大口徑不銹鋼彎頭屬于薄壁類零件，對于薄壁類零件的加工，工藝難度較大。通常的加工工藝是用模具壓制出多塊殼體，然后焊接完成。很多工序需要不同的夾具或模具，制造成本高且周期長，大型薄壁類零件工藝性極差。液壓脹型技術(shù)的發(fā)展，為大型薄壁類零件的成型加工提供了新的途徑。
無模液壓脹型技術(shù)是一種新型液壓成形技術(shù)，具有成本低、加工周期短、成形好等顯著特點(diǎn)。其基本工藝過程是:先由平板或經(jīng)過滾彎的單曲率殼板，焊接成封閉的近似理想形態(tài)的多面殼體。然后在封閉的多面殼體內(nèi)加壓，在內(nèi)部壓力的作用下，殼體產(chǎn)生塑性變形而逐漸趨于理想形態(tài)。
該技術(shù)自發(fā)明以來，先后被應(yīng)用于供水、造紙、造型裝飾和液化氣等行業(yè)，采用該技術(shù)已經(jīng)制造了很多球形容器和裝飾品，其中最大直徑達(dá)9400mm,最大壁厚24mm。隨著該制造技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，在此基礎(chǔ)上提出了環(huán)殼無模液壓成型彎頭的工藝技術(shù)。該技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)簡單的碳鋼、鋁合金、不銹鋼等塑性金屬材料工件，本文借鑒此技術(shù)，以艦用燃汽輪機(jī)排氣裝置為例，對大口徑不銹鋼彎頭的制造工藝做一分析研究。
1大口徑不銹鋼彎頭的工藝分析
1.1大口徑不銹鋼彎頭
如圖1所示的大口徑不銹鋼彎頭，其材料為1Cr18Ni9Ti壁厚為2mm, 90度彎頭，直徑為1000 mm,彎頭中心線曲率半徑為R 1000mm,
不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性和耐腐蝕性較好，1Cr18Ni9Ti機(jī)械性能如下:
抗拉強(qiáng)度:不小于540MPa;屈服極限:不小于196MPa;延伸率:不小于42%。
1.2大口徑不銹鋼彎頭的技術(shù)特點(diǎn)及基本工藝過程分析
大口徑彎頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是彎頭直徑大(800mm以力、壁薄剛性差，不銹鋼大口徑彎頭要求外貌光滑美觀。采用中小型彎頭的制造方法很難加工出這樣的大口徑彎頭。中小型彎頭常用的加工方法:鑄造方法;分體壓制成型后，焊接在一起的加工方法;分體切削加工后，焊接在一起的方法等。對于大口徑不銹鋼彎頭采用上述方法很難甚至不能加工制造出來。采用鑄造方法，制芯非常困難;采用切削加工很難找到這樣大型的車銑設(shè)備，受設(shè)備及加工工藝限制;采用壓制法很難制造出這樣的大型模具，且成本非常高制造周期長。
采用無模液壓脹型技術(shù)不但能解決了這一制造工藝難題，而且成本低，制造周期短，成形效果好。無模脹形技術(shù)制造大口徑不銹鋼彎頭的基本工藝過程是:
下料→滾彎→焊接成封閉的環(huán)殼→環(huán)殼內(nèi)部加壓成形→分段。
1.3環(huán)殼成形壓力分析
如圖2和圖3所示，環(huán)殼的圓環(huán)中心線半徑為R，環(huán)殼截面直徑為2r，環(huán)殼的壁厚為t，內(nèi)壓為P, A截面為危險(xiǎn)截面。取A點(diǎn)分析可知，環(huán)方向所受到的應(yīng)力大于軸方向所受到的應(yīng)力，環(huán)殼的成形壓力P應(yīng)介于初始屈服壓力Ps和開裂應(yīng)力Pmax之間。
2大口徑不銹鋼彎頭制造實(shí)驗(yàn)過程
2.1下料
可根據(jù)彎頭的壁厚選用板材，板厚t=2mm。根據(jù)彎頭的技術(shù)要求，按允許有幾條焊縫來下料，一般90°彎頭可允許3-4條焊縫，故彎頭可分3-4段下料，為保證焊縫處圓滑，各段邊緣解縫如按平面展開曲線進(jìn)行下料。如圖4所示。
2.2滾彎
下料后進(jìn)行滾彎，滾彎曲率半徑按彎頭的1/2直徑，每段采用單曲率滾彎。單曲率r=500mm。滾彎時(shí)，應(yīng)以直邊為基準(zhǔn)，以免滾斜。如圖5所示。
2.3焊接組成封閉的環(huán)殼
將滾彎的殼板逐段焊接組成封閉的環(huán)殼，在封閉的環(huán)殼上焊上注水口和排水口，注水口用于在封閉的環(huán)殼內(nèi)注滿液體介質(zhì)，并通過一個(gè)加壓系統(tǒng)軾壓和向封閉的殼體內(nèi)施加內(nèi)壓，排水口用于卸壓調(diào)壓。在內(nèi)壓的作用下，殼體產(chǎn)生塑性變形而逐漸趨于理想形態(tài)。圖6為焊接后組成的封閉環(huán)殼。
2.4環(huán)殼脹形過程
脹形時(shí)，按一定的加壓曲線對環(huán)殼施加內(nèi)壓載荷，每加一定壓力后保壓一段時(shí)間，之后測試徑向位移數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中的徑向位移是通過測量各點(diǎn)和參考點(diǎn)的相對位移獲得的。當(dāng)壓力達(dá)到0.705MPa后停止打壓，保壓一段時(shí)問后環(huán)殼的形狀及尺寸接近理想狀態(tài)。
2.5切段
環(huán)殼加壓成型后，進(jìn)行焊縫打磨保證彎頭曲面光滑，再根據(jù)彎頭所需的彎度分段切割。如30°、60°、75°、90°等，分段后各段與相應(yīng)的法蘭盤連接在一起，就制造出不同彎度的大口徑不銹鋼彎頭。
2.6環(huán)殼脹形實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試分析
對干本實(shí)驗(yàn)環(huán)殼，根據(jù)上面的公式已計(jì)算出環(huán)殼的初始屈服壓力O.523MPa,環(huán)殼的開裂壓力1.44MPa,實(shí)驗(yàn)中的成形壓力為0.705MPa,比初始屈服壓力高約35%。
脹形時(shí)，隨著內(nèi)壓的不斷增加，殼體向外的徑向位移不斷增加，環(huán)殼多面體不斷趨近于圓環(huán)殼體。當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到0. 705M Pa時(shí)，圓環(huán)尺寸已接近理論值，環(huán)殼脹形后的尺寸是通過測量環(huán)殼外形尺寸獲得的，分別沿成型后環(huán)殼外環(huán)直徑和圓環(huán)軸向截面直徑測量。測得環(huán)殼外環(huán)的最大直徑和最小值徑分別為3006mm和2997mm,測得截面最大直徑和最小值徑分別為1003mm和1000mm。從測量的數(shù)據(jù)中可以看出，多面環(huán)殼體經(jīng)過液壓脹形后，基本上接近圓環(huán)，尺寸符合設(shè)計(jì)要求。