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摘要：本文介绍了一种多层蜘蛛型头及其研究方法。介绍该封头的结构型式及制造工艺，以及采用该封头的试脸容器的设计试验内容与方法。本文采用有限元法数位分析时封头进行应力分析计算，利用实际应力得到两种方法的应力数据，并沿直线绘制曲线。对比结果表明，这两条曲线非常一致，最终爆破测试面比预测的要高。
关键词：厚壁封头；热拉伸；限元模拟；模拟试验
1前言
目前，我国一些制造工厂生产的高压容器，其封头的头部主要用于锻板。具有大型锻件、大加工、长时间生产周期、低合格率且笨重。为了克服这些不足，河南神州精工制造股份有限公司和通用机械研究所试验了多层球形封头，用于高压容器的密封。本文通过多层球形容器和单层球罐的爆破比较试验，对多层球形密封头的压制过程和性能进行了实验研究。
2半球形封头成形的有限元模拟
2.1过程模拟及变形特点
带4个支撑台（每900一个）的半球形封头成形工艺中，上模采用球形冲孔，模具采用环形模。坯料为圆形，如图1所示。外径ø=5230mm、厚度t=370mm，削边根部直径ø=4000mm，削边高度c=270mm。
图1封头成形用毛坯
模拟条件：空白的初始温度是1000℃，模具初始温度为300℃；材料模型使用A508-Ⅲ钢热模拟试验曲线；冲床的速度是10mm。冲孔与坯料的摩擦系数为0.6。传热系数为2；模的摩擦系数为0.4。传热系数是2。
图2是采用变形-三维模拟的封头工艺。从图中可以看出，拉伸过程是光滑的，支撑平台和凹模之间没有干扰。变形的初始，与坯料中心的第一次接触（图2a）。该地区的金属有局部变薄现象，而坯料的剩余厚度基本不变。随冲头下行，与坯料接触区域逐渐增加（图2b，2c），逐渐变薄的心逐渐变缓，变薄程度加重及邻近区域，形成了最大数量的变薄到金属切向挤压的边缘，直到完全进入密集间隙，厚度增加。当冲头与坯料充分接触后（图2d，2e，2f），原在较厚的坯料边缘，在间隙封头直壁段形成后，壁厚壁厚和壁厚变薄，壁厚变薄，但疏水率降低。当坯料边缘与凹模圆角完全贴合时（图2d），拉拉伸载荷达到峰值。
2.2壁厚分布规律研究
整体与初始板厚变薄，中心角在0-250范围内，沿中心向外壁厚变薄程度增加趋势，即壁厚减小，形成球形壁厚，圆心为220壁厚的厚度为50左右，薄层厚度约为13%。250以后减薄程度变缓，壁厚缓慢增加，与球面中心夹角约600处为另一个较厚点；厚度再一次增加到600~700，也就是说，壁厚又降低了。拉伸后球面部分壁厚分布呈“∽”状。直壁部分的壁厚分布规律是：金属经历了的粗糙的边缘厚度的增加，两个过程的变薄，最后形成后直接反应堆比相应的初始壁厚板厚度显著增加，与直墙高度的增加，壁厚增加趋势，最厚的16%左右。直壁的厚度略低于球体的厚度。
3 影响因素分析
3.1摩擦系数
取摩擦系数分别为0.01，0.4及0.9进行模拟，研结果表明，摩擦系数在成形后对管壁厚度的分布没有影响。当模具与钢坯摩擦系数发生变化时，摩擦系数改变，随着数字的增加，形成负荷显著增加，分别增加47%和08%。垂直墙段高度略有增加。冲孔与坯料之间的摩擦可以使钢坯紧紧包裹在凸模的表面，避免了钢坯的滑移和变薄，有利于钢坯进入凹凸模的凹模。当冲孔与钢坯之间的摩擦系数发生变化时，其成形载荷与摩擦系数的增加基本相同。
3.2凹模下圆角
受高度限制，采用双圆角加斜线的凹模，做图确定上圆角R1=338mm，夹角口α=350，经模拟计算优选与R1和α相匹配的下圆角半径R2。在两个方面需要考虑下圆角半径的选择，即避免对支撑平台的干扰，使头部变薄。在每个参数下，壁厚变化趋势是一致的，但圆角越小，减小的越大，壁厚振荡越大。壁厚的厚度变化是R500mm中最温和的，所有的点都在公差范围内。圆的半径将会继续增大，使得边缘金属的边缘不够强.
