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1、锅炉集箱封头热挤压成形过程分析锅炉集箱封头热挤压成形过程分析江苏扬州正宇锅炉有限公司(225006)顾明慧吴强当前,锅炉集箱封头的加工工艺有两种基本方法,即热旋压成形与热挤压成形.热挤压成形相对热旋压成形更为先进,本文将主要分析集箱封头的热挤压成形.1.热挤压成形原理与成形过程锅炉集箱封头热挤压成形原理,就是将集箱管端变形区加热至9501150%,在三向不均匀压应力的作用下,产生塑性变形.根据金属热加工理论,金属在热挤压过程中产生热变形.即金属在高于再结晶温度时产生的变形.对于集箱封头热挤压过程而言,其管口变形与油缸活塞杆行程速度有关(热挤压成形是借助油缸活塞杆的推力完成的),其金属再结晶则以
2、与变形温度有关的一定速度来进行.从两者的速度比较可以看出:集箱封头热挤压成形在高于再结晶温度下,以完全能产生再结晶的速度进行的热变形过程.在这样的变形状态下,变形金属具有等轴再结晶组织.2.应力状态与塑性变形任何一种压力加工过程都包括了相互作用的两个方面,即工具一方和被加工件一方.两者之间既是对立的,有作用力及变形抗力存在(尽管力的大小,分布与传递方式各不相同),又统一于特定的压力加工过程中,相互依存.在研究一点的应力状态时,自变形物体内分离出一个微小的基本正方体(这个正方体实际上与该点相重合).在所取的正方体上,作用着未知大小但已知方向的应力,这种表示点上主应力个数及其符号的简图,称为主应力
3、状态简图,或称主应力图(见图1).l111flf句句周1主应力图圜鲑艘缸板l,:热加工从理论分析的角度来看,主应力图共有9种:即4个三向主应力图,3个平面主应力图和2个单向主应力图.在金属压力加工过程中,最常遇到的是同号及异号的三向主应力图,在异号三向主应力图中,又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图最为普遍.而在生产实践中,例如在简单镦粗时,由于摩擦力的作用而呈现三向压应力(见图2)状态.集箱封头热挤压成形时,其应力状态具有简单镦粗的性质.图2简单镦粗(1)集箱封头热挤压成形的应力状态作用在集箱管口变形区外表面的挤压力,属于集中载荷的表面力.这个表面力一开始就集中笼罩在整个集箱管口,并渐次
4、推向变形区的整个外表面,以至变形区的几何形状完全吻合于缩口模具的半球状型腔为止(见图3).12,八,7,/f/,/图3集箱热挤压应力状态图1.集箱2.缩口模具3.椭圆心柱从受力的方向性分析,主要承受切向压应力.与厚度不小于3mm的板料弯曲时的应力状态相似,即切向外区受拉,内区受压;厚向外区在厚度方向产生压缩应变,变形金属有向曲率中心移近的倾向,越靠近外表面的金属,其切向拉伸应变越大,这种不同步的转移,就在板厚方向产生了压应力.在板料内区,沿板厚方向的拉伸应变受到外区金属向曲率中心移近的阻碍,也同样产生了压应力.就集箱而言,宽向可以理解为圆面或半球面;由于外区金属收缩受阻而产生拉应力和内区金属伸
5、长受阻而产生压应力.(2)应力应变对塑性的影响当侧向压力已经产生并渐次增大时,金属的晶间变形将会被晶内变形所代替;侧向压力增加会使晶问滑移困难,因而变形会向晶内发展.应力状态的改变使晶间滑移不易产生,从而减少了晶间物质被破坏的可能,也就是减少形成扩展的倾向,提高了塑性.在应力状态中,压应力的数目及数值越大,拉应力的数值越小,金属的塑性就越高.同为三向压应力图,其中以挤压法塑性最高.这里面当然还有一个变形速度问题,变形速度越大,塑性变形产生的热也越多.在变形过程中,这样的热效应还会提高金属变形的塑性,减少变形抗力.由于集箱缩口在热挤压成形过程中,应力状态为三向压应力,因而具有较高的塑性,有利于集
6、箱封头的缩口成形,从工艺分析的角度来说,这正是我们所需要的.因此,有效地利用金属的塑性,不仅决定于被加工金属的材料,而且在很大程度上取决于加工的条件.(3)成形温度在热挤压成形过程中,加热温度对金属材料的塑性及其变形抗力有很大的影响,一般是随着温度的升高,塑性增高,变形抗力减小.在金属热加工中,最有利的温度范围是10001230.图4中1,2,3表示塑性增高的区域(凸峰),其中第三个区域的温度为9501250%.在这个区域中没有相变,钢的组织成分是最一致的奥氏体.故此,集箱封头(材料2Og)热挤压成形的最佳温度应选择为9501150qc.根据金属压力加工原理,集箱封头在缩口过程中图4钢的塑性温
