压力容器：矩形金属波纹管机械胀形工艺仿真分析
2022-11-18【作 者】高亚东;刘静;左星煜;李兰云
【引 言】
金属波纹管是一种挠性、薄壁、有横向波纹的管壳零部件，具有密封、柔性补偿、储能等多种功能，广泛应用于化工、电力、汽车、航空航天等领域［１－７］。随着我国新一代重型火箭［８－１２］、燃气轮机、大型飞机、核电等高新技术项目的大力发展，对管路和密封系统提出更高的要求，为适应环境要求（如矩形风机管道、烟道、波导管等［１２］），金属波纹管周向外形轮廓需要采用矩形轮廓形式。
波纹管常用的成形方法包括液压胀形、滚压成形和机械校形［１３］。目前，国内外学者研究多集中在圆形波纹管的成形工艺，对矩形波纹管成形过程研究较少。对于矩形金属波纹管成形方法，张琪［１４］提出可先将钢板落料、卷圈焊接、热处理，形成密闭的圆筒，然后将圆筒放入矩形成形模内加压成形；葛子余［１５］提出了单波连续成形的方法来成形矩形金属波纹管。相比于传统的圆柱形波纹管，矩形金属波纹管具有明显的周向外形轮廓变化，使得其变形特征与传统的回转体型波纹管存在较大差异。采用液压胀形成形矩形波纹管时，矩形管坯的 ４个圆角处材料变形抗力大于直线段，材料流动困难，极易导致充填高度不足，而只依靠增大内压力的方式提高过渡圆角段的成形高度，过渡圆角处极易发生过度减薄、拉裂，因此，液压胀形难以获得满足要求的矩形波纹管。滚压成形是以弯曲变形原理为基础发展而来的塑性成形工艺，通过控制滚轮的成形轨迹，对滚轮准确定位，协调运动，可以成形矩形波纹管这种复杂轮廓管件结构，改善矩形圆角充填高度不足的缺陷；但是对于矩形轮廓波纹管，滚压路径复杂，滚轮的运动难以控制。
机械胀形相比于上述两种成形方式具有成形速度快、适应性强、产品多样化、工艺简单和生产效率高等优点。机械胀形的原理是利用芯锥向下移动推动模片向四周运动，利用模片向外运动撑开波纹管［１６］。在模片运动的过程中，模片与管坯接触后产生按模片形状分布的集中力，其大小不变、均匀恒定。因此，理论上该工艺可用于矩形波纹管成形。唐顺强［１７］介绍了圆形金属波纹管机械胀形的方法，阐述了机械胀形模具在胀形过程中的原理和技术结构特点。但对于矩形金属波纹管机械成形的方法，尚未见相关报道。
本文基于仿真分析方法对矩形金属波纹管机械胀形工艺进行探索，提出３种机械胀形成形方案，研究上述成形工艺波纹管的变形特点，分析成形过程出现的问题，并提出矩形波纹管成形的工艺方案。
【结 论】
（１）利用机械胀形原理成形矩形金属波纹管，管坯在胀形过程中外侧没有模具限制，成形出的波纹形状为 Ｖ形，且已成形的波纹在成形后续波纹时被严重拉变形，成形波纹形状尺寸难以满足设计要求。
（２）采用外加固定模具机械胀形成形矩形波纹管，由于外加模具限制管坯材料变形，使得成形的波纹形状接近 Ｕ形。直边段成形后，中间波纹的波高未达设计要求，且第 ２个波纹轮廓变形严重；由于圆角部分形变强化作用，其变形抗力较大，波纹形状尺寸变化较小。因此，外加固定模具机械胀形成形的方法不能有效解决成形过程中波纹变形问题。
（３）采用内加固定模具机械胀形成形矩形波纹管，由于内加固定模具限制已经成形波纹材料的流动，胀形结束后 ３个波纹形状和波高满足设计要求，所以利用此种工艺可获得形状尺寸符合设计要求的矩形金属波纹管。
（４）对波纹管纯机械胀形进行了试验研究，发现试验结果和仿真结果吻合较好，验证了模型的可靠性。
以下是正文：
