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，進行了封頭成型過程中各區域應力分布及壓邊力的有限元計算，解決了封頭壓型過程中的起皺、拉裂等實際問題。

關鍵詞：

封頭；拼接；應力；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，材質為T4003，屬于同材質同板厚拼接。

1拼接位置的確定

在JB／T4737—1995《橢圓形封頭》中規定了拼接焊縫與封頭中心的位置關系：封頭由2塊或左右對稱的3塊鋼板拼接制成時，其拼接焊縫與封頭中心線的距離應小于公稱直徑的1／4。GB150．4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收》中未規定拼接焊縫與封頭中心的位置關系，只對拼接焊縫間距離有明確規定：封頭各種不相交的拼接焊縫中心線間距離至少應為封頭鋼板厚度的3倍，且不小于100mm。也就是說，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，在生產實際中采用哪種拼接方式主要依據料源寬度而定。全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會官方網站規定：2012年3月1日及以后簽訂的合同，應執行GB150．1～150．4—2011《壓力容器》，不再執行JB／T4737—1995。本文根據料源情況采用偏離中心位置拼接方案。

2成型過程中的應力分析

為了分析封頭的應力，從幾何空間上，把封頭劃分為4個區域：法蘭區域、圓角區域、懸空區域和底部區域（圖3）。應用JSTAMP／NV板料成型有限元分析軟件創建仿真分析模型（圖4），封頭材料為T4003鐵素體不銹鋼，其技術參數見表1。圖5（a）為法蘭、圓角、懸空區域應力分布，圖5（b）為底部區域應力分布。由圖5可見：無論在哪個區域，徑向應力一直處于拉應力狀態；而切向應力在法蘭區域處于壓應力，在圓角區域壓應力水平減少，懸空區域壓應力幾乎為零，在底部區域壓應力轉化為拉應力，使得底部區域變為雙向受拉的應力狀態。

3模具的壓邊力計算

影響封頭成型的主要因素通常有材質、凹模圓角半徑、摩擦因數、壓邊力，其中材質、凹模圓角半徑、摩擦因數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鍵因素，壓邊力過小時，會產生褶皺缺陷；壓邊力太大時，將產生拉裂缺陷。因此如何找到壓邊力的合理范圍值是關鍵。首先在零件形狀、材質、摩擦因數、單元類型、接觸算法等都鎖定的情況下單獨改變壓邊力進行計算，為了便于研究各區域的變形特點，分別在法蘭區域、圓角區域、懸空區域、底部區域各取1個單元作為研究對象進行受力分析，選取各點位置及編號如圖6所示。表2為壓邊力分別在150、500、1000、1250、1500、2500t時各點的受力情況。從表2中得到如下結論：（1）法蘭區域直接與壓邊圈和下模接觸，壓邊力的大小直接影響該區域的應力分布，壓邊力較小時，在法蘭區域出現徑向與切向均受壓應力的情況，雙向受壓縮，故產生嚴重褶皺。（2）圓角區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，圓角區域一直處于徑向受拉、切向受壓的應力狀態。（3）懸空區域在行程初期，板料既不與上模接觸，也不與下模接觸，一直處于懸空狀態，所以其壓型失穩控制是難點。懸空區域的切向壓應力與徑向拉應力水平相當時，懸空區域起鼓，當壓邊力達到1000t時，切向應力為－207．96MPa，仍起鼓，繼續增加壓邊力到1250t時，切向應力僅為－20．02MPa，未起鼓。（4）底部區域切向和徑向均處于拉應力的狀態，并隨著壓邊力的增加向2個方向逐步變大。（5）從壓邊力變化的動態過程看，壓邊力較小時，法蘭區域與懸空區域同時出現缺陷；當壓邊力持續增加，法蘭區域起皺與懸空區域起鼓的現象會相繼消失；當壓邊力繼續增大時，底部在雙向拉應力的作用下繼續變薄；再繼續增加壓邊力時，懸空區域的切向壓應力轉換成拉應力，變薄區域轉移到懸空區域。從上述應力分析看，同一道焊縫在各區域所受的應力是不一樣的，從成型角度講，嘗試讓焊縫避開高應力區域是不現實的。

4拼接形狀對成型的影響

以上的應力分析是基于板材拼接為圓形的情況。為了湊成圓形，拼焊板會存在2道焊縫，那么，基于現有的料源，對采用非圓形拼接方案（圖7）的可行性也進行了研究。研究發現，采用圖7所示的拼接方案時，在法蘭區域，由于壓料面積的減少，周邊的進料阻力不統一，進料阻力最小，使得徑向應力降低、切向應力增加，導致在法蘭區域出現褶皺、在懸空區域起鼓。因此，采用拼焊后為非圓形的拼接方案在實際生產中不可行。

5拉延筋的使用

當設備的壓邊力不夠時，常采用拉延筋提高進料阻力來避免懸空區域起鼓。圖8為帶拉延筋的模具結構。應特別注意拉延筋設置不當或壓邊力不匹配的情況下，拉延筋位置無法壓實，會導致壓型過程中壓邊圈與下模存在空隙，進而導致法蘭區域產生細微的褶皺，在實際生產中應該給予考慮。

參考文獻：

［1］林忠欽．車身覆蓋件沖壓成形仿真［M］．北京：機械工業出版社，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、檢驗和驗收［S］．

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