制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形工藝仿真分析

楊昌群，高金杰，馮智彥，趙升噸，王永飛

制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形工藝仿真分析

楊昌群1，高金杰2，馮智彥2，趙升噸2，王永飛2

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華南分公司，廣州 510000；2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

針對鐵路貨車空氣管路制動系統(tǒng)中焊接法蘭接頭連接質量不佳的問題，提出一種制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝。分析了制動管用AISI 321不銹鋼的高溫變形行為并構建了本構方程，并通過DEFORM–2D軟件對制動管件法蘭接頭熱鐓擠工藝進行了數(shù)值模擬。應力–應變曲線在低應變速率時呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動，但在高應變速率下會出現(xiàn)明顯的波動。本構方程得到的應力計算值與試驗真實值的相關系數(shù)為0.986，平均相對誤差為6.7%。在熱鐓擠工藝成形法蘭接頭過程中，擠壓階段的最大應力位于制動管擴徑的圓錐面處；鐓粗階段的最大應力位于法蘭接頭平面成形處，并最終轉移至法蘭接頭的圓角處。建立的本構方程能夠反映AISI 321不銹鋼真實應力–真實應變的關系，可用于描述該材料在熱鐓擠成形工藝中的塑性變形行為。在該制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠成形過程的鐓粗階段，摩擦因數(shù)保持在0.3以下能夠有效降低鐓粗力。

制動管件；熱鐓擠；本構方程；數(shù)值模擬

目前，國內鐵路貨車制動管系的連接方式主要有螺紋連接、法蘭連接及半剛性的壓緊式快裝管接頭連接，其中法蘭連接的用途最廣泛[1]。圖1為傳統(tǒng)制動管法蘭連接原理示意圖，傳統(tǒng)制動管法蘭連接主要是采用螺栓對焊接在管件端部的接頭體進行緊固連接。長期行車產生的振動容易使法蘭連接松動而導致壓縮空氣泄漏[2]，制動管件法蘭處氣體泄漏的問題已占制動系統(tǒng)故障總數(shù)的18.9%，特別是在低溫環(huán)境下，接頭處焊接部位容易產生裂紋，導致法蘭接頭漏泄嚴重，甚至會無法發(fā)車[3]。因此，接頭處質量的好壞很大意義上決定了制動系統(tǒng)的安全與否。

針對制動系統(tǒng)管系法蘭連接處氣體泄漏的問題，王力等[4]提出了制動管系柔性連接技術，該技術減輕了車輛振動、變形對制動管系連接密封的影響，提高了管系連接密封的可靠性。伊松年等[5]采用了有唇邊結構和具有自密封特性的新型密封墊圈，使法蘭變形時制動管連接處仍能保持良好的密封性能。劉新等[6]提出了雙密封法蘭接頭，在接頭體上增加O型橡膠密封圈與原有E型橡膠密封圈配合，形成雙密封結構。但是上述方案僅對現(xiàn)有法蘭連接結構進行適當改進以減少氣體泄漏量，并沒有解決法蘭連接處氣體泄漏的根本問題。

為了解決管件與接頭體之間連接質量不佳的問題，文中提出了一種管件一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝，利用高溫下先擠壓后鐓粗的思想，直接在管件端部成形一體式法蘭接頭，完全取代接頭體與管件的焊接結構，從而避免了因焊接質量不良引起開裂或因連接剛性不夠最終導致管件內壓縮空氣泄漏的問題。以常見的制動系統(tǒng)管件材料AISI 321不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）為研究對象，先采用熱模擬壓縮試驗分析其熱變形行為，建立該材料的本構方程，然后將該本構方程導入到DEFORM–2D有限元軟件中，對熱鐓擠工藝過程的應力情況以及不同工藝參數(shù)對成形力的影響進行數(shù)值分析，為進一步的實驗研究提供一定的理論依據(jù)。

1 制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝

1.1 成形件及熱鐓擠工藝原理

圖2為利用DN32型AISI 321不銹鋼管（內徑36 mm，外徑24 mm）成形的制動管一體式法蘭接頭的形狀與尺寸，熱鐓擠成形工藝原理如圖3所示，該工藝過程分為擠壓和鐓粗2個階段。在擠壓階段，夾具夾持著預熱管件坯料以速度1進給，而擠壓內模具以比1略小的速度2同向運動，使管件末端擠壓變形，填滿因擠壓內模具運動而不斷變大的型腔，達到聚料的目的。在鐓粗階段，夾具固定坯料，鐓粗內模具以速度3將管件端部的聚料鐓粗為法蘭接頭。

