大型不锈钢卡箍弯曲成形工艺
发布时间：
2022-02-23
卡箍结构是压力容器制造中常用的一种筒体与端盖之间的连接结构，因其相比法兰连接具有装拆方便、结构形式多样及密封性能好等优点，故在大直径容器及需要快速开关盖的容器上应用广泛。卡箍锻件的制造过程具有工艺难度大、质量要求高、控制难点多、锻件尺寸和重量大等特点。与以往的同类产品相比，无论尺寸还是重量都大很多。
接近150MN自由锻水压机锻造极限。这对生产过程控制、水压机、机加工等设备都形成了相当大的考验。卡箍化学成分如表1所示，采用三种成形方案成形卡箍工件，通过数值模拟的方法进行验证，从工件外形判断是否折叠，工件是否开裂，通过模拟结果可以发现成形工件出现的某些缺陷，通过优化模具、坯料、工艺参数。
直到工件没有缺陷为止。通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的弯曲成形工艺。表1卡箍化学成分要求（%）卡箍成形方案一卡箍制造工艺简介制造工艺流程：冶炼、铸锭→冒口压钳口、切水口弃料→镦粗压实→拔扁方出成品→锻造板坯粗加工→板坯探伤（UT）→板坯弯曲成形→锻后热处理→粗加工→性能热处理（正火、回火热处理）→取性能试料→性能检验→半精加工→探伤（UT、PT、MT、VT）→精加工。
Deform模型建立设计卡箍成形辅具，卡箍成形上模宽度为500mm，卡箍成形下模两个滚子之间的中心距离为2000mm。卡箍弯曲前的坯料尺寸为830mm×1970mm×9000mm。模具装配示意图，如图1所示。图1卡箍模具装配图板坯弯曲成形过程中，坯料定义为变形体，弯曲模具定义为刚体。
板坯与模具之间的摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的各种因素有关，如接触面间的相对硬度、表面粗糙度、温度、法向应力及相对滑动速度等，优势还在变形过程中产生变化。在Deform中有剪切摩擦和库仑摩擦两种类型，选择剪切摩擦类型。把变形体与成形上模之间的摩擦系数定义为μ=0.4。
把变形体与成形下模之间的摩擦系数定义为μ=0.3。弯曲成形温度设置为1050℃，网格采用四面体网格，网格划分为35000个。卡箍弯曲成形数值模拟卡箍弯曲成形采用三点弯曲成形，通过局部多道次压弯成形，通过两个道次压弯成形，第一道次的压下量为60mm，第一道次压完后如图2所示。图2第一次道次压弯成形第二道次的压下量为50mm。
第二道次压完后如图3所示，最终弯曲成形坯料与粗加工尺寸进行对比。为了保证加工余量，其中粗加工的尺寸在精加工的基础上各个方向加了20mm余量。坯料从X方向剖开，由图中可以看出，尺寸满足粗加工尺寸要求，与粗加工尺寸相比，余量最小处单边约15mm。图3第二次道次压弯成形从Y方向剖开，看截面上的成形锻件毛坯尺寸与粗加工尺寸进行对比分析如图4所示。
满足X和Z方向的尺寸要求。宽度方向单边余量约20mm，厚度方形余量约30mm。图4弯曲毛坯与粗加工对比图卡箍成形方案二卡箍制造工艺简介方案一是锻出弯曲板坯，与方案一相比，方案二是通过筒体180°展开得到90°卡箍，通过锻造成形筒体锻件如图5所示。通过气割方式将筒体分割为两个180°圆弧。
通过局部压弯的方式把筒体180°圆弧压到卡箍毛坯锻件尺寸。压弯成形上模如图6所示，压弯成形下模如图7所示。压弯成形下模与模座之间靠中间蓝色销子定位，也可以定位成形毛坯。图5卡箍弯曲前毛坯图6成形上模图7成形下模卡箍展开压弯数值模拟卡箍压弯成形过程如图8所示，首先压180°圆弧底部。
其次压180°圆弧两侧，保证压下量均匀。图8卡箍弯曲成形过程卡箍成形方案三卡箍三点弯曲数值模拟与前面两种方案对比，本方案通过锻出弯曲成形板坯，利用三点弯曲原理，通过卡箍弯曲辅具一次压弯成形。这种方式既保证了坯料的对中，也保证了弯曲成形完整的锻造流线，避免局部应力集中，为后续热处理提供了良好的组织。
弯曲成形模拟结果如图9所示，在Y-Y方向余量均匀，单边余量约50mm。X-X向卡箍毛坯尺寸与粗加工对比如图10所示，可以看出两侧发生了翘曲。由图9可以看出，从Y-Y方向上这个壁厚比较均匀，满足要求。但是从X-X方向的截面不能满足要求，如图10可见坯料发生了向上的翘曲，所以中心部分应增加支撑。
尽量避免坯料发生翻翘曲，对比发现单边余量约15mm。图9弯曲毛坯与粗加工Y-Y向对比图10弯曲毛坯与粗加工X-X向对比通过对数值模拟分析，坯料中间贴模，在成形后板坯的两侧都发生了翘曲。这样可以在弯曲成形下模增加一个平面，增加成形坯料与成形下模的接触面积，避免中间压出凹坑。修改成形下模后。
Y-Y向对比模拟结果如图11所示，X-X对比模拟结果如图12所示，通过弯曲成形后的坯料与粗加工对比发现，Y-Y向尺寸满足粗加工要求，单边余量约50mm。修改模具后，从X-X方向和Y-Y方向的成形毛坯各向尺寸均满足粗加工要求，且余量比较均匀，锻造毛坯与粗加工对比，单边余量约45mm。
顶部最小余量约38mm，满足粗加工尺寸要求。图11弯曲毛坯与粗加工Y-Y向对比图12弯曲毛坯与粗加工X-X向对比卡箍三点弯曲数值模拟分析卡箍弯曲后等效应力如图13所示，弯曲成形力最大值为3000t，如图14所示。等效应力最大值为21.6MPa，弯曲时坯料与成形模具接触点容易造成应力集中。
从成形上模接触坯料开始压下行程为1500mm。图13卡箍弯曲成形等效应力图14卡箍弯曲成形力卡箍弯曲成形步骤下模冲头按卡箍辅具装配图把模具装配好。下模摆放之前先在走料台上画好线，保证成形上模中心与成形下模的中心对正。坯料在装炉时炉温不大于800℃，加热温度1150℃，最小保温10小时。
最大保温18小时，终锻温度800℃。选择炉温1150℃，因为卡箍板坯厚度方向尺寸大，锻造毛坯厚度尺寸达到了900mm，弯曲变形抗力大，模拟分别选择1150℃与1100℃，模拟结果对比发现，温度越低，模具与卡箍毛坯接触的地方越容易出现凹坑，所以选择炉温1150℃。从上模接触坯料开始。
压下行程为1500mm。冲形时，使用二级压力。结论根据数值模拟分析，应该充分利用毛坯的反变形，以避免中间部位出现凹坑。通过改变成形模具形状，坯料和粗加工图进行对比满足工艺要求尺寸。从等效应力可以看出，卡箍等效应力为21.6MPa，成形力为3000t，厂内15000t水压机完全可以满足要求。
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