鄭道友

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，浙江 溫州325003）

0 前言

我國(guó)的閥門(mén)工業(yè)始于上世紀(jì)五十年代，直到八十年代初期才得以快速發(fā)展，到目前已初步形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品品種齊全，配套環(huán)節(jié)完善，行業(yè)整體上處于國(guó)際中上水平。但與之相配套的法蘭行業(yè)發(fā)展卻相對(duì)緩慢，由于法蘭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)入門(mén)檻低，大量小微企業(yè)進(jìn)入，競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)新技術(shù)投入少，產(chǎn)品附加值不高，受原材料影響嚴(yán)重，生存難度大。因此，法蘭行業(yè)一直處于低端生產(chǎn)水平，尤其是近年來(lái)，隨著原材料價(jià)格上漲，導(dǎo)致法蘭行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本急劇增加，利潤(rùn)稀薄，企業(yè)發(fā)展甚至生存面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，整個(gè)法蘭行業(yè)面臨著洗牌的命運(yùn)，同時(shí)也拖累了泵閥行業(yè)的發(fā)展。于是部分法蘭企業(yè)開(kāi)始尋找新的突破點(diǎn)，加快自身研發(fā)，提升科技含量，以此降低原材料上漲對(duì)法蘭造成的影響，法蘭內(nèi)高壓成型工藝技術(shù)正是在這種情形下開(kāi)始被企業(yè)重視。內(nèi)高壓成型是一種全新的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，它以管材為加工對(duì)象，以液體為主要傳力介質(zhì)的一種加工近凈成型液力塑性成形技術(shù)[1]。內(nèi)高壓成型技術(shù)以節(jié)材、節(jié)能見(jiàn)長(zhǎng)，比常規(guī)方法能顯著地縮短生產(chǎn)周期、提高效率、節(jié)約能源和節(jié)省資源，對(duì)于原材料依賴性強(qiáng)的法蘭行業(yè)能夠顯著地降低生產(chǎn)成本，因此，內(nèi)高壓塑性成形技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅猛，尤其在航空、汽車(chē)制造技術(shù)以及管件生產(chǎn)上應(yīng)用較多[2-3]。但是，內(nèi)高壓成形過(guò)程復(fù)雜，影響因素眾多，如材料性能、摩擦、軸向進(jìn)給、加載路徑形式、內(nèi)壓以及模具等工藝因素，且諸多因素并非獨(dú)立而是相互制約，相互關(guān)聯(lián)的。另外，成形工作壓力大，成型工藝條件苛刻，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有較為系統(tǒng)、詳細(xì)、可行的模具和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。所以，內(nèi)高壓工藝生產(chǎn)目前只限制在航空、汽車(chē)部件等少數(shù)領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域內(nèi)推廣仍需解決許多技術(shù)問(wèn)題。盡管內(nèi)高壓成型技術(shù)從節(jié)材、節(jié)能等方面非常適合在法蘭生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，但需要解決的問(wèn)題不少，目前還沒(méi)有應(yīng)用先例。

1 對(duì)焊法蘭內(nèi)高壓成型工藝分析

如圖1所示是內(nèi)高壓成型技術(shù)加工對(duì)焊法蘭的原材料和成品，原材料只需如（a）圖所示的一段管材，通過(guò)內(nèi)高壓擠壓成型即可得到如（b）圖所示的對(duì)焊法蘭。從中看出，利用內(nèi)高壓成型技術(shù)加工法蘭在原材料上損失極少，真正做到了節(jié)約材料、綠色生產(chǎn)的目的。但是，對(duì)焊法蘭的成型過(guò)程還是比較復(fù)雜的，其工藝流程是：選料→切割管材→打磨→裝料→合?！鷶D壓成型→車(chē)削→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

