异径管缩口工艺探讨
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摘要：结合天津宝成机械制造股份有限公司的实际情况，就异径管缩口工艺进行了论述，详细分析了异径管缩口工艺的相关情况，并对工艺改进后的情况进行了评价。
关键词：异径管；工艺；缩口
中图分类号： J5 文献标识码： A
一、前言
异径管也叫大小头,用来连接不同尺寸的管子,一般它分为同心异径管和偏心异径管两种,当异径管立起来后两端口的投影是同心圆时,它就叫同心异径管,而偏心异径管的投影是小圆内切于外圆。同心异径管的质量应符合现行国家标准《钢制对焊无缝管件》GB/T 12459的规定,并应满足下列要求:同心异径管的圆度不应大于相应端外径的1%,且允许偏差为±3mm,同心异径管两端中心线应重合,其偏心值允许偏差为±5mm。
随着锅炉容量增大、蒸汽参数提高，在管路系统阀门连接处、大直径加温器与高温低温过热器集箱连接处、锅炉本体部分为保证介质流在不同压力和温度下均衡流速而广泛采用异径管接口，其接口尺寸从φ76至φ219品种繁多，范围十分广泛，对生产工艺提出了更高的要求。根据本公司无异径管缩口专用设备的实情，我们在普通压力机上，采用模具，实现了异径管的缩口的工艺。
二、工艺参数
缩口是指在空心坯料或管状坯料的端部使其径向尺寸减小的成形方法。缩口时，变形区内金属受切向压力和轴向压力的作用，而使直径缩小、壁厚和高度增加切向压应力也使变形区材料易于起失稳起皱，同时在非变形区的筒壁，由于承受全部缩口压力P，也可能引失稳变形。因此，防止失稳是缩口工艺的主要问题，其极限变形程度受到侧壁的抗压强度或稳定性的限制。
缩口按工艺方法分为：模压缩口，旋压缩口和冲压缩口。按缩口时是否对工件加热又可分为常温缩口和加热缩口。本公司由于条件限制，多半采用常温状态下的模压缩口。
1、模压缩口
模压缩口是指使用专用的或通用的缩口模，通常是在冲床或液压机上进行。
2、缩口系数
生产中常用缩口系数表示管口缩径的变形程度，其值为管口缩径后与缩径前的直径之比。
总的缩口系数 ……………………………………（1）
KS―总的缩口系数
dn―第n次缩口后的直径
do―毛坯直径
缩口系数与模的结构形式关系极大，还与材料的种类，先对厚度有关。这是由于随着材料相对厚度的增加了，缩口系数可小些。相反材料厚度越小，缩口系数就要相应增大。由于本公司采用的较大口径异径管,材料厚度较厚，其缩口系数可相对小些。本公司目前生产中应用的φ133×10缩口至φ76×7.5为例，其缩口系数为0.57。实际缩口的成败，还与情况，毛坯边缘的整齐程度、材料的机械性能及模具的表面情况等工艺条件有关。
3、缩口次数
当工件的缩口系数较小时，就需要进行多次缩口当工件的缩口系数较小时，就需要进行多次缩口，对第一道工序以及以后各道工序的缩口系数分别取：
K1=(0.9~0.95)Kpj
Kn=(1.05~1.10)Kpj
式中Kpj 指工序平均缩口系数，常数材料的平均缩口系数可参考国防工业出版社1996年版的《板金冲压工艺手册》中的有关数据。
合理的缩口模锥角，其缩口系数可降低10~15%，锥角一般取45°，最好取＜30°。根据本公司锅炉管径常用规格和相关计算，其三种典型类型钢管的缩口工艺如表一所示：
表一
缩口管
径尺寸 第一道缩
口工序 第二道缩
口工序 第三道缩口
工序 缩口模
锥角
φ133缩口至φ76 φ133缩口至φ108
其缩口系数为0.812 φ108缩口至φ89
其缩口系数为0.824 φ89缩口至φ76
其缩口系数为0.854 22°
φ159缩口至φ89 φ159缩口至φ133
其缩口系数为0.836 φ133缩口至φ108
其缩口系数为0.812 φ108缩口至φ89
其缩口系数为0.824 12°
φ219缩口至φ133 φ219缩口至φ179
其缩口系数为0.817 φ179缩口至φ152
其缩口系数为0.849 φ152缩口至φ133
其缩口系数为0.875 14°
φ426缩口至φ377 φ426缩口至φ400
其缩口系数为0.826 φ400缩口至φ385
其缩口系数为0.852 φ385缩口至φ3777
其缩口系数为0.925 12°
