第二篇 過程裝備制造工藝——7成形加工

1、第篇 過程裝備制造工藝 7 成形加工 7.1設(shè)備：卷板機。分類：冷卷 熱卷 溫卷 調(diào)整設(shè)備，軸線平行；把板坯裝入上下輥之間；上輥下壓，將板坯壓彎；彎卷成形過程驅(qū)動兩下輥旋轉(zhuǎn)，板坯借助摩擦力而移動，并帶動上輥轉(zhuǎn)動。板坯移動過程中，連續(xù)通過最大受力位置（上輥最低線），使整個板坯（除兩端）產(chǎn)生均勻一均勻一致的塑性變形致的塑性變形，得到一定曲率的弧形板。上述過程為一次行程。通常一次彎卷很難達到所要求的變形程度，經(jīng)過幾次反復(fù)，可將鋼板彎卷成一定彎曲半徑的筒節(jié)。冷卷成型冷卷成型根據(jù)筒節(jié)根據(jù)筒節(jié)卷圓成形卷圓成形時時，是否是否加熱加熱以及以及加熱加熱的的溫度高低，分為：溫度高低，分為：冷卷成型、熱卷成型、溫卷

2、成型。冷卷成型、熱卷成型、溫卷成型。冷卷成型冷卷成型通常是在室溫下成型、不需要加通常是在室溫下成型、不需要加熱設(shè)備。熱設(shè)備。特點是：成型過程不產(chǎn)生氧化皮，操作工藝特點是：成型過程不產(chǎn)生氧化皮，操作工藝簡單且方便操作簡單且方便操作, ,費用低。費用低。 鋼板冷卷的變形率鋼板冷卷的變形率冷卷變形率計算冷卷變形率計算注意：注意： 彎卷前后，彎卷前后，中面層長度不變中面層長度不變；但但沿鋼板厚度方向，沿鋼板厚度方向，鋼板鋼板塑性變形塑性變形程度程度是是變化的變化的；外側(cè)伸長，內(nèi)側(cè)縮短。；外側(cè)伸長，內(nèi)側(cè)縮短。按外側(cè)相對伸長量計算變形率為: :( (DwDwDmDm)/ )/ DmDm 100/ Dm /

3、 Dm 100100結(jié)論鋼板越厚、筒節(jié)的彎卷半徑越小，則變形率越大。 臨界變形率概念臨界變形率概念冷彎冷彎變形率變形率達到達到臨界變形率臨界變形率，材料在隨后熱，材料在隨后熱切割、焊接或熱處理時，將產(chǎn)生粗大的切割、焊接或熱處理時，將產(chǎn)生粗大的再結(jié)晶晶再結(jié)晶晶粒粒。 金屬材料冷彎后產(chǎn)生粗大再結(jié)晶晶粒的變形金屬材料冷彎后產(chǎn)生粗大再結(jié)晶晶粒的變形速率，稱為金屬的臨界變形率速率，稱為金屬的臨界變形率鋼材的理論臨界變形率范圍為鋼材的理論臨界變形率范圍為5%5%10%10%。 實際變形率要求實際變形率要求應(yīng)小于理論臨界變形率，否則后續(xù)應(yīng)小于理論臨界變形率，否則后續(xù)熱加熱加工過工過程，會降低力學(xué)性能。程，會

4、降低力學(xué)性能。實際生產(chǎn)中，要求實際生產(chǎn)中，要求5%7.2.3.2 7.2.3.2 應(yīng)力定性分析計算熱沖壓時徑向拉應(yīng)力的計算公式最大徑向拉應(yīng)力定性分析要解決兩個問題：一是成型過程何時拉應(yīng)力最大（需最大沖壓力）；二是影響最大徑向拉應(yīng)力的因素。經(jīng)推算和證明，經(jīng)推算和證明，坯料坯料下表面完下表面完全包住全包住下模圓下模圓角時角時；此時徑此時徑向拉應(yīng)力達到向拉應(yīng)力達到最大值最大值。a a 成型過程何時拉應(yīng)力最大（需最大沖壓力）成型過程何時拉應(yīng)力最大（需最大沖壓力）料坯圓周料坯圓周剛開始向中剛開始向中心流動。心流動。此時，坯料此時，坯料上表面上表面 完全包完全包住住上模柱面以上模柱面以下的區(qū)域。下的區(qū)域。

