膨脹節(jié)沖壓工藝的研究及應(yīng)用

鄭偉強(qiáng)

(太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

中國制造是世界上認(rèn)知度最高的標(biāo)簽之一。2018年10月24日，李克強(qiáng)總理在中國工會全國代表大會上說：“中國制造”要盡早變?yōu)椤爸袊臁?。太原鍋爐集團(tuán)有限公司為了打造超一流的循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品，鼓勵設(shè)計、工藝、生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)積極研發(fā)新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。本文針對鍋爐膨脹節(jié)產(chǎn)品，設(shè)計沖壓工藝及沖壓模具，研究凸模圓角半徑和角度參數(shù)與膨脹節(jié)產(chǎn)品尺寸的關(guān)系，以保證膨脹節(jié)沖壓質(zhì)量和產(chǎn)品性能。

1 膨脹節(jié)產(chǎn)品介紹

膨脹節(jié)產(chǎn)品安裝在鍋爐一次風(fēng)和二次風(fēng)的管道上，用于抵消管道的受熱延伸。膨脹節(jié)產(chǎn)品如圖1所示，材質(zhì)為Q235B，理論展開寬度為484.5 mm，膨脹節(jié)開口處尺寸為92 mm～94 mm(等同于控制R46圓弧的角度為178.9°～180°)。

圖1 膨脹節(jié)產(chǎn)品

2 膨脹節(jié)沖壓工藝設(shè)計

2.1 膨脹節(jié)沖壓設(shè)備

膨脹節(jié)產(chǎn)品采用彎曲沖壓成型工藝，沖壓設(shè)備選擇壓力機(jī)，設(shè)備型號需要依據(jù)膨脹節(jié)沖壓所需彎曲力、模具外形尺寸、模具開合行程3個參數(shù)指標(biāo)確定。

膨脹節(jié)沖壓彎曲力F由下式計算[1]：

F=Kbtσb.

(1)

其中：K為系數(shù)，一般為0.3～0.6，取K=0.6；b為彎曲件寬度，b=1 000 mm；t為料厚，t=2 mm；σb為材料抗拉強(qiáng)度,σb=460 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計算得：F=552 000 N。

模具外形尺寸為1 300 mm×400 mm，閉合高度為450 mm，開啟高度為620 mm。依據(jù)膨脹節(jié)沖壓參數(shù)和公司現(xiàn)有設(shè)備，確定膨脹節(jié)沖壓選用400 t單臂油壓機(jī),設(shè)備參數(shù)如下：壓力400 t；上、下臺面最大開啟高度1 500 mm；設(shè)備臺面尺寸2 000 mm×1 500 mm。

2.2 膨脹節(jié)沖壓模具參數(shù)

膨脹節(jié)沖壓模具主要設(shè)計參數(shù)為凸模圓角半徑R和角度α,如圖2所示。

圖2 凸模結(jié)構(gòu)

凸模圓角半徑由下式確定：

(2)

其中：r為彎曲件圓角半徑,r=46 mm；σs為材料屈服強(qiáng)度,σs=235 MPa；E為材料彈性模量,E=210 000 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計算得：R=42.7 mm。

2.3 膨脹節(jié)沖壓用材料要求

材料和毛坯質(zhì)量對產(chǎn)品沖壓質(zhì)量的影響極為關(guān)鍵，Q235B板材化學(xué)成分、力學(xué)性能必須符合GB700-88標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。采用剪板機(jī)剪切下料，下料尺寸為1 000 mm×484.5 mm，寬度方向與板材軋制方向一致，邊角毛刺須清理干凈。

3 膨脹節(jié)沖壓模具結(jié)構(gòu)

膨脹節(jié)沖壓模具(以下簡稱模具)結(jié)構(gòu)如圖3所示。模具整體結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)軸式，主要包括凸模、凹模、凹模塊、凹模復(fù)位支撐塊、拉簧、拉桿和軸座。

