深圆锥形管件冷挤压成型工序

2019-11-06 10:40 来源：钢铁世界网作者：dengys

近年来，建筑等行业使用混凝土管道输送车的数量快速增加，其中混凝土输送管道中圆锥形厚壁管磨损快，常需更换，而国内又缺乏配件，且没有圆锥无缝厚壁管。我们承接了几种不同锥度、不同大小端直径、不同长度的深圆锥形厚壁管件的生产合同，采用冷挤压成形工艺，完成了深圆锥形厚壁管的生产任务，满足了客户的要求。

1 深圆锥形管件技术要求与工艺分析1．1 深圆锥形管件技术要求图1是深圆锥形管件示意图，根据该零件的形状及考虑材料利用率，将该深圆锥形管件分解为两个圆法兰盘及圆锥形管，分别成形后再进行焊接组合成整体。图1 深圆锥形管件(材料：2O钢)深圆锥形管大端内径d 的公称尺寸系列为：75、100、125、150；深圆锥形管小端内径d (一 )的公称尺寸系列为：5O、75、100、125；深圆锥形管长度的公称尺寸系列为：650(对应大端内径75，小端内径50)、850(对应大端内径125和100，小端内径100和75)、1 480(对应大端内径150，小端内径125)；管壁厚度t均为7；材料为2O号钢；深圆锥形管成形后表面粗糙度值Ra为12．5 m。根据尺寸分析，深圆锥形管的锥度分别为1：26、1：34、1：59．2，均为小锥角，可按三种标准锥度进行成形。深圆锥形管的长度L与大端内孔直径d之比的相对高度H 在6～10范围内。这种深圆锥形管成形有一定难度，且市场上无相应圆锥厚壁无缝钢管供货。1．2 深圆锥形管件成形工艺根据圆锥形管的形面生成原理，深圆锥形管件的成形工艺方法有：1．2．1 机械切削成形选用厚壁圆柱无缝钢管为毛坯，钢管内径按圆锥形管小端内孔直径d 一1来选择，圆柱钢管外径按圆锥形管大端外径D+1选择。采用车削加工或重力磨削加工两种工艺方法。1．2．2 拉深成形拉深成形工艺可以生产出圆锥形管件，但至今在众多冲压书籍及手册中，对相对高度L／d≤0．8的圆锥薄壁件论述较多，而对于L／d= (6～10)范围内的深圆锥管的拉深成形分析、参数计算、拉深变形机理的论述尚属罕见。用拉深成形工艺生产圆锥形厚壁管时，因在拉深中塑性变形及应力分布复杂，拉深模具的结构及工艺参数不确定性大，因此深圆锥形管拉深成形难度较大。1．2．3 旋压成形使用变薄强旋压工艺可以成形深圆锥形管。选用板材或空心圆筒毛坯安装在旋压机上，毛坯随机床转动，使用旋轮(赶棒)对毛坯进行强力挤压，使毛坯逐渐形成锥体。由于所生产的深圆锥形管件相对高度大、锥形角度小、壁厚大，需多次旋压，还需配备专用旋压机或改装重型车床。1．2．4 冷挤压成形在室温条件下，利用液力压力机和挤压模具对金属施加压力，使金属坯料产生塑性流动，金属在凹模内进行收缩，凸模在压力作用下压入坯料圆筒，金属筒坯料向外扩张，形成圆锥形管。冷挤压成形工艺简单、模具结构简单、投资少、生产灵活性大，在一台压力机上更换模具就可以生产形状、尺寸、规格和品种不同的产品。但挤压模具需承受较大的挤压力作用，对模具强度和使用寿命影响较大。综上所述，从经济效益、材料利用率、工艺复杂程度、设备等方面分析对比，采用冷挤压工艺是最佳工艺方案。