5、b 影響最大徑向拉應(yīng)力的因素。毛坯直徑、封頭直徑；金屬的 變形抗力、硬化程度；摩擦力；彎曲力等因素有關(guān)。 切向應(yīng)力定性分析計算沖壓封頭時，在邊緣區(qū)域?qū)a(chǎn)生很大的切向壓縮應(yīng)力，其坯料各位置切向應(yīng)力計算公式如下：毛坯外徑計算X X 處的毛坯直徑結(jié)論： 最大切向壓應(yīng)力在坯料的最外緣。最大切向壓應(yīng)力大小s。7.2.3.3 7.2.3.3 影響折皺產(chǎn)生的影響折皺產(chǎn)生的幾個幾個因素因素相對厚度/Dm/Dm越小，坯料邊緣的穩(wěn)定性越差；在切應(yīng)力作用下，容易喪失穩(wěn)定而起皺。（切應(yīng)力使板變厚）毛坯位置毛坯邊緣切向應(yīng)力大，容易喪失穩(wěn)定而起皺的可能性就大。折皺的產(chǎn)生還與下列因素有關(guān)： 毛坯加熱溫度的均勻性； 封頭是否

6、有焊縫；模具間隙大小和均勻性；下模圓角大?。粓A角大，自由變形區(qū)增大，容下模圓角大??；圓角大，自由變形區(qū)增大，容易失穩(wěn)；易失穩(wěn)；潤滑情況，潤滑好，有利于金屬均勻流動，可潤滑情況，潤滑好，有利于金屬均勻流動，可避免由于受力不均、變形不均而產(chǎn)生的折皺和鼓避免由于受力不均、變形不均而產(chǎn)生的折皺和鼓包。包。7.2.3.47.2.3.4壓邊條件壓邊條件主要決定于D0、Dn與的關(guān)系，也與各制造廠的生產(chǎn)工藝和經(jīng)驗有關(guān)。折皺準數(shù): (D0Dn)/由折皺準數(shù)確定的壓邊的條件如下：b b 球形封頭熱沖壓采用壓邊圈的條件球形封頭熱沖壓采用壓邊圈的條件D D0 0D Dn n(14(1415) 15) C C 平頂封頭

7、熱沖壓采用壓邊圈的條件平頂封頭熱沖壓采用壓邊圈的條件D D0 0D Dn n(21(2122) 22) a a 熱沖壓標準橢圓形封頭的條件：熱沖壓標準橢圓形封頭的條件：（D D0 0D Dn n） 18 182020當當D D0 04004001200mm1200mm時：（時：（D D0 0DnDn） 20 20當當D D0 0140014001900mm1900mm時：（時：（D D0 0DnDn） 19 19當當D D0 0200020004000mm4000mm時：（時：（D D0 0DnDn） 18 18壓邊圈壓力分析壓邊力過大，增大了摩擦力，即增大了拉應(yīng)力，會使封頭拉薄，甚至拉裂；壓

8、邊力過小，則不能防止折皺的產(chǎn)生。根據(jù)分析和試驗，不產(chǎn)生折皺的最適宜的壓邊力應(yīng)是一個變值（應(yīng)隨沖壓過程的進行而逐漸加大）。由于變值壓邊圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前生產(chǎn)中大多采用固定壓邊力的壓邊圈。在這種情況下，壓邊力選取原則是：取保證不起折皺的最低壓力值。a a 上模：上模直徑Dsm 計算冷沖：DsmDn(1)材料回彈率；熱沖：DsmDn(1)材料收縮率t100；（一般取經(jīng)驗值）t沖壓結(jié)束溫度與室溫之差上模上部直徑：Dsm Dsm（23）mm7.2.47.2.4沖壓模具的設(shè)計沖壓模具的設(shè)計冷沖冷沖上模上模曲面部分高度曲面部分高度: :HsmHsmhg(1hg(1 ) )hghg封頭內(nèi)封頭內(nèi)曲面部分曲面部分高

9、度高度熱沖熱沖上模曲面部分高度上模曲面部分高度HsmHsm=hg(1=hg(1)上模高度上模高度= = HsmHsm上模曲面部上模曲面部分高度分高度+ H0+ H0上模直邊高上模直邊高度度兩部分組成兩部分組成上模直邊高度Ho（有錐度）封頭直邊高度Ho=h+H1+H2+H3封頭高度修邊余量1540mmmm卸料板厚度4080mm險余量40100上模壁厚上模壁厚當壓力機400t，取3040mm；當 1500 t，取7080mm;下模由拉環(huán)和下模座組成。為了適應(yīng)沖壓不同尺為了適應(yīng)沖壓不同尺寸封頭及模具設(shè)計的寸封頭及模具設(shè)計的通用性，下模具設(shè)計的通用性，下模的結(jié)構(gòu)常設(shè)計通用性，下模具設(shè)計的通用性，下模的

