大容积高压气瓶旋压成形工艺研究

第５１卷第６期　Ｖ０１．５１　Ｎｏ．６　锻压装备与制造技术　

ＣＨＩＮＡ　ＭＥＴＡＬＦＯＲＭＩＮＧ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１６年１２月　

Ｄｅｃ．２０１６　

大容积高压气瓶旋压成形工艺研究　邓春锋，邵　飞，梅鹏程　（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南洛阳４７１０００）　

摘要：本文采用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ动态显式模块对大容积高压气瓶旋压成形工艺进行模拟分析，研究了旋压温度、进给比等工艺　参数对旋压成形的影响，确定了气瓶旋压成形的工艺参数范围，对气瓶旋压成形具有指导意义。　关键词：旋压成形；高压气瓶；工艺；应力分析；有限元　中图分类号：ＴＧ３３５．１９　文献标识码：Ｂ　ＤＯＩ：１０．１６３１６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—０１２１．２０１６．０６．０２０　文章编号：１６７２－０１２１（２０１６）０６－００８０－０４　

由于大容积高压气瓶旋压成形过程变形机理复　杂，目前实际生产中旋压工艺的制定主要依靠工艺　人员通过经验计算公式并结合实际经验的方法来确　定，一方面造成设计周期长、试制费用高，另一方面　也影响产品的最终质量。本文采用有限元分析软件　ＡＢＡＱＵＳ，对无缝气瓶热旋压收口成形工艺进行模拟　分析，比较了不同工艺参数对热旋压收口工艺的影　响，为实际生产选择合理工艺参数提供依据ｌ１＿　１。　１模型　收稿日期：２０１６—０７—３０；修订日期：２０１６－０９—０６　作者简介：邓春锋（１９７２一），男，高级工程师，从事特种高压容器设计　及研发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｆｄｅｎｇ２０００＠１６３．ＯＯＩＦ１　气瓶旋压成形过程是复杂的动态接触过程，并　且工件上的塑性区不断变化，因此，采用ＡＢＡＱＵＳ／　Ｅｘｐｌｉｃｉｔ动态显式模块对该过程进行模拟计算。模拟　采用材料为制造气瓶用材料４１３０Ｘ，材料密度　７８００ｋｇ／ｍ３，弹性模量２１００００ＭＰａ，泊松比０．３，模型　尺寸直径￣５５９ｍｍ，壁厚１８ｒａｍ。在模型中，仅把坯料　定义为变形体，采用８节点六面体单元进行网格划　分，如图１所示。其中管坯单元数为５６００，节点数为　８７００；卡盘与旋轮被看作为刚体。考虑材料的各向异　性对成形的影响很小，因此做出以下假设：①不考虑　材料的各向异性的影响；②忽略重力及惯性的影响；　③金属塑性热、管坯与空气的对流和辐射散热、管坯　的补热等热边界条件，简化为初始条件中恒定的温　度条件。　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｏｕｔｅｒ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｒｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｂｌａｎｋ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｉｊｕｎ，ＦＵ　Ｊｉａｎｈｕａ，ＱＩ　Ｈｕｉｐｉｎｇ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｓｈａｎｘｉ　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｏｕｔｅｒ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｒｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｒｉｎｇ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｂｌａｎｋ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｂｌａｎｋ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｓｈａｐｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｔｏｏ１．Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｓｔａｂｌ　ｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｌ－ａｘｉａｌ　ｒｉｎｇ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ＳＩＭＵＦＡＣＴｓｏｆｌｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｉｎｇ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｒｉｎｇ　ｗｉｔｈｉｎ　ｏｎｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｙｃｌｅ　ｔｏ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｌａｗｓ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎ　ｆｉｅｌｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ，ｒｉｎｇ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ，ａｎｄ　ｍｅｔａｌ　ｆｌｏｗ　ｄｕｒｉｎｇ　ｈｏｔ　ｒｉｎｇ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｆｏｒｇｉｎｇ　ｂｌａｎｋ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｔｈｕｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｗａｙ，ａ　ｓｔａｂｌｅ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｏｕｔｅｒ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｒｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏｒｇｉｎｇ　ｂｌａｎｋ；Ｑ３４５Ｅ　ｒｉｎｇ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ；ＳＩＭＵＦＡＣＴ　

