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針對現(xiàn)有彎頭制造中存在的問題,提出了用環(huán)殼液壓脹形工藝制造彎頭的方法,分析了環(huán)殼的應(yīng)力特點,并給出了其最后的成形壓力. 通過實驗研究了環(huán)殼脹形過程中位移、應(yīng)變的變化規(guī)律及成形后殼體的幾何尺寸,并對其成形過程中的起皺進行了分析. 研究表明用液壓液壓脹形工藝制作彎頭是可行的。
彎頭作為管路系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,在石油、化工、天然氣、水電和機械等行業(yè)應(yīng)用越來越多. 傳統(tǒng)的成形方法,例如:鋼管繞彎法和推制彎頭法,其主要用于制作中小型標(biāo)準(zhǔn)系列彎頭,用這些方法制作的彎頭最大管徑不超過1 m. 而實際工程應(yīng)用中,對大管徑彎頭的需求越來越多。
球形容器無模液壓脹形工藝1985 年提出以來,在理論分析,實驗研究和工程應(yīng)用方面取得了許多成果,目前制造的球形容器最大直徑達9. 4 m ,最大壁厚達24 mm ,應(yīng)用于供水,液化氣和建筑裝飾等領(lǐng)域,并且已擴展到橢球等非球類殼體的液壓成形。在此基礎(chǔ)上,本文提出一種新的大直徑彎頭液壓成形工藝,采用該方法加工彎頭可以不需要模具和壓力機,不需要管材,節(jié)省投資,降低生產(chǎn)成本。
1 基本成形工藝無模液壓成形環(huán)殼用以制作彎頭的基本工藝過程是:首先焊接一個橫截面為多邊形的多棱環(huán)殼,內(nèi)部沖滿壓力介質(zhì)后,施以內(nèi)壓,在內(nèi)壓作用下橫截面由多邊形逐漸變成圓,最終成為一個圓形環(huán)殼,如圖1 所示. 根據(jù)需要,一個圓形環(huán)殼可以切割成4 個90°彎頭或6 個60°彎頭或其它規(guī)格的彎頭。
無模液壓成形方法加工大型彎頭,與原有的彎頭制造方法相比,具有明顯的優(yōu)點. 主要表現(xiàn)在以下幾個方面: ①不需管坯作原料,可節(jié)約制管設(shè)備及模具費用,且可得到任意大直徑而壁厚相對較薄的彎頭. ②坯料為平板或可展曲面,因而下料簡單,精度容易保證,組裝焊接方便. ③由于上述二條原因,可以縮短制造周期,生產(chǎn)成本大大降低. 因不需要任何專用設(shè)備,尤其適合于現(xiàn)場加工大型彎頭。
2 理論分析
2. 1 環(huán)殼應(yīng)力分布
在承受均勻內(nèi)壓的理想環(huán)殼(圖2) 中,由Φ所限定的部分殼體內(nèi)力垂直方向平衡條件和殼體的一般平衡方程,可以推出切向薄膜應(yīng)力σ< 和環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ為:
式中, r0 為彎管半徑; R0 為彎曲中徑; r 為環(huán)殼上任一點到對稱軸的距離; t 為彎管壁厚。
2. 2 最終成形壓力由式(1) 和(2) 知, σ< > σθ,有σ1 = σ< ,σ2 =σθ,σ3 = 0 ,由Tresca 屈服準(zhǔn)則σ1 - σ3 =σs ,求出環(huán)殼在不同部位產(chǎn)生塑性變形的壓力。
