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单焊缝弯头的冷冲压加工工艺开发
摘要:
这篇文章介绍了采用冷冲压技术加工单焊缝弯头，这种工艺具有无需加热，无需整圆，和单一焊缝的优点。此工艺尤其适用于大直径薄壁深水管道弯头的加工。其主要的加工工序有下料，加工焊接坡口，U型成型，O型成型，焊接和切边。原毛坯是通过Dynaform软件反推计算得到，运用ABAQUS软件建立冷冲压加工有限元模型模拟在不同的工艺参数下坯料的变形过程。这种工艺所用的成型模具已经被设计并经过实验证明。最后，对U型成型和O型成型过程进行了分析并研究了可能起皱的原因。实验证明:当压缩比为0.75%和U型凸模与凹模间隙为1.05倍的料厚时，管道弯头的成型质量好。通过实验和有限元法测试了几何参数，结果显示此工艺加工弯头圆度误差小于0.6%，最大增厚量小于12%，最大减薄量小于8%。所有的实验结果证实了冷冲压加工单焊缝弯头工艺的可行性。
关键词:单焊缝弯头，冷冲压，下料，U型成形，O型成形，数值模拟
1引言:
管道弯头是高压管道系统中最重要的配件之一，它用来改变管道的方向，常见的用途有石油管路，建筑，航空航天领域，船舶领域及其涉及产业。为了将弯头生产提高的更高的水平，制造商已经不断的去提高生产工艺和发展新型机械。研究低消耗高质量的弯头生产工艺技术对于许多制造商和研究人员已经成为了一个热门的话题。目前有许多塑性成形技术，例如顶弯，激光弯曲，感应加热弯曲，冷弯，液压胀形等等。
Colas et al.[1,2]采用建立有限元模型模拟了锻造无缝弯头并对其在不同几何部位和加热模式下的成型结果。Lu et.[3] 也模拟了热加工成型并优化其加热温度，弯曲压力，摩擦系数以及其他工艺参数。Zhang et al.[4]提出了激光弯曲管道实现弯曲变形的理论，是基于连续的激光束扫描在管道表面产生非均匀热应力理论。Collie et al.[5，6]开发了一种简单的感应弯曲过程分析模型来预测金属几何变形并确定各种因素对变形的影响。Guo et al.[7]利用有限元法模拟了局部感应加热弯曲过程，并基于仿真结果进行了成型实验。以上的这些成型管道弯头技术都需要热源。
冷转弯管是一种广泛应用于工业的数控金属成型工艺。并且其已经成为一种超前的塑型成型工艺来加工薄壁的管道组件通过整合传统的冷弯加工工艺和数控加工技术。具有多种工具约束和严格控制的装备，可以准确地实现具有小弯曲半径的复杂空间弯曲组合。该工艺具有快速批量生产能力、高效率、节约成本、产品质量稳定等特点[8-12].为了计算适当的弯曲度和避免起皱、过度薄化和扁平化，提出了一种以计算机为基础的综合方法，即Tube ProDes[13]，以指导旋转拉伸弯曲的工艺设计。 它可以通过改变管状几何和材料，提供一个可行的过程来形成一个弯曲的管子。Baudin et al.[14]提出了一种用内压和刚性模具弯曲直管的方式来冷弯成型弯头装置的理论。内压是用来预防起皱和屈曲。刚性模是用来
引导直管在其受到模具压力时进入管道弯头模具。为了克服在传统技术制造大管弯头方面的困难，Yuan et al.[15,16]提出了一个制造管弯头的水力成形过程。 通过对应力的分析，得出了最终的几何成形压力。实验发现当初始坯料的形状设计的好时更容易得到很好的曲面壳体。Wang[17] 我模拟了一个冷冲压过程，形成了一个大的对接肘部，并开发了一套用于实际生产的模具。然而，弯头通过两次处理成型会有两条甚至更多的焊缝，这样就不能更好的承受高压条件。Montazeri et al.[16]提出了一种适用于薄壁弯管的液压弯管方法，在此基础上，可以同时利用压缩力和内部压力，更好地控制弯曲过程，形成薄壁管。它的弯曲半径小于管道直径的1.5倍。
海床上有大量的石油和天然气能源，然而，它们的开发为管道生产带来新的挑战。Collie et al.[18]简短描述了三种弯头成型技术，热锻、冷锻和感应弯曲，比较每种方法的产品的几何变形、冶金反应、耐腐蚀性能、抗性和机械性能，并得出结论：冷成形有几个明显的优点，并建议由管道工程师在为复杂的水下管道工作冷冲压加工设计弯头时，对管道弯头有更全面良好的考虑。由于模具的严重磨损，弯头冷锻技术并没有被广泛应用。目前其他的冷成型加工理论适用于小弯曲管道，并且会产生很多的焊缝。通过传统的冷成型工艺生产管道弯头理论并不能更好的服务于深水高压的情况下。比较UOE成型管道和UOC成型管道，Herynk et al.[19]得出的结论是，用压缩代替膨胀不仅能缓解UOE成型时塌缩压力的降低,而且当管道处于外部高压环境下时，会导致抗破坏性能显著增加。为了开发水下能源，非常有必要发展一种压缩成型的冷冲压加工理论来加工大直径弯头。
