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特种封头的制造工艺探讨范文

时间:2022-03-04 09:15:58

特种封头的制造工艺探讨

《铁道车辆杂志》2015年第七期

摘要:

以铁路罐车某种封头(带法兰)为例,介绍了拼接封头拼接位置的确定依据,进行了封头成型过程中各区域应力分布及压边力的有限元计算,解决了封头压型过程中的起皱、拉裂等实际问题。

关键词:

封头;拼接;应力;压边力

铁路货车封头由于料源宽度的限制,多采用拼接板成型。本文以罐车带法兰的封头为例研究其制造工艺。图1为封头外形图,其法兰面最大直径为2930mm,材质为T4003,属于同材质同板厚拼接。

1拼接位置的确定

在JB/T4737—1995《椭圆形封头》中规定了拼接焊缝与封头中心的位置关系:封头由2块或左右对称的3块钢板拼接制成时,其拼接焊缝与封头中心线的距离应小于公称直径的1/4。GB150.4—2011《压力容器第4部分:制造、检验和验收》中未规定拼接焊缝与封头中心的位置关系,只对拼接焊缝间距离有明确规定:封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距离至少应为封头钢板厚度的3倍,且不小于100mm。也就是说,在封头中心位置(图2(a))或偏离中心位置拼接(图2(b))均符合GB150.4—2011要求,在生产实际中采用哪种拼接方式主要依据料源宽度而定。全国锅炉压力容器标准化技术委员会官方网站规定:2012年3月1日及以后签订的合同,应执行GB150.1~150.4—2011《压力容器》,不再执行JB/T4737—1995。本文根据料源情况采用偏离中心位置拼接方案。

2成型过程中的应力分析

为了分析封头的应力,从几何空间上,把封头划分为4个区域:法兰区域、圆角区域、悬空区域和底部区域(图3)。应用JSTAMP/NV板料成型有限元分析软件创建仿真分析模型(图4),封头材料为T4003铁素体不锈钢,其技术参数见表1。图5(a)为法兰、圆角、悬空区域应力分布,图5(b)为底部区域应力分布。由图5可见:无论在哪个区域,径向应力一直处于拉应力状态;而切向应力在法兰区域处于压应力,在圆角区域压应力水平减少,悬空区域压应力几乎为零,在底部区域压应力转化为拉应力,使得底部区域变为双向受拉的应力状态。

3模具的压边力计算

影响封头成型的主要因素通常有材质、凹模圆角半径、摩擦因数、压边力,其中材质、凹模圆角半径、摩擦因数在模具制造后可更改的空间很小,甚至是不可更改的;而压边力是最活跃的关键因素,压边力过小时,会产生褶皱缺陷;压边力太大时,将产生拉裂缺陷。因此如何找到压边力的合理范围值是关键。首先在零件形状、材质、摩擦因数、单元类型、接触算法等都锁定的情况下单独改变压边力进行计算,为了便于研究各区域的变形特点,分别在法兰区域、圆角区域、悬空区域、底部区域各取1个单元作为研究对象进行受力分析,选取各点位置及编号如图6所示。表2为压边力分别在150、500、1000、1250、1500、2500t时各点的受力情况。从表2中得到如下结论:(1)法兰区域直接与压边圈和下模接触,压边力的大小直接影响该区域的应力分布,压边力较小时,在法兰区域出现径向与切向均受压应力的情况,双向受压缩,故产生严重褶皱。(2)圆角区域是材料流入下模的入口,材料在上模的作用下流入下模,从分析看,圆角区域一直处于径向受拉、切向受压的应力状态。(3)悬空区域在行程初期,板料既不与上模接触,也不与下模接触,一直处于悬空状态,所以其压型失稳控制是难点。悬空区域的切向压应力与径向拉应力水平相当时,悬空区域起鼓,当压边力达到1000t时,切向应力为-207.96MPa,仍起鼓,继续增加压边力到1250t时,切向应力仅为-20.02MPa,未起鼓。(4)底部区域切向和径向均处于拉应力的状态,并随着压边力的增加向2个方向逐步变大。(5)从压边力变化的动态过程看,压边力较小时,法兰区域与悬空区域同时出现缺陷;当压边力持续增加,法兰区域起皱与悬空区域起鼓的现象会相继消失;当压边力继续增大时,底部在双向拉应力的作用下继续变薄;再继续增加压边力时,悬空区域的切向压应力转换成拉应力,变薄区域转移到悬空区域。从上述应力分析看,同一道焊缝在各区域所受的应力是不一样的,从成型角度讲,尝试让焊缝避开高应力区域是不现实的。

4拼接形状对成型的影响

以上的应力分析是基于板材拼接为圆形的情况。为了凑成圆形,拼焊板会存在2道焊缝,那么,基于现有的料源,对采用非圆形拼接方案(图7)的可行性也进行了研究。研究发现,采用图7所示的拼接方案时,在法兰区域,由于压料面积的减少,周边的进料阻力不统一,进料阻力最小,使得径向应力降低、切向应力增加,导致在法兰区域出现褶皱、在悬空区域起鼓。因此,采用拼焊后为非圆形的拼接方案在实际生产中不可行。

5拉延筋的使用

当设备的压边力不够时,常采用拉延筋提高进料阻力来避免悬空区域起鼓。图8为带拉延筋的模具结构。应特别注意拉延筋设置不当或压边力不匹配的情况下,拉延筋位置无法压实,会导致压型过程中压边圈与下模存在空隙,进而导致法兰区域产生细微的褶皱,在实际生产中应该给予考虑。

参考文献:

[1]林忠钦.车身覆盖件冲压成形仿真[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]JB/T4737—1995,椭圆形封头[S].

[3]GB150.4—2011,压力容器第四部分:制造、检验和验收[S].

作者:陈明丹 王强 黄连吉 单位:齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 冷工艺部 大连特箱分公司

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