圖1 傳統(tǒng)制動管件法蘭連接原理[2]

圖2 管件端部法蘭接頭的形狀與尺寸（mm）

Fig.2 Shape and size of flange joint at pipe end (mm)

1.2 熱模擬壓縮試驗設計

文中通過熱模擬壓縮試驗獲取AISI 321不銹鋼真應力–應變曲線的工藝過程，其工藝過程如下：將AISI 321不銹鋼試樣（8 mm×12 mm）加熱到不同溫度（900、1 000、1 100、1 200 ℃），保溫5 min后，分別在不同應變速率（1、10、20、50 s?1）下進行變形量為60%的壓縮試驗，同時記錄相應的真應力–應變曲線。當試樣達到預設變形量后，取出試樣并水冷至室溫。

圖3 熱鐓擠成形工藝原理

Fig.3 Principle of hot upsetting-extruding process

1.3 數(shù)值分析參數(shù)設置

在熱鐓擠工藝成形一體式法蘭接頭的DEFORM數(shù)值模擬過程中，選用熱模擬壓縮試驗獲得的應力–應變曲線構建材料本構模型，并選取軸對稱分析方式、Newton–Raphson迭代方式和Lagrangian Inceremental求解類型進行分析。其中擠壓過程第1階段只有坯料運動，設置步數(shù)為107，步長為0.005 s，此時坯料進給速度為+方向30 mm/s；第2階段坯料和內模具同向運動，設置步數(shù)為500，步長為0.005 s，此時坯料速度保持30 mm/s不變，根據(jù)定速比=2.89，計算得到內模具速度為10.37 mm/s。在鐓粗階段，內模具運動速度為沿?方向10 mm/s，設置步數(shù)為1 080，步長為0.001 s。其他參數(shù)見表1。

表1 熱鐓擠成形模擬參數(shù)

Tab.1 Simulation parameters of hot upsetting-extruding process

2 AISI 321不銹鋼本構方程的建立

2.1 應力–應變曲線分析

不同成形溫度、應變速率下AISI 321不銹鋼的真實應力–應變曲線如圖4所示，由圖4可以看出，壓縮時AISI 321不銹鋼的真實應力隨著應變速率的增大而增大，隨著成形溫度的升高而減小。加工硬化效應和動態(tài)軟化效應在壓縮過程中相互作用，共同決定了應力–應變曲線的趨勢[7-8]。在初始變形階段，塑性變形產生的位錯密度迅速增加，加工硬化效應占主導地位，而動態(tài)軟化效應非常有限，AISI 321不銹鋼的真實應力迅速上升直至達到峰值應力。但是隨著成形溫度的升高，達到峰值應力所需的真實應變逐漸減小，這是由于溫升降低了材料的臨界剪切應力，促進了位錯的交滑移和攀移，導致動態(tài)再結晶所需的臨界真實應變逐漸減小[9-10]。隨著變形的繼續(xù)，位錯的相互抵消和重排現(xiàn)象加劇，動態(tài)軟化效應逐漸明顯。真應力–真應變曲線表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定甚至下降的趨勢。在低應變速率下，AISI 321不銹鋼真應力–應變曲線呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動，如圖4a和b所示；而在高應變速率下，真應力–應變曲線出現(xiàn)了明顯的波動，特別是在50 s?1時最為明顯，如圖4d所示，高應變速率促進位錯大量形成，高密度位錯阻礙了位錯運動、動態(tài)回復和再結晶行為，因此真實應力會增大。同時，變形過程中產生的孿晶變形改變了晶粒取向，使材料在沿著晶粒有利的取向方向上繼續(xù)變形，因此，真實應力降低，如此反復作用形成真應力–應變曲線的波動現(xiàn)象[11-12]。

2.2 本構方程求解及驗證

金屬材料熱成形時真實應力與成形溫度、應變速率、真實應變之間的關系可用Arrhenius方程[13-15]描述，如式（1）所示。成形溫度、應變速率對材料塑性變形行為的影響可通過Zener–Hollomon參數(shù)表示，如式（2）所示。在式（1）中，冪指數(shù)規(guī)律適用于低應力水平的情況，如式（3）所示，而指數(shù)規(guī)律適用于高應力水平的情況，如式（4）所示，而在整個變形范圍內，Arrhenius方程中的雙曲正弦規(guī)律則更為適用[16-18]，如式（5）所示。

