管件磁脉冲侧翻边工艺研究

论文摘要

多通管件是一种典型的管类零件,在石油、航空、航天、兵器以及生产生活中广泛用于管道流体输送,常规的多通管件一般采用铸造、焊接、液体内高压、压力机侧翻边等工艺成形,随之产生了管件内壁粗糙、焊缝耐腐蚀性差、加工工序复杂、翻边高度较低等问题。使用磁脉冲侧翻边工艺成形多通管件,具有工件表面精度高、整体成形无焊缝、工序简单高效、极限翻边高度大幅度提高等优势,在生产中具有广阔的应用前景,因而对磁脉冲侧翻边工艺的研究具有重要的意义。本文在精确计算管坯侧壁预制孔尺寸的基础上,通过数值模拟和磁脉冲翻边试验相结合的方法,探索主要工艺参数对其变形规律的影响。首先通过作图解析法与MATLAB软件结合,为管件变形过程抽象为数学问题,并为其建立数学模型,进行解析与编程求解,最终得到两种预制孔形状:椭圆形和双鼓形,并以此为基础建立有限元模型和加工预制管坯,进行试验。基于ANSYS有限元模拟软件,采用棱边单元法建立了管件磁脉冲侧翻边的有限元分析模型,求解三维电磁场。模拟结果表明由于管件侧壁开孔而出现了磁漏,椭圆形预制孔长轴端口附近的磁场力幅值最大,而短轴端口附近磁场力幅值较小。试验结果与电磁场模拟结果一致,长轴端口附近金属变形量由于受到磁场力较大,减薄趋势严重,属于颈缩危险区。以此为基础对预制孔长轴端口采取修磨圆角、打磨光滑等措施,有效地抑制减薄。进行了管件侧翻边试验,结果表明,电压增大,有利于管坯贴模;高频率放电会导致管坯变形加速度过大,高速撞击模具而出现破裂,低频率放电会导致集肤深度增加,管坯外壁受到磁场反向排斥力影响贴模;与短线圈相比,长线圈会加剧管壁贴模不均匀性,而且需要更高的放电能量;最佳预制孔形状为近似椭圆形,在放电电容4×192μF,电压4500V下对长轴/短轴为38.72 mm/16.24 mm以及18.72 mm/10.11 mm的椭圆形预制孔进行等径翻边(翻边直径Φ50 mm)及异径翻边(翻边直径Φ30mm)试验,可以得到端口平齐的翻边件,翻边高度可达6 mm,相对传统工艺可提高翻边极限24.7 %。减薄主要发生在预制孔长轴端口,最大减薄量达50 %,适当的润滑可以有效抑制减薄及变形不均匀性。对主要缺陷进行分析并提出解决方案,总结出试验及生产的最佳工艺路线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁脉冲成形原理及概况
• 1.3 管件磁脉冲成形研究进展
• 1.3.1 磁脉冲胀形
• 1.3.2 磁脉冲翻边
• 1.4 管件侧翻边成形
• 1.4.1 三通管件成形方法
• 1.4.2 翻边预制孔研究概况
• 1.5 选题意义及主要研究内容
• 第2章 预制孔尺寸优化计算
• 2.1 引言
• 2.2 管件翻边基本理论
• 2.3 异径翻边预制孔计算
• 2.3.1 作图解析法
• 2.3.2 尺寸计算
• 2.4 等径翻边预制孔优化求解
• 2.4.1 Matlab 软件介绍
• 2.4.2 积分等式的建立
• 2.4.3 Matlab 编程求解
• 2.5 考虑翻边圆角后实际翻边高度计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 管件磁脉冲侧翻边数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场基本理论
• 3.2.1 麦克斯韦方程
• 3.2.2 一般形式的电磁场微分方程
• 3.2.3 电磁场求解边界条件
• 3.3 三维电磁场模拟
• 3.3.1 三维电磁场模拟基本方法
• 3.3.2 有限元模型建立
• 3.3.3 管件磁脉冲侧翻边电磁场模拟分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 管件磁脉冲侧翻边试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验准备
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 预制管坯
• 4.2.3 翻边线圈
• 4.2.4 翻边模具
• 4.2.5 试验工装
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 电压对等径翻边影响
• 4.3.2 频率对等径翻边影响
• 4.3.3 预制孔尺寸对等径翻边高度影响
• 4.3.4 润滑对变形均匀性影响
• 4.3.5 电压对异径翻边影响
• 4.3.6 不同线圈长度对翻边效果的影响
• 4.3.7 管件磁脉冲侧翻边的极限翻边高度
• 4.4 翻边缺陷分析
• 4.4.1 翻边端口不齐
• 4.4.2 壁厚减薄严重、长轴端口破裂
• 4.4.3 贴模困难
• 4.4.4 底部圆角破裂
• 4.5 工艺路线总结
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