特種封頭的制造工藝探討范文

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《鐵道車輛雜志》2015年第七期

摘要：

以鐵路罐車某種封頭（帶法蘭）為例，介紹了拼接封頭拼接位置的確定依據(jù)，進(jìn)行了封頭成型過程中各區(qū)域應(yīng)力分布及壓邊力的有限元計(jì)算，解決了封頭壓型過程中的起皺、拉裂等實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：

封頭；拼接；應(yīng)力；壓邊力

鐵路貨車封頭由于料源寬度的限制，多采用拼接板成型。本文以罐車帶法蘭的封頭為例研究其制造工藝。圖1為封頭外形圖，其法蘭面最大直徑為2930mm，材質(zhì)為T4003，屬于同材質(zhì)同板厚拼接。

1拼接位置的確定

在JB／T4737—1995《橢圓形封頭》中規(guī)定了拼接焊縫與封頭中心的位置關(guān)系：封頭由2塊或左右對(duì)稱的3塊鋼板拼接制成時(shí)，其拼接焊縫與封頭中心線的距離應(yīng)小于公稱直徑的1／4。GB150．4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》中未規(guī)定拼接焊縫與封頭中心的位置關(guān)系，只對(duì)拼接焊縫間距離有明確規(guī)定：封頭各種不相交的拼接焊縫中心線間距離至少應(yīng)為封頭鋼板厚度的3倍，且不小于100mm。也就是說(shuō)，在封頭中心位置（圖2（a））或偏離中心位置拼接（圖2（b））均符合GB150．4—2011要求，在生產(chǎn)實(shí)際中采用哪種拼接方式主要依據(jù)料源寬度而定。全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)官方網(wǎng)站規(guī)定：2012年3月1日及以后簽訂的合同，應(yīng)執(zhí)行GB150．1～150．4—2011《壓力容器》，不再執(zhí)行JB／T4737—1995。本文根據(jù)料源情況采用偏離中心位置拼接方案。

2成型過程中的應(yīng)力分析

為了分析封頭的應(yīng)力，從幾何空間上，把封頭劃分為4個(gè)區(qū)域：法蘭區(qū)域、圓角區(qū)域、懸空區(qū)域和底部區(qū)域（圖3）。應(yīng)用JSTAMP／NV板料成型有限元分析軟件創(chuàng)建仿真分析模型（圖4），封頭材料為T4003鐵素體不銹鋼，其技術(shù)參數(shù)見表1。圖5（a）為法蘭、圓角、懸空區(qū)域應(yīng)力分布，圖5（b）為底部區(qū)域應(yīng)力分布。由圖5可見：無(wú)論在哪個(gè)區(qū)域，徑向應(yīng)力一直處于拉應(yīng)力狀態(tài)；而切向應(yīng)力在法蘭區(qū)域處于壓應(yīng)力，在圓角區(qū)域壓應(yīng)力水平減少，懸空區(qū)域壓應(yīng)力幾乎為零，在底部區(qū)域壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，使得底部區(qū)域變?yōu)殡p向受拉的應(yīng)力狀態(tài)。