首先是選材，內(nèi)高壓成型屬于冷加工范疇，在擠壓成型過(guò)程中，材料的變形過(guò)程是非常復(fù)雜的，不同材料的流動(dòng)應(yīng)力不同，產(chǎn)生塑性變形消耗的擠壓力也不盡相同，對(duì)終端產(chǎn)品的形狀、穩(wěn)定性等都會(huì)有影響，材料的機(jī)械性能對(duì)對(duì)焊法蘭成型非常重要。因?yàn)閮?nèi)高壓成型速度很快，一般在幾秒鐘內(nèi)完成，沒(méi)有良好的塑性和韌性的材料一般是很難成型，即使成型了，也存在很多缺陷，所選的材料必須具備很高塑性和韌性。其次必須具備一定的強(qiáng)度，內(nèi)高壓成型后的對(duì)焊法蘭一般不需要進(jìn)行其他處理就直接使用，因此所選材料需要具備一定的強(qiáng)度才能達(dá)到法蘭使用的要求。不過(guò)，內(nèi)高壓成型過(guò)程中伴隨著冷作硬化，其強(qiáng)度會(huì)有一定增大。管材的切割工序看似比較簡(jiǎn)單，但非常重要，在擠壓前必須把管材切割成長(zhǎng)度一定的管段放到模具內(nèi)進(jìn)行擠壓，由于成型模具的型腔尺寸和體積都是固定的，所供管段必須準(zhǔn)確，切割前必須進(jìn)行長(zhǎng)度和體積計(jì)算，一旦管段長(zhǎng)度或者體積過(guò)小，模具的型腔就擠不滿，加工不出合格產(chǎn)品；反之，管段長(zhǎng)度或體積過(guò)大，模具型腔被擠滿后，多余的材料就會(huì)使法蘭壁增厚，不但浪費(fèi)材料，而且使成型后的法蘭尺寸不符合要求而需二次加工。打磨工序是管材切割后的去除毛刺的工程，工序簡(jiǎn)單；至于其它如裝料、合模、擠壓成型、車(chē)削及檢驗(yàn)等只要按規(guī)定要求操作即可。

圖1 內(nèi)高壓成型法蘭的原料及產(chǎn)品

2 對(duì)焊法蘭內(nèi)高壓成型關(guān)鍵技術(shù)研究

內(nèi)高壓成型技術(shù)以節(jié)材、節(jié)能見(jiàn)長(zhǎng)，能有效地降低零件重量、減少模具數(shù)量、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率，具有結(jié)構(gòu)輕量化、加工技術(shù)柔性化以及綠色生產(chǎn)等特點(diǎn)[4-5]，非常適合于對(duì)焊法蘭的生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，但還需要解決非常多的技術(shù)難題。

2.1 振動(dòng)軸壓技術(shù)研究

由圖1看出，要把圓形空心管件擠壓成對(duì)焊法蘭，而且要保證擠壓質(zhì)量，軸向推進(jìn)壓力非常關(guān)鍵。在內(nèi)高壓成形過(guò)程中，目前一般采用軸向壓力隨內(nèi)壓的增大而呈線性遞增方式進(jìn)行加載。當(dāng)軸向壓力相對(duì)過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致管壁受壓失穩(wěn)而起皺，阻礙了材料向脹形區(qū)域的流動(dòng)，致使所能成形的管高度降低。相反，如軸向壓力相對(duì)過(guò)小，則由于不能有效推動(dòng)材料向脹形區(qū)域的流動(dòng)，同樣也不能讓管壁厚度增加。在對(duì)焊法蘭內(nèi)高壓成型過(guò)程中采用振動(dòng)軸壓技術(shù)，在內(nèi)壓增大的同時(shí)進(jìn)行軸向加載能有效地解決該難題。振動(dòng)軸壓技術(shù)就是在定常的壓邊力上疊加一個(gè)振動(dòng)激勵(lì)軸壓，可以比較顯著地提高極限拉深比，而且拉深件的壁厚分布也更加均勻。振動(dòng)激勵(lì)下的定常壓邊力要比未疊加振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的定常壓小，對(duì)于法蘭盤(pán)，采用多大的激勵(lì)信號(hào)振幅，以及多大的振動(dòng)激勵(lì)頻率才是最佳，對(duì)成型后的對(duì)焊法蘭質(zhì)量最優(yōu)等，不同規(guī)格的法蘭盤(pán)有不同的數(shù)據(jù)。

