CN109772970A - 一种大变形波纹管内高压一次成形方法 - Google Patents

一种大变形波纹管内高压一次成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大变形波纹管内高压一次成形方法，包括以下步骤：（1）判断所需成形的波纹管属于大变形还是小变形；（2）波纹管毛坯尺寸计算；（3）根据波纹管的结构尺寸和管材毛坯尺寸，设计大变形波纹管内高压一次成形模具，包括左半凹模、右半凹模、左推块、右推块和内高压介质；（4）多模联动内高压一次成形；（5）卸压、开模、取件；所述的多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段连续执行：1）第一阶段初波成形；2）第二阶段波纹成形；3）第三阶段整形。本发明提出的大变形波纹管内高压一次成形方法，能够一次成形大变形、大构件、薄壁波纹管；简化了成形工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种大变形波纹管内高压一次成形方法
技术领域
本发明涉及一种内高压成形方法，尤其涉及一种大变形、大构件、薄壁波纹管多模联动内高压一次成形方法。
背景技术
波纹管是一种带有横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体，在转换、补偿、连接和储能等方面的特殊功能而被广泛应用于石油、化工、冶金及仪表等领域。波纹管是压力容器中重要的管道部件。压力容器的内部或外部承受一定压力，并对安全性有较高的要求。由于要使得管道***承载过程中不能出现因漏气或者漏液而产生容器的压力变化，故保持设备密闭性非常重要。核压力容器中高温气冷堆的波纹管，用来补偿热胀冷缩引起的金属堆内构件和反应堆压力容器之间尺寸的变化，其抗变形能力强，可阻止支承板以上、反应堆压力容器顶盖以下空间内的氦气参与对流换热，并具有耐高温、耐高压、孔径大、使用寿命长等优点。
内高压成形方法由于具有成形模具结构简单、工艺过程简捷、产品成形极限高、成形质量好等优点，同时又具有近净成形与绿色制造等特点，在轻量化领域得到了广泛的应用。小变形、小构件波纹管内高压成形时，易成形，且成形质量易控制。而大变形、大构件、薄壁波纹管内高压成形时，由于管材本身尺寸较大，需成形的波纹管的变形系数大于材料本身的许用延伸率，变形很大，且塑性成形时，管材内部应力很大，成形难度非常大。同时又是壁管薄，材料塑性流动不容易控制，容易出现起皱或开裂等问题，成形质量也不容易控制。
发明内容
本发明的目的是为解决大变形、大构件、薄壁波纹管内高压成形时，由于管材尺寸大、变形大，塑性成形时管材内部应力大，成形难度非常大；且薄壁管成形质量不易控制，易出现起皱或开裂等问题，提出一种能够成形大变形、大构件、薄壁波纹管的、多模联动的内高压一次成形方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种大变形波纹管内高压一次成形方法，包括以下步骤：
(1)根据所需成形的波纹管的结构尺寸判断所需成形的波纹管属于大变形还是小变形，结构尺寸包括波纹管最大外径Dmax和管材原始外径d0，计算出波纹管的变形系数k和实际延伸率δA。然后将实际延伸率δA与管材的许用延伸率δT进行比较，当实际延伸率δA大于材料的许用延伸率δT，则属于大变形；反之则属于小变形；所述的小变形采用常规内高压成形方法即可一次成形；
(2)根据波纹管成形前、后体积不变的原则，或波纹管成形前、后中性层面积不变的原则，借助三维造型软件，计算出波纹管的管材毛坯尺寸；
(3)根据步骤1)波纹管的结构尺寸和步骤2)管材毛坯尺寸，设计出尺寸合适的大变形波纹管内高压一次成形模具，所述的模具包括左半凹模(2)、右半凹模(3)、左推块(4)、右推块(5)和内高压介质(6)；
(4)多模联动内高压一次成形；所述的多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段连续执行；
(5)卸压、开模、取件；所述的内高压成形大变形波纹管后，卸载内高压介质(6)的内压力，撤出所述的左推块(4)、右推块(5)，所述的左半凹模(2)、右半凹模(3)开模，取出大变形波纹管；