7、度曲线有向各个方向移动的可能性时,变形物体每个质点沿最小阻力方向移动,图5中弧形箭头表示模具型腔空隙区,正是变形金属流动的最小阻力方向.图5金属向最小阻力方向流动1.集箱2.缩口模具3.椭圆心柱缩口模具在油缸活塞杆推力的作用下,向已经预热至塑性变形温度的集箱管口迅速的挤压过来,加工金属被迫向半球模具型腔空隙区流动,并渐次形成半球状.3.变形力的计算模锻锻件时,机器的工作机构和固定在机构上的工具作直线往复运动.在每一变形瞬间,沿工件运动方向机器所产生的作用力恒等于物体的变形抗力,此作用力称为变形力.在进行集箱封头挤压缩口时,工作油缸活塞杆和固定在活塞杆上的缩口模做直线往复运动,在每一变形瞬间,沿
8、模具运动方向活塞杆的推力恒等于缩E1成形的变形抗力,这个推力即为集箱缩口的变形力.为了确定变形力的大小,必须知道接触面上或变形区边界面上的应力分布及其大小.由图6可知,A曰为图6应力分布图接触面,工具沿箭头C的方向运动,正应力的分布如曲所示.在接触面上取一微分段d,作用于此微分段上的力为dP,即dP=OndFk(1)式中正应力.缸板l热舡囝Ft,rmi沿工具运动方向的分力为dP,则dP=dPCOSOL式中a正应力与工具运动方向的夹角.将式(1)代人式(2)得:dP=OndFkcosaP=11.775x(D/J)0.8D(2)式中P正挤压力,MN;D缩口模具型腔工作内径,ram;d被加工管件外径
9、,mm;(3)Ob800时材料的强度极限,MPa.式(3)中dkFcosa为接触面上微分段在与工具运动方向垂直的平面上的投影面积dF,即dF=dFkcosa(4)从而dP=dF(5)为了确定变形力P,必须将(5)式沿整个4B面(接触面在与运动方向垂直的平面上的投影)积分,即rrP=lIdF(6)在许多情况下,只是一个坐标的函数,不必用二重积分.如果为常数,或者以其平均值代替,则f.rP=lldF(=常数)(7)因为变形力恒为正值,在计算时应以正应力的绝对值代人.如果已知物体接触面上正应力的分布规律,则很容易由式(6)算出变形力.由于在实践中很难确定正应力的大小及分布规律,因而存在着各种计算方法
10、.这些计算方法均是建立在相同的应力和极限应力状态理论的基础上,同时还假定变形毛坯为一均匀体,其各点具有相同的物理和力学性能.在实际应用中确定变形力时,还必须分析各种因素的影响:如变形程度的影响,变形速度的影响,模具工作部分几何形状及型面粗糙度的影响,被加工金属化学成分和物理性能的影响,加热温度的影响,润滑情况的影响,以及变形方式的影响等.在热挤压过程中,最大单位变形力及变形功都是随着变形程度的增加而增大的,它的变化规律与抛物线相似.而变形程度可以用不同的方法来表示,用的比较普遍的方法是断面缩减率,即:100%0式中Ao坯料热压变形前的横截面积,mm2;A.坯料热压变形后的横截面积,mm.AoA
11、-的绝对值越大表示变形程度越大.在计算变形力(缩口力)时,热挤压可归为正挤压工作状态.缩口力采用正挤压力的计算公式,即囫趔壁生缸槭l工以219mm10mm集箱为例,求其理论变形力为:P埠=11.775(220/219)00.822089.24MN=10.29MN.由于材料强度极限与加热温度有关,预热温度高些,材料的强度极限可取小些.根据对一些采用热挤压成形工艺厂家的考察,管件壁厚不同,计算出来的变形力也不相同.为此,引入一个壁厚系数,范围是0.71.0,适用于壁厚825mm的集箱管件.将上述理论计算值乘以0.8,得P=10.29X0.8MN=8.23MN.4.几种集箱封头成形工艺的比较在工业锅
12、炉制造行业里,集箱封头成形工艺有以下几种:(1)手工单面焊接工艺集箱管端与端盖连接,采用手工焊单面成形的焊接工艺,生产效率低,焊接质量不易保证,x射线探伤一次合格率较低(一般为40%左右),严重影响生产和质量的提高.(2)热旋压成形工艺为了改变手工单面焊接的工艺状况,出现了比较普遍的热旋压成形(见图7)工艺,即利用旋压模具向已经预热的工件既作轴向直线运动,也作径向旋转运动的一种成形方法.图7热旋压成形1.集箱2.旋压模具这种成形方法,比手工单面焊接工艺进步了很多,产品质量有了明显提高.但它还是存在一些不容忽视的缺点,如成形后管壁减薄,椭圆形手孔圈安装孔不能成形,常有压伤或过烧现象,表面质量较差