圖4 不同成形溫度、應變速率下AISI 321不銹鋼的真實應力–應變曲線

Fig.4 True stress-true strain curves of AISI 321 stainless steel at different forming temperature and strain rates

圖5 真實應變?yōu)?.5時真實應力與應變速率的關系

圖6 真實應變0.5時ln[sinh(ασ)]與、T的關系

將已獲得的參數(shù)=2.085 7×1018、2=7.915 2、=0.004 57、=440.63 kJ/mol代入式（5），得到AISI 321不銹鋼在熱成形溫度下的本構方程，如式（9）所示，根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，真實應力可以表達為Zener–Hollomon參數(shù)的函數(shù)[20]，如式（10）所示。采用Zener–Hollomon參數(shù)表達AISI 321不銹鋼的本構方程，如式（11）所示。

圖7為AISI 321不銹鋼本構方程預測值與=0.5時的真實應力值的比較結果，二者的相關系數(shù)達0.986，平均相對誤差為6.7%，可見該本構方程能夠反映AISI 321不銹鋼真實應力–真實應變的關系，可用于描述該材料熱鐓擠成形工藝中的塑性變形行為。

圖7 AISI 321不銹鋼本構方程預測值與試驗值的相關性

3 一體式法蘭熱鐓擠過程的數(shù)值分析

3.1 應力分析

一體式法蘭熱鐓擠過程中坯料的等效應力變化如圖8所示。在擠壓階段（見圖8a—d），坯料在剛進入型腔時受到內模具的阻力開始擴徑，在坯料頂端區(qū)域出現(xiàn)應力集中，最大值為219 MPa（見圖8a）。隨著內模具開始與坯料同向運動，坯料頂端區(qū)域的應力值迅速減小，最大等效應力轉移到圓錐面處，如圖8b所示。隨著擠壓變形的加劇，坯料的等效應力仍然主要分布在圓錐面處，如圖8c和d所示。但是坯料溫度的降低導致金屬流動阻力增加，同時變形坯料在模具型腔的堆積也使坯料與內外模具間的摩擦力不斷增大，最終導致擠壓階段坯料的等效應力最大值增大至506 MPa。在鐓粗階段開始時，坯料的等效應力主要集中在坯料頂端與內模具接觸區(qū)域，應力值為120～180 MPa，如圖8e和f所示。當鐓粗進行到1 500步時，頂端坯料受到外模具凸臺的徑向限制，等效應力略有增大。坯料的內徑與模具接觸區(qū)域的等效應力迅速增大，最大值達到193 MPa，如圖8g所示。在鐓粗結束階段，坯料在鐓粗外模具凸臺的擠壓下形成法蘭接頭，等效應力主要集中在法蘭接頭的圓角處，最大值達到269 MPa。

圖8 鐓粗階段和擠壓階段1/2坯料等效應力分布

3.2 不同參數(shù)對擠壓力及鐓粗力的影響

在傳統(tǒng)零件熱鍛生產成形過程中，模具預熱溫度一般為200～300 ℃，文中為進一步優(yōu)化模具預熱溫度，對模具在室溫以及更高預熱溫度下進行仿真研究。模具預熱溫度分別為20、100、300、500、700 ℃時的擠壓力曲線如圖9所示，由圖9可以看出，擠壓力的增長趨勢基本相同。坯料剛接觸內模具圓錐面時（0.5 s），坯料開始擴徑，擠壓力直線增大；隨后內模具開始和坯料同向運動，這導致擠壓力小幅下降后逐漸增大至最大值，但是隨著模具預熱溫度由20 ℃上升至100、300、500、700 ℃，最大擠壓力由650 kN降至599、476、369、266 kN，降幅分別為7.8%、27%、43%、59%，說明較高的模具預熱溫度可以有效降低擠壓力。模具的溫度越高，坯料與模具接觸耗散的熱量越少；坯料溫度越高，流動阻力越小，成形力相應就會越小，但是過高的模具預熱溫度對模具材料及加熱設備要求較高。

