DN300大规格90°铜镍合金弯头推制成形工艺研究.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式：郑丛芳,周铁柱,杨青云,周振亚,郁炎.DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究 J.铜业工程,2023(3):75-84.DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究郑丛芳，周铁柱，杨青云，周振亚，郁炎（中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）摘要：随着船舶和海洋石油工程平台的大型化，大规格铜镍合金弯头管件的市场需求随之增加。相较于传统过球法成形的弯头，冷推制弯头工艺具有较高的生产效率和稳定的成形质量。尽管冷推弯头工艺具有较大优势，但成形过程中也存在外侧壁厚减薄破裂、内侧失稳起皱、端面畸变等缺陷。针对DN300大规格90铜镍合金弯头成形过程中出现开裂、起皱等现象，造成表面质量差、成品率低的问题，本文采用有限元方法，建立DN300大规格铜镍合金弯头冷推模型并进行数值模拟，分析了模具间隙、弯头推杆运动速度和推杆与管坯、管坯与模具之间摩擦系数对大规格弯头推制成形过程的影响，在原有生产工艺的基础上优化弯头成形参数，重新设计制造DN300大规格弯头推制成形模具，并进行生产验证，制造出尺寸合格、外形无缺陷的弯头，该工艺研究提高了大规格铜镍合金弯头成形的成品率。关键词：铜镍合金；大规格弯头；冷推制；数值模拟doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.010中图分类号：TG146.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）03-0075-101 引言铜镍合金具有优良的抗海水腐蚀性能，主要用于海洋石油工程平台及各类船舶的海水管路系统1-2。随着船舶及海洋平台大型化发展，对大规格管件产品需求量与日俱增，其中大规格弯头是舰船压力管道中应用量最大、应用面最广的重要组成部件，是管线工程中重要的管件产品之一。弯头作为管道改向连接件，不仅能改变管路系统方向，还能提升管路的柔性，降低管道约束力，减轻管道震动3-4。弯头冷推制成形是运用隧道法成形原理，在液压机的作用下，将管坯推进模具型腔中弯曲成形的一种方法5-6。冷推制成形的优势在于工艺简单，管坯不需要预热，一次冷弯成形，成品质量好，局部变形小，模具简单易操作，适用于大批量生产7-8。尽管冷推弯头工艺具有较大优势，但成形过程中易产生外侧壁厚减薄破裂、内侧失稳起皱、端面畸变等缺陷。若成形工艺参数选取不当，制出的大规格弯头仍会出现不同程度的起皱、开裂、表面划伤和壁厚减薄等缺陷（如图1所示），最终导致大规格弯头成品率较低9-10。弯头生产效率和制造产能的提升事关管件生产厂商的经济效益与技术革新进程，冷成形推制加工工艺以其特有的成形方式以及成形过程中不同参数相互影响的变形规律，亟须开展大规格弯头冷推制的数值模拟11-12。本文利用有限元分析软件并结合试验验证，总结出大规格弯头冷推制成形过程中的普遍规律，并在优化模拟参数的基础上进行试验验证，指导大规格弯头生产13-15。2 有限元模型的建立大规格弯头数值模拟分析，是基于弯头产品实际尺寸以及弯头实际成形工艺，借助有限元分析软件对弯头模具及推制管件坯料进行建模，并导入软件中分析。收稿日期：2023-03-30；修订日期：2023-05-26基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB3700700）及课题（2021YFB3700705）资助作者简介：郑丛芳（1984），女，河南洛阳人，硕士，工程师，研究方向：有色金属成形加工工艺，E-mail：lindy-图1大规格弯头成形常见缺陷Fig.1Common defects in forming of large size elbows75总第181期铜业工程Total 1812.1几何模型的建立以DN300（324 mm5.5 mm-1.5D-90）的弯头成形为例，基于造型软件构建管坯的几何模型并对冷推制成形模型进行模拟分析，模型如图 2所示。2.2材料模型的建立本研究所选用的材料为 GB/T 5231 的铜镍合金，俗称白铜，牌号为BFe10-1.6-1，是以铜镍基加入Fe、Mn等元素，形成具有良好耐腐蚀性能、较高强度的材料，其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。2.3模拟边界条件设置及加载在模拟过程中设定凹模固定约束，设置不同的推块推制速度（3，4和5 mm/s）；基于弯头冷成形推制过程的分析结果以及模具尺寸的检测数据，将凹模和芯杆之间的间隙设置为0.75，1.5和3 mm；选择二硫化钼、润滑脂和石墨作为润滑剂，三者的摩擦系数分别约为0.05，0.08和0.1；边界条件设置中，将管件坯料作为变形主体并设置为塑性体；为了使模拟分析更加准确，将管坯网格划分为四面体，设置凹模和推块为刚性体。3 弯头成形影响因素模拟与对比分析弯头在推制成形中主要受到摩擦系数、弯头推杆运动速度和模具与坯料、坯料与推杆之间的间隙三方面因素的共同作用。弯头壁厚的不均匀性，即外侧壁厚减薄或内侧壁厚增厚的运动过程，会对其使用寿命产生影响16-17。本文选取 DN300（324 mm 5.5 mm-1.5D-90）弯头作为研究对象，通过对不同成形参数进行模拟分析，来对比各成形因素对弯头冷推制成形过程的影响。