钢质无缝气瓶强力减薄旋压工装模具设计- 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

锻 压 t al Fo r mi n g 钢质无缝气瓶强力减薄旋压 工装模具设计 北京天海工业有限公司 ( 1 0 0 1 2 1 ) 陈清利 钢质无缝气瓶主要有两种工艺制造。一种是用 方钢坯热冲拔成带底的瓶体后，再热旋压收 口制成 ， 称为冲拔瓶；另一种是用无缝钢管分别热旋压收底 、 收口制成，称为管制瓶。 冲拔 瓶 在 制 造 过 程 中，简 体壁 厚 受 设 备 精 度 、模 具结构 、冲拔 过程中温度 变化影 响 ，简体 壁厚不能太薄 ，否则在 冲拔时简体 冷却 太快 ，极 易产 生裂纹和断裂 ，造成废 品 。故一 般在设 计壁 厚的基础上 ，再增厚一些 。如 + 2 2 9 ml l 气瓶 设计 壁厚 6 2 mm，冲拔后的壁厚在 6 87 0 mm，且 还有 l2 I ll m 的壁 厚 差 ，这 样 冲拔 的质 量 保 证 丫 ，但 是 瓶 体 的 重 量 增 加 了 ，一 般 要 增 加 5 8 k g 。 管制瓶 的原材 料是无缝 钢管，是热 轧制成 的， 其管径与壁厚之 比的极限为 6=3 8 4 0 。大于这个 值 ，一般热轧机组很难 轧制成 ，只有增加壁厚 比较 好保证轧制合格 的无缝钢管。如直径 4 0 6 mm气瓶设 计壁厚 8 8 m m，实际钢管壁厚都在 1 0 2 ram以上，管 材壁厚增加，瓶体重量就增加了。 上述两种T艺方法 ，都使得瓶体实际壁厚大于 设计壁厚较多，气瓶重量增加。 目前各 国制造和使 用的气瓶发展方 向是重量轻、薄壁、壁厚差小、承 载压力高。气瓶的材料经过各 国多年的研究和实践 ， 普遍采用 3 0 C r Mo 钢 ，若要减轻重量只有减小大于设 计壁厚的余量。 强力减薄旋压工艺应用在钢质无缝气瓶的制造 中，先冲拔出厚壁的瓶体或用厚壁钢管收底成形后 再强力减薄旋压瓶体部分 ，达到最小设计 壁厚，在 壁厚减薄的 同时，消除部分壁厚差，提高材料利用 率，降低瓶体重量 ，解决了一般丁艺方法无法解决 的技术难 题 。 5 6 墨 翌 争 磊 热 工 a O ， I 热 加 工 一 、强力减 薄旋压在气瓶制造 中的工 艺可行性分析 强力旋压属于无切削精密压力加工 ，所得零件 的直径精度一般可达 I T 9级 以上，表面粗糙度值 尺 n 6 3 m，尺寸偏差小是强力旋 的一个显著特点。 且材料利用率高 ，零件生产成本低 ，强力旋压 所需 T装相对比较简单 ，所需设备吨位小。 减薄旋压是毛坯套在芯模上随同旋 压主轴 一起 转动 ，旋轮沿一定轨迹移动，并 与 模保持一定 间 隙而加压于毛坯，迫使 毛坯按 模形状 和旋轮运 动 轨迹 ，逐渐成形为所需零件 ，如 1 所示。 旋压轮进给方向 图 1 强力减薄旋压原理 1 气瓶材料选择 钢质无缝气瓶的原材料 ：方钢冲拔瓶体 和拔制 无缝钢管的材料均为 3 0 C r Mo钢 材料的力学性能如 表 1 所示 。 表 1 3 0 C r Mo钢冲拔瓶体材料的力学性能 抗拉 屈服 冲击 断 面 材料 伸长率 强度 强度 屈强比 韧度 收缩率 表面硬度 A ( 1 R MP a “MPa J Z ( ) HRC 7 9 0 5 8 5 0 7 4 1 6 5 2 3 2 7 5 0 l 7 2 旋压成形壁厚减薄率与旋压道次 如图 2所示 ，强旋后瓶体壁厚达到设计 壁厚尺 寸， 其壁厚减薄率和最大减薄率计算如下。 图2 瓶体强旋加工前后壁厚变化 ( 1 )旋压成形壁厚减薄率 ： 8 = 1 0 0 0 式 中 毛坯的壁厚 ( m m) ； t 瓶体的最小壁厚 ( mm) 。 = 9 2 mm， 。 =6 4 m m。可知 8 t = 1 0 0 =3 0 4 ( 2 )3 0 C r M o 钢冲拔筒体 的断面收缩率 为 5 0 ， 其最大减薄率为： _：7 4 6 一 o 零件旋压成形的壁厚减薄率 s 。 =3 0 4 ，小于 最大减薄率 s = 7 4 6 ，故强力旋压减薄加工 比 较容易，且可一次成形。若三个 旋压轮旋 压，各 轮 减薄率为了 1 远小于 s ，旋压芯模在旋压过程中 受力均衡 ，三个旋轮必须均匀一致 ，壁厚减薄采用 平均分配办法，三个旋轮各承担减薄率的 。若用4 个旋轮或 5 6 个旋轮，则每个旋轮承担的减薄率就 更小 。 3 强力正旋压机理 气瓶瓶体减薄 的强力旋压是金属在旋轮强力挤 压下产生流动场，由图 3可 以观察到 ，在纵截面 内 的主要变形是方格在径向压扁和在轴向伸长。此外 ， 还存在着不均匀的畸变 ( 副剪切变形 ) ，使不 同层次 的方格最终呈现为斜 率不 同的平行四边形格子。畸 变随减薄率 s 及旋压轮成形角 O l 。 的增大而增大。 按照塑性变形的体积不变规 律，不论 毛坯截 面 是只产生压扁 、伸长 ，还是同时产生畸变 ，都将保 持体积不变的规律 。 在一定变 形条 件下 ，毛坯 材料 会在旋 轮前 形 成局部隆起 ，如图 3 b所示 。当局部隆起保 持稳定 不变 ，变形 仍然是 稳态 的，促 进金 属 的流动 。但 隆起 随减 薄量增 加 ，前角加 大和 轮径加 大 ，隆起 也增 大 ，会 产生失 稳掉 皮 、表面压 伤 。有 时还必 须把旋轮设计成带 台 阶的形 状 ，以抑 制隆起 并 防 止其继续增长 。 ( a )正旋纵截面金属流动的网格变化 隆 ( b )正旋纵截面金属流动的隆起 图3 正旋金属流动网格变化 由实践可知 ，当相对压 下量较小时，外层材料 产生周向流动 ，内直径扩张。当相对压下量较大时 ， 内层材料产生较大的周向流动，内直径收缩。 为了减少偏差，很重要 的环节是提高变形的均 匀度。为此应该提高毛坯 、芯模 、旋轮本身 的几何 安装精度 ，并增加旋轮数量。在多旋轮旋压时，一 方面便于毛坯中心定位 ，一方面使材料的扩径和变 形受到约束 ，因而使 内径偏差减小。 强旋后壁厚均 匀性提 高，表面 质量 得到改善 ， 相对于非强旋工艺制造的气瓶重量减轻。 二、旋压工装模具的设计 强力 旋 压 工装 模 具 主 要包 括 旋 压 轮 、芯模 、 尾顶 。 1 旋压轮 设计 由瓶体减薄旋 压的机理和实 际旋 压现象 可知， 旋轮在挤压材料时 ，沿径 向和轴向位 移，金属同时 沿瓶体周向及轴 向流动，而沿旋轮 的前进方向出现 隆起 ，为了减少隆起 和压下隆起 ，旋压轮的成形角 尽量小，致使隆起的金属被旋压挤到前面，形成金 属的稳定流动 ，如图 4 、图 5所示 。 旋压轮的几何形状和作用如下所示。 图4 旋压轮前端的挤压变形 锻 压 t al Fo r mi n g 参 磊 蕊 粤 曼 yuco 魍m 5 7 n 啪 咖 IW o n a n 2 l - - 图5 旋压轮前隆起 ( 1 )成形角 O t 成形角 O t 对旋压起关键作 用。 其大小直接影 响旋压力的轴 向和径 向分 配。一般情 况下 ，成形角 O L 愈小 ，则径 向分力愈大，轴 向分力 愈小 ，同时隆起愈小，一般取 1 5 。 4 5 。 ，这里取 2 5 。 和 2 2 。 。第 1旋轮为2 5 。 ，第 2 、3旋轮为 2 2 。 。 ( 2 )圆角半径 R 圆角半径主要影 响瓶体旋压 后的尺寸精度和表面粗糙度。一般情况下 ， |R 值较小 有利于旋压零件的贴模 ，但 R值过小 ，会使表面质 量下降。故 应根据 实 际情况综 合考 虑 ，通 常可按 ( 0 61 0 ) 进行设计。 对于瓶体旋压 ：R= ( 0 61 0) 1 0=6 1 0 mm，取 R= 8 mm。 ( 3 )退出角 退 出角 西 ( 旋压背角)对成形 一 般影响不大 ，但如果该角选择过大 ，会使旋轮工 作时圆角半径 处的强度降低，导致受力部位局部 断裂，因此，通常取 ：1 0 。 3 0 。 ，这里取 =1 7 。 。 ( 4 )旋轮工作直径 D 加 大旋轮工作直径 D， 有利于增加旋轮与工件 间的周向接触长度 ( 面积 ) ， 从而提高旋压零件的直径精度，同时有利于提高旋 轮的工作寿命 。