CN105397422A - 一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,本发明涉及冲压焊接成型方法。本发明是要解决BFe30-1-1(铁白铜)材料小曲率半径弯头由于曲率半径小直接弯制极易产生褶皱和断裂现象的问题,而提出的一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法。该方法是通过一、利用45号钢板制成冲压模具;二、加大下模具的入模圆角;三、在毛坯内弧中间处设计半径为R为25~30mm的凹口得到设计的毛坯;四、将设计的毛坯冲压成两块半环形弯头;五、将两块半环形弯头进行组对焊接成环形弯头等步骤实现的。本发明应用于冲压焊接成型领域。
Description
技术领域
本发明涉及冲压焊接成型方法,特别涉及一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法。
背景技术
BFe30-1-1(铁白铜)材料小曲率半径弯头由于曲率半径小,基本等同于其直径,直接弯制极易产生褶皱和断裂现象,难以实现;由于BFe30-1-1(铁白铜)属于特殊材质,市面上没有合适的标准件弯头。
冲压焊接成型,是指采用与管材相同材质的板材用冲压模具冲压成半块环形弯头,然后将两块半环弯头进行组对焊接成形。现有技术中冲压弯头的有碳钢、不锈钢、合金钢等材质,没有BFe30-1-1(铁白铜)材料在这种技术上的应用。
某重点工程机组汽封抽气器中的小曲率半径弯头,材质为BFe30-1-1,规格为φ108×10,弯曲半径为R120。此弯头弯曲半径几近于管径,若采用管件直接弯曲的方法,管子变形量会很大,在弯管时内弧处产生褶皱,外弧处产生拉断现象,因此采用直管弯曲成型的方式无法实现该弯管的制造。
采用板材热冲压成两个半环对接而成,热冲压温度为800℃-980℃。然而经过试验,板材热冲压成型方案失败。如图2所示,板材发生脆性断裂。
普通低碳钢弯头在冲压时一般采用传统的热压成型方法,由于金属材料的变形一般在高温下进行,通常加热温度高于0.6熔点温度,在高温下金属的分子热运动加速,塑性升高,有利于变形加工。BFe30-1-1(铁白铜)板材弯头的冲压成型沿用了金属变形的传统方法,采用热变形,却出现了一些预想不到的结果,恰恰与想像的相反,塑性降低,导致热变形开裂,强度降低到不符合标准如图2。
发明内容
本发明的目的是为了解决BFe30-1-1(铁白铜)材料小曲率半径弯头由于曲率半径小直接弯制极易产生褶皱和断裂现象的问题,而提出的一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的:
步骤一、将冲压模具的下模具的入模圆角的倒角半径r增大为12mm~15mm得到重新设计的冲压模具;其中,冲压模具包括上模具和下模具;用来冲压形成小曲率半径弯头的两块半弯头;
步骤二、在毛坯内弧中间处设计半径为R4为25~30mm,弧长l为100~120mm的凹口;在毛坯外弧中间处设计半径为R2为100~110mm,弧长L为150~180mm的凹口得到两块设计的毛坯;其中,毛坯的材质为BFe30-1-1铁白铜;
步骤三、利用步骤一重新设计的冲压模具将步骤二设计的两块毛坯分别冲压成两块半环形弯头;其中,每块半环形弯头的截面呈半圆弧;
步骤四、将两块半环形弯头进行组对焊接成环形BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头。
发明效果
由图2可知水室壳体热冲压过程中边缘受到较大的拉应力时,由于塑性不够产生沿晶断裂。一种材料的变形需要具备两个条件,1.尽量小的变形抗力,2.尽量大的变形性,通常材料随着温度的升高变形抗力降低,塑性提高。因此钢铁的变形通常在0.6熔点温度以上进行,变形抗力降低,这时钢铁由体心立方结构转变成面心立方结构。
面心立方结构更容易滑移原因:
1.滑移面上的原子多、密集,易滑移;
2.滑移方向比体心立方结构多,滑移易起动。
3.面心立方结构的Rp0.2随温度降低的趋势没有体心立方结构明显,因此提高温度改变塑性的效果也就没有体心立方结构明显。
4.因此面心立方结构塑性较高,更容易成型。传统的钢铁变形通常在高温下进行。
BFe30-1-1(铁白铜)在室温下是面心立方结构,具有良好的塑性,随温度升高强度降低,同时塑性降低更严重。BFe30-1-1不同温度下的力学性能比较见下表:
温度℃ | R0.2 N/mm | Rm N/mm | A% | Z% |
20 | 145 | 360 | 41 | 75 |
200 | 125 | 320 | 37 | 73 |
