大口径不锈钢弯头

大口径不锈钢弯头属于薄壁类零件，对于薄壁类零件的加工，工艺难度较大。通常的加工工艺是用模具压制出多块壳体，然后焊接完成。很多工序需要不同的夹具或模具，制造成本高且周期长，大型薄壁类零件工艺性极差。液压胀型技术的发展，为大型薄壁类零件的成型加工提供了新的途径。

   无模液压胀型技术是一种新型液压成形技术，具有成本低、加工周期短、成形好等显著特点。其基本工艺过程是:先由平板或经过滚弯的单曲率壳板，焊接成封闭的近似理想形态的多面壳体。然后在封闭的多面壳体内加压，在内部压力的作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋于理想形态。

   该技术自发明以来，先后被应用于供水、造纸、造型装饰和液化气等行业，采用该技术已经制造了很多球形容器和装饰品，其中*大直径达9400mm,*大壁厚24mm。随着该制造技术的不断发展和完善，在此基础上提出了环壳无模液压成型弯头的工艺技术。该技术适用于结构简单的碳钢、铝合金、不锈钢等塑性金属材料工件，本文借鉴此技术，以舰用燃汽轮机排气装置为例，对大口径不锈钢弯头的制造工艺做一分析研究。

1大口径不锈钢弯头的工艺分析

1.1大口径不锈钢弯头

   如图1所示的大口径不锈钢弯头，其材料为1Cr18Ni9Ti壁厚为2mm,  90度弯头，直径为1000 mm,弯头中心线曲率半径为R 1000mm,

   不锈钢1Cr18Ni9Ti材料强度、硬度较低，塑性、韧性和耐腐蚀性较好，1Cr18Ni9Ti机械性能如下:

   抗拉强度:不小于540MPa;屈服极限:不小于196MPa;延伸率:不小于42%。

1.2大口径不锈钢弯头的技术特点及基本工艺过程分析

   大口径弯头的结构特点是弯头直径大(800mm以力、壁薄刚性差，不锈钢大口径弯头要求外貌光滑美观。采用中小型弯头的制造方法很难加工出这样的大口径弯头。中小型弯头常用的加工方法:铸造方法;分体压制成型后，焊接在一起的加工方法;分体切削加工后，焊接在一起的方法等。对于大口径不锈钢弯头采用上述方法很难甚至不能加工制造出来。采用铸造方法，制芯非常困难;采用切削加工很难找到这样大型的车铣设备，受设备及加工工艺限制;采用压制法很难制造出这样的大型模具，且成本非常高制造周期长。

   采用无模液压胀型技术不但能解决了这一制造工艺难题，而且成本低，制造周期短，成形效果好。无模胀形技术制造大口径不锈钢弯头的基本工艺过程是:

   下料→滚弯→焊接成封闭的环壳→环壳内部加压成形→分段。

1.3环壳成形压力分析

   如图2和图3所示，环壳的圆环中心线半径为R，环壳截面直径为2r，环壳的壁厚为t，内压为P, A截面为危险截面。取A点分析可知，环方向所受到的应力大于轴方向所受到的应力，环壳的成形压力P应介于初始屈服压力Ps和开裂应力Pmax之间。

2大口径不锈钢弯头制造实验过程

2.1下料

   可根据弯头的壁厚选用板材，板厚t=2mm。根据弯头的技术要求，按允许有几条焊缝来下料，一般90°弯头可允许3-4条焊缝，故弯头可分3-4段下料，为保证焊缝处圆滑，各段边缘解缝如按平面展开曲线进行下料。如图4所示。

2.2滚弯

   下料后进行滚弯，滚弯曲率半径按弯头的1/2直径，每段采用单曲率滚弯。单曲率r=500mm。滚弯时，应以直边为基准，以免滚斜。如图5所示。

2.3焊接组成封闭的环壳

   将滚弯的壳板逐段焊接组成封闭的环壳，在封闭的环壳上焊上注水口和排水口，注水口用于在封闭的环壳内注满液体介质，并通过一个加压系统轼压和向封闭的壳体内施加内压，排水口用于卸压调压。在内压的作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋于理想形态。图6为焊接后组成的封闭环壳。

2.4环壳胀形过程

   胀形时，按一定的加压曲线对环壳施加内压载荷，每加一定压力后保压一段时间，之后测试径向位移数据。实验中的径向位移是通过测量各点和参考点的相对位移获得的。当压力达到0.705MPa后停止打压，保压一段时问后环壳的形状及尺寸接近理想状态。

2.5切段

   环壳加压成型后，进行焊缝打磨保证弯头曲面光滑，再根据弯头所需的弯度分段切割。如30°、60°、75°、90°等，分段后各段与相应的法兰盘连接在一起，就制造出不同弯度的大口径不锈钢弯头。

2.6环壳胀形实验结果测试分析

   对干本实验环壳，根据上面的公式已计算出环壳的初始屈服压力O.523MPa,环壳的开裂压力1.44MPa,实验中的成形压力为0.705MPa,比初始屈服压力高约35%。

   胀形时，随着内压的不断增加，壳体向外的径向位移不断增加，环壳多面体不断趋近于圆环壳体。当内压达到0. 705M Pa时，圆环尺寸已接近理论值，环壳胀形后的尺寸是通过测量环壳外形尺寸获得的，分别沿成型后环壳外环直径和圆环轴向截面直径测量。测得环壳外环的*大直径和*小值径分别为3006mm和2997mm,测得截面*大直径和*小值径分别为1003mm和1000mm。从测量的数据中可以看出，多面环壳体经过液压胀形后，基本上接近圆环，尺寸符合设计要求。

3结论

   不锈钢1Cr18Ni9Ti板材具有良好的塑性成形性能和焊接性能，满足液压胀形工艺要求。

   板厚2mm，外径3000mm，圆环截面1000mm的圆环在胀形压力达到0.705MPa时，环壳外环的*大直径和*小值径分别为3006m m和2997mm,截面*大直径和*小值径分别为1003mm和1000mm。胀形后尺寸符合一般线性尺寸公差标准，满足设计要求。用液压胀形工艺制造大型不锈圆环是可行的。

   实验结果表明:在保证焊接质量的前提下，不锈钢环壳的胀形过程能够顺利进行。

   对于大口径不锈钢弯头采用通常的制造方法很难甚至不能加工制造出来。采用无模液压胀型技术不但很好的解决了这一制造工艺难题，而且成本低，制造周期短，成形效果好。

4结束语

   采用此项技术制造大口径弯头，无须模具和压力机，可节省大量模具费用和设备费用，具有柔性高、周期短、成本低等特点，美观耐用，具有良好的经济效益和社会效益。