10、結(jié)構(gòu)常設(shè)計為下模和下模座。這樣在沖壓不同直徑封頭時，只為下模和下模座。這樣在沖壓不同直徑封頭時，只需改變下模直徑（拉環(huán)內(nèi)徑）即可。需改變下模直徑（拉環(huán)內(nèi)徑）即可。模具間隙模具間隙a aa a值過大值過大，沖壓力減小，但自由變形區(qū)寬度增加，易，沖壓力減小，但自由變形區(qū)寬度增加，易產(chǎn)生鼓包和折皺，并影響封頭直徑尺寸；產(chǎn)生鼓包和折皺，并影響封頭直徑尺寸；a a值過小值過小，圓角及間隙處將產(chǎn)生很大的擠壓力和摩擦圓角及間隙處將產(chǎn)生很大的擠壓力和摩擦力力，使沖壓力增大，不僅耗費功率，而且可能將封頭，使沖壓力增大，不僅耗費功率，而且可能將封頭嚴嚴重拉薄重拉薄。因此，間隙應(yīng)因此，間隙應(yīng)考慮板厚考慮板厚 ，還應(yīng)

11、考慮適當?shù)?，還應(yīng)考慮適當?shù)母郊又蹈郊又礪 Z；間隙aZ (間隙附加值）(mm)熱沖壓時Z(0.10.2)冷沖壓時Z(0.20.3)。兩倍的間隙附加值2Z經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下表下模內(nèi)徑D DxmxmD Dxmxm = =D Dsmsm +2+2+ +m mmmmm下模制造公差上模直徑間隙下模外徑D1D1D1=Dxm+200400mm（并要與下模座內(nèi)徑通用尺寸配合）下模圓角半徑r r。若圓角太小，彎曲應(yīng)力增大，沖壓力增大，容易產(chǎn)生拉薄和表面微裂紋；若圓角太大，容易產(chǎn)生折皺和鼓包。 經(jīng)驗計算法如下：(mm)(mm)采用壓邊圈時：r=(23)不采用壓邊圈時：r=(46)自由變形區(qū)長度增加當毛坯很厚可采用雙曲率

12、圓角或采用斜坡 圓角下模座內(nèi)徑=D1max+1下模座外徑 DD0（毛坯外徑）下模座尺寸計算高度H=h+(60100)下口內(nèi)徑D2下模內(nèi)徑Dxm+(510）壓邊圈尺寸計算內(nèi)徑Dn=Dxm+(5080)厚度=70120外徑Dw=下模座外徑D壓邊圈拉環(huán)下模座薄壁(D0一Dm)45的封頭成形特點：帶有壓邊圈的一次沖壓成形法，在自由變形區(qū)也會產(chǎn)生鼓包和折皺。 可采用下列方法沖壓：分析剛開始沖壓，上模與毛坯的接觸直徑為Dc較小。不穩(wěn)定L環(huán)形段，不與上、下模接觸，容易喪失穩(wěn)定。1、多次沖壓成形法7.2.5 7.2.5 不同類型的封頭沖壓方法不同類型的封頭沖壓方法采用多次沖壓成形法的特點即用同一個上模，多個下

13、模進行多次沖壓成形；第一次沖壓時，下模內(nèi)徑比上模內(nèi)徑小200mm。不穩(wěn)定段不穩(wěn)定段L L的寬度減少。的寬度減少。第二次沖壓時，采用與封頭規(guī)格相配合的下模第一次沖壓：碟形第二次沖壓：最后成形適應(yīng)薄壁封頭(D0 Dm ) / =120220開始沖壓時，壓邊力0；隨著過程的進行，周邊增厚，壓邊力增大，滿足沖壓過程最佳壓邊力的實際要求。2 2、 采用有間隙壓邊圈法采用有間隙壓邊圈法沖壓較薄壁封頭（材料塑性好）(60 D0Dm 120)增加自由變形區(qū)的徑向拉力，使該區(qū)拉力、變形均勻，避免折皺和鼓包。3 3、采用帶坎拉深法、采用帶坎拉深法當(D0Dm)6的封頭認為是厚壁封頭因毛坯較厚，邊緣部分金屬不易變形

