罐體人孔翻邊成型工藝研究

羅煥云 賈汝唐 白偵正

（中車西安車輛有限公司，陜西 西安 710086）

1 問(wèn)題的提出

目前，鐵道罐車罐體采用的都是圓柱或錐體結(jié)構(gòu)，在罐體上設(shè)置了人孔、安全閥等配件，這些配件的組裝主要存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題：（1）罐體人孔處明顯塌陷；（2）人孔裝配與罐體焊縫處，在罐體檢修過(guò)程中有裂紋出現(xiàn)；由于開(kāi)孔使罐體材料被削弱，人孔局部剛度減弱。在化工容器及電力設(shè)備中，與人孔類似結(jié)構(gòu)基本都采用翻邊結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)對(duì)罐體人孔裝配采用插入式組焊和翻邊式兩種結(jié)構(gòu)的車體靜強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，無(wú)論插入式組焊還是翻邊式結(jié)果都表明，第一工況拉伸組合載荷、第一工況壓縮組合載荷以及第二工況都顯示罐體上最大應(yīng)力均小于所用材料許用應(yīng)力，能夠滿足罐體強(qiáng)度要求，但是翻邊式由于采用了圓弧過(guò)渡，應(yīng)力集中程度相對(duì)減小很多。人孔翻邊一方面對(duì)罐體壁的開(kāi)孔處起到了加強(qiáng)作用，可有效解決現(xiàn)有罐車在制造中容易出現(xiàn)人孔部位罐體的塌陷；另一方面與之連接的焊縫可獲得較高的焊縫系數(shù)，同時(shí)罐體水壓試驗(yàn)以及清洗時(shí)，罐內(nèi)液體宜于排凈，減少殘余液體對(duì)罐體的腐蝕[1]。

2 研究對(duì)象的確定

罐車人孔翻邊是在已卷制完成的筒節(jié)上進(jìn)行預(yù)制底孔，在翻邊機(jī)上依靠模具借助材料的變形沿筒節(jié)曲線，翻成豎立的凸緣，翻邊完成后要求筒節(jié)邊緣周長(zhǎng)不得出現(xiàn)收縮，不得出現(xiàn)裂紋、破裂及劃傷[2]。結(jié)合現(xiàn)有鐵路罐車各型車參數(shù)及未來(lái)可能發(fā)展的趨勢(shì)，確定選用：復(fù)合鋁（S501-O）厚度20+4、Q345A 厚度10、不銹鋼（316L）厚度10、Q450NQR1 厚度10 等四種為代表材質(zhì)，設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)復(fù)合鋁以濃硝酸罐車為代表車型，其它材質(zhì)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)以GQ70 型輕油罐車為代表車型。本次試驗(yàn)以這四種材質(zhì)兩種車型參數(shù)確定為工藝研究對(duì)象。

3 工藝分析

3.1 參數(shù)確定

3.1.1 孔徑、翻邊高度的確定

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有人孔尺寸進(jìn)行綜合分析及對(duì)工藝裝備的調(diào)研[3]，確定翻邊的人孔直徑保持現(xiàn)有人孔孔內(nèi)徑Φ500mm。翻邊凸緣高度大小等與材料性能、厚度、預(yù)制底孔尺寸有關(guān)。預(yù)開(kāi)孔尺寸越小，形成的豎邊高度越高，材料的變形越大，端部開(kāi)裂的可能性越大。從材料的性能上分析計(jì)算翻邊高度原則上不得超過(guò)50mm，從焊接角度考慮，其開(kāi)孔翻邊高度越大越好，不得低于25mm，因此翻邊高度暫確定為50mm。

3.1.2 過(guò)渡圓角的確定

由于車體靜強(qiáng)度計(jì)算表明罐體最大應(yīng)力位于翻邊人孔過(guò)渡圓弧處，因此過(guò)渡圓弧選取的大小對(duì)車體來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵，從沖壓性能來(lái)說(shuō)一般R 在30～80mm 范圍內(nèi)較合適[4]，使用有限元對(duì)過(guò)渡外圓角R 為30mm、40mm、50mm、60mm為例，以80t 級(jí)罐車為分析對(duì)象，分析了車體在第一工況拉伸、第一工況壓縮、第二工況壓縮三種工況下翻邊人孔的受力情況，當(dāng)板厚為8mm 時(shí)，不管圓角半徑多大，基本均不能滿足TB1335 對(duì)應(yīng)工況下材料許用應(yīng)力的要求；當(dāng)板厚為10mm，各圓角半徑均能滿足要求；相同車型、工況、材料，不同轉(zhuǎn)角半徑下同，人孔處受力大小不同，半徑太大或太小均會(huì)使人孔處受力增大，合適的半徑在R40～50 mm。受翻邊高度的限制，R50mm 形成的直邊段太短，不利于翻邊成型質(zhì)量。因此過(guò)渡圓角確定為R40mm。

綜上所述，人孔的翻邊結(jié)構(gòu)尺寸初步確定如下：翻邊高度結(jié)合暫確定為50mm，過(guò)渡外圓角定為R40mm，罐體直徑分別為Φ2548mm、Φ3170mm，具體尺寸見(jiàn)下圖1（GQ70型輕油罐車尺寸）。