3模具的壓邊力計(jì)算

影響封頭成型的主要因素通常有材質(zhì)、凹模圓角半徑、摩擦因數(shù)、壓邊力，其中材質(zhì)、凹模圓角半徑、摩擦因數(shù)在模具制造后可更改的空間很小，甚至是不可更改的；而壓邊力是最活躍的關(guān)鍵因素，壓邊力過小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生褶皺缺陷；壓邊力太大時(shí)，將產(chǎn)生拉裂缺陷。因此如何找到壓邊力的合理范圍值是關(guān)鍵。首先在零件形狀、材質(zhì)、摩擦因數(shù)、單元類型、接觸算法等都鎖定的情況下單獨(dú)改變壓邊力進(jìn)行計(jì)算，為了便于研究各區(qū)域的變形特點(diǎn)，分別在法蘭區(qū)域、圓角區(qū)域、懸空區(qū)域、底部區(qū)域各取1個(gè)單元作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，選取各點(diǎn)位置及編號(hào)如圖6所示。表2為壓邊力分別在150、500、1000、1250、1500、2500t時(shí)各點(diǎn)的受力情況。從表2中得到如下結(jié)論：（1）法蘭區(qū)域直接與壓邊圈和下模接觸，壓邊力的大小直接影響該區(qū)域的應(yīng)力分布，壓邊力較小時(shí)，在法蘭區(qū)域出現(xiàn)徑向與切向均受壓應(yīng)力的情況，雙向受壓縮，故產(chǎn)生嚴(yán)重褶皺。（2）圓角區(qū)域是材料流入下模的入口，材料在上模的作用下流入下模，從分析看，圓角區(qū)域一直處于徑向受拉、切向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。（3）懸空區(qū)域在行程初期，板料既不與上模接觸，也不與下模接觸，一直處于懸空狀態(tài)，所以其壓型失穩(wěn)控制是難點(diǎn)。懸空區(qū)域的切向壓應(yīng)力與徑向拉應(yīng)力水平相當(dāng)時(shí)，懸空區(qū)域起鼓，當(dāng)壓邊力達(dá)到1000t時(shí)，切向應(yīng)力為－207．96MPa，仍起鼓，繼續(xù)增加壓邊力到1250t時(shí)，切向應(yīng)力僅為－20．02MPa，未起鼓。（4）底部區(qū)域切向和徑向均處于拉應(yīng)力的狀態(tài)，并隨著壓邊力的增加向2個(gè)方向逐步變大。（5）從壓邊力變化的動(dòng)態(tài)過程看，壓邊力較小時(shí)，法蘭區(qū)域與懸空區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)缺陷；當(dāng)壓邊力持續(xù)增加，法蘭區(qū)域起皺與懸空區(qū)域起鼓的現(xiàn)象會(huì)相繼消失；當(dāng)壓邊力繼續(xù)增大時(shí)，底部在雙向拉應(yīng)力的作用下繼續(xù)變薄；再繼續(xù)增加壓邊力時(shí)，懸空區(qū)域的切向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換成拉應(yīng)力，變薄區(qū)域轉(zhuǎn)移到懸空區(qū)域。從上述應(yīng)力分析看，同一道焊縫在各區(qū)域所受的應(yīng)力是不一樣的，從成型角度講，嘗試讓焊縫避開高應(yīng)力區(qū)域是不現(xiàn)實(shí)的。

4拼接形狀對(duì)成型的影響

以上的應(yīng)力分析是基于板材拼接為圓形的情況。為了湊成圓形，拼焊板會(huì)存在2道焊縫，那么，基于現(xiàn)有的料源，對(duì)采用非圓形拼接方案（圖7）的可行性也進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用圖7所示的拼接方案時(shí)，在法蘭區(qū)域，由于壓料面積的減少，周邊的進(jìn)料阻力不統(tǒng)一，進(jìn)料阻力最小，使得徑向應(yīng)力降低、切向應(yīng)力增加，導(dǎo)致在法蘭區(qū)域出現(xiàn)褶皺、在懸空區(qū)域起鼓。因此，采用拼焊后為非圓形的拼接方案在實(shí)際生產(chǎn)中不可行。

5拉延筋的使用

當(dāng)設(shè)備的壓邊力不夠時(shí)，常采用拉延筋提高進(jìn)料阻力來(lái)避免懸空區(qū)域起鼓。圖8為帶拉延筋的模具結(jié)構(gòu)。應(yīng)特別注意拉延筋設(shè)置不當(dāng)或壓邊力不匹配的情況下，拉延筋位置無(wú)法壓實(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓型過程中壓邊圈與下模存在空隙，進(jìn)而導(dǎo)致法蘭區(qū)域產(chǎn)生細(xì)微的褶皺，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該給予考慮。

參考文獻(xiàn)：

［1］林忠欽．車身覆蓋件沖壓成形仿真［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［2］JB／T4737—1995，橢圓形封頭［S］．

［3］GB150．4—2011，壓力容器第四部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收［S］．

作者：陳明丹 王強(qiáng) 黃連吉 單位：齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 冷工藝部 大連特箱分公司