这篇文章提出一种冷成型工艺加工单一焊缝弯头。一个倒装模拟模型和正装模拟模型已经被开发，初始的坯料形状通过数值模拟软件反推计算出来，弯头成型工艺参数由ABAqUS软件计算得到。并由此计算获得了适当的压缩比和U型冲头与模具之间的合适间隙。通过实验验证了冷冲压工艺的可行性。这项工作将为管道弯头制造商提供重要的技术支持。
图1：工艺流程
2.工艺流程
如同1所示，单焊缝弯头冲压工艺是压制成形方式。
（1）初始毛坯的厚度与理想弯头的厚度相同，初始毛坯的外形尺寸由Dynaform软件计算。
（2）之后相应的加工坯料两段的焊接坡口。
（3）坯料的横截面变形为U形轮廓（U-成型）。
（4）U形轮廓的半成品作为下一阶段的坯料进一步冲压成O形（O-成型）。
（5）O形工件开口缝的两端用焊接方法连接起来，得到一个焊接管道弯头。
（6）根据弯管的尺寸标准，去除弯管两端多于的材料，修边后得到合格的管道弯头。
如图2所示，主要的成型工艺有U形和O形两种。成型工具由U形冲头，O形冲头，冲模和两个侧板组成。U形冲头的外形尺寸与弯头内壁的外形相同 O形冲头和模具的外形与弯头外壁的外形相同。U形冲头和O形冲头固定在活动的模架上，凹模固定在压力机工作台上。在两个侧板的约束作用下，当U形冲头向下移动时，获得具有U外形轮廓的工件。随后移除两个侧板，然后换用O形冲头，O形冲头向下移动，获得开口焊缝管道弯头，如图2所示。与传统的弯头成型工艺相比，单焊缝弯头冷冲压成型工艺具有以下优点:（1）这种成型工艺加工的弯头仅有一个焊缝。（2）加工成型弯头能够满足API 5I[20]的标准要求，而无需任何额外的调整圆度的工艺。（3）成形工具简单，无需安装任何内置的芯棒部件。（4）初始坯料使用的是金属板料，而不是管料。（5）整个过程不需要加热。因此，本发明特别适用于大直径薄壁深水管道弯头的成型，将按照现代绿色制造模式的要求进行大规模生产。
图2：弯头成型过程示意图：（a）U形成型和（b）O形成型
3.坯料的外径尺寸
3.1弯头特性
一个关于90度弯头的研究。如图3所示，其外径OD为100mm，厚度t为2.5mm，弯曲半径R为外径的1.5倍。材料为Q235-A（中国标准），材料的机械性能由图4所示的单轴拉伸试验结果提供。
图3：弯头尺寸 图4：Q-235A的机械性能
3.2坯料尺寸估算
MSTEP为迭代一步解决方案提供了一种选择，以便以稍长的计算时间获得更精确的结果。利用UG NX软件建立了理想弯头的三维集合模型，然后从模型中提取出外壳并导入到Dynaform软件中。将单元尺寸设置为2mm，毛坯厚度设置为2.5mm后，程序将自动提示模型网格，并使用MSTEP估算毛坯轮廓尺寸。结果如图5所示，一步逆推有限元法是基于毛坯到零件一步成型的假设。然而，单焊缝弯头是通过二次成形、三次成形和O形成形获得的，因此毛坯尺寸误差是不可避免的。为了对两端坡口成型加工后的平面进行划线，毛坯在X方向上需要一定的加工余量。图3中的引渡线PQ的一半展开以对应于图6中的反向计算坯料的线OC，45度横截面MN的一半对应于线OA。需要在OC长度上预留5%，来作为弯头两端的加工余量。另外，为了提高弯头的圆度，坯料还需要在y方向上有一定的压缩量。
图5：坯料外形和尺寸 图6：坯料外形轮廓
4.有限元与实验装置
4.1有限元
利用ABAQUS 6.10软件建立了单焊缝管道弯头成型过程的三维有限元模型，如图7所示。这个模型由两副冲头和一副模具组成。在U形成型工艺和O形成型工艺中共用一副模具。考虑到变形条件的对称性，实验仅分析了模型的四分之一。将坯料离散为总共8473个8节点线性六边形不相容模式单元（C3D8I）。假定所有成形工具为离散的刚体模型。工具与板之间的接触设置为纯摩擦和运动学接触条件。摩擦系数为0.1，首先利用ABAQUS/显式分析模块对管道弯头成型过程进行模拟，然后将成形板导入ABAQUS/标准分析模块进行回弹分析。冲头与模具之间的间隙值t0依次设定为坯料厚度t的1倍、1.05倍和1.1倍。 Ren et al.[21]研究了UOE成形工艺中压缩比对大直径焊管生产的影响，提出了提高压缩比可以使焊接管道更加圆滑的观点。在UOE的O形成形过程中，压缩比一般为0.2~0.4%。在本次研究中，由于焊接后没有膨胀过程，因此有必要选择较高的压缩比以满足圆度的要求。压缩量zeta;设定为长度OA的0.75%和1.5%。