式中σs 為材料的屈服應(yīng)力. 比較式(3) ～ 式(5) ,有pa < pb < pc , a 點最先屈服, b 點次之, c 點最后屈服,即塑性變形首先產(chǎn)生于內(nèi)環(huán)殼,然后逐漸擴展到外環(huán)殼, c 點的壓力為整個環(huán)殼的最終成形壓力.3 實驗研究及結(jié)果分析3. 1 殼體的結(jié)構(gòu)及材料成形前多棱環(huán)殼的結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 環(huán)殼的設(shè)計尺寸為:彎曲中徑R0 = 150 mm ,管半徑r0 =50 mm ,壁厚t = 1. 5 mm. 脹形前多棱環(huán)殼的橫截面為正六邊形,圖中環(huán)殼由4 種殼體單元組成,即受外壓的圓柱殼A 和錐殼B , 受內(nèi)壓的錐殼C和圓柱殼D . 殼體材料為低碳鋼Q235A ,其屈服極限σs = 208 MPa。
3. 2 成形壓力的計算根據(jù)環(huán)殼的結(jié)構(gòu)尺寸及殼體的材料, 由式(3) 、(4) 和(5) ,可以計算出殼體在不同點的成形壓力。
在a 點有 pa = 4. 99 MPa在b 點有 pb = 6. 24 MPa在c 點有 pc = 7. 13 MPa實驗中最終成形壓力為7. 35 MPa , 與理論計算的成形壓力pc 基本符合。
3. 3 成形環(huán)殼的幾何尺寸為了探討環(huán)殼的脹形過程,對殼體結(jié)構(gòu)進行了法向位移和幾何形狀分析. 圖4 為各子殼元中點法向位移隨內(nèi)壓的變化,由圖4 可以看出,各子殼元中點法向位移隨內(nèi)壓的增加而增大. 脹形后,環(huán)殼的橫截面由正六邊形變?yōu)閳A形。
3. 4 應(yīng)變分布圖5 為各子殼元中點應(yīng)變隨內(nèi)壓的變化規(guī)律,由圖5 可以看出,在整個脹形過程中,各殼元的切向應(yīng)變ε< 始終拉伸狀態(tài),受外壓的子殼元A和子殼元B 的環(huán)向應(yīng)變εθ 處于壓縮狀態(tài),而受內(nèi)壓的子殼元C 和子殼元D 的環(huán)向應(yīng)變處于拉伸狀態(tài)。
3. 5 起皺分析在脹形過程中, 子殼元A 和子殼元B 出現(xiàn)了一些小皺(圖6) ,有限元模擬也顯示了相同的結(jié)果。起皺主要是由于在這兩個子殼元上存在著環(huán)向壓應(yīng)力。
受外壓的圓柱殼,其臨界失穩(wěn)應(yīng)力為式中, E為揚氏模量; d為圓柱殼的直徑; t為殼體的壁厚. 本實驗中, d =213.4 mm, t =1.5 mm, E =2. 1 ×1011 Pa ,可以算得,臨界應(yīng)力σcr = 11. 4 MPa. 由于受外壓的圓柱殼元A 的長度較短, 并且與錐殼元B 相連接的焊縫在脹形過程中基本可視為剛性結(jié)構(gòu),所以實際的臨界應(yīng)力值要比計算值大。
當(dāng)環(huán)向應(yīng)力σθ大于臨界應(yīng)力σc r 時,殼體發(fā)生起皺,但其可以通過局部加熱和冷卻的方法得以消除. 另外,也可以通過改變脹形前多棱環(huán)殼的結(jié)構(gòu)或是其他一些工藝方法來防止起皺的發(fā)生. 目前,這些工作正在進行中,關(guān)于這方面的研究將在以后的文章中介紹.4 結(jié)論用液壓脹形環(huán)殼來制作彎頭是一種新工藝,通過實驗研究可以看出所成形環(huán)殼的截面不圓度較小,整體成形效果較好,可以滿足工程技術(shù)要求,說明用無模液壓脹形法制作彎頭是可行的. 該方法具有不使用管材作原料,不需要專用設(shè)備和模具,下料簡單,組焊容易,周期短,成本低等優(yōu)點,為制作大型彎頭和非標(biāo)準(zhǔn)系列彎頭提供了一種新工藝。