壓力容器：矩形金屬波紋管機(jī)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(bǔ)償、儲能等多種功能，廣泛應(yīng)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?xì)廨啓C(jī)、大型飛機(jī)、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(yīng)環(huán)境要求（如矩形風(fēng)機(jī)管道、煙道、波導(dǎo)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(jī)械校形［１３］。目前，國內(nèi)外學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)確定位，協(xié)調(diào)運動，可以成形矩形波紋管這種復(fù)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(fù)雜，滾輪的運動難以控制。
機(jī)械脹形相比于上述兩種成形方式具有成形速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品多樣化、工藝簡單和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。機(jī)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(qiáng)［１７］介紹了圓形金屬波紋管機(jī)械脹形的方法，闡述了機(jī)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(jī)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(jī)械脹形工藝進(jìn)行探索，提出３種機(jī)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(jī)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(yán)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(jī)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(dá)設(shè)計要求，且第 ２個波紋輪廓變形嚴(yán)重；由于圓角部分形變強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)械脹形進(jìn)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：
