罐體人孔翻邊成型工藝研究

羅煥云 賈汝唐 白偵正

（中車西安車輛有限公司，陜西 西安 710086）

1 問題的提出

目前，鐵道罐車罐體采用的都是圓柱或錐體結構，在罐體上設置了人孔、安全閥等配件，這些配件的組裝主要存在以下幾個方面問題：（1）罐體人孔處明顯塌陷；（2）人孔裝配與罐體焊縫處，在罐體檢修過程中有裂紋出現；由于開孔使罐體材料被削弱，人孔局部剛度減弱。在化工容器及電力設備中，與人孔類似結構基本都采用翻邊結構形式。通過對罐體人孔裝配采用插入式組焊和翻邊式兩種結構的車體靜強度計算分析結果進行對比分析，無論插入式組焊還是翻邊式結果都表明，第一工況拉伸組合載荷、第一工況壓縮組合載荷以及第二工況都顯示罐體上最大應力均小于所用材料許用應力，能夠滿足罐體強度要求，但是翻邊式由于采用了圓弧過渡，應力集中程度相對減小很多。人孔翻邊一方面對罐體壁的開孔處起到了加強作用，可有效解決現有罐車在制造中容易出現人孔部位罐體的塌陷；另一方面與之連接的焊縫可獲得較高的焊縫系數，同時罐體水壓試驗以及清洗時，罐內液體宜于排凈，減少殘余液體對罐體的腐蝕[1]。

2 研究對象的確定

罐車人孔翻邊是在已卷制完成的筒節上進行預制底孔，在翻邊機上依靠模具借助材料的變形沿筒節曲線，翻成豎立的凸緣，翻邊完成后要求筒節邊緣周長不得出現收縮，不得出現裂紋、破裂及劃傷[2]。結合現有鐵路罐車各型車參數及未來可能發展的趨勢，確定選用：復合鋁（S501-O）厚度20+4、Q345A 厚度10、不銹鋼（316L）厚度10、Q450NQR1 厚度10 等四種為代表材質，設計尺寸參數復合鋁以濃硝酸罐車為代表車型，其它材質設計尺寸參數以GQ70 型輕油罐車為代表車型。本次試驗以這四種材質兩種車型參數確定為工藝研究對象。

3 工藝分析

3.1 參數確定

3.1.1 孔徑、翻邊高度的確定

通過對現有人孔尺寸進行綜合分析及對工藝裝備的調研[3]，確定翻邊的人孔直徑保持現有人孔孔內徑Φ500mm。翻邊凸緣高度大小等與材料性能、厚度、預制底孔尺寸有關。預開孔尺寸越小，形成的豎邊高度越高，材料的變形越大，端部開裂的可能性越大。從材料的性能上分析計算翻邊高度原則上不得超過50mm，從焊接角度考慮，其開孔翻邊高度越大越好，不得低于25mm，因此翻邊高度暫確定為50mm。

3.1.2 過渡圓角的確定

由于車體靜強度計算表明罐體最大應力位于翻邊人孔過渡圓弧處，因此過渡圓弧選取的大小對車體來說很關鍵，從沖壓性能來說一般R 在30～80mm 范圍內較合適[4]，使用有限元對過渡外圓角R 為30mm、40mm、50mm、60mm為例，以80t 級罐車為分析對象，分析了車體在第一工況拉伸、第一工況壓縮、第二工況壓縮三種工況下翻邊人孔的受力情況，當板厚為8mm 時，不管圓角半徑多大，基本均不能滿足TB1335 對應工況下材料許用應力的要求；當板厚為10mm，各圓角半徑均能滿足要求；相同車型、工況、材料，不同轉角半徑下同，人孔處受力大小不同，半徑太大或太小均會使人孔處受力增大，合適的半徑在R40～50 mm。受翻邊高度的限制，R50mm 形成的直邊段太短，不利于翻邊成型質量。因此過渡圓角確定為R40mm。

綜上所述，人孔的翻邊結構尺寸初步確定如下：翻邊高度結合暫確定為50mm，過渡外圓角定為R40mm，罐體直徑分別為Φ2548mm、Φ3170mm，具體尺寸見下圖1（GQ70型輕油罐車尺寸）。