3.1摩擦系数对成形弯头的影响摩擦系数指弯头管件坯料、弯头成形模具、模具芯杆三者相互作用产生的滑动摩擦系数。摩擦系数与成形力成正比，若保持推制速度不变，较小的摩擦力会导致弯头与推杆接触端产生堆叠、起皱；相反，摩擦力过大会造成弯头表面划痕、拉痕18-19；在固定弯头推制速度为3 mm/s、单边间隙为1.5 mm时，分析不同摩擦系数（0.05，0.08和0.1）对弯头成形的影响。图3是摩擦系数为0.05时，不同阶段下弯头成形过程应力云图分布情况。可以看出，推制成形初期应力主要集中于管坯与推杆接触部位，随着推制的进行，管坯开始接触芯杆进入模腔，应力集中于管坯与芯杆的接触部位；随着管坯继续进入模腔，管坯应力继续增大，推制成形末期管坯完全图2（a）简化管坯模型和（b）冷推成形装配模型Fig.2（a）Simplified tube blank model and（b）cold pushassembly model 表1BFe10-1.6-1合金的化学成分Table 1Chemical composition of BFe10-1.6-1 alloy（%，mass fraction）合金牌号BFe10-1.6-1主要成分Ni9.011.0Fe1.51.8Mn0.51.0Cu余量杂质成分Zn0.20Pb0.03S0.01C0.05P0.02其他总和0.1表2BFe10-1.6-1合金常温下力学性能Table 2Mechanical properties of BFe10-1.6-1 alloy at room temperature合金牌号BFe10-1.6-1抗拉强度（Rm）/MPa290弹性模量（E）/GPa130延伸率（A）/%30泊松比0.3切变模量/GPa5276郑丛芳等 DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究2023年第3期进入模腔，受管坯摩擦系数的影响，管坯最大应力集中于推杆接触部位，摩擦系数为0.05时，最大应力为323 MPa。图4是摩擦系数为0.05时，不同阶段下弯头管坯填充模腔分布图。可以看出，当摩擦系数为0.05时，随着推制的进行管坯充分流动充满模腔，未产生材料堆叠、起皱现象。图5是摩擦系数为0.08时，不同阶段下弯头成形过程应力云图分布情况。可以看出，当摩擦系数增加到0.08，推制初期应力明显增大，随着推制的进行，管坯整体应力呈上升趋势；同时在管坯与推杆接触位置出现了坯料堆叠、起皱现象。由此看出，摩擦系数对管坯推制成形影响较大，随着摩擦系数的增加管坯推制成形过程中材料出现堆叠。图6是摩擦系数为0.08时，不同阶段下弯头管坯填充模腔分布图。可以看出，当摩擦系数增加至0.08时，管坯填充模腔的速度变慢，整体填充速度小于摩擦系数为0.05时的管坯填充速度，推制成形后期管坯与推杆接触端呈堆叠趋势，坯料不再向前移动填充模腔。图7是摩擦系数为0.1时，不同阶段下弯头推制成形过程应力云图分布情况。可以看出，随着摩擦系数的进一步增加，推制过程中管坯整体应力进一步增加，最大应力达到401 MPa，推制成形后期管坯在与推杆接触部位同样出现了堆叠现象。图8是摩擦系数为0.1时，不同推制成形阶段下弯头管坯填充模腔分布图。可以看出，当摩擦系数增加至0.1时，坯料在模腔内流动填充趋势进一步减缓，在成形后期同样出现了材料堆叠、起皱现象。综合对比不同摩擦系数下弯头推制成形过程中应力分布云图与坯料填充模腔分布图，可以看出，摩擦系数的增加不利于弯头推制成形，结合大规格弯头的实际成形的工况，应尽可能降低管坯与模具之间的摩擦系数，成形过程中摩擦系数可选用0.05。图3摩擦系数为0.05时弯头应力分布云图（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.3Cloud chart of elbow stress distribution with friction coefficient of 0.05（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage77总第181期铜业工程Total 181图4摩擦系数为0.05时弯头管坯填充模腔分布图（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.4Distribution diagram of elbow tube blank filling mold cavity with friction coefficient of 0.05（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage图5摩擦系数为0.08时弯头应力分布云图（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.5Cloud chart of elbow stress distribution with a friction coefficient of 0.08（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage78郑丛芳等 DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究2023年第3期图7摩擦系数为0.1时弯头成形应力云图分布（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.7Cloud chart