壓力容器：矩形金屬波紋管機械脹形工藝仿真分析
2022-11-18【作 者】高亞東;劉靜;左星煜;李蘭云
【引 言】
金屬波紋管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零部件，具有密封、柔性補償、儲能等多種功能，廣泛應用于化工、電力、汽車、航空航天等領(lǐng)域［１－７］。隨著我國新一代重型火箭［８－１２］、燃氣輪機、大型飛機、核電等高新技術(shù)項目的大力發(fā)展，對管路和密封系統(tǒng)提出更高的要求，為適應環(huán)境要求（如矩形風機管道、煙道、波導管等［１２］），金屬波紋管周向外形輪廓需要采用矩形輪廓形式。
波紋管常用的成形方法包括液壓脹形、滾壓成形和機械校形［１３］。目前，國內(nèi)外學者研究多集中在圓形波紋管的成形工藝，對矩形波紋管成形過程研究較少。對于矩形金屬波紋管成形方法，張琪［１４］提出可先將鋼板落料、卷圈焊接、熱處理，形成密閉的圓筒，然后將圓筒放入矩形成形模內(nèi)加壓成形；葛子余［１５］提出了單波連續(xù)成形的方法來成形矩形金屬波紋管。相比于傳統(tǒng)的圓柱形波紋管，矩形金屬波紋管具有明顯的周向外形輪廓變化，使得其變形特征與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體型波紋管存在較大差異。采用液壓脹形成形矩形波紋管時，矩形管坯的 ４個圓角處材料變形抗力大于直線段，材料流動困難，極易導致充填高度不足，而只依靠增大內(nèi)壓力的方式提高過渡圓角段的成形高度，過渡圓角處極易發(fā)生過度減薄、拉裂，因此，液壓脹形難以獲得滿足要求的矩形波紋管。滾壓成形是以彎曲變形原理為基礎(chǔ)發(fā)展而來的塑性成形工藝，通過控制滾輪的成形軌跡，對滾輪準確定位，協(xié)調(diào)運動，可以成形矩形波紋管這種復雜輪廓管件結(jié)構(gòu)，改善矩形圓角充填高度不足的缺陷；但是對于矩形輪廓波紋管，滾壓路徑復雜，滾輪的運動難以控制。
機械脹形相比于上述兩種成形方式具有成形速度快、適應性強、產(chǎn)品多樣化、工藝簡單和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。機械脹形的原理是利用芯錐向下移動推動模片向四周運動，利用模片向外運動撐開波紋管［１６］。在模片運動的過程中，模片與管坯接觸后產(chǎn)生按模片形狀分布的集中力，其大小不變、均勻恒定。因此，理論上該工藝可用于矩形波紋管成形。唐順強［１７］介紹了圓形金屬波紋管機械脹形的方法，闡述了機械脹形模具在脹形過程中的原理和技術(shù)結(jié)構(gòu)特點。但對于矩形金屬波紋管機械成形的方法，尚未見相關(guān)報道。
本文基于仿真分析方法對矩形金屬波紋管機械脹形工藝進行探索，提出３種機械脹形成形方案，研究上述成形工藝波紋管的變形特點，分析成形過程出現(xiàn)的問題，并提出矩形波紋管成形的工藝方案。
【結(jié) 論】
（１）利用機械脹形原理成形矩形金屬波紋管，管坯在脹形過程中外側(cè)沒有模具限制，成形出的波紋形狀為 Ｖ形，且已成形的波紋在成形后續(xù)波紋時被嚴重拉變形，成形波紋形狀尺寸難以滿足設(shè)計要求。
（２）采用外加固定模具機械脹形成形矩形波紋管，由于外加模具限制管坯材料變形，使得成形的波紋形狀接近 Ｕ形。直邊段成形后，中間波紋的波高未達設(shè)計要求，且第 ２個波紋輪廓變形嚴重；由于圓角部分形變強化作用，其變形抗力較大，波紋形狀尺寸變化較小。因此，外加固定模具機械脹形成形的方法不能有效解決成形過程中波紋變形問題。
（３）采用內(nèi)加固定模具機械脹形成形矩形波紋管，由于內(nèi)加固定模具限制已經(jīng)成形波紋材料的流動，脹形結(jié)束后 ３個波紋形狀和波高滿足設(shè)計要求，所以利用此種工藝可獲得形狀尺寸符合設(shè)計要求的矩形金屬波紋管。
（４）對波紋管純機械脹形進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好，驗證了模型的可靠性。
以下是正文：
