半球形厚壁封头冲压成形有限元分析及优化
摘要: 在制造厚壁封头的过程中, 经常由于锻造后的封头减薄量过大, 最小壁厚值小于规定值, 在强度方面不能满足要求; 或者锻造后封头壁较厚, 增加了机加工量。而厚壁封头冲压成形过程属于几何非线性和材料非线性的问题, 很难用弹塑性力学理论的解析法进行研究。采用钢塑性有限元法, 使用 ANSYS 有限元分析软件模拟了半球形厚壁封头冲压成形的整个过程, 分析了成形后封头壁厚的变化规律。计算结果表明, 封头心部的减薄量并非最大, 减薄量最大值出现在靠近坯料中心的地方, 边缘的直边部分增厚量最大, 最大的减薄量或增厚量均达到坯料厚度的16%左右。通过优化坯料形状和尺寸, 使封头易于成形且壁厚均匀。管道切割机，相贯线切割机
关键词:半球形封头; 冲压成形; 最小壁厚; ANSYS管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
压力容器是石油、化工、能源等行业中的重要设备, 对其质量、安全性、可靠性都有严格的要求。近年来, 多采用锻件来制造压力容器的零部件。而封头是压力容器中的重要受压部件, 对成形后封头的最小壁厚有严格的要求。在制造厚壁封头的过程中, 经常由于锻造后的封头减薄量过大, 最小壁厚值小于规定值, 在强度方面不能满足要求; 或者锻造后封头壁较厚, 增加了机加工量。对于壁厚小于100 mm 的各种形状的薄壁封头, 通常采用旋压法或冲压法生产, 其工艺及模具设计已较为成熟。对于尺寸较大、壁较厚的封头生产, 经验较少。所以, 生产前对其工艺过程和参数以及成形结果的模拟尤为重要。封头成形通常采用锻造的方法加工, 其工艺分为两步: ( 1) 制坯工步, 大型厚壁封头通常要求从钢锭锻制成毛坯, 以提高封头的整体机械性能。( 2) 成形工步, 将毛坯成形至锻件。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机管道切割机，相贯线切割机
本文采用钢塑性有限元法, 模拟了成形工步的整个过程。通过分析成形后封头壁厚的变化规律,优化了坯料的形状和尺寸。
1 封头冲压成形的有限元分析
1. 1 物理模型
在半球型封头冲压成形工艺中, 上模通常采用半球形冲头, 下模采用漏模, 坯料为采用常规的圆饼坯料。坯料尺寸为φ1800 mm x180 mm, 成形后的封头内径为1 000 mm、直边长 270 mm、最小壁厚为150 mm。在有限元模拟时, 封头成形过程可以作为轴对称问题来处理。封头热成形的加工温度一般为800~ 1 000℃ , 为简化起见采用等温模型来模拟封头成形过程, 锻造温度定为900℃ 。坯料采用ANSYS 的VISCO106 号2D大应变轴对称单元, 采用钢热锻的本构模型: 
,坯料和模具之间的接触采用条件, 采用ANSYS 的169 和171 号二维接触单元定义, 摩擦系数取0. 15。由于冲头和凹模不发生变形, 因此可以视为刚体,用其外形轮廓来代替物体。有限元模型如图1 所示, 其中单元数为120 个, 结点数为 155 个。管道切割机，相贯线切割机
1. 2 变形特点及影响因素
封头的整个变形过程分为 3 个阶段。
( 1) 成形初期
由于上模压入坯料心部首先开始变薄, 而坯料其余部分形状厚度变化不大。等效塑性应变和等效应力的最大值出现在坯料心部及周围的外表面, 如图 2 所示。
( 2) 成形中期由于上模和坯料的接触面积增大, 虽然坯料心部继续变薄, 但减薄速度开始变的缓慢, 而靠近坯料中心部位的减薄量明显加剧, 并且坯料边缘部位开始增厚。等效塑性应变和等效应力的最大值仍出现在坯料心部及周围的外表面, 如图 3 所示。
( 3) 成形后期此时上模和坯料充分接触, 坯料进入了拉延阶段。坯料心部和靠近坯料中心部位的减薄量继续增加, 坯料的边缘部位继续增厚。由于上下模的挤压,此时等效塑性应变和等效应力的最大值出现在坯料边缘, 如图 4 所示。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机管道切割机，相贯线切割机
从以上分析可以看到: 厚壁封头的拉伸过程与薄壁封头拉伸成形具有不同的特点, 薄壁封头在拉伸中主要考虑是否会出现鼓包、起皱、裂缝等缺陷,而厚壁封头主要考虑成形后壁厚的变化。与薄壁封头成形相比, 厚壁封头有更大的局部减薄量和增厚量。由图 5 可以看出: 封头心部的减薄量并非最大,减薄量最大值出现在靠近坯料中心的地方, 边缘的直边部分增厚量最大, 最大的减薄量和增厚量均达到坯料厚度的16% 左右, 这与一些生产厂家在封头成形后测出的实际壁厚变化数据基本一致, 这也证明了对封头成形过程数值模拟的可行性。
通过对常规的圆饼坯料成形为半球形封头的有限元分析, 可以看到封头的变形大小主要体现在壁厚变化方面, 所以, 制坯工步成为优化的重点。
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图5 不同变形阶段封头壁厚变化 |
2 优化
GB150- 1998 对球形封头的最小壁厚有严格的规定。为了满足成形后封头壁厚的要求, 通常采用增加坯料厚度的方法, 但这样做会导致封头外形尺寸偏大、重量增加、机加工量增大, 既降低了材料的利用率又影响安装。为了减小坯料的机加工量,最大限度的利用材料, 我们可以合理选择坯料的形状, 以最大限度的减小封头心部及周围的减薄量及封头边缘部位的增厚量, 使用如图 6 所示: 中间加厚、两边削薄的坯料。对表 1 中的 4 种不同尺寸的坯料, 使用 ANSYS 软件分别进行成形过程的有限元分析, 可以得到它们的壁厚变化规律, 如图7 所示。
通过比较, 可以看到方案 3 的坯料重量较小, 且最终成形后封头锻件的心部及周围的减薄量和边缘的增厚量也较小, 最小壁厚为 153 mm, 且壁厚较均匀。在实际生产中, 把上述优化后的坯料应用于实际生产中, 生产出的封头质量较好, 并且满足了强度要求, 减少了机加工量, 为企业节省了资金。管道切割机，相贯线切割机
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图6 优化后的坯料图 |
| 表1 算例尺寸 mm |
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| 图7 不同方案成型后的厚度分布 |
本文作者:朱向哲, 谢禹钧, 王晓华
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