图7：有限元模型
4.2实验装置
为了验证单焊缝弯头冲压工艺的可靠性，进行了实验。下料切割尺寸是根据有限元法得到的毛坯外形尺寸完成的。实验过程如图8和9所示。实验在YA-315液压机上进行，最大吨位3150KN，位移控制精度0.5mm。采用机油润滑。用3000ITM系列便携式坐标测量机（CMM）测量了成形弯头的几何参数，测量精度为0.01毫米。
图8：U形成型工艺
图9：O形成型工艺
5.结果和讨论
U形成形工艺是一种弯曲和拉伸的复合工艺，O形成形工艺是双轴弯曲和圆周压缩的组合变形工艺，因此单焊缝弯头的冷冲压成形工艺是一个复杂的过程。
5.1U形成形
如图10所示，通过向下移动U形冲头同时保持模具静止来实现U形成形的过程。在整个U形成形的过程中，坯体经历三个阶段:自由弯曲，滑动和拉伸。图10a展示了毛坯和工具在冲压前的最初始状态。首先，U形冲头向下移动，直至与坯料紧密接触，之后坯料弯曲变形，如图10b所示。然后坯体材料在压力的作用下在U形冲头和凹模之间滑动，如图c所示。之后，在U形冲头继续向下移动时，毛坯紧密的贴合在模具上，如图10d，e所示。当间隙t0是坯料厚度的1.1倍时，起皱将会位于坯料的末端发生，如图11a所示。当模具间隙t0等于坯料厚度t时，如图11b模拟所示，结果是由网格产生大的拉伸变形引起的失效。当间隙值为毛坯厚度的1.05倍时，将会得到满意的结果，如图10e所示，等效塑型应变（PEEQ）低于0.2并且均匀的分布在毛坯的大部分区域。U形成形过程中的力-位移变化曲线如图12所示。根据曲线可以得出，在自由弯曲阶段，力缓慢增加至最大值6.93KN，然后在滑动阶段，力的变化非常小且比较缓慢，在最终毛坯与模具的紧密贴合，拉伸变形阶段，力的最大值可达151.03KN。
图10：U形成型模拟
图11：间隙值的影响
图12：U形成型过程中力-位移的曲线
5.2O形成形
O形成形工艺通过使用O形冲头和凹模进行加工，其凹模与U形成形过程中的凹模相同。如图13所示，随着O形冲头向下移动并且凹模静止，坯料的直壁部分被弯曲直至与O形冲头的内壁接近，使得坯料逐渐变成O形，得到在工件的上方有开缝的横截面为圆管的弯头。实验结果表明，当压缩比为0.75%时，成型弯头的质量很好，如图13d所示。如果压缩比为1.5%，则会出现起皱现象，起皱位于弯管的中心，如图14所示。
图13：O形成型工艺模拟
图14：压缩比为0.5%时的现象
图15展示了O形成形过程中的力-位移的变化曲线。O形冲头需要提供的压力随着坯料从U形变为O形的变形而缓慢增大，随着压缩比的增大而迅速上升，最大值达到168.57KN。图12和图15为压力机的选择提供了基础。
图15：O形成型中力-位移曲线
如图16所示，来自FEM和实验的成型弯头（t0=1.05t，zeta;=0.75%）具有相当好的外观并且没有任何起皱，裂纹或者是其他缺陷。
图16：有限元和实验结果：（a）模拟（b）实验
5.3几何参数检测
根据API5L[20]，来自FEM和实验的成形弯头经受计量检测，数据包括两个端面之间的角度，椭圆度，壁厚和其他几何参数。
5.3.1两个端面之间的角度将有限元模型所形成的弯头端面上的节点投影到弯头曲面上，然后将投影点进行线性拟合，如图17所示。
图17：拟合投影点
如图17所示，可以看出，几乎所有的投影点都位于拟合线附件。线性拟合方程的斜率为1.09983，即两个端面之间的角度为95.44度。实验中实测值为94.21度。因此，多于材料被切除后成为90度弯头。
5.3.2端面的质量
端面椭圆度是形成弯头的重要参数之一，与管之间的焊接质量直接相关。 API5L规定外径偏差在名义外径的plusmn;0.75%以内[20]，即在本研究中认为圆度偏差在1.5%以内。通过将从FEM计算出的成形弯头端面上的节点导入用于椭圆拟合的Imageware软件中，通过以下等式获得椭圆度。公式中，delta;表示椭圆度，Dmax所拟合椭圆的主轴的最大轴径，Dmin是拟合椭圆的短轴的最小轴径。
拟合结果表明，椭圆率为0.57%。
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