13、,生产效率不高,以及成形时间在5min以上等.(3)热挤压成形工艺将集箱固定在专用辅助装置上并将管端切齐,加热时工件旋转.根据不同的管子直径,可选用29r/min,14r/min的转速,然后用火枪对准管端加热到9501050C,达到加热温度时停止转动,启动工件油缸进行快进,靠近管端时启动慢进进行缩口.缩口时集箱孔周边与手孔圈芯棒接触,完成工件加工过程.根据已经取得的成效,热挤压成形工艺具有以下先进性:成形后管壁不减薄而略有增厚;椭圆形手孔圈安装孔可以一次成形,且自然形成50.55.坡口;表面质量好,封头成半球面,应力分布均匀;集箱与封头省去了一道环焊缝,不用做焊接试板,性能试验和机Jnq-,根
14、据行业规定不需要探伤等,从成本上一只可节约1000元以上;生产效率高,以前制作集箱要23天才能完成,现在成形时间约3040s.实践证明,热挤压成形工艺的先进性是肯定的,但在热挤成形过程中,由于三向应力的作用,容易产生失稳现象.同时,非变形区管壁由于承受全部变形力,也可能因失稳而发生变形.因此,防止失稳是集箱热挤压成形工艺的重要问题.一般来说,只要把握好油缸活塞杆的运动速度和挤压长度,控制好预热温度,并注意及时退回模具,切忌过压,失稳现象是可以避免的.集箱作为锅炉结构中的主要受压元件之一,其成本和工期直接影响着锅炉的成本和工期.因此,热挤压成形工艺在集箱生产中的应用,对我公司锅炉的成本降低和工期
15、缩短起到了重要的作用.(20051106)豫Forming(上接第77页)原因是这种磨球是锻造成形的,且各工艺过程控制严格,综合性能较高,而且表面淬硬层深度较厚,从而使矿石磨损速度加快.四,结谮(1)本文研究和应用的高碳马氏体锻球,以最佳的化学成分配合较为先进的锻造成形及热处理工艺,得到了比较理想的金相组织(表面为细针状马氏体+微量残余奥氏体;心部为珠光体+马氏体+微量铁元素,淬硬层深为20.一30mm),较好的抗磨性能和较高的强韧性及抗冲击疲劳性能,以及较高,较均匀的表面硬度.(2)金相组织和性能的获得是多种元素和特定工艺条件共同作用的结果.较高的含碳量,使淬火马氏体数量增多,有效地增加了耐
16、磨相数量,从而有利于提高磨球的抗磨性能;较高的含锰量及微量硼,有利于提高锻球的淬透性,有利于锻球耐磨性的提高;残留稀土可改善耐磨相的形态和分布,使金属中的硫氧化物趋向团状;800840C水淬,有利于获得大量淬火马氏体,使磨球组织致密,从而使磨球有较高的硬度;低温回火工艺的采用,有利于降低淬火应力及锻球的脆性,改善磨球的性能,有利于磨矿效率的提高.(3)高碳马氏体磨球在球磨机湿磨条件下应用是可行的,且效果较好.与耐磨铸球(0.72068kg/t原矿)相比,磨球磨耗降低了56%;破碎率<1%,主要是因为磨球锻造缺陷少和锻造应力消除得较为彻底.(4)不断提高磨球的锻造质量,进一步改善磨球性能是
17、降低磨耗,取得更好综合效益的重要措施.(2oo51018)(上接第74页)4.结语由于快易收口网具有力学性能优良和自重轻等特点,非常适于分段浇注混凝土,现已被许多大型建筑和土木工程所采用,如遂道,桥梁,筏式基础,下水道,地下铁,挡土墙,核能电厂,船坞码头,储槽,自来水及污水厂,高层建筑,海洋工程及不规则或曲面造型等作为混凝土永久免拆模板.该项目试生产成功,目前已经正式投入生产,班产400张,年产值在150万元以上.(20051020)天水锻压机床研制成功国内最大的数控剪切中心2005年9月,由天水锻压机床有限公司研制成功的目前国内规格最大的数控剪切中心,通过了省级技术鉴定,达到了国际先进水平.该设备剪切台面宽12m,是自动化程度高,具有柔性剪切系统性质的大型数控剪切中心.该设备从进料,上料,送料及挡料等全过程实现了编程控制,动作节拍可完全满足生产线的要求,模块化的集中控制系统还具有自我诊断,自我提示和报警保护等智能化功能.(李正清)缸槭l工生主固