圖1 人孔翻邊尺寸示意圖

3.2 難點(diǎn)分析

筒節(jié)滾制后，預(yù)制孔的切割導(dǎo)致孔邊緣材料的狀態(tài)比沖裁、切削的伸長(zhǎng)變形能力減少30%～80%，由于切割邊緣的加工硬化層、表面的凸凹不平乃至微小裂紋的存在等原因，使其伸長(zhǎng)變形能力相對(duì)于母材大大下降，嚴(yán)重影響翻邊質(zhì)量。怎樣消除材料孔邊緣的加工硬化層，改善材料切割孔邊緣的條件來(lái)有效地提高其變形能力，是本次研究的難點(diǎn)。從不銹鋼及碳鋼材料相圖上分析，孔邊緣消除加工硬化方法是將翻邊部位板料火焰加熱到回復(fù)溫度450～600℃后空冷，再進(jìn)行翻邊，有效避免翻邊后開(kāi)裂及裂紋的產(chǎn)生。從復(fù)合鋁來(lái)說(shuō)，材料的沖壓性能主要取決它的基層5052 鋁鎂合金的性質(zhì)，在冷塑性變形時(shí)，鋁鎂合金具有較高的硬化傾向，這將大大降低材料的塑性，沖壓性能變壞，對(duì)翻邊成型影響較大。針對(duì)鋁美合金材料的這一特性，在人孔翻邊時(shí)進(jìn)行加熱，可以改善它的大大沖壓性和減小回彈，因此復(fù)合鋁翻邊需在熱態(tài)進(jìn)行，溫度加熱到200～350℃。另外對(duì)于要進(jìn)行翻邊的鋁材除翻邊時(shí)加熱外，還必須要求板料為退火狀態(tài)，以便大大提高其塑性，得到材料的最大變形。必須注意的是加熱溫度是保證翻邊的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)[5]。

總之，翻邊質(zhì)量除與材料性質(zhì)外有關(guān)，翻邊過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間也是影響翻邊質(zhì)量的很重要的因素之一。如果翻邊速度較快，材料變形的時(shí)間短，翻邊力傳遞過(guò)快，造成材料變形不充分，破裂就較容易發(fā)生；選用液壓傳動(dòng)的翻邊機(jī)，由于其速度可進(jìn)行調(diào)整，力量傳遞較柔和，發(fā)生破裂的可能性就小得多，所以在人孔翻邊時(shí)優(yōu)先選用液壓傳動(dòng)裝置的翻邊機(jī)，嚴(yán)格控制翻邊的速度，是保證翻邊的質(zhì)量又一關(guān)鍵點(diǎn)。翻邊力大小主要與材料的種類及性能、預(yù)制孔的加工性質(zhì)和狀態(tài)等因素有關(guān)，還與凸模型式及凸、凹模間隙有關(guān)，綜合各因素，計(jì)算得出人孔翻邊力大約需要300t。

4 工藝試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

人孔翻邊試驗(yàn)采用內(nèi)孔翻邊的形式，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，試驗(yàn)所用板料要求周長(zhǎng)方向不得小于整個(gè)筒節(jié)周長(zhǎng)的1/6，寬度方向離人孔邊距離不少于200mm，在預(yù)先加工好的筒節(jié)上開(kāi)預(yù)制孔，其開(kāi)孔的大小應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件造型，按線展開(kāi)法進(jìn)行，開(kāi)成橢圓形孔。經(jīng)計(jì)算碳鋼及不銹鋼材質(zhì)的筒節(jié)直徑為Φ3170mm，需開(kāi)制長(zhǎng)軸約為430mm，短軸約為400mm 的橢圓孔；復(fù)合鋁材質(zhì)的筒節(jié)直徑為Φ2548mm，需開(kāi)制長(zhǎng)軸約為440mm，短軸約為400mm 的橢圓孔。制作樣板、劃線、開(kāi)孔，開(kāi)孔后打磨毛刺使曲線過(guò)渡光滑。按照以上分析相關(guān)要求分別對(duì)四種板料加工孔的邊緣約100mm 附近進(jìn)行加熱處理，翻邊成型[6]。

通過(guò)對(duì)兩種車型參數(shù)四種材質(zhì)板料人孔翻邊進(jìn)行成型性試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后對(duì)過(guò)渡圓弧處內(nèi)外表面及直邊部位仔細(xì)觀察未發(fā)現(xiàn)有裂紋、開(kāi)裂及劃傷現(xiàn)象，筒節(jié)邊沿周長(zhǎng)未出現(xiàn)收縮，并對(duì)凸緣上平面尺寸及高度、孔徑等進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到：（1）冷拔成型的低合金鋼、不銹鋼材質(zhì)成型前后板厚減薄量較小，最大差值0.257mm,采用熱拔成型鋁材成型前后板厚減薄量較大,最大差值2.18mm；（2）冷拔成型的低合金鋼、不銹鋼材質(zhì)人孔的直徑比理論值偏大，最大偏差3mm，熱拔成型鋁材質(zhì)人孔的直徑由于脹冷縮于熱原因比理論值偏小，最大偏差2m；（3）人孔翻邊高度相對(duì)應(yīng)的兩邊存在偏差，最大相差為5mm，主要是由于在壓型時(shí)模具中心與筒體開(kāi)孔的中心不重合引起，此偏差可通過(guò)加強(qiáng)管理、提高工人的操作技能來(lái)得到改善[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)四種材質(zhì)兩種車型參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果分析，證明人孔翻邊技術(shù)能夠在鐵道罐車使用。目前此結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用在濃硝酸罐車及80t 級(jí)罐車中。