卡箍受力仿真图（大型卡箍弯曲成形工艺）
卡箍受力仿真图（大型卡箍弯曲成形工艺）板坯弯曲成形过程中，坯料定义为变形体，弯曲模具定义为刚体。板坯与模具之间的摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的各种因素有关，如接触面间的相对硬度、表面粗糙度、温度、法向应力及相对滑动速度等，优势还在变形过程中产生变化。在Deform中有剪切摩擦和库仑摩擦两种类型，本文选择剪切摩擦类型。把变形体与成形上模之间的摩擦系数定义为μ=0.4，把变形体与成形下模之间的摩擦系数定义为μ=0.3。弯曲成形温度设置为1050℃，网格采用四面体网格，网格划分为35000个。图1 卡箍模具装配图制造工艺流程：冶炼、铸锭→冒口压钳口、切水口弃料→镦粗压实→拔扁方出成品→锻造板坯粗加工→板坯探伤（UT）→板坯弯曲成形→锻后热处理→粗加工→性能热处理（正火、回火热处理）→取性能试料→性能检验→半精加工→探伤（UT、PT、MT、VT）→精加工。Deform模型建立设计卡箍成形辅具，卡箍成形上模宽度为500mm，
卡箍结构是压力容器制造中常用的一种筒体与端盖之间的连接结构，因其相比法兰连接具有装拆方便、结构形式多样及密封性能好等优点，故在大直径容器及需要快速开关盖的容器上应用广泛。
卡箍锻件的制造过程具有工艺难度大、质量要求高、控制难点多、锻件尺寸和重量大等特点。与以往的同类产品相比，无论尺寸还是重量都大很多，接近150MN自由锻水压机锻造极限。这对生产过程控制、水压机、机加工等设备都形成了相当大的考验。卡箍化学成分如表1所示，本文采用三种成形方案成形卡箍工件，通过数值模拟的方法进行验证，从工件外形判断是否折叠，工件是否开裂，通过模拟结果可以发现成形工件出现的某些缺陷，通过优化模具、坯料、工艺参数，直到工件没有缺陷为止。通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的弯曲成形工艺。
表1 卡箍化学成分要求（%）
卡箍制造工艺简介
制造工艺流程：冶炼、铸锭→冒口压钳口、切水口弃料→镦粗压实→拔扁方出成品→锻造板坯粗加工→板坯探伤（UT）→板坯弯曲成形→锻后热处理→粗加工→性能热处理（正火、回火热处理）→取性能试料→性能检验→半精加工→探伤（UT、PT、MT、VT）→精加工。
Deform模型建立
设计卡箍成形辅具，卡箍成形上模宽度为500mm，卡箍成形下模两个滚子之间的中心距离为2000mm。卡箍弯曲前的坯料尺寸为830mm×1970mm×9000mm。模具装配示意图，如图1所示。
图1 卡箍模具装配图
板坯弯曲成形过程中，坯料定义为变形体，弯曲模具定义为刚体。板坯与模具之间的摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的各种因素有关，如接触面间的相对硬度、表面粗糙度、温度、法向应力及相对滑动速度等，优势还在变形过程中产生变化。在Deform中有剪切摩擦和库仑摩擦两种类型，本文选择剪切摩擦类型。把变形体与成形上模之间的摩擦系数定义为μ=0.4，把变形体与成形下模之间的摩擦系数定义为μ=0.3。弯曲成形温度设置为1050℃，网格采用四面体网格，网格划分为35000个。
卡箍弯曲成形数值模拟
卡箍弯曲成形采用三点弯曲成形，通过局部多道次压弯成形，通过两个道次压弯成形，第一道次的压下量为60mm，第一道次压完后如图2所示。
图2 第一次道次压弯成形
第二道次的压下量为50mm，第二道次压完后如图3所示，最终弯曲成形坯料与粗加工尺寸进行对比。为了保证加工余量，其中粗加工的尺寸在精加工的基础上各个方向加了20mm余量。坯料从X方向剖开，由图中可以看出，尺寸满足粗加工尺寸要求，与粗加工尺寸相比，余量最小处单边约15mm。
图3 第二次道次压弯成形
