宋樹康

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013)

對焊無縫管件彎頭，俗稱標(biāo)準(zhǔn)彎頭，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、鍋爐等行業(yè)的管路配管，具有用量大、規(guī)格多、種類廣等特點(diǎn)。目前彎頭成型工藝包括專用成型機(jī)上擠壓成型、中頻感應(yīng)加熱推制成型和模具壓成型三種。中頻感應(yīng)加熱推制成型工藝具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)成型工藝制造的彎頭具有外腹減薄、內(nèi)腹增厚的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的耐壓能力降低。隨著現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，希望提供的彎頭壁厚均勻、沒有橢圓度，而采用傳統(tǒng)工藝還無法做到。

本文根據(jù)金屬材料擴(kuò)張和流動規(guī)律，通過理論計(jì)算和中頻感應(yīng)加熱推制工藝實(shí)現(xiàn)了彎頭外弧軸線不產(chǎn)生塑性變形，即彎曲中性層平移到外弧，達(dá)到彎頭彎曲后外腹、內(nèi)腹壁厚均勻，彎頭彎制過程中壁厚不減薄的目的。

1 熱推制彎頭壁厚不減薄的理論計(jì)算

1.1 彎頭常規(guī)彎曲時(shí)的受力分析

圖1 常規(guī)彎曲應(yīng)力分析Figure 1 Conventional analysis for bending stress

1.2 彎頭壁厚不減薄理論的理論計(jì)算

彎頭彎制過程中要實(shí)現(xiàn)壁厚不減薄，必須平移彎制過程中的中性層，使外弧在彎曲時(shí)僅做純彎曲，彎曲后彎頭外弧弧長與坯料長度相等，即：

L=Lp

(1)

式中，L為彎頭外弧弧長，Lp為管坯長度。

根據(jù)管坯和彎頭體積不變原理，得出如下關(guān)系式：

V=Vp

(2)

式中，V為彎頭體積，Vp為管坯體積。

彎頭可以看作圓環(huán)體，其體積表示為：

V=2×π×π×R×(DW×δ-δ×δ)×(θ/2π)

=π×R×(DW×δ-δ×δ)×θ

(3)

式中，R為彎頭彎曲半徑，DW為彎頭外徑，dW為彎頭內(nèi)徑，δ為彎頭壁厚，θ為彎頭弧度。

管坯為圓柱體，其體積為：

(4)

式中，Dp為坯管外徑，dp為坯管內(nèi)徑。

根據(jù)(2)、(3)、(4)得：

1.實(shí)訓(xùn)場所建設(shè)。由江西省糧油質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出資采購一批精密儀器設(shè)備，主要包括高效液相色譜儀、氣相色譜儀、原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光分光光度計(jì)、近紅外谷物成分測定儀、形態(tài)分析儀、超純水系統(tǒng)等。雙方簽定相關(guān)設(shè)備借用協(xié)議，經(jīng)友好協(xié)商就權(quán)利劃分、管理方法等多方面建立合作關(guān)系達(dá)成協(xié)議；江西工貿(mào)職院提供設(shè)備場地，保證設(shè)備擺放規(guī)范，方便保管和操作使用，同時(shí)本著專人管理專人負(fù)責(zé)的原則，規(guī)范使用，定期維護(hù)[1]。

(5)

根據(jù)(5)得管坯長度：

(6)

根據(jù)弧長計(jì)算公式

Lp=(R+DW/2)×θ

(7)

根據(jù)式(5)和式(7)得：

(Dp2-dp2)×(R+DW/2)×θ=(DW2-dW2)×R×θ

[Dp2-(Dp-2δ)2]×(R+DW/2)×θ=[DW2-(DW-2δ)2]×R×θ

(Dp-δ)×(2R+DW)=2(DW-δ)×R

所以管坯直徑為：

(8)

根據(jù)式(6)和式(8)可以計(jì)算管坯的長度和直徑。

2 理論計(jì)算結(jié)果的實(shí)施及討論

2.1 理論計(jì)算結(jié)果的實(shí)施方法

根據(jù)理論計(jì)算和中頻感應(yīng)加熱推制彎頭的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用成型芯模，在中頻推彎機(jī)上成型。芯模固定在推制機(jī)上不動，推板推動工件邊感應(yīng)加熱邊勻速往前移動。由于芯模出口端大，呈羊角形，受推力P及芯模阻力f和擴(kuò)張力g的作用，使管坯產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和軸向壓縮彎曲變形，見圖2。

圖2 彎頭推制原理圖Figure 2 Schematic diagram for hot pushing elbow

圖3 管坯正方形網(wǎng)絡(luò)圖Figure 3 Square network for tube blank

為了清楚地掌握變形規(guī)律，在管坯上劃上等分的正方形網(wǎng)絡(luò)線。成型后網(wǎng)絡(luò)線的變化并非像一般的彎曲原理——中性層不變，外層增長，內(nèi)層縮短；而是外層不變，仍保持原正方形網(wǎng)線，內(nèi)層軸向縮短，徑向增長的長方形，而且縮短和增長的比例很大，也就是說中性層平移到了外弧，中性層平移是本工藝的關(guān)鍵，見圖3和圖4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)線變化情況Figure 4 Change of square network

2.2 討論

通過以上理論計(jì)算和中頻感應(yīng)加熱推彎工藝的實(shí)施，完全能夠?qū)崿F(xiàn)彎頭彎制過程中壁厚不減薄，但彎頭在彎制過程中的受力比較復(fù)雜。從圖2彎頭推制原理圖可以看出，彎頭在彎制過程中要同時(shí)承受正應(yīng)力和剪應(yīng)力，瞬間的延伸率為DW/DP，變形量較大。

根據(jù)彎頭彎制過程中受力復(fù)雜和變形量較大的特點(diǎn)，在工藝實(shí)施過程中要采用高溫塑性較好的材料如奧氏體不銹鋼、碳鋼，嚴(yán)格控制中頻加熱溫度，在塑性較大的溫區(qū)實(shí)施變形。此外，由于剪切變形較大，對管坯的冶金質(zhì)量要嚴(yán)格控制，避免大顆粒夾雜物在剪切過程中成為撕裂源。

3 結(jié)論

(1)通過理論計(jì)算，驗(yàn)證了彎頭彎制過程能夠?qū)崿F(xiàn)彎頭外弧壁厚不減薄理論。

(2)通過理論計(jì)算和中頻感應(yīng)加熱推制工藝實(shí)現(xiàn)了彎頭外弧軸線不產(chǎn)生塑性變形，即彎曲中性層平移到外弧的目的，彎頭彎曲后外腹、內(nèi)腹壁厚均勻，彎制過程中壁厚不減薄。