圖1 人孔翻邊尺寸示意圖

3.2 難點分析

筒節滾制后，預制孔的切割導致孔邊緣材料的狀態比沖裁、切削的伸長變形能力減少30%～80%，由于切割邊緣的加工硬化層、表面的凸凹不平乃至微小裂紋的存在等原因，使其伸長變形能力相對于母材大大下降，嚴重影響翻邊質量。怎樣消除材料孔邊緣的加工硬化層，改善材料切割孔邊緣的條件來有效地提高其變形能力，是本次研究的難點。從不銹鋼及碳鋼材料相圖上分析，孔邊緣消除加工硬化方法是將翻邊部位板料火焰加熱到回復溫度450～600℃后空冷，再進行翻邊，有效避免翻邊后開裂及裂紋的產生。從復合鋁來說，材料的沖壓性能主要取決它的基層5052 鋁鎂合金的性質，在冷塑性變形時，鋁鎂合金具有較高的硬化傾向，這將大大降低材料的塑性，沖壓性能變壞，對翻邊成型影響較大。針對鋁美合金材料的這一特性，在人孔翻邊時進行加熱，可以改善它的大大沖壓性和減小回彈，因此復合鋁翻邊需在熱態進行，溫度加熱到200～350℃。另外對于要進行翻邊的鋁材除翻邊時加熱外，還必須要求板料為退火狀態，以便大大提高其塑性，得到材料的最大變形。必須注意的是加熱溫度是保證翻邊的質量關鍵點[5]。

總之，翻邊質量除與材料性質外有關，翻邊過程進行的時間也是影響翻邊質量的很重要的因素之一。如果翻邊速度較快，材料變形的時間短，翻邊力傳遞過快，造成材料變形不充分，破裂就較容易發生；選用液壓傳動的翻邊機，由于其速度可進行調整，力量傳遞較柔和，發生破裂的可能性就小得多，所以在人孔翻邊時優先選用液壓傳動裝置的翻邊機，嚴格控制翻邊的速度，是保證翻邊的質量又一關鍵點。翻邊力大小主要與材料的種類及性能、預制孔的加工性質和狀態等因素有關，還與凸模型式及凸、凹模間隙有關，綜合各因素，計算得出人孔翻邊力大約需要300t。

4 工藝試驗過程及數據分析

人孔翻邊試驗采用內孔翻邊的形式，為保證試驗數據的真實性，試驗所用板料要求周長方向不得小于整個筒節周長的1/6，寬度方向離人孔邊距離不少于200mm，在預先加工好的筒節上開預制孔，其開孔的大小應用計算機軟件造型，按線展開法進行，開成橢圓形孔。經計算碳鋼及不銹鋼材質的筒節直徑為Φ3170mm，需開制長軸約為430mm，短軸約為400mm 的橢圓孔；復合鋁材質的筒節直徑為Φ2548mm，需開制長軸約為440mm，短軸約為400mm 的橢圓孔。制作樣板、劃線、開孔，開孔后打磨毛刺使曲線過渡光滑。按照以上分析相關要求分別對四種板料加工孔的邊緣約100mm 附近進行加熱處理，翻邊成型[6]。

通過對兩種車型參數四種材質板料人孔翻邊進行成型性試驗，試驗完成后對過渡圓弧處內外表面及直邊部位仔細觀察未發現有裂紋、開裂及劃傷現象，筒節邊沿周長未出現收縮，并對凸緣上平面尺寸及高度、孔徑等進行測量，并對數據進行分析可以得到：（1）冷拔成型的低合金鋼、不銹鋼材質成型前后板厚減薄量較小，最大差值0.257mm,采用熱拔成型鋁材成型前后板厚減薄量較大,最大差值2.18mm；（2）冷拔成型的低合金鋼、不銹鋼材質人孔的直徑比理論值偏大，最大偏差3mm，熱拔成型鋁材質人孔的直徑由于脹冷縮于熱原因比理論值偏小，最大偏差2m；（3）人孔翻邊高度相對應的兩邊存在偏差，最大相差為5mm，主要是由于在壓型時模具中心與筒體開孔的中心不重合引起，此偏差可通過加強管理、提高工人的操作技能來得到改善[7]。

5 結語

經過對四種材質兩種車型參數的試驗結果分析，證明人孔翻邊技術能夠在鐵道罐車使用。目前此結構已成功應用在濃硝酸罐車及80t 級罐車中。