但旋轮工作直径 D过大，不仅受到 旋压设备结构尺寸的限制 ，还增加了旋轮 的制造成 本，常 见 的 旋 轮 直径 为 D =2 0 03 0 0 ram，取 D =2 6 0mm 。 ( 5 )旋轮材料选择 为保证旋轮具有较高 的使 用寿命 ，选择冷作模具钢 C r l 2 Mo V，整体热处理淬 火 ，热处理表面硬度 5 86 3 HR C。 ( 6 )旋轮表面质量旋轮表面 的质量直接影响 瓶体旋压表面的质量，旋轮表 面越光滑 ，瓶体表面 质量越好 。旋轮表面粗糙度值 R a 0 4 0 2 tx m，且 抛光加工。 ( 7 )旋轮尺寸精度要求 旋轮工作表面与主轴 内孑 L 应保证同轴度 ，其同轴度允许公差 0 0 4 mm，减 少旋压时的径向圆跳动引起的机床振动和旋压 表面 质量缺陷。旋压轮结构如图 6所示 。 2 芯模设计 苎 = 模结构 由工作部分和联接部分组成 ，芯模与 5 8 啦 茹 参 磊 1 6 图6 旋压轮结构 旋压机主轴的联接通过止 口结构形式联接 ，并兼起 紧固和传递转矩的作用。根据旋压机 主轴设计 的结 构配做芯模 联接端 ，但应保证芯模装配后，前端的 径向圆跳动 、模杆 的直线度、圆度等公差，否则对 旋压的质量影响很大。 ( 1 )芯模工作部分尺寸确定 芯模工作部分直 径尺寸一般取旋压 毛坯 的内孑 L 尺寸，对瓶体 内径尺 寸应根据旋压气瓶 的规格尺寸确定。芯模工作部分 直径尺寸精度等级一般为 I T 6I T 8级，表面粗糙度 值 R a0 40 2 1 x m。芯 模 调 整精 度 ，当直 径 为 61 5 o b 3 0 0 mm时，径向圆跳动 0 0 5 mm，轴向跳 动 0 0 4 0 0 6 ra m。芯模的工作部分表面需抛光。芯 模结构如图 7所示。 图7 芯模 + 尾顶结构 芯模的表面粗糙度值越低即表面越光滑，越不 易抱轴 、拉伤。芯模与瓶体 内孔 间隙，要考 虑旋压 后脱模出料容易 ，间隙小金属易粘连 在芯模 上，间 隙大易发生椭圆和畸形 ，应控制在 0 5一l mm。 ( 2 )芯模材料选择 在旋压过程 中，芯模要承 受很大的径向和轴向旋压力 ，强烈 的摩擦力和摩擦 ， 旋压产生的热，芯模要有 足够的强度 、刚度；较低 表面粗糙度值，良好的耐磨性 、耐热性和内部韧性。 因此一般选用高速钢 、合金工具钢 、轴承钢等材料 来制造芯模，并需 经行强化处理。本文选用冷作模 具钢 C r l 2 Mo V，热处理表面硬度 5 86 3 H R C 。 芯模端部的几何形状尽量 与瓶体 内孔底部的形 状相近，使旋压时尾顶效果更好。 1 2 C r 2 Mo l 管板锻件制造工艺研究 太原重 工大锻件分公 司 ( 山西0 3 0 0 2 4 ) 王旭颖谢延安宋波牛玉温 C r Mo 钢是一种具有高强度 、高塑性及高韧性的 结构钢。近几年来，随着压力容器市场 的不断扩大 ， C r Mo钢已经成为石化 大型压力 容器锻件 的常用材 料。1 2 C r 2 M o l 钢是一类 以 C r 、M o为主要合金元 素 的合金钢 。通过 C r 、Mo合金元素的加入，提高了固 溶体基体 的强度 ，增加 了固溶体 的组织稳定性 ，起 到了很好 的固溶强化作用。 此外 ，由于第二相颗粒在过饱和固溶体中的沉 淀析出，更有效地提高 了该 钢的热 强性 ，超过 了固 溶强化的效果。此种钢在高温下具有较高强度 和抗 氧化性 ，并具有较好的加工工艺性能和较好 的焊接 性能。使 用温度在 4 5 05 5 0 C，服役时一般处于拉 应力状态，拉应力一般为 3 0 5 0 MP a 。淬透性大，有 一 定的焊接冷裂倾 向，热强性 比 1 2 C r l Mo钢低。该 类钢被广泛用于飞机结构件 、压力容器 、热电站锅 炉 、汽车及飞机发动机金属构件等工业和民用场合 。 作为高压容器废热 回收器 中主要部 件的管板锻 件 ，就选用 了 1 2 C r 2