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薄壁小半径不锈钢弯头数控弯管关键技术研究

来源:至德钢业 日期:2021-04-09 11:23:30 人气:918

 薄壁小半径不锈钢弯头弯胀成形的基本工艺路线是: 根据零件结构确定管坯尺寸后,先利用数控弯管机将管坯弯曲至成形质量可控、使用性能稳定的弯管,此时弯管的外径小于弯头,弯曲半径大于弯头,相对弯曲半径ro/Do> 1.5。然后使用充液成形设备将弯管胀形,改变弯管内外侧弯曲弧度,使管材中轴线发生偏移,成形为相对弯曲半径r/D<1的不锈钢弯头零件。薄壁小半径不锈钢弯头弯胀成形工艺同其他的管材多步骤成形工艺一样,不锈钢管件的预成型形状和成形质量对零件终成形的成败有很大影响,因此需要对管材数控弯曲的弯管形状参数和加工工艺参数进行优化设计。浙江至德钢业有限公司通过将几何约束和材料塑性对预成型形状的制约公式化,理论推导出弯管形状参数的设计范围;结合有限元模拟和正交试验法优化多参数影响下的管材数控弯曲过程,分析出最佳工艺参数组合,获得了成形质量良好的弯管模拟结果,为后续终成形的研究打下基础。


  浙江至德钢业有限公司对薄壁小半径不锈钢弯头数控弯管工艺关键技术进行了研究,获取了最佳的工艺参数组合,并得到了成形质量良好的有限元模拟结果,为后续数控弯管的实验和终成形的工艺研究提供了支持与指导。具体结论如下:

   

 1. 薄壁小半径不锈钢弯头的预成型形状直接关系着零件终成形能否成功实施。根据管件在终成形过程中将受到的几何约束与材料塑性的制约,推导出薄壁小半径弯头类零件预成型形状参数的取值范围公式,并通过该公式确定了管坯外径和预弯半径的取值:D=22mm, r=36mm,

 

  2. 在数控弯管工艺中,壁厚减薄率和椭圆畸变率的主要影响因素有压模压力、助推力、芯轴间隙、芯轴伸出量和夹紧模咬入。通过正交试验获知:芯轴间隙和助推力对壁厚减薄率影响最大,芯轴间隙和芯轴仲出量对椭圆畸变率影响最大;数控弯管的最佳工艺参数组合为:压模压力13kN、助推力1kN、芯轴间隙0.1mm、芯轴伸出量4mm.夹紧模咬入0.1mm。


 3. 采用优化后的工艺参数进行数控弯管有限元模拟,得到壁厚减薄率17.3%。椭圆畸变率2.44%的弯管模拟结果,成形质量符合航标规定。通过截面分析获知:弯曲段壁厚沿截面周向呈正弦分布,弯管外侧明显减薄、内侧明显增厚;壁厚减薄率和椭圆畸变率沿弯管轴向变化规律均为先增大后减小,其中壁厚减薄率在600截面上取最大值,椭圆畸变率在75°截面上取最大值。


 经过上述分析可知,在有限元模型各接触面的摩擦系数和不锈钢弯头模拟弯曲速度一定的情况下,加工工艺参数对管材数控弯曲成形质量的主要的影响因素有压模压力、助推力、芯轴直径、芯轴伸出量和夹模夹紧力。本次研究主要基于以上因素对有航标规定的成形质量指标-壁厚减薄率和椭圆畸变率的影响规律,来进行工艺参数的优化。 选择正交表设计正交试验,留一空白列进行方差分析。因素中将芯轴直径等效替换成通用性更强的芯轴间隙,将夹模夹紧力等效替换成夹紧模咬入距离以方便水平量化。试验计划与试验结果如表所示。


 1. 工艺参数对壁厚减薄率的影响


 从图可以看出,对不锈钢弯头壁厚减薄率影响最大的工艺参数为芯轴间隙和助推力,其次为芯轴伸出量;压模压力在取值偏大时有使壁厚减薄率增大的趋势,而夹紧模咬入则基本没有影响。


 2. 工艺参数对椭圆畸变率的影响


  从图可以看出,对不锈钢弯头椭圆畸变率影响最大的工艺参数为芯轴间隙,其次为芯轴伸出量,其余因素的影响都不明显。


 3. 最佳工艺参数组合


    至德钢业通过对不锈钢弯头检测试验结果进行直观分析,可以获得最佳的因素水平组合。对于壁厚减薄率,压模压力、助推力、芯轴间隙、芯轴伸出量、夹紧模咬入的最佳因素水平。两组最佳水平中,压模压力和芯轴间隙的取值不同。由方差分析可知,在实际生产过程中压模压力对不锈钢弯头壁厚减薄率影响的显著性高于椭圆畸变率,故压模压力的取值优先考虑减小壁厚减薄率。从表可知,试验结果中的椭圆畸变率相比壁厚减薄率更为危险,即更有可能超出航标规定的临界值,因此芯轴间隙作为显著影响因素,其取值应优先考虑降低椭圆畸变率。


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