14、，在拉深時急劇增厚，增厚率達10%以上；使通過下模圓角時的阻力大為增加，需要很大的沖壓力；增大模具間隙；增大模具間隙；或?qū)⑴髁线吘壪骰驅(qū)⑴髁线吘壪鞅?，再進行沖壓加工。薄，再進行沖壓加工。厚壁封頭厚壁封頭沖壓時：沖壓主要特點復(fù)板常發(fā)生折皺；兩層材料的結(jié)合區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至撕裂。分析 復(fù)合鋼板在加熱時，基層和復(fù)層線膨脹系數(shù)不同，金屬本身變形抗力也不同； 在相同的應(yīng)力下，流動特點不同，產(chǎn)生的變形不同。 復(fù)板變形大，容易產(chǎn)生折皺；結(jié)合層產(chǎn)生裂紋。復(fù)合鋼板封頭的沖壓復(fù)合鋼板封頭的沖壓最常出現(xiàn)裂紋的部位是直邊部分，因為這部分材料在沖壓時的應(yīng)力和變形最大。因此，無論厚度如何，沖壓時都必須采用壓邊圈，防止復(fù)板起

15、皺。7.2.6 7.2.6 沖壓后封頭壁厚變化沖壓后封頭壁厚變化球形封頭底部，沖壓過程一直受拉應(yīng)力，減薄量最大直邊和靠近直邊部分，沖壓時切向壓應(yīng)力大，壁厚增加；且越接近邊緣，增加壁厚越大。直邊和靠近直邊部分，沖壓時切向壓應(yīng)力大，壁厚增加；且越接近邊緣，增加壁厚越大。標準橢圓封頭底部，與球形封頭比較，沖壓過程一直受較小的拉應(yīng)力，減薄量較小此處有彎曲、脹形、拉延，且拉應(yīng)力最大，壁厚減薄量最大7.2.7 7.2.7 封頭的旋壓成形封頭的旋壓成形適用于大型封頭的制造。目前采用旋壓成形法制造大型封頭已成為主要方法。1. 旋壓成形的特點 適合制造尺寸大、壁薄的大型封頭，目前已制造5000mm、7000mm

16、、10000mm，甚至20000mm的超大型封頭； 旋壓機比水壓機輕巧，制造相同尺寸的封頭，比水壓機約輕2.5倍 ；優(yōu)點優(yōu)點：旋壓模具比沖壓模具簡單、尺寸小、成本低；適于單件小批生產(chǎn)；不易產(chǎn)生減薄和折皺，封頭成形質(zhì)量好；不適宜厚壁小直徑，不適宜厚壁小直徑，若旋壓成形，比較麻若旋壓成形，比較麻煩，不如沖壓成形簡單；煩，不如沖壓成形簡單； 旋壓過程較慢，生產(chǎn)率低旋壓過程較慢，生產(chǎn)率低于沖壓成形。于沖壓成形。若用冷旋壓，對容易硬化的材料需消除硬化若用冷旋壓，對容易硬化的材料需消除硬化熱處理。熱處理。缺點缺點：2 旋壓成形的方法分類：按使用的主要設(shè)備情況，分為單機旋壓法單機旋壓法、聯(lián)機旋壓法聯(lián)機旋壓法

17、。單機旋壓法在旋壓機上一次完成封頭的旋壓成形過程。聯(lián)機旋壓法分別用壓鼓機和旋壓機對封頭料坯先壓鼓后翻邊的成型方法。簡單介紹單機旋壓法。根據(jù)模具使用情況單機旋壓法可分為：有模旋壓法、無模旋壓法、沖旋聯(lián)合法。 有模旋壓法有模旋壓法特點：效率高、速度快，時間短，封頭可一次成形，形狀準確。特點：效率高、速度快，時間短，封頭可一次成形，形狀準確。缺點：必須備有不同尺寸封頭所需模具，工裝費用大。缺點：必須備有不同尺寸封頭所需模具，工裝費用大。無模旋壓法無模旋壓法該裝備該裝備構(gòu)造與構(gòu)造與控制比控制比較復(fù)雜，較復(fù)雜，適合于適合于批量生批量生產(chǎn)產(chǎn)沖旋聯(lián)合法沖旋聯(lián)合法沖旋聯(lián)合法大都采用熱旋壓，需配合加熱裝置和裝料

18、設(shè)備，沖旋聯(lián)合法大都采用熱旋壓，需配合加熱裝置和裝料設(shè)備，較適合于制造大型、單件的厚壁封頭。較適合于制造大型、單件的厚壁封頭。7.2.7 7.2.7 封頭制造的質(zhì)量要求封頭制造的質(zhì)量要求封頭應(yīng)盡量用整塊鋼板制成,必須拼接時,焊縫數(shù)量及位置，應(yīng)滿足封頭的劃線技術(shù)要求。封頭沖壓前，應(yīng)清除鋼板毛刺；沖壓后去除內(nèi)外表面的氧化皮,表面不允許有裂紋等缺陷。對于微小的表面裂紋和高度達3mm的個別凸起應(yīng)進行修整。封頭和筒體對接處的圓柱部分長度（直邊高度）應(yīng)符合下表要求。封頭的幾何形狀和尺寸偏差內(nèi)徑內(nèi)徑偏差橢圓度(Dmax-Dmin)1000 32；41000 150074； 87.3 7.3 管子的彎曲管子的

