特种封头的制造工艺探讨范文

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《铁道车辆杂志》2015年第七期

摘要：

以铁路罐车某种封头（带法兰）为例，介绍了拼接封头拼接位置的确定依据，进行了封头成型过程中各区域应力分布及压边力的有限元计算，解决了封头压型过程中的起皱、拉裂等实际问题。

关键词：

封头；拼接；应力；压边力

铁路货车封头由于料源宽度的限制，多采用拼接板成型。本文以罐车带法兰的封头为例研究其制造工艺。图1为封头外形图，其法兰面最大直径为2930mm，材质为T4003，属于同材质同板厚拼接。

1拼接位置的确定

在JB／T4737—1995《椭圆形封头》中规定了拼接焊缝与封头中心的位置关系：封头由2块或左右对称的3块钢板拼接制成时，其拼接焊缝与封头中心线的距离应小于公称直径的1／4。GB150．4—2011《压力容器第4部分：制造、检验和验收》中未规定拼接焊缝与封头中心的位置关系，只对拼接焊缝间距离有明确规定：封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距离至少应为封头钢板厚度的3倍，且不小于100mm。也就是说，在封头中心位置（图2（a））或偏离中心位置拼接（图2（b））均符合GB150．4—2011要求，在生产实际中采用哪种拼接方式主要依据料源宽度而定。全国锅炉压力容器标准化技术委员会官方网站规定：2012年3月1日及以后签订的合同，应执行GB150．1～150．4—2011《压力容器》，不再执行JB／T4737—1995。本文根据料源情况采用偏离中心位置拼接方案。

2成型过程中的应力分析

为了分析封头的应力，从几何空间上，把封头划分为4个区域：法兰区域、圆角区域、悬空区域和底部区域（图3）。应用JSTAMP／NV板料成型有限元分析软件创建仿真分析模型（图4），封头材料为T4003铁素体不锈钢，其技术参数见表1。图5（a）为法兰、圆角、悬空区域应力分布，图5（b）为底部区域应力分布。由图5可见：无论在哪个区域，径向应力一直处于拉应力状态；而切向应力在法兰区域处于压应力，在圆角区域压应力水平减少，悬空区域压应力几乎为零，在底部区域压应力转化为拉应力，使得底部区域变为双向受拉的应力状态。

3模具的压边力计算

影响封头成型的主要因素通常有材质、凹模圆角半径、摩擦因数、压边力，其中材质、凹模圆角半径、摩擦因数在模具制造后可更改的空间很小，甚至是不可更改的；而压边力是最活跃的关键因素，压边力过小时，会产生褶皱缺陷；压边力太大时，将产生拉裂缺陷。因此如何找到压边力的合理范围值是关键。首先在零件形状、材质、摩擦因数、单元类型、接触算法等都锁定的情况下单独改变压边力进行计算，为了便于研究各区域的变形特点，分别在法兰区域、圆角区域、悬空区域、底部区域各取1个单元作为研究对象进行受力分析，选取各点位置及编号如图6所示。表2为压边力分别在150、500、1000、1250、1500、2500t时各点的受力情况。从表2中得到如下结论：（1）法兰区域直接与压边圈和下模接触，压边力的大小直接影响该区域的应力分布，压边力较小时，在法兰区域出现径向与切向均受压应力的情况，双向受压缩，故产生严重褶皱。（2）圆角区域是材料流入下模的入口，材料在上模的作用下流入下模，从分析看，圆角区域一直处于径向受拉、切向受压的应力状态。（3）悬空区域在行程初期，板料既不与上模接触，也不与下模接触，一直处于悬空状态，所以其压型失稳控制是难点。悬空区域的切向压应力与径向拉应力水平相当时，悬空区域起鼓，当压边力达到1000t时，切向应力为－207．96MPa，仍起鼓，继续增加压边力到1250t时，切向应力仅为－20．02MPa，未起鼓。（4）底部区域切向和径向均处于拉应力的状态，并随着压边力的增加向2个方向逐步变大。（5）从压边力变化的动态过程看，压边力较小时，法兰区域与悬空区域同时出现缺陷；当压边力持续增加，法兰区域起皱与悬空区域起鼓的现象会相继消失；当压边力继续增大时，底部在双向拉应力的作用下继续变薄；再继续增加压边力时，悬空区域的切向压应力转换成拉应力，变薄区域转移到悬空区域。从上述应力分析看，同一道焊缝在各区域所受的应力是不一样的，从成型角度讲，尝试让焊缝避开高应力区域是不现实的。

4拼接形状对成型的影响

以上的应力分析是基于板材拼接为圆形的情况。为了凑成圆形，拼焊板会存在2道焊缝，那么，基于现有的料源，对采用非圆形拼接方案（图7）的可行性也进行了研究。研究发现，采用图7所示的拼接方案时，在法兰区域，由于压料面积的减少，周边的进料阻力不统一，进料阻力最小，使得径向应力降低、切向应力增加，导致在法兰区域出现褶皱、在悬空区域起鼓。因此，采用拼焊后为非圆形的拼接方案在实际生产中不可行。

5拉延筋的使用

当设备的压边力不够时，常采用拉延筋提高进料阻力来避免悬空区域起鼓。图8为带拉延筋的模具结构。应特别注意拉延筋设置不当或压边力不匹配的情况下，拉延筋位置无法压实，会导致压型过程中压边圈与下模存在空隙，进而导致法兰区域产生细微的褶皱，在实际生产中应该给予考虑。

参考文献：

［1］林忠钦．车身覆盖件冲压成形仿真［M］．北京：机械工业出版社，2005．

［2］JB／T4737—1995，椭圆形封头［S］．

［3］GB150．4—2011，压力容器第四部分：制造、检验和验收［S］．

作者：陈明丹 王强 黄连吉 单位：齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 冷工艺部 大连特箱分公司