一８０—　邓春锋，等：大容积高压气瓶旋压成形工艺研究　Ｉ　Ｉ　瓶旋　ｌ１　Ｉ　１仃　儿ｆ娆ｊ　旋　收Ｉ１模拟计算巾采川Ｉ　Ｉｌｊ＿，Ｊ：　法，　仃存大　

变形的收敛问题，　省内仃，采ＪｔＪ　新的　ｇｉ’３．ｎｇｅ描　述法术描述大变形的有限列式，并Ｈ．采用ＡＢＡＱＵＳ　的动态　爪　ｒ限冗算法求　

２结果与分析　通过ＡＢＡＱＵＳ有限元分析，能够得到旋　Ｉ温度、　进给比等Ｊ　艺参数对气瓶旋『Ｉｉ成彤的影响，包括等　效』越　Ｊ分　、等效变形、旋　Ｊ、　轨壁Ｊ　等　２．１旋压温度对旋压成形的影响　往　他Ｉ　艺参数不变的条件下，分析ｒ　９００％～　ｌ２００％ｄＸ同温度卜　瓶的旋　成形过　．结　如下　２．１．１旋爪温度对等效应力９４ｔｉ的影响　ｌ冬１　２为小同温度旋　成彤　等效　Ｊ分　ｊ云　

，从ｆｆ１　ｌｊＪ‘以　，９００￣Ｃ～ｌ２（）（）　小¨濉度下等效Ｊ、　的分　特征十Ｈ　；各温度　等效　最大值郁　卡Ｈ　Ｊ、　温度卜‘材３ｔ．＇４－＠强度极限以卜，１＿＾：　小会ｆ｛ｌ现断　裂、趔裂等缺陷；随荇温度丌　，等效　Ｊ最人仉逐　渐减小　

。≤　

（　．）ＩＩ（）（１　：　效廊，Ｊ　５）＂（ｉｉＩ￣１　（ｔ１）Ｉ　２００　Ｉ：　嫂盹ＪＪ分　罔２　小．ｆ…：ｆ…ｔ　４一ｉ：旋』Ｉｔｈ￣，Ｊｌ：＇５　Ｊ１　设心　Ｊ分　厶　２．１－２旋　温度埘等效应变的影响　３为不同温度旋Ｊ－ｔ｛Ｊ￣７，３ｔｆ，Ｕｉ等效应变分　云　【殳１．从ｌｌ】｜】『以肴　，９００￣Ｃ～ｌ２０（）　的等效Ｊ、　变分布规　

第６期　徘相同，等效　｝ｆ｝轴　‘　分层分　，并ＶＩ　在叫・网　周卜的分　州州‘均匀；　Ｍ一温度下，等效应变的最　人值　现　僻　１　ｆ线段；随符温度升高，等效应变的　最大值逐渐增大、　

｜鼍Ｉ　■　■　

■　■　（　）１　ＩＯ０　Ｉ：等效Ｊ、　，Ｊ分　Ｉ　Ｉ　《ｔＩ）１　２００￣Ｃ等效Ｊ－　］分ｎ　Ｉ　Ｉ　３　Ｍ　馊旋　成彤　等效Ｊ　分　云Ｉ窨１　

２．１３旋　孙　ｌ度埘旋　力的影响　罔４为旋』ｆｉ　Ｊ随旋　温度的变化曲线，总旋Ｊ　力、径向、轴阳干ｌ１　ｌＪＪｆｉ＇，ｊ旋』　郁是随着温度的升高『１［『　降低的。总旋　Ｊ币ｌＩ　旋　Ｊ变化较大，切向旋　力变化比较、卜缓．旋　温度升高，旋』　力减小，这足　囚为温度的丌『　低＿ｒ管坯金属的变形抗　，提『滔　了　性，使褂变形　窬易进行，ｕＪ‘见增加旋压温度　ｒ　利于气并１ｔ收Ｉ　１热旋　的进行，这　ｊ实际悄况相符　、　２．１．４小川旋　．Ｕ蔓埘气瓶壁厚的影响　