19、彎曲7.3.1 7.3.1 管子彎曲應(yīng)力分析和變形量計算管子彎曲應(yīng)力分析和變形量計算7.3.1.17.3.1.1應(yīng)力和變形分析（自由彎曲）應(yīng)力和變形分析（自由彎曲） 管子外側(cè)壁管子外側(cè)壁 管子在管子在彎矩彎矩MM作用下，軸線外作用下，軸線外側(cè)管壁側(cè)管壁受拉應(yīng)力受拉應(yīng)力； 隨著變形率的增大，拉力逐隨著變形率的增大，拉力逐漸增大，管壁可能漸增大，管壁可能減薄減薄、嚴重嚴重時可產(chǎn)生微裂紋時可產(chǎn)生微裂紋；管子內(nèi)側(cè)壁管子內(nèi)側(cè)壁嚴重時可使管壁失穩(wěn)產(chǎn)生內(nèi)折皺受壓應(yīng)力作用，管壁可能增厚管子橫截面變形管子橫截面變形 在Nl與N2作用下，管子橫截面變形； 自由彎曲時，變形將近似為橢圓形；半圓槽內(nèi)彎曲，內(nèi)側(cè)基本上保

20、持半圓形外側(cè)變扁。 影響彎管缺陷產(chǎn)生的主要因素影響彎管缺陷產(chǎn)生的主要因素a a 相對彎曲半徑=R/dw ，它表示彎曲程度。管子外徑dw越大，彎曲半徑R越小，內(nèi)、外側(cè)的變形率越大。b b 相對彎曲壁厚=/dw表示彎曲橫截面的穩(wěn)定性；壁厚越小，管子直徑越大，彎曲橫截面的穩(wěn)定性越差，越容易失穩(wěn)。 實際生產(chǎn)中控制管子彎曲變形率的主要方式是控制管子的彎曲半徑。彎曲半徑有關(guān)規(guī)定，對一般受壓10MPa10MPa的管子，如換熱器U形彎管段的彎曲半徑 R2dw；常用換熱器的最小彎曲半徑RminRmin如下表：7.3.1.2 7.3.1.2 管子變形率的控制管子變形率的控制7.3.2 7.3.2 彎管方法彎管方法

21、冷彎和熱彎；有芯和無芯彎管；手工和機械彎管等多種方法。冷彎和熱彎冷彎和熱彎 1、主要考慮變形的難易程度及防止缺陷產(chǎn)生，直徑較大（dw108)、直徑60mm以上的厚壁管，彎管阻力較大，用熱彎； 2、低碳鋼、低合金鋼可以冷彎或熱彎；合金鋼、高合金鋼應(yīng)選擇熱彎； 3、彎管形狀較復(fù)雜，無法冷彎，可采用熱彎； 4、不具備冷彎設(shè)備、可采用熱彎。（1）手工彎管 手工彎管可分為冷彎和熱彎。 管子在室溫下的彎曲習(xí)慣上稱作冷彎，由于冷彎效率高，質(zhì)量好，操作環(huán)境好，所以直徑108mm以下的管子多采用冷彎.手手 工工 熱熱 彎彎 熱彎時一般要以砂子作填充物。 裝砂子的作用：是阻止彎曲變形時管的截面變成橢圓形或內(nèi)側(cè)表面

22、起皺。 加熱溫度：低碳鋼 950-1000 普通低合金鋼850-1000 18-8型不銹鋼1100-1200 7.3.3 7.3.3 控制缺陷的幾種典型方法控制缺陷的幾種典型方法 反變形法反變形法 彎管過程彎管過程 管子安裝在彎管機中，并用管子安裝在彎管機中，并用夾頭夾頭加緊。隨著主動加緊。隨著主動扇形輪的旋轉(zhuǎn)，在扇形輪的旋轉(zhuǎn)，在扇形輪槽內(nèi)扇形輪槽內(nèi)彎管。彎管。 注意注意：壓緊輥壓緊輥具有具有反變形槽反變形槽，在彎管前，在彎管前使管子先產(chǎn)生一個使管子先產(chǎn)生一個預(yù)預(yù)變形變形（彎曲彎曲實際實際變形變形方向相反方向相反）。）。主動扇形主動扇形輪（模）輪（模）壓緊輥壓緊輥導(dǎo)向輥導(dǎo)向輥夾頭夾頭e e在在0 01