2.2 大厚度法蘭盤(pán)內(nèi)高壓成型技術(shù)研究

隨著國(guó)內(nèi)閥門(mén)企業(yè)技術(shù)力量的加強(qiáng)，許多企業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)入石油、化工領(lǐng)域，甚至核能領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)﹂y門(mén)及其配套的管件要求較高，配套的法蘭壁厚很大，而內(nèi)高壓成形的最佳成型對(duì)象則是薄壁管材，薄壁管材成型需要的內(nèi)壓小，軸向進(jìn)給相對(duì)簡(jiǎn)單，加載路徑容易控制。而壁厚較大的法蘭件成型壓力大，最高達(dá)到1000 MPa，如此大的內(nèi)高壓使法蘭管件外壁膨脹后緊貼在模具內(nèi)壁，將產(chǎn)生非常大的摩擦力，導(dǎo)致加載路徑控制非常困難，容易出現(xiàn)在不合理的加載區(qū)域內(nèi)加載，成型中將出現(xiàn)破裂、屈曲等失效形式，使產(chǎn)品精度下降，質(zhì)量不合格，甚至不能成型。對(duì)于壁厚較大的管件內(nèi)高壓成形，最佳方法是采用梯度加壓技術(shù)，即在成型過(guò)程中，軸壓是隨內(nèi)壓的增大而變化，研究?jī)烧叩年P(guān)系，找出它們之間的最佳匹配關(guān)系，使成型后的產(chǎn)品質(zhì)量好，精度較高，成型產(chǎn)品壁厚達(dá)到最大值。

2.3 精密法蘭盤(pán)內(nèi)高壓成型技術(shù)研究

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，許多泵閥需要采用高精度對(duì)焊法蘭與之配套，這些法蘭如果采用傳統(tǒng)的鍛造、焊接、鑄造、機(jī)加工等方法生產(chǎn)，加工工序繁多，加工時(shí)間長(zhǎng)，耗材多，成本高，另外，多道工序造成誤差累積，很難保證要求較高的復(fù)雜管件精度。如果采用內(nèi)高壓成型技術(shù)，只需一副模具、一道工序就能完成一個(gè)復(fù)雜零件的成型，且沒(méi)有廢料產(chǎn)生，耗材少，成本低。對(duì)焊法蘭盤(pán)采用內(nèi)高壓成型雖然工序簡(jiǎn)單，但是，它的成形是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，內(nèi)部壓力和軸向進(jìn)給量之間的關(guān)系很難用顯數(shù)形式表達(dá)，對(duì)于不同的形狀、不同材質(zhì)的零件，其參數(shù)是完全不一樣的。因此，對(duì)焊法蘭成型之前，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間且耗費(fèi)大量人力物力的試制過(guò)程，以得到所需的加工工藝參數(shù)，例如尺寸、軸向力、內(nèi)壓力及潤(rùn)滑等。而傳統(tǒng)的試制過(guò)程是一個(gè)“試錯(cuò)”的過(guò)程，取決于試驗(yàn)者的直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和隨著零件幾何形狀的日益復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則只能提供部分的幫助。而且在法蘭內(nèi)高壓成形領(lǐng)域，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)積累和資料庫(kù)仍然相當(dāng)匾乏，因此為了縮短試驗(yàn)時(shí)間同時(shí)降低試驗(yàn)成本，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)幫助對(duì)焊法蘭內(nèi)高壓成形工藝試驗(yàn)與研究，對(duì)焊法蘭內(nèi)高壓成形過(guò)程數(shù)值模擬可以分析成形件的厚度變化、應(yīng)力應(yīng)變分布及成形缺陷等，并可以通過(guò)有限元仿真方便地獲得最優(yōu)加載路徑，得到接近實(shí)際的參數(shù)，可以大大提對(duì)焊法蘭的精度。

3 結(jié)論

盡管內(nèi)高壓成型技術(shù)以節(jié)材、節(jié)能見(jiàn)長(zhǎng)而非常適合于在對(duì)焊法蘭上推廣應(yīng)用，可以有效地減少模具數(shù)量、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率，但是，真正將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，還需要解決諸多技術(shù)問(wèn)題，才能生產(chǎn)處合格的對(duì)焊法蘭。其中成熟的振動(dòng)軸壓技術(shù)可以提高成型的法蘭質(zhì)量，梯度加壓技術(shù)可以擠壓出大厚度法蘭盤(pán)，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以提高對(duì)焊法蘭盤(pán)成型的精度。

［1］劉利軍，等.管材外高壓成型工藝研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].床與液壓,2007，4，35（4）：98-99.

［2］范軍鋒,陳銘.中國(guó)汽車(chē)輕量化之路初探[J].鑄造,2006，55（10）：995-1003.

［3］范軍鋒，等.汽車(chē)輕量化與制造工藝[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009，7（7）：141-143.

［4］何昌德,楊普新.輕量化材料及加工技術(shù)在現(xiàn)代汽車(chē)上的發(fā)展和應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2011（2）：93-96.

［5］陳維,莊千芳.管材內(nèi)高壓成形產(chǎn)品失效機(jī)理分析及對(duì)策研究[J].熱加工工藝,2010，39（17）：104-106.