圖9 不同模具預熱溫度對擠壓力的影響

Fig.9 Effect of mould preheating temperature on extrusion force

同理，保持其他參數(shù)不變，當坯料與模具間的剪切摩擦因數(shù)分別為0.1、0.2、0.3時，擠壓力及鐓粗力曲線如圖10所示。由圖10a可知，不同摩擦因數(shù)下擠壓力隨時間的變化趨勢基本相同，但是當摩擦因數(shù)從0.1增長到0.2、0.3時，擠壓力最大值從369 kN上升到了406 kN、450 kN。因此，為了降低擠壓力，坯料與模具間必須采用適當?shù)臐櫥越档湍Σ亮?。不同摩擦因?shù)下鐓粗力的變化趨勢如圖10b所示。在鐓粗初始階段，模具與坯料接觸后，成形力迅速直線上升至一個固定值。當坯料前端彎曲到貼緊外模具的內壁時，管件末端發(fā)生了劇烈變形，成形力也隨時間的增加而穩(wěn)定上升，但是當模具型腔即將充滿時，成形力迅速增大至最大值。當摩擦因數(shù)從0.1增大到0.2時，鐓粗力雖略有增大，但是區(qū)別并不明顯；當摩擦因數(shù)增大到0.3時，鐓粗力明顯增大。因此，鐓粗階段摩擦因數(shù)保持在0.3以下能夠有效降低鐓粗力。

圖10 不同摩擦因數(shù)對擠壓力和鐓粗力的影響

Fig.10Effect of different frictional coefficient on extrusion force and upsetting force

4 結論

針對鐵路貨車空氣管路制動系統(tǒng)中焊接法蘭接頭連接質量不佳的問題，提出了一種制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝。分析了制動管用AISI 321不銹鋼的高溫變形行為，并構建了該材料的本構方程。在此基礎上，采用DEFORM–2D軟件對制動管一體式法蘭接頭熱鐓擠工藝進行了數(shù)值模擬，分析了熱鐓擠過程中坯料的等效應力變化情況，揭示了不同參數(shù)對擠壓力及鐓粗力的影響，從中獲得的結論如下。

1）AISI 321不銹鋼材料的真實應力–應變曲線在低應變速率時呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動，但在高應變速率下會出現(xiàn)明顯的波動；建立的材料本構方程的應力計算值與試驗真實值的相關系數(shù)為0.986，平均相對誤差為6.7%。

2）在熱鐓擠工藝成形法蘭接頭過程中，擠壓階段的最大應力位于制動管擴徑的圓錐面處；鐓粗階段的最大應力位于法蘭接頭平面成形處，并最終轉移至法蘭接頭的圓角處。

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Numerical Analysis of Hot Upsetting-extruding Process for Integrated Flange Fitting on Brake Pipe

YANG Chang-qun1, GAO Jin-jie2, FENG Zhi-yan2, ZHAO Sheng-dun2, WANG Yong-fei2

(1. South China Branch of National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co., Ltd., Guangzhou 510000, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The work aims to propose ahot upsetting-extruding process for integrated flange fitting on brake pipe to solve the poor connection quality of welded flange on the brake pipeline system of the freight train. The high temperature deformation behavior of AISI 321 stainless steel for brake pipe was analyzed and the corresponding constitutive equations was established. Then the numerical analysis of the hot upsetting-extruding process for flange fitting on brake pipe was conducted with DEFORM-2D software. Results showed that the stress-strain curve presented steady flow at lower strain rates, but had obvious fluctuation at higher strain rates. The correlation coefficient between the calculated stress and the experimental stress of constitutive equation was 0.986 and the average relative error was 6.7%. During the hot upsetting-extruding process to form the flange fitting, the maximal stress of the extruding process was located at the conical surface of the tube expanding part; while the maximal stress of the upsetting process was placed at the flat surface of the integrated flange fitting and finally transferred to the rounded corners of the flange fitting. The established constitutive equation can reflect the relationship between real stress and real strain of AISI 321 stainless steel, and can be used to describe the plastic deformation behavior of this material during hot upsetting-extrusion. In the upsetting stage of the hot upsetting-extruding of integrated flange fitting on brake pipe, keeping the friction coefficient below 0.3 can effectively reduce the upsetting force.

brake pipe; hot upsetting-extruding; constitutive equation; numerical analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.009

TG249.9

A

1674-6457(2022)07-0064-08

2021–03–16

航天科技創(chuàng)新應用研究項目（1A0A9FC6）；航天先進制造技術研究聯(lián)合基金重點項目（U1937203）；陜西省液壓技術重點實驗室開放基金（YYJS2022KF 06）

楊昌群（1967—），男，高級專家，主要研究方向為儀表自動化及其智能制造。

王永飛（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向為先進塑性精確成形技術及其智能裝備。

責任編輯：蔣紅晨