其中所述的三个阶段具体为：
1)第一阶段初波成形；设定成形时间T＝t1；所述的左推块(4)和右推块(5)分别向中心移动，位移Sp＝s(x)；所述的内高压介质(6)对管材施加径向内压力P1＝p(x)；左半凹模(2)和右半凹模(3)保持静止；在所述的左推块(4)和右推块(5)的轴向压力和内高压介质(6)的径向内压力的共同作用下，管材轴向向中心补料，并塑性变形形成初波；
2)第二阶段波纹成形；设定成形时间T＝t2；所述的左半凹模(2)和右半凹模(3)分别向中心移动，位移Sd；内高压介质(6)对管材施加径向内压力P2＝p(x)；所述的左推块(4)和右推块(5)保持静止；所述的左半凹模(2)和右半凹模(3)合模，挤压管材，并在内高压介质(6)的径向内压力的共同作用下，波纹基本成形；
3)第三阶段整形；设定成形时间T＝t3；所述的左半凹模(2)、右半凹模(3)左推块(4)、右推块(5)均保持静止；所述的内高压介质对管材施加径向内压力P3＝p(x)，对波纹进行整形，使管材完全贴紧凹模，内高压一次成形大变形波纹管。
所述的步骤(1)中的波纹管的变形系数和波纹管实际延伸率的计算公式分别为：
k＝Dmax/d0 (5)
δA＝(Dmax-d0)/d0×100％ (6)
式中：k为波纹管变形系数，δA为波纹管的实际延伸率，Dmax为波纹管最大外径，d0为管材原始外径。
所述的步骤(4)中第一阶段的左推块(4)、右推块(5)的位移Sp采用折线加载路径：
式中：ks1和ks2分别为第一阶段位移加载的第一折线和第二折线的斜率；x为时间；bs是第一阶段位移加载的第二折线的截距。
所述的步骤(4)中第一阶段的内高压介质(6)对管材施加的径向内压力P1采用折线加载路径：
式中：kp11和kp12分别为第一阶段压力加载的第一折线和第二折现的斜率；
bp是第一阶段压力加载第二折线的截距。
所述的步骤(4)中第二阶段的内高压介质(6)对管材施加径向内压力P2采用折线加载路径：
式中：kp2为第二阶段压力加载第一折线的斜率；Cp2为常数。
所述的步骤(4)中第三阶段的内高压介质(6)继续对管材施加径向内压力P3采用折线加载路径：
式中：kp3为第三阶段压力加载第一折线的斜率；Cp3为常数。
所述的步骤(4)中第二阶段的左半凹模(2)和右半凹模(3)分别匀速地向中心移动。
所述的内高压介质(6)采用液压油或弹性橡胶材料。
本发明的有益效果是：
1)大变形、大构件、薄壁波纹管在内高压成形时，若实际延伸率大于材料的许用延伸率，则需要多道次内高压成形，涉及各道次的设计、配合和加工等问题，增加了成形成本和时间。此外，某些特殊领域应用的波纹管不允许多道次成形。本发明提出的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，可对大变形、大构件、薄壁波纹管一次性内高压成形，简化了成形工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。
2)由于薄壁波纹管相对厚度较小，且大构件波纹管的波纹高度高，内高压成形时，材料很难流入波形区，从而造成成形困难的问题。本发明采用分阶段补料的方法：第一阶段主要通过左推块和右推块将管材推入波纹区补料，第二阶段主要通过左半凹模和右半凹模，将初波推入波纹区，从而完成整体补料。
3)多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段，每个阶段设置不同的径向内压力对管材施压。第一阶段主要配合左、右推块进行管材往波纹区的补料和初波成形，因此采用较小的压力值。第二阶段主要配合左、右半凹模将初波推入波纹区，并形成基本的波纹。第三阶段已基本成形，需要采用一个较大的内压力，对波纹管进行整形使管材完全贴模。
附图说明
图1为本发明一种大变形波纹管内高压一次成形方法流程图；
图2为本发明实施例中的一种大变形波纹管结构示意图；
图3为本发明实施例中的一种大变形波纹管多模联动内高压一次成形的第一阶段示意图；
图4为本发明实施例中的一种大变形波纹管多模联动内高压一次成形的第二阶段示意图；