孙－Ｉ　Ｊ笪　Ｉ：　４避　Ｊｊ随旋ｆｔ，￣７ｈｔ度的变化｝掬线　

表ｌ址小　濉度旋　收［ｊ后气瓶最大和最小壁　厚值，从【ｌ１，玎以彳亍钏随荇旋压温度的升高，最小嶝　减薄，最人＾剥　ｔ增ＪＪ【Ｉ，【！ｎ起旋点处的壁厚减薄Ｓ＇Ｖ，＇ＤＩ】，　瓶　增ＪＩ，蚶　ＪＪｌｌ　、这足ｒ｝１于高温下金属的变形抗力降　低，塑　Ｆｔ－：Ｊ－＇￣ＪＪＩ１，所以随着温度的３ｔ　高金属更容易流　动，变形增ＪＪｌ１　、从旋　温度对壁厚Ｊ　ｌｌ￣”白Ｉ，＋１的角度来看，　

…８＾４　２　之　邓春锋，等：大容积高压气瓶旋压成形工艺研究　第６期　互重合的区域减小，有更多的金属同时变形，所以导　致旋压力的增加。　２．２．４进给比对气瓶壁厚的影响　表２为进给比分别为１．８ｍｍ／ｒ、２．３ｍｍ／ｒ和３．１ｍｍ／ｒ　气瓶旋压收口后最大和最小壁厚值。随着进给比的　增加气瓶起旋点处最小壁厚减薄，瓶肩最大壁厚处　壁厚增加，壁厚增加的趋势随着进给比的增加而增　大。这是因为进给比增加，管坯金属变形速度增加，　收缩的金属使管坯壁厚由薄变厚堆积，在这种情况　下，对于同一个截面金属向前流动变慢了，而使管坯　壁厚增厚的速度变快。但是总的来说，进给比对管坯　壁厚增加和减少影响不大。　综合进给比对旋压过程应力场、应变场、旋压力　和气瓶壁厚的影响，选择旋轮进给比的原则是：在满　足变形、保证成形质量的情况下，尽量取大一些，以　提高生产效率。　

３　结论　（１）随着温度升高，等效应力最大值逐渐减小，　

表２不同进给比气瓶旋压收口后最大和最小壁厚　进给比／（ｍｍ／ｒ）　最小壁厚／ｍｍ　最大壁厚／ｒａｍ　１．８　１７．９　２９　５　２３　１７．３　３０．１　３．１　１７．２　３０．２　等效应变的最大值逐渐增大，总旋压力、径向、轴向　和切向旋压力降低。　（２）随着进给比的增加，总旋压力和三向旋压力　均呈现增加的趋势，等效应变略有增大趋势。　（３）４１３０Ｘ钢管旋压成形温度为ｌ１００ｏＣ　

～１２００ｃｊｃ，旋轮进给比在满足变形、保证成形质量的　情况下，尽量取大一些，以提高生产效率。　

参考文献：　［１］夏琴香，陈家华，梁佰祥，等．基于数值模拟的无芯模旋压收口工　艺Ⅲ．华南理工大学学报（自然科学版），２００６，３４（２）：１－７．　［２］张涛，林刚，周景龙，等．旋压缩口过程的三维有限元数值模　拟【Ｊ］－锻压技术，２００ｌ，２６（５）：２６—２８，　［３］赵腾伦．ＡＢＡＱＵＳ６．６在机械工程中的应用［Ｍ］．北京：中国水利水　电．出版社，２００７：３２０—３４６．