3.3凸凹模间隙
凸凹模间隙的影响主要反映在变形后期。间隙小，可增加载荷，减小壁厚厚度。虽然间隙增大可以减小壁厚壁厚，但过大间隙也会导致垂直壁截面高度不足。同时，间隙变化也影响到支撑平台成形后的形状和位置精度，间隙很小时，形成时支撑平台的位置偏离中心位置。相反，它是有意见的。
4 多层球形容器的制造
用热压成型法。将相当于总厚度的层板重叠起来加热之后，一次压成。本次试验共作了三台三层球（编号A、B、C.），并在同一工艺下压制了同一规格的单层球一台（编号D）。另作一件三层半球体（编号E）供解剖用，以了解热压后断面变化规律。
4.1下料
下料选用公式为：D=1.414d
式中：D展开直径；d每层层板的中径
4.2冲压前的点焊及封焊
为了使热冲压成型后，层间没有出现，三层厚度分别为12毫米板校平后，喷砂处理，然后叠在一起，在液压机的压力的情况下，先点焊，然后密封，只有大约20层的发泄差距之间的长度三石，所有焊接夹具。
4.3加热和冲压
加热炉煤气压力为130mmHg，炉温为900OC，最大高炉1045OC~1100OC，加热时间约45分钟，保温时间约为10分钟，成型时间为2~3分钟。上胎直径503.7mm，下胎直径588mm，下圈为圆角75mm，预热至1000~1500C。在冲压、解剖后的E半球横截面上，发现挤压后，除直线附近的外均具有不同程度的稀释程度，从山顶区300中最大的部分减薄量最大，最大减薄量不超过总壁厚的10%；夹层合在一起，间隙约为0.4mm，没有氧化层。
4.4端面堆焊和对装
加热后，半球形表面的端面应面向表面，预焊时加热至约15OOC，焊条规格507ø4，堆焊厚度3~5mm。
5 爆破试脸
对试验容器进行内部压应力测试后，进行了多层头的最终强度和爆破特性，并进行了爆破试验。实验是在研究室内的火山口进行的，通过助推器测试，在初始产量的内衬后，然后逐渐延伸到外壁的整个产量，然后桶向凸起，大的塑性变形，变成一个鼓形，花了四个半小时，试验容器筒体爆裂，爆破压力P=568kgf/cm2。爆破时，引爆点在管子的弓上接管焊接。结果表明，焊缝焊缝处存在缺陷，并无焊接现象。由于钢瓶起爆点接管后，在压力峰值、焊接缺陷、高应力和裂纹下的缺陷扩展作用下，在环的较大间隙下，在扩展的两端和头部的两端都有裂纹。由于材料韧性好，为韧性撕裂度。
结束语：
（1）在本文中，采用多层叠层薄板代替单厚板冲压件是可行的。其影响减少薄单层冲压和无皱纹现象，制造方法简单，由于薄板材料比厚底金属更均匀，特别是在多层钢板的延伸中不易变形，安全性好。（2）大型厚壁后半球形头拉伸成形壁厚分布规律，在子午面和球形零件壁厚分布的中心到边缘“∽”形，直壁部分单调增加壁厚与高度。（3）凸、凹模和空白材料之间的摩擦力对头壁的厚度分布没有明显的影响。增加模具润滑，可有效降低成型载荷，减少壁厚变薄，但保持冲孔与坯料之间适当的摩擦，可以帮助形成正确头部，在一定程度上减少头壁的壁厚。
参考文献：
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论文作者:张立洋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/9
标签：厚度论文; 坯料论文; 摩擦系数论文; 间隙论文; 冲孔论文; 封头论文; 多层论文; 《基层建设》2017年第29期论文;