图5为本发明实施例中的一种大变形波纹管多模联动内高压一次成形的第三阶段示意图。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，具体操作步骤如下：
步骤(1)判断所需成形的波纹管1属于大变形还是小变形。根据所需成形的大变形波纹管的结构尺寸，如图2所示，波纹管最大外径Dmax＝1293mm，管材原始外径d0＝945mm，壁厚t＝16.2mm，波纹间距Sb＝320mm。根据公式(6)，计算出波纹管的实际延伸率为：
δA＝(Dmax-d0)/d0×100％＝(1293-945)/945×100％＝37％ (7)
已知管材的许用延伸率为27％，实际延伸率δA大于材料的许用延伸率δT，属于大变形，可采用大变形波纹管内高压一次成形方法。
步骤(2)波纹管毛坯尺寸计算。以单个波纹为例，根据波纹管成形前、后体积不变的原则，或波纹管成形前、后中性层面积不变的原则，借助UG三维造型软件，计算出波纹管的管材毛坯尺寸为843mm。
步骤(3)根据波纹管的结构尺寸和管材毛坯尺寸，设计大变形波纹管内高压一次成形模具，包括左半凹模2、右半凹模3、左推块4、右推块5、和内高压介质6。本实施例中，内高压介质采用液压油。
步骤(4)多模联动内高压一次成形。多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段连续执行，如图3-5所示：
1)第一阶段初波成形。成形时间T1＝[0，0.9]，单位秒(s)。左推块4和右推块5分别向中心移动，位移Sp，单位毫米(mm)，采用折线加载路径：
内高压介质6对管材1施加径向内压力，单位兆帕(MPa)，内压力P1采用折线加载路径：
左半凹模2和右半凹模3保持静止。在推块的轴向压力和内高压介质的径向内压力的共同作用下，管材轴向向中心补料，并塑性变形形成初波。
2)第二阶段波纹成形。成形时间T2＝[0.9，1.6]。左半凹模2和右半凹模3分别匀速地向中心移动，位移Sd＝90mm；内高压介质6对管材1施加径向内压力，内压力P2采用折线加载路径：
左推块4和右推块5保持静止。左半凹模2和右半凹模3合模，挤压管材1，并在内高压介质的径向内压力的共同作用下，波纹基本成形。
3)第三阶段整形。成形时间T3＝[1.6，1.8]。凹模和推块均保持静止。内高压介质6对管材1施加径向内压力，内压力P3采用折线加载路径，对波纹进行整形，使管材完全贴紧凹模：
步骤(5)：卸压、开模、取件。大变形波纹管内高压成形后，卸载内高压介质6的内压力，左推块4和右推块5撤出，左半凹模2和右半凹模3开模，取出大变形波纹管。
本实施例中：1)大变形、大构件、薄壁波纹管在内高压成形时，若实际延伸率大于材料的许用延伸率，则需要多道次内高压成形方法，涉及各道次的设计、配合和加工等问题，增加成形成本和时间。此外，某些特殊领域应用的波纹管不允许多道次成形。本实施例提出的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，可对大变形、大构件、薄壁波纹管一次性内高压成形，简化了成形工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。
2)由于薄壁波纹管相对厚度较小，且大构件波纹管的波纹高度高，内高压成形时，材料很难流入波形区，从而造成成形困难的问题。本实施例采用分阶段补料的方法：第一阶段主要通过左推块和右推块将管材推入波纹区补料，第二阶段主要通过左半凹模和右半凹模，将初波推入波纹区，从而完成整体补料。
3)多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段，每个阶段设置不同的径向内压力对管材施压。第一阶段主要配合左、右推块进行管材往波纹区的补料和初波成形，因此采用较小的压力值。第二阶段主要配合左、右半凹模将初波推入波纹区，并形成基本的波纹。第三阶段已基本成形，需要采用一个较大的内压力，对波纹管进行整形使管材完全贴模。

Claims (8)

