锅炉集箱封头热挤压成形过程分析

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1、锅炉集箱封头热挤压成形过程分析锅炉集箱封头热挤压成形过程分析江苏扬州正宇锅炉有限公司(225006)顾明慧吴强当前,锅炉集箱封头的加工工艺有两种基本方法,即热旋压成形与热挤压成形.热挤压成形相对热旋压成形更为先进,本文将主要分析集箱封头的热挤压成形.1.热挤压成形原理与成形过程锅炉集箱封头热挤压成形原理,就是将集箱管端变形区加热至950～1150%,在三向不均匀压应力的作用下,产生塑性变形.根据金属热加工理论,金属在热挤压过程中产生热变形.即金属在高于再结晶温度时产生的变形.对于集箱封头热挤压过程而言,其管口变形与油缸活塞杆行

2、程速度有关(热挤压成形是借助油缸活塞杆的推力完成的),其金属再结晶则以与变形温度有关的一定速度来进行.从两者的速度比较可以看出:集箱封头热挤压成形在高于再结晶温度下,以完全能产生再结晶的速度进行的热变形过程.在这样的变形状态下,变形金属具有等轴再结晶组织.2.应力状态与塑性变形任何一种压力加工过程都包括了相互作用的两个方面,即工具一方和被加工件一方.两者之间既是对立的,有作用力及变形抗力存在(尽管力的大小,分布与传递方式各不相同),又统一于特定的压力加工过程中,相互依存.在研究一点的应力状态时,自变形物体内分离出一个微小的基本

3、正方体(这个正方体实际上与该点相重合).在所取的正方体上,作用着未知大小但已知方向的应力,这种表示点上主应力个数及其符号的简图,称为主应力状态简图,或称主应力图(见图1).l1}11flf句句周1主应力图圜鲑艘缸板l,':热加工从理论分析的角度来看,主应力图共有9种:即4个三向主应力图,3个平面主应力图和2个单向主应力图.在金属压力加工过程中,最常遇到的是同号及异号的三向主应力图,在异号三向主应力图中,又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图最为普遍.而在生产实践中,例如在简单镦粗时,由于摩擦力的作用而呈现三向压应力(见图2)

4、状态.集箱封头热挤压成形时,其应力状态具有简单镦粗的性质.图2简单镦粗(1)集箱封头热挤压成形的应力状态作用在集箱管口变形区外表面的挤压力,属于集中载荷的表面力.这个表面力一开始就集中笼罩在整个集箱管口,并渐次推向变形区的整个外表面,以至变形区的几何形状完全吻合于缩口模具的半球状型腔为止(见图3).12,八,,'7,//f/,\\,,,,,—//\\图3集箱热挤压应力状态图1.集箱2.缩口模具3.椭圆心柱从受力的方向性分析,主要承受切向压应力.与厚度不小于3mm的板料弯曲时的应力状态相似,即切向外区受拉,内区

5、受压;厚向外区在厚度方向产生压缩应变,变形金属有向曲率中心移近的倾向,越靠近外表面的金属,其切向拉伸应变越大,这种不同步的转移,就在板厚方向产生了压应力.在板料内区,沿板厚方向的拉伸应变受到外区金属向曲率中心移近的阻碍,也同样产生了压应力.就集箱而言,宽向可以理解为圆面或半球面;由于外区金属收缩受阻而产生拉应力和内区金属伸长受阻而产生压应力.(2)应力应变对塑性的影响当侧向压力已经产生并渐次增大时,金属的晶间变形将会被晶内变形所代替;侧向压力增加会使晶问滑移困难,因而变形会向晶内发展.应力状态的改变使晶间滑移不易产生,从而减少

6、了晶间物质被破坏的可能,也就是减少形成扩展的倾向,提高了塑性.在应力状态中,压应力的数目及数值越大,拉应力的数值越小,金属的塑性就越高.同为三向压应力图,其中以挤压法塑性最高.这里面当然还有一个变形速度问题,变形速度越大,塑性变形产生的热也越多.在变形过程中,这样的热效应还会提高金属变形的塑性,减少变形抗力.由于集箱缩口在热挤压成形过程中,应力状态为三向压应力,因而具有较高的塑性,有利于集箱封头的缩口成形,从工艺分析的角度来说,这正是我们所需要的.因此,有效地利用金属的塑性,不仅决定于被加工金属的材料,而且在很大程度上取决于加

7、工的条件.(3)成形温度在热挤压成形过程中,加热温度对金属材料的塑性及其变形抗力有很大的影响,一般是随着温度的升高,塑性增高,变形抗力减小.在金属热加工中,最有利的温度范围是1000—1230℃.图4中1,2,3表示塑性增高的区域(凸峰),其中第三个区域的温度为9501250%.在这个区域中没有相变,钢的组织成分是最一致的奥氏体.故此,集箱封头(材料2Og)热挤压成形的最佳温度应选择为950—1150qc.根据《金属压力加工原理》,集箱封头在缩口过程中图4钢的塑性温度曲线有向各个方向移动的可能性时,变形物体每个质点沿最小阻力方

8、向移动",图5中弧形箭头表示模具型腔空隙区,正是变形金属流动的最小阻力方向.图5金属向最小阻力方向流动1.集箱2.缩口模具3.椭圆心柱缩口模具在油缸活塞杆推力的作用下,向已经预热至塑性变形温度的集箱管口迅速的挤压过来,加工金属被迫向半球模具型腔空隙区流动,并渐次形成半球状.3