Calculating coordinate graph of reverse curve variable diameter shell little end spread

3.2 毛坯相對(duì)厚度的計(jì)算

(1)大端拉深相對(duì)厚度u1

可以一次成型，而且不用壓邊圈。

(2)小端拉深相對(duì)厚度u2

可以一次成型，而且不用壓邊圈。

3.3 沖壓模具的沖頭直徑設(shè)計(jì)

大小端的沖壓收縮比相同為0.65%。

Dr大=Dn(1+6.5%)=805+0.5mm

Dr小=Dn(1+6.5%)=604-0.5mm

該模具沖頭可用橢圓封頭模具代用。

3.4 下模拉環(huán)設(shè)計(jì)

3.4.1 拉環(huán)內(nèi)徑

拉環(huán)內(nèi)徑dM=(Dr+2S+z)

式中，Dr是上模沖頭直徑;S 是板厚度，S=12 mm;z 是間隔，z=1.5 mm。

變徑大端拉環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，Dr=805 mm，則拉環(huán)內(nèi)徑dM1=830+0.5mm。變徑小端拉環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，Dr=604 mm，則拉環(huán)內(nèi)徑dM2=629+0.5mm。

3.4.2 拉環(huán)圓角半徑RM確定

一般應(yīng)取RM為3 至4 倍的板厚，則

RM=(3～4)S=(3～4)×12=36～48 mm

由于翻邊內(nèi)孔主要是靠拉環(huán)內(nèi)孔成型，所以圓弧半徑不應(yīng)太小，為此取較大的值為宜即為48 mm。

整體下模厚度H 取3.5 倍的圓弧半徑為宜，即為H=168 mm。

拉環(huán)外徑=內(nèi)徑+200=1 030 mm

當(dāng)采用組合套式下模時(shí)，其拉環(huán)厚度尺寸可減小至100 mm。材料為鍛造鐵，外套材料為鋼板焊接結(jié)構(gòu)件后經(jīng)機(jī)加工即可，(有條件的可用鍛鋼件)。對(duì)于該下?？捎脴?biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的DN800×12 模具代用。

4 翻邊沖壓力計(jì)算

變徑段殼本沖壓是由兩個(gè)工藝過(guò)程，第一次是翻內(nèi)孔圓邊，第二次是外圓收縮沖壓成型。

4.1 內(nèi)孔翻邊沖壓力計(jì)算公式

式中，d1是翻邊直徑600 mm;S 是鋼板厚度12 mm;σb'是材料在沖壓結(jié)束溫度下的強(qiáng)度極限;m1是沖壓系數(shù)可按表1 選取。

表1 沖壓系數(shù)m1值Table 1 Punch coefficient m1value

4.2 變徑段殼體外圓沖壓力計(jì)算

若已知d1=800，d0'=974，則mk=1.22，已超出表1 所示的翻邊系數(shù)取值范圍，故不能用公式(3)計(jì)算沖壓力，而應(yīng)用橢圓封頭沖壓力公式計(jì)算沖壓力:

計(jì)算得P=π800×12×15×0.50=226 200 kg。滿(mǎn)足壓力機(jī)設(shè)備能力要求。

5 結(jié)語(yǔ)

采用可靠的工藝技術(shù)方法對(duì)反向曲線(xiàn)變徑段殼體進(jìn)行整體二次熱沖壓翻邊成型的關(guān)鍵在于:一是要根據(jù)等面積展開(kāi)原理，應(yīng)用微積分學(xué)精確計(jì)算毛坯下料展開(kāi)直徑，二是通過(guò)沖壓工藝計(jì)算，確定沖壓模具結(jié)構(gòu)形式是否采用壓邊裝置，三是選擇熱沖壓工件加熱溫度和終結(jié)溫度，從而保證沖壓封頭質(zhì)量符合要求。

本文所述的反向曲線(xiàn)變徑段殼體整體二次熱沖壓翻邊成型技術(shù)，可使所制成形封頭幾何尺寸完全符合圖紙要求，從而取得較為理想的效果。