不銹鋼進氣管擴口工藝設計

王躍臻，王延欣，陶阿嶸

（1.山東科技職業學院，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261001）

不銹鋼進氣管擴口工藝設計

王躍臻1，王延欣2，陶阿嶸1

（1.山東科技職業學院，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261001）

介紹一種兩端為圓筒、中間為錐部過渡的進氣管零件的擴口脹形工藝方案的確定及實施驗證過程，闡述不銹鋼管擴口脹形工藝成形特點，對擴口脹形過程中的管坯受力狀況進行分析，計算管坯擴口毛坯高度、擴口脹形系數和伸長率，對需控制解決的關鍵性技術進行研究分析，對產品的工藝性作了適當改進。

擴口脹形；脹形系數；破裂；失穩；變形趨向

如圖1所示某公司不銹鋼進氣管零件，材料0Cr18Ni9,壁厚1.5mm。零件批量中等，產品尺寸精度一般，外表面的表面質量要求較高。

圖1 零件圖

1 工藝分析及計算

1.1 成形工藝方案確定

該零件兩端為直徑不等的圓筒形狀，中間是錐部過渡。根據產品圖分析，有兩種不同的成形方案，如圖2所示。

圖2 兩種工藝方案

方案1采用縮口成形，需要在外徑為109.5mm的直管的基礎上進行縮口。直管毛坯需特別定制，且縮口成形模具結構制造困難，對于中等批量的產品來說，模具成本過高；而方案2采用擴口脹形方案，利用直徑100mm的直管毛坯進行擴口脹形，其模具結構比方案1簡單，模具加工制造容易。所以，采用方案2工藝成形。

對該零件結構形狀尺寸進行分析，考慮采用直徑?100×1.5的管材擴口后沖孔，再在兩端起箍的工藝方案成形。本文針對該方案中的擴口工藝進行設計研究。

1.2 擴口脹形工藝分析

擴口是將空心件或管子端部直徑加以擴大的沖壓工序[1]。管材擴口脹形是在壓力作用下使管材沿徑向擴張的成形工藝。管材脹形的方法很多，根據脹形時變形條件的不同，可將脹形方法分為三類：自然脹形、軸向壓縮脹形、復合脹形。在脹形過程中，若僅對管坯內壁施加徑向壓力（內脹力），其脹形成形主要靠管壁厚度的局部變薄和軸向的自由收縮（縮短）來完成，則稱為自然脹形[2]。

本方案中的管件擴口脹形采用自然脹形，主要依靠產品毛坯壁部的局部厚度變薄和軸向的自由收縮來成形，最終使右端的口部徑向尺寸變大，毛坯的最小內徑保持?100不變。對于軸向有收縮的變形方式，是指在脹形部位局部變薄的同時，還伴隨著管坯軸向的自由收縮，從而使軸向收縮部分的材料補充到脹形部位，緩解了脹形區材料的不足，故脹形成形極限要比軸向無收縮的自然脹形大。成形極限增加的多少與軸向自由收縮量的大小有關。一般說來，脹形部位越靠近管坯端部，且脹形區形狀為軸對稱時，軸向收縮量就越大，成形極限就越高[2]。

1.3 脹形系數和伸長率計算

脹形時的變形程度受材料的極限伸長率限制，一般用脹形系數Kp表示。Kp=dmax/d0，其中dmax為脹形后最大直徑，d0為脹形前毛坯直徑。則產品成形的脹形系數

而伸長率δ=（dmax-d0）/d0=9.5%，查閱沖壓手冊，不銹鋼0Cr18Ni9的極限脹形系數為1.28，而許用伸長率[δ]=35%，即產品成形的脹形系數小于極限脹形系數，伸長率小于許用伸長率，故可以通過一次擴脹成形來完成。

1.4 產品毛坯高度計算

查詢手冊可知，對于帶圓筒形部分的擴口件，按照下面公式來計算擴口毛坯的高度：

計算得H0=223，其中h1=60，d=109.5，d0=100，sinα=0.046。由于產品尺寸精度要求一般，所以不留切邊余量。

2 成形特點及變形趨向控制

擴口脹形過程中，管坯在內壓力p作用下自然脹形，其力學模型如圖3所示。脹形變形區主要承受雙向拉應力的平面應力狀態和兩向拉伸、一向壓縮的應變狀態。由于脹形區材料處于雙向受拉的不利變形條件，其成形主要靠管坯壁厚的變薄和軸向的自由收縮（縮短）來完成，故脹形區極易嚴重變薄甚至破裂。因此，控制脹形區材料的過度變薄和防止破裂，是自然脹形工藝需要考慮的主要問題[2]。

圖3 自然脹形的力學模型

3 模具結構

圖4 模具結構

根據以上分析計算，設計如圖 4所示模具結構，使直徑100mm的毛坯通過定位圈定位放置在下模，擴口脹形過程中隨著凸模下行實現管坯的逐步脹形。

4 工藝方案驗證實施

按照方案2設計并制造模具后，對此方案在200t油壓機上進行了工藝驗證，發現在擴脹成形時經常出現開裂、脹形時管坯底部失穩現象，廢品率較高，竟達28%左右；同時，由于擴脹過程中拉延油炭化，管子內徑清洗困難，易造成清潔度超標。為此，再次對該工藝方案進行深入研究、分析改進。

