薄壁小半徑不銹鋼彎頭充液成形關鍵技術研究分析

 浙江至德鋼業有限公司技術人員經過長期生產研究發現薄壁小半徑不銹鋼彎頭的充液成形具有如下幾個特點:管坯經過預成型彎曲后壁厚分布差異大，同時伴有冷作硬化與應力殘留，使得不銹鋼彎頭的充液成形性能十分不明朗;不銹鋼彎頭雖然有大的膨脹率，但由于其結構特點，軸線內外側脹形環境不對稱，彎頭內側既易發生失穩起皺也易發生失穩破裂，成形窗口狹小;在薄壁小半徑不銹鋼彎頭充液成形中，成形質量的影響因素多、關聯性強，而業界缺少相關的研究經驗，使得工藝參數的優化具有一定困難。

 綜合以上特點可知，利用有限元模擬研究薄壁小半徑彎頭充液成形是十分可取且有必要的。至德鋼業采用了“先分后總”的研究思路，“分”體現在將內壓與軸向進給的加載分階段研究，“總”體現在將工藝參數進行綜合優化以及將模擬結果進行綜合對比，最終獲得了充液成形工藝的成形規律，并加深了對彎脹成形工藝特點的理解。薄壁小半徑不銹鋼彎頭的充液成形屬于彎管脹形，由于其結構特殊，以及預成型造成的壁厚分布不均和冷作加工硬化，管件的應力應變狀態在成形過程中的變化將十分復雜。本節主要通過分析理想狀態下的受力情況，總結彎頭在充液成形過程中的變形規律，為薄壁小半徑不銹鋼彎頭的成形質量控制提供理論參考。

 充液成形不銹鋼管件由兩端的補料區直段和中間的成形區彎段組成。補料區管材的應力狀態與直管充液成形時相同，所受內壓作用被模具的接觸應力所抵消，周向應力和厚向應力為零，處于軸向單向受壓狀態，長度縮短、壁厚增加。但由于摩擦作用，軸向應力隨著遠離管端將會逐漸減小，因此成形區管材的受力情況可以看成是僅受內壓作用的圓環殼體，應力狀態如圖所示。在承受均勻內壓的理想圓環殼體中，根據環殼的幾何特性和單元的內力平衡條件，可推導出應力表達式。

 根據至德鋼業技術人員研究成果可知，在零件充液成形初期的自進給階段，即使沒有推頭軸向力作用，彎管還是會經歷一個類似有軸向進給的行為，彎頭兩端發生內移、外側率先與模具貼合，該現象稱為自進給現象，由此引起的彎管兩端的內移量稱為自進給量。自進給現象對零件成形的影響是兩面性的:一方面，不銹鋼彎頭外側在成形初期就與模具貼合，阻止了外側壁的進一步減薄;另一方面，突然地軸向內移可能會使推頭與不銹鋼管件分離，導致密封失效，致使成形失敗。為避免自進給現象的不利影響，可以使自進給階段推頭的軸向位移大于自進給量，即推頭的內移速度大于自進給速度，從而保證推頭與不銹鋼管件始終接觸。根據自進給量的定義，其大小等于自進給階段結束時不銹鋼彎頭兩端相對于初始位置的移動距離，該數值可從自由脹形模擬結果中直接測得，如圖所示。由于自進給階段內壓較小，彎頭截面基本上不發生變化，因此也可認為自進給量等于模具軸向剖面外側圓弧段與彎頭軸向剖面外側圓弧段長度差的一半。經測量，本次研究中，自進給量為4.5mm，故推頭在自進給階段的軸向進給量可取為5.5 mm。

 在充液成形中，推頭軸向進給的主要功用，是通過在成形階段對不銹鋼管件的膨脹區域進行材料補充，來避免零件在脹形過程中發生過度減薄。補料問題是一個關于材料塑性流動的問題，因此影響材料塑性流動的因素也都是推頭軸向進給的影響因素，主要包括進給量的大小和不銹鋼管件與模具的摩擦系數。由此可知，彎管外側軸向伸長、內側軸向縮短，截面各部位對軸向應力的敏感性不同。良好的材料流動性在幫助減小彎頭外側壁厚減薄的同時，也增加了彎管內側起皺失穩的趨勢，因此成形階段進給量和摩擦系數的取值需要通過試驗來綜合地研究。綜上所述，薄壁小半徑不銹鋼彎頭充液成形的軸向進給量由兩部分組成:自進給階段進給量和成形階段進給量，其加載時段如圖所示。

 為了探求充液成形與數控彎管在薄壁小半徑彎頭彎脹成形工藝中所起的作用，按照圖的方式對充液成形模擬結果進行截面分析，并與圖中數控彎管相應角度截面的壁厚分布進行了比對。從圖中可以看出:充液成形后的壁厚平均減薄率遠高于數控彎管。這表明充液成形技術有效提高了管件的成形極限?？紤]截面壁厚的周向分布，在數控彎管中壁厚減薄最為嚴重的區域，在充液成形中壁厚減薄最小;在數控彎管中壁厚增厚最為嚴重的區域，在充液成形中壁厚減薄則最大;充液成形后壁厚分布范圍更為集中。這表明充液成形過程有效改善了數控彎管后不銹鋼管件壁厚分布差異過大的現象?？紤]壁厚的軸向分布，在45°截面上，充液成形后最大減薄位置出現在周向90°和270°附近;越靠近0°和90°的截面，最大減薄位置越接近周向00和360°截面壁厚的總體變化趨勢還是整體減薄。這表明，數控彎管工藝參數的優化方向是使圖29中的正弦曲線下移，即在保證不起皺的前提下，使不銹鋼彎頭整體增厚。綜上所述可知，在彎脹成形工藝中，數控彎管的作用不僅是預“成型”，還有對截面材料的分配，但會造成很大的壁厚不均勻度;充液成形的作用不僅是終“成形”，還有重新消除這種不均勻度，提高不銹鋼管件的成形極限。數控彎管技術與充液成形技術在零件成形過程中，優勢互補、相輔相成。