2 冷挤压成形工艺条件的确定2．1 冷挤压成形工艺方案冷挤压成形凹模的内腔为圆锥形孔。当圆柱形无缝钢管在挤压力作用下被逐步压入凹模圆锥形孔时，坯料金属受到垂直于圆锥面的正压力、沿圆锥素线的切向力及摩擦阻力作用。正压力使坯料金属产生压缩变形，坯料横截面尺寸逐渐缩小；切应力使金属向下塑性流动，金属坯料沿轴向的长度被拉长；摩擦阻力可使金属流动受阻。冷挤压凸模为圆锥形芯棒，以圆锥凸模小端压入圆柱形钢管内(坯料外表面不受凹模作用)，则金属坯料在受到作用于内孔表面上的正压力时，金属坯料逐渐向外膨胀形成圆锥形管，同时在切向压力作用下，金属坯料沿轴向长度被缩短。根据金属变形的机理，先采用挤压凹模使圆柱无缝钢管坯料逐渐收口，再用圆锥凸模使圆柱无缝钢管逐渐扩口，形成整个圆锥形管件，冷挤压工艺方案见图2。冷挤压成形工艺过程分为四个阶段：第一阶段是将圆柱无缝钢管坯料压入凹模1；第二阶段将凹模2与凹模1组合起来，压力机将坯料逐渐压入凹模1与凹模2，此时坯料的一半长度受压而缩小成锥形；第三阶段将凸模1先压入坯料内孔与孔口平；第四阶段，将凸模2和凸模1组合起来，压力机继续将凸模1与凸模2向下压入坯料孔内，则坯料的上半部分被胀形成为锥管。完成成形后进行脱模。2．2 坯料尺寸的确定(1)根据弹塑性变形机理的体积不变原理。选用圆柱热轧无缝钢管(20钢)为坯料。圆柱无缝钢管的毛坯体积确定方法如下：V 一V+ V 。式中： —— 深圆锥形管成品体积；— — 挤压成形后的修边体积，一般取挤压成形件体积的3 9，5～5 9／5。(2)圆柱无缝钢管坯料的体积计算公式为：V 一1．57t(D2+ d2)。式中： t—— 钢管坯料壁厚；D。——钢管坯料外径，D。根据成品件高度一半处横截面外径加0．5确定；d —— 钢管坯料内径，d 根据成品件高度一半处横截面内径减0．5确定。图2 冷挤压工艺方粟2．3 润滑为降低摩擦阻力、减小由摩擦力引起的附加拉应力、防止拉伤工件的表面、降低单位挤压力、延长挤压模具的寿命，需要对挤压成形过程进行合理的润滑。对挤压件坯料表面进行清洗、毛刺打磨及除锈，并在挤压凹模内锥孔表面及凸模外锥表面涂敷上猪油，并用塑料薄膜包裹，放置4h～6h。2．4 变形程度可用截面缩减率或挤压比表示变形程度。截面缩减率￡是坯料钢管横截面积F。与挤压成形后深圆锥形管小端横截面积F 的相对百分比，即：当×1O0 。挤压比R是坯料截面积F。与圆锥管件小端截面积F之比，即：R _ c o。￡与R的关系是：】￡一1 R 。2．5 挤压力现有书籍及手册中很少涉及关于深圆锥形管件的挤压变形机理与挤压力的计算。在挤压工艺设计中，采取文献[2]所推荐的半经验算法公式进行单位挤压力P的初计算：A rp= aba (1nR+ ,u 4 L,1 )。式中川、6—— 与挤压条件有关的试验常数，“为材料修正系数，一般一1．3～1．5，b为截面形状修正系数，圆管挤压时6—1；— — 材料的屈服极限；— — 挤压时摩擦系数，一0．1～0．15。按上式对单位挤压力声进行估算．选择压力机。预选冷压机，进行试挤压，视工件成形状态再调整最大挤压力。

3 冷挤压模结构设计正确地确定挤压模具工作部分结构及几何参数．可以保障模具具有较高的寿命、降低压力、利于金属塑性流动。该工艺采用正挤压成形法。3．1 正挤压凹模尺寸凹模采用两段组合，两段凹模总高度h为：h一 + (80～ 100)。凹模2小端内孔直径等于深圆锥管件小端外径D，( j)。在凹模1和凹模2内锥孔大端孔口处(即材料入口处)加工成圆角，圆角半径，一等于深圆锥形管件壁厚。经生产实践表明，，一值大于壁厚时，挤压件在两段凹模结合处出现接缝；若，一过小，小于壁厚时，则易在成形管件外锥表面上出现明显的拉伤。两段凹模组合，采用定心定位。3．2 凸模尺寸凸模亦采用两段组合，两段组合后的总高度h为：h 一 + (80～ 100)。／凸模2的大端直径等于深圆锥管件大端内径⋯ j，凸模1及凸模2小端尺寸由几何计算得出。凸模1及凸模2小端均加工成圆角，圆角半径为(I～1．5)t 凸模1及凸模2组合后由定心定位。

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