of elbow stress distribution with a friction coefficient of 0.1（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage图6摩擦系数为0.08时弯头管坯填充模腔分布图（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.6Distribution diagram of elbow tube blank filling mold cavity with friction coefficient of 0.08（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage79总第181期铜业工程Total 1813.2弯头凹模与弯头芯杆间隙对弯头推制的影响弯头壁厚数值的大小与模具间隙息息相关。模具间隙较大时，管坯推制力相对较小，但是间隙过大，弯头容易产生失稳起皱等损伤缺陷；模具间隙较小时，弯头推制力相对较大，如果管坯在模具内流动填充受限，就会导致单件弯头生产周期变长20-22。在固定弯头推制速度为3 mm/s、摩擦系数为0.05时，分析不同成型间隙（0.7，1.5和3 mm）对弯头成形损伤的影响，结果如图 9所示。可以看出，当单边间隙为0.75 mm和3 mm时，在弯头外弧区域均出现了不同程度的成形损伤。单边间隙为0.75 mm时，在推杆与坯料接触区域出现的成形损伤最大值为0.629，过小的模具间隙导致坯料填充模腔速度较慢，容易在推杆与坯料接触区域形成堆叠，同时推杆的向前移动导致弯头外弧区域应力集中出现成形损伤。单边间隙选用 1.5 mm时，损伤最大值为2.26，且损伤主要集中在推杆与坯料接触挤压区域，但弯头成形过程中损伤相对较少，弯头较容易出现缺陷的外弧区域未见损伤。3.3推制速度对弯头成形壁厚的影响推制速度的快慢主要影响弯头的成形时间，推制速度越快，成形一个弯头所需的时间就越短，反之则越长。但是较快的推制速度下，成形的弯头可能受到凹模间隙或摩擦系数的影响，导致坯料没有充分的时间变形而产生堆叠等缺陷23-25。根据实际生产情况，在固定成型间隙1.5 mm、摩擦系数为0.05时，选择不同的推制速度（3，4 和5 mm/s）分别进行模拟计算分析，不同推制速度时弯头损伤分布云图如图10所示。可以看出，在推制速度分别为3 mm/s和5 mm/s时，管坯外弧部位和推制端均出现了缺陷。根据模拟分析可知：过快或过慢的推制成形速度均不利于弯头的推制成形。从图 10 还可以看出，推制速度为 3 mm/s 时，弯头最大应力为263 MPa，最大应力集中于管坯与推杆接触部位；推制速度为4 mm/s时，最大应力为363 MPa，最大应力集中于管坯与推杆接触部位；推制速度为5 mm/s时，弯头最大应力为316 MPa，最大应力同样集中于管坯与推杆接触部位。综合对比分析，推制速度为3 mm/s时，弯头整体应力分图8摩擦系数为0.1时弯头管坯填充模腔分布图（a）成形初期；（b）成形中期；（c）成形中后期；（d）成形末期Fig.8Distribution diagram of elbow tube blank filling mold cavity with friction coefficient of 0.1（a）Early forming stage；（b）Middle forming stage；（c）Middle and later forming stage；（d）Later forming stage80郑丛芳等 DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究2023年第3期布相对均匀。通过对弯头不同成形工艺参数的模拟分析，确定了摩擦系数为0.05（二硫化钼润滑）、模具间隙为1.5 mm、推杆运动速度为3 mm/s的最优工艺组合。4 弯头模具设计4.1弯头芯杆模具的设计制造模具设计是铜镍弯头冷推成形工艺的核心内容和关键技术。通过研究分析随设备带来的弯头模具（DN300）的尺寸及形式特点，现场测量模具尺寸，试验弯头成形情况，得出弯头模具设计的一些关键因素。结合模拟分析的结果，最终设定芯杆与外模单边间隙为1.5 mm。弯头芯杆和弯头模具的设计图及实物如图11和图12所示。4.2模具的制造加工要求（1）弯头芯杆采用浇铸件进行机加工，主要加工工序为：铸造原材料光谱分析材料成分粗加工调质热处理精加工抛光氮化热处理；（2）弯头芯杆成品加工表面的硬度HRC55-58；（3）弯头芯杆加工表面应按照NB/T 47013.52015图9不同单边间隙对成形弯头损伤的影响Fig.9Cloud chart of defect damage distribution of formed elbows after pushing with different unilateral clearances（a）0.75 mm；（b）1.5 mm；（c）3 mm图10不同推杆运动速度下弯头的应力分布Fig.10Stress distribution of elbow under different pushing speeds（a）3 mm/s；（b）4 mm/s；（c）5 mm/s图11弯头芯杆（a）三维图及（b）实物Fig.11（a）3D drawings and（b）physical objects of elbow core rod 81总第181期铜业工程Total 181进行渗透检测，应满足I级要求，弯头芯杆未加工表面应无飞边、裂纹等缺陷。