从Y方向剖开，看截面上的成形锻件毛坯尺寸与粗加工尺寸进行对比分析如图4所示，满足X和Z方向的尺寸要求。宽度方向单边余量约20mm，厚度方形余量约30mm。
图4 弯曲毛坯与粗加工对比图
卡箍成形方案二卡箍制造工艺简介
方案一是锻出弯曲板坯，与方案一相比，方案二是通过筒体180°展开得到90°卡箍，通过锻造成形筒体锻件如图5所示。通过气割方式将筒体分割为两个180°圆弧，通过局部压弯的方式把筒体180°圆弧压到卡箍毛坯锻件尺寸。压弯成形上模如图6所示，压弯成形下模如图7所示。压弯成形下模与模座之间靠中间蓝色销子定位，也可以定位成形毛坯。
图5 卡箍弯曲前毛坯
图6 成形上模
图7 成形下模
卡箍展开压弯数值模拟
卡箍压弯成形过程如图8所示，首先压180°圆弧底部，其次压180°圆弧两侧，保证压下量均匀。
图8 卡箍弯曲成形过程
卡箍成形方案三卡箍三点弯曲数值模拟
与前面两种方案对比，本方案通过锻出弯曲成形板坯，利用三点弯曲原理，通过卡箍弯曲辅具一次压弯成形。这种方式既保证了坯料的对中，也保证了弯曲成形完整的锻造流线，避免局部应力集中，为后续热处理提供了良好的组织。弯曲成形模拟结果如图9所示，在Y-Y方向余量均匀，单边余量约50mm。X-X向卡箍毛坯尺寸与粗加工对比如图10所示，可以看出两侧发生了翘曲。由图9可以看出，从Y-Y方向上这个壁厚比较均匀，满足要求。但是从X-X方向的截面不能满足要求，如图10可见坯料发生了向上的翘曲，所以中心部分应增加支撑，尽量避免坯料发生翻翘曲，对比发现单边余量约15mm。
图9 弯曲毛坯与粗加工Y-Y向对比
图10 弯曲毛坯与粗加工X-X向对比
通过对数值模拟分析，坯料中间贴模，在成形后板坯的两侧都发生了翘曲。这样可以在弯曲成形下模增加一个平面，增加成形坯料与成形下模的接触面积，避免中间压出凹坑。修改成形下模后，Y-Y向对比模拟结果如图11所示，X-X对比模拟结果如图12所示，通过弯曲成形后的坯料与粗加工对比发现，Y-Y向尺寸满足粗加工要求，单边余量约50mm。修改模具后，从X-X方向和Y-Y方向的成形毛坯各向尺寸均满足粗加工要求，且余量比较均匀，锻造毛坯与粗加工对比，单边余量约45mm。顶部最小余量约38mm，满足粗加工尺寸要求。
图11 弯曲毛坯与粗加工Y-Y向对比
图12 弯曲毛坯与粗加工X-X向对比
卡箍三点弯曲数值模拟分析
卡箍弯曲后等效应力如图13所示，弯曲成形力最大值为3000t，如图14所示。等效应力最大值为21.6MPa，弯曲时坯料与成形模具接触点容易造成应力集中。从成形上模接触坯料开始压下行程为1500mm。
图13 卡箍弯曲成形等效应力
图14 卡箍弯曲成形力
卡箍弯曲成形步骤
⑴下模冲头按卡箍辅具装配图把模具装配好。
⑵下模摆放之前先在走料台上画好线，保证成形上模中心与成形下模的中心对正。
⑶坯料在装炉时炉温不大于800℃，加热温度1150℃，最小保温时间10小时，最大保温时间18小时，终锻温度800℃。选择炉温1150℃，因为卡箍板坯厚度方向尺寸大，锻造毛坯厚度尺寸达到了900mm，弯曲变形抗力大，模拟分别选择1150℃与1100℃，模拟结果对比发现，温度越低，模具与卡箍毛坯接触的地方越容易出现凹坑，所以选择炉温1150℃。
⑷从上模接触坯料开始，压下行程为1500mm。
⑸冲形时，使用二级压力。
结论⑴根据数值模拟分析，应该充分利用毛坯的反变形，以避免中间部位出现凹坑。通过改变成形模具形状，坯料和粗加工图进行对比满足工艺要求尺寸。
⑵从等效应力可以看出，卡箍等效应力为21.6MPa，成形力为3000t，厂内15000t水压机完全可以满足要求。通过三点弯曲的方式成形卡箍，使成形过程更容易控制，操作更方便。
⑶通过三种成形方案对比，最终选择了三点弯曲的成形方式，减少了锻造火次，降低了成本，与分道次压弯相比，避免了卡箍锻件局部的应力集中，一次弯曲成形，锻件保留了完整的锻造流线。
—— 来源：《锻造与冲压》2019年第15期