由表一可以看出：这三种类型的大口径缩口的总缩口系数为0.6左右，缩口次数为3，平均缩口系数为0.83左右，缩口模锥角均小于30°。根据压制情况，采用二流化钼作为剂。
4、口部厚度
缩口的口部材料略有增厚，需精确计算时，口部厚度按公式（2）、（3）计算：
…………………………………… (2)
………………………… (3)
式中t1―第一次缩口后工件口部厚度
t0―工件毛坯的壁厚
d0―工件毛坯的直径
d1―第一次缩口后工件口部直径
dn-1、dn―分别为第（n-1）次和第n此缩口后工件的口部直径
tn-1、tn―分别为第（n-1）次和第n此缩口后工件的口部壁厚
在缩口后，由于材料的回弹，一般口部直径要比模的基本尺寸大0.5~0.8%，所以，设计模具时，如果缩口过程中口部增厚较明显，可对口部进行削薄处理；如果缩口完毕后，缩口端需精加工的，可直接将口部尺寸作为模具实际标注尺寸；如果无需加工的，可对口部的基本尺寸乘以（0.992~0.995）作为模具实际标注尺寸。
4、缩口力的计算
无芯棒的缩口模按下式（4）计算工件的缩口力：
P=(2.4~3.4)π×t×σb×（D-d）………………………………（4）
式中 p―缩口力，N
t―毛坯的壁厚，mm
σb―材料抗拉强度，MPa
D―毛坯的直径（按中心层），mm
d―工件缩口部分的直径（按中心层），mm
以φ133×13缩口至φ76×7.5为例，其σb取420 MPa， t为13m
（D-d）的值为51.5mm，则P=3×3.14×13×42051.5=2648809.8
N=270吨根据本公司限于大型压力机为1000吨水压机，在此设备上压制符合要求。
三、模具结构
异径管的成形，在本公司压制初期，采用了不同压制阶段不同缩口模锥角，以φ133×13缩口至φ76×7.5为例。根据分析，由于在普通压力机上采用模具，通过加压实现异径管缩口，其变形区内金属同时受切向和轴向压应力，且主要受切向压应力的作用，而使管径缩小、壁厚和高度增加。根据锅炉管径常用规格、模具的通用性和相关计算，我们将缩口系数初定为0.85，缩口次数定为3次，由于缩口时口部材料略有增厚，需对其进行削薄处理，相应的工艺过程如表二所示。
表二
缩口管径尺寸 缩口模具锥角 工艺方法
φ133缩口至φ108 18° 首次缩口需车加工
φ108缩口至φ89 20° 缩口完毕后退火处理再加工至φ89×8
φ89缩口至φ76 22° 缩口完毕后按所需图纸要求加工
实验结果：在非变形区的筒壁，由于承受前部缩口压力，容易失稳变形。由于操作工在第一道缩口时未按要求压制到位，导致在第二道工序时，其失稳现象比较严重。另外即使完全按上述工艺操作，成品中因失稳造成的侧壁变形严重影响了质量。为此，我们进行了分析和工艺改进。
根据分析：作用在管口表面的压应力，是属于集中载荷的表现，这个表面力一开始就集中在整个管口，并渐次推向变形区的整个内部，其在管口端单位面积上的压力过渡至异径管截面上，由于截面积减小了，其单位面积上的压力增大了，从而造成了变形，迫使变形区的几何形状完全吻合于缩口模具的型腔为止。从受力的方向性分析，主要承受切向力，在厚度方向的外区产生压缩应变，变形金属有向曲率中心移动的倾向，愈靠近外表面的金属，其切向拉伸应变愈大，移向曲率中心的倾向也愈大。当侧向压力已经产生并渐次增大时，金属的晶间变形将会被晶内变形所代替，侧向压力增加会使晶间滑移更困难，因而变形会向晶内发展。为此，我们确定保持模锥角不变，其金属在初次压缩时，在变形区产生塑变的金属晶粒较多，需要较大的压力，在二次压缩时，由于锥角不变，原先已产生塑变的金属晶粒基本不变，而沿锥角方向产生塑变的金属晶粒较少，因而二次压缩时所需的压力较初次小得多，以次类推，第三道工序缩口所需压力依次减少，从而使加工金属渐次向模具行腔中流动，并达到要求。
实践证明改进后的工艺十分可靠，在多道缩口时，其所需压力渐次减小，与理论上的推导吻合。在其它类似的异径管的缩口中采用这种工艺均取得成功。
四.结论
在异径管缩口中，防止失稳现象是可以避免的，同时选用合理的缩口系数和缩口次数，并对口部增厚采取工艺出路，均可收到满意的效果。
通过以上径异径管缩口工艺的分析、使用与研究，大量的不同规格的径异径管缩口均可在普通压力机上，通过模具完成，提高了设备的利用率，对与中小型厂家值得借鉴。