模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：①凹模采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)膨脹節(jié)一次沖壓成型;②為了保證沖壓過程制件的彎曲空間及節(jié)約模具成本，設(shè)計上模墊塊2，材質(zhì)45鋼;③拉簧、拉桿機(jī)構(gòu)保證在上模開啟狀態(tài)時凹模處于初始狀態(tài)。

1-上模座；2-上模墊塊；3-凸模連接塊；4-凸模；5-制件；6-凹模復(fù)位支撐塊；7-拉簧；8-下模座；9-凹模塊；10-拉桿；11-凹模；12-軸座；13-銅套

4 模具沖壓工作過程

如圖3所示，上模左半部分示意上模開啟狀態(tài)，右半部分示意上模閉合狀態(tài)。模具沖壓工作過程如下：

(1) 工作時，上模處于開啟狀態(tài)，將制件5放在凹模塊9上，測量找正。

(2) 壓力機(jī)滑塊開始下行，帶著上模座1、上模墊塊2、凸模連接塊3和凸模4整體下行；凸模4壓著制件5繼續(xù)下行。制件5接觸凹模11后繼續(xù)下行；凹模11受壓逐漸向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，凹模塊9和拉桿10同步旋轉(zhuǎn)；拉簧7被拉伸。當(dāng)凹模11、凹模塊9與凸模4輪廓吻合，凸模4停止下行(壓力機(jī)滑塊停止下行)，上模達(dá)到閉合狀態(tài)。

(3) 壓力機(jī)滑塊開始回程，凹模塊9、凹模11、拉桿10和拉簧7復(fù)位。

(4) 取出制件，完成一次沖壓過程。

5 膨脹節(jié)沖壓試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為復(fù)驗(yàn)合格的Q235B板材，尺寸為2 mm×484.5 mm×1 000 mm，數(shù)量為20件。

5.2 試驗(yàn)方法

凸模圓角半徑R和角度α是影響膨脹節(jié)沖壓質(zhì)量的主要因素。試驗(yàn)采用反推算回彈量的方法，通過測定膨脹節(jié)內(nèi)寬尺寸，修訂設(shè)計參數(shù)，每次驗(yàn)證沖壓10件產(chǎn)品。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

第一次試驗(yàn)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中“表8-11 U型彎曲回彈角”選定凸模設(shè)計參數(shù)：凸模圓角的半徑R為42.7 mm、角度α為158°，試件內(nèi)寬尺寸如表1所示。沖壓的膨脹節(jié)產(chǎn)品內(nèi)寬尺寸偏大，說明凸模圓角的角度α偏大，需進(jìn)行重新修訂。取10組膨脹節(jié)內(nèi)寬尺寸的平均值102.9，計算得膨脹節(jié)內(nèi)寬夾角為6.12°，將凸模圓角的角度α修改為152°；用樣板符樣檢查膨脹節(jié)R46圓弧，基本吻合，凸模圓角半徑R不變，再次試驗(yàn)。

表1 第一次試驗(yàn)膨脹節(jié)內(nèi)寬尺寸 mm

第二次試驗(yàn)，在第一次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，取凸模設(shè)計參數(shù)如下：凸模圓角半徑R為42.7 mm、回彈角度α為152°，試件內(nèi)寬尺寸如表2所示。沖壓的膨脹節(jié)產(chǎn)品90%符合要求，說明凸模設(shè)計參數(shù)合理。

表2 第二次試驗(yàn)膨脹節(jié)內(nèi)寬尺寸 mm

6 結(jié)論

本文設(shè)計了膨脹節(jié)產(chǎn)品的沖壓工藝及沖壓模具，通過沖壓測試，得出下列結(jié)論：

(1) 膨脹節(jié)沖壓模具設(shè)計參數(shù)合理，模具結(jié)構(gòu)、性能良好。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)凸模圓角的半徑R為42.7 mm、角度α為152°時，能夠獲得合格的膨脹節(jié)產(chǎn)品。

(3) 該膨脹節(jié)沖壓模具的成功研制，為薄板件彎曲沖壓回彈量補(bǔ)償提供了新的技術(shù)支持。