通常情況下，擴口凸模的表面質量、精度以及擴口毛坯的整潔程度、端部是否有毛刺等因素可影響擴口脹形的開裂，工藝驗證過程中對此加強了控制，雖然零件開裂現象有所降低，但管料毛坯失穩現象并無明顯降低。所以還應從其他方面尋找突破口。

0Cr18Ni9鋼是奧氏體不銹鋼，但一般同時伴生有δ鐵素體。由于δ鐵素體屈服強度高于奧氏體而延伸率低于奧氏體，因此在大的塑性變形中，δ鐵素體與奧氏體的塑性流變不匹配，易導致在δ鐵素體與奧氏體的相界面上萌生微裂紋，且變形越大，裂紋擴展越長[3]。

鋼管在擴徑力作用下，其成形變形符合“沖壓成形變形的趨向性原理”。從該原理可知沖壓變形力是通過毛坯的傳力區而施加于變形區，使其產生塑性變形。在成形過程中，變形區、傳力區的范圍及尺寸不斷變化和互相轉化，當變形區或傳力區有兩種以上的變形時，則首先發生的是需要變形力最小的變形方式，它首先進入塑性狀態，產生塑性變形[4]。在工藝過程設計和模具設計時，除要保證變形區為弱區外，同時還要保證變形區必須實現的變形方式要求最小的變形力。

擴口時變形區材料主要受切向拉應力作用易于破裂。同時，在非變形區（傳力區）筒壁，在擴徑力作用下（進氣管零件錐形過渡部位擴口脹形所需擴徑力）對管坯傳力區產生軸向力。當該軸向力等于或超過壓桿出現縱向彎曲失穩時的臨界力時就會造成管坯底部彎曲失穩。故擴口脹形的極限變形程度除受破裂條件限制外，還受失穩條件限制。

因此，為避免擴脹過程中管坯底部失穩，同時減少擴口脹形中的開裂現象，考慮降低進氣管零件錐形過渡部位擴口脹形所需的擴徑力。根據擴口脹形的特點，查閱資料手冊，可知擴徑力計算公式為：

式中：P——擴徑力；

σb——材料的抗拉強度；

t——管料料厚；

D——管料擴徑后的最大直徑；

F——擴徑面積。

由上式可知，在利用直徑100mm的直管擴脹到109.5mm過程中經常出現開裂、皺折失穩現象，廢品率較高的原因是過渡部分過長，此時不銹鋼管在擴脹變形時對管材的材質、壁厚和模具間隙、模具潤滑都有嚴格要求，上述條件稍有變化就會出現前述的開裂失穩現象，造成長期以來零件廢品率居高不下，材料浪費嚴重。如果在滿足進氣管零件的進氣排量要求的前提下，不改變材料壁厚、擴口前后毛坯直徑的條件下，只減小進氣管零件錐形過渡部位長度即可明顯減小擴徑力，從而減小作用在管坯底部所受軸向力，從而解決上述問題。

通過與產品設計部門的對接溝通，在能夠滿足進氣管零件的進氣排量要求的前提下，將圖1所示進氣管零件作了改進，縮小了其錐部過渡部位的尺寸。改進后的零件如圖5所示。對模具中的凸模結構也作了相應的改變，如圖6所示。

圖5 改進后的零件圖

圖6 改進后的模具結構

改進后的模具順利驗證成功，零件擴脹合格率達98%，成功解決了零件開裂和端部彎曲失穩現象，使零件生產成本極大降低，收到良好的經濟效益。在滿足產品使用要求的前提下，適當對產品的工藝性進行改進，力求獲得最佳的經濟和社會效益。

[1]肖祥芷，王孝培.中國模具設計大典（第3卷）[M].江西：江西科學技術出版社，2003.

[2]王同海，編著.管材塑性加工技術[M].北京：機械工業出版社，1998.

[3]何 曉.1Cr18Ni9Ti不銹鋼導管擴口開裂分析[J].理化檢驗（物理分冊），1995，（2）.

[4]韓來福.擴口、縮口復合成型工藝分析與應用[D].全國機械裝備先進制造技術高峰論壇文集.

Process design of air inlet pipe diffuser of stainless steel

Wangyuezhen1,WANG Yanxin2,TAO Arong1
（1.Shandong Vocational College of Science and Technology,Weifang 261001,Shandong China; 2.Weichai Heavy Machinery Limited Co.,Weifang 261001,Shandong China）

In this paper,a new method for the determination and implementation of the expansion process of the expansion of the air inlet pipe with an end part of a cylinder shaped cone part is introduced.In this paper,the forming characteristics of the expansion process of the stainless steel tube is expounded,and the stress state of the tube blank in the process of expanding the tube blank is analyzed.The height of the tube,the expansion coefficient and the elongation at break are calculated.And the need to control the key technology to solve the analysis,the process of the product to make a proper improvement.

Expansion;Expansion coefficient;Fracture;Instability;Deformation trend

TG386.43

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.021

1672-0121（2016）06-0084-03

2016-10-15；

2016-11-20

王躍臻（1972-），女，高級工程師，從事沖壓工藝與模具設計教研。E-mail：wangyz199609@163.com