5 试验验证成形前对原材料 324 mm5.5 mm 管坯进行尺寸测量及硬度检测，现场测量如图13所示。成形完的管坯尺寸测量如图14所示，测量数据如表3所示，尺寸检验结果表明成形弯头符合指标要求。图12弯头模具（a）三维图及（b）实物Fig.12（a）3D drawings and（b）physical objects ofelbow mold 图13管坯尺寸公差检测图（a）外径测量；（b）内径测量；（c）长度测量；（d）壁厚测量；（e）硬度测试Fig.13Tube blank dimensional tolerance inspection drawing（a）Outer diameter measurement；（b）Inner diameter measurement；（c）Length measurement；（d）Wall thickness measurement；（e）Hardness measurement表3DN300弯头尺寸测量Table 3Dimensional tolerance testing of DN300 elbow管坯壁厚/mm5.5壁厚公差5.5+2-1，5.5-0.69弯头背部最薄壁厚测量值/mm6.7，5.1，5.13，5.11，5.15，5.6，5.98（外弧侧）；4.95，6，6.09，6.04，4.56，4.7，4.94（内弧侧）；6.27，5.78，5.43，5.45两端内径值/mm313.07，312.66，313.13，313.6，311.6，311.182郑丛芳等 DN300大规格90铜镍合金弯头推制成形工艺研究2023年第3期6 结 论（1）借助虚拟仿真模拟和物理试验验证的方法，优化了弯头冷推成形工艺参数：摩擦系数选择0.05、模具间隙选择1.5、推制速度3 mm/s。（2）生产制造出满足标准要求的DN300大规格弯头，避免了因成形参数选取不当而使弯头出现缺陷问题，完成了既定的目标。参考文献：1 柯伟，杨武.腐蚀科学技术的应用和失效分析案例M.北京：化学工业出版社，2006：261.2 杜鹃，王洪仁，杜敏，李海涛.B10铜镍合金流动海水冲刷腐蚀电化学行为 J.腐蚀科学与防护技术，2008，20（1）：12.3 周铁柱，马艳霞，蒋鹏，张志远，杨青云，杨胜利.铜合金弯头冷推成形影响因素分析及工艺参数优化J.材料开发与应用，2018，33（2）：38.4 梁晨，周铁柱，刘乐乐，马艳霞.铜镍合金三通内高压成形工艺优化探究 J .材料开发与应用，2018，33（5）：74.5 徐思浩.90管弯头的应力分布 J.化工设备与管道，2001，38（4）：38.6 张保华，杨合，郭良刚基于虚拟正交试验的Inconel690合金大口径壁厚管挤压工艺仿真 J.稀有金属材料与工程，2013，42（3）：488.7 杨雪.弯头冷推制工艺毛坯及工艺参数优化 D .秦皇岛：燕山大学，2013：17.8 陈先成，袁正，晏建军.5083铝合金弯头冷推弯数值模拟及试验研究 J.锻压技术，2011，2（36）：57.9 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cold push elbow process has great advantages,alloy elbow pipe fittings is increasing.Compared with traditional ball-forming elbow,cold push elbow has higher production efficiency there are some defects in the forming pushing model of DN300 large specification Cu-ing occur in the forming process of DN300 large Cu-Ni alloy elbow,resulting in poor surface quality and low yield.In this paper,a cold Ni alloy elbow was established by using finite element method and numerical results were carried out,the mold clearance,pushing speed and friction coefficient on the large size elbow was analyzed,and selected the appropriate combination of forming process parameters,design and manufactured DN300 large size elbow mold,the actual production was versified.The results showed good agreement with the simulation,finally the forming yield of the large size elbow was improved.Key words：Cu-Ni alloy；large specification elbow；cold push-bending；numerical simulationdoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.01084