1.一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据所需成形的波纹管的结构尺寸判断所需成形的波纹管属于大变形还是小变形，结构尺寸包括波纹管最大外径Dmax和管材原始外径d0，计算出波纹管的变形系数k和实际延伸率δA。然后将实际延伸率δA与管材的许用延伸率δT进行比较，当实际延伸率δA大于材料的许用延伸率δT，则属于大变形；反之则属于小变形，所述的小变形采用常规内高压成形方法即可一次成形；
(2)根据波纹管成形前、后体积不变的原则，或波纹管成形前、后中性层面积不变的原则，借助三维造型软件，计算出波纹管的管材毛坯尺寸；
(3)根据步骤1)波纹管的结构尺寸和步骤2)管材毛坯尺寸，设计出尺寸合适的大变形波纹管内高压一次成形模具，所述的模具包括左半凹模(2)、右半凹模(3)、左推块(4)、右推块(5)和内高压介质(6)；
(4)多模联动内高压一次成形；所述的多模联动内高压一次成形过程分成三个阶段连续执行；
(5)卸压、开模、取件；所述的内高压成形大变形波纹管后，卸载内高压介质(6)的内压力，撤出所述的左推块(4)、右推块(5)，所述的左半凹模(2)、右半凹模(3)开模，取出大变形波纹管；
其中所述的三个阶段具体为：
1)第一阶段初波成形；设定成形时间T＝t1；所述的左推块(4)和右推块(5)分别向中心移动，位移Sp＝s(x)；所述的内高压介质(6)对管材施加径向内压力P1＝p(x)；左半凹模(2)和右半凹模(3)保持静止；在所述的左推块(4)和右推块(5)的轴向压力和内高压介质(6)的径向内压力的共同作用下，轴向向中心补料，并塑性变形形成初波；
2)第二阶段波纹成形；设定成形时间T＝t2；所述的左半凹模(2)和右半凹模(3)分别向中心移动，位移Sd；内高压介质(6)对管材施加径向内压力P2＝p(x)；所述的左推块(4)和右推块(5)保持静止；所述的左半凹模(2)和右半凹模(3)合模，挤压管材，并在内高压介质(6)的径向内压力的共同作用下，波纹基本成形；
3)第三阶段整形；设定成形时间T＝t3；所述的左半凹模(2)、右半凹模(3)左推块(4)、右推块(5)均保持静止；所述的内高压介质对管材施加径向内压力P3＝p(x)，对波纹进行整形，使管材完全贴紧凹模,内高压一次成形大变形波纹管。
2.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的波纹管的变形系数和波纹管实际延伸率的计算公式分别为：
k＝Dmax/d0 (5)
δA＝(Dmax-d0)/d0×100％ (6)
式中：k为波纹管变形系数，δA为波纹管的实际延伸率，Dmax为波纹管最大外径，d0为管材原始外径。
3.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中第一阶段的左推块(4)、右推块(5)的位移Sp采用折线加载路径：
式中：ks1和ks2分别为第一阶段位移加载的第一折线和第二折线的斜率；x为时间；bs是第一阶段位移加载的第二折线的截距。
4.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中第一阶段的内高压介质(6)对管材施加的径向内压力P1采用折线加载路径：
式中：kp11和kp12分别为第一阶段压力加载的第一折线和第二折现的斜率；
bp是第一阶段压力加载第二折线的截距。
5.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中第二阶段的内高压介质(6)对管材施加径向内压力P2采用折线加载路径：
式中：kp2为第二阶段压力加载第一折线的斜率；Cp2为常数。
6.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中第三阶段的内高压介质(6)继续对管材施加径向内压力P3采用折线加载路径：
式中：kp3为第三阶段压力加载第一折线的斜率；Cp3为常数。
7.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中第二阶段的左半凹模(2)和右半凹模(3)分别匀速地向中心移动。
8.如权利要求1所述的一种大变形波纹管内高压一次成形方法，其特征在于：所述的内高压介质(6)采用液压油或弹性橡胶材料。
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