300 | 120 | 290 | 35 | 65 |
400 | 105 | 245 | 19 | 15 |
500 | 95 | 175 | 16 | 15 |
760 | 35 | 60 | 18 | 22 |
870 | 15 | 35 | 20 | 26 |
从表中可以看出BFe30-1-1的强度随着温度的升高明显下降,20℃与870℃强度差十倍;而且塑性也显著下降——延伸率降低一半,断面收缩率降低到三分之一。从BFe30-1-1不同温度下的力学性能来看,应考虑晶界弱化问题,即晶界强度随温度升高而下降。从300℃~400℃范围内塑性锐减,可以说晶界弱化是断裂的内在原因。这也是热冲压产生变形开裂的内在原因。
通过Bfe30-1-1(铁白铜)板料的冷冲压试验可以得出如下结论:
(1)BFe30-1-1(铁白铜)板料具有良好的室温塑性,冷变形性能良好。
(2)节约能源,便于操作,具有显著的经济效益,同时解决热冲后性能不合格问题。
因此本发明产生的效果为:
1.BFe30-1-1(铁白铜)材料小曲率半径弯头由于曲率半径小,基本等同于其直径,直接弯制极易产生褶皱和断裂现象,难以实现。通过试验实现了小曲率半径弯头冲压焊接成型。
2.BFe30-1-1(铁白铜)板料具有良好的室温塑性,冷变形性能良好,因此在冲压时采用冷压成型,效果显著。
3.设计凹口减小压型时内侧的材料堆积和外侧的材料延伸量不足,得到了较好的成型毛坯。
通过对BFe30-1-1弯头的金相检测,经过力学性能分析,得知BFe30-1-1白铜在室温下是面心立方结构,具有良好的塑性,随温度升高强度降低,同时塑性降低更严重。故采取冷冲压成型弯头效果会更好。
通过此次发明,摸索出了白铜小弯曲半径弯头的成型方法,设计出了适用此类型弯头成型的毛坯材料,解决了白铜在热冲压成型时发生的原材料断裂问题,以及在冷冲压成型时发生的材料堆积,成型质量差等问题。本次发明的成功使BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头冲压焊接成型有理可依,有据可查,属于国内领先水平如图5和图6。
附图说明
图1为具体实施方式一提出的冲压模具上下模及初始毛坯示意图;
图2为具体实施方式一提出的现有技术压断的模具及成型后的零件示意图;
图3为具体实施方式一提出的重新设计的毛坯是意图;
图4为具体实施方式一提出的新设计的毛坯压型后的成型效果示意图;
图5为具体实施方式一提出的焊接中半环形弯头示意图;
图6为具体实施方式一提出的焊接成型弯头示意图;
图7为具体实施方式一提出的冲压模具上模具、下模具与压力机组合视图;
图8为具体实施方式一提出的下模具的入模圆角示意图;
图9为具体实施方式一提出的冲压模具上模具、下模具及初始毛坯示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,具体是按照以下步骤制备的:
采用板材冷冲压成两个半环对接而成,试验在室温下进行,发生边缘材料堆积,造成模具断裂(如图2所示);
由于管件在成型过程中,内弧受挤压向内收缩,外弧受拉伸向外延伸,图2所示的这种原材料选择存在一定问题,在内弧受挤压处产生材料堆积,使工装的内弧处受到很大挤压力,导致模具承受不住发生断裂,零件成型亦不到位;
步骤一、将冲压模具的下模具的入模圆角的倒角半径r增大为12mm~15mm得到重新设计的冲压模具如图7和图8;其中,冲压模具包括上模具和下模具;用来冲压形成小曲率半径弯头的两块半弯头;
步骤二、由于毛坯在压型过程中毛坯内弧受挤压向内收缩,外弧受拉伸向外延伸,在内弧受挤压处产生材料堆积,因此在毛坯内弧中间处设计半径为R4为25~30mm,弧长l为100~120mm的凹口,在毛坯外弧中间处设计半径为R2为100~110mm,弧长L为150~180mm的凹口得到两块设计的毛坯;其中,毛坯的材质为BFe30-1-1铁白铜;详见图3,可解决材料堆积问题;
将设计毛坯进行冷压试验;设计凹口以释放压型时产生的应力集中,便于成型,试验取得成功;如图5和图6为管件冷压成型成功后的焊接过程及焊后成型实例;
设计的新模具增加了间隙,新设计的毛坯增加了凹口,使毛坯在成型过程中材料堆积处留有余量,减小模具受到的挤压力如图3和图4;冲压模具上下模及初始毛坯示意图如图1所示;
步骤三、利用步骤一重新设计的冲压模具将步骤二设计的两块毛坯分别冲压成两块半环形弯头如图9;其中,每块半环形弯头的截面呈半圆弧;
步骤四、将两块半环形弯头进行组对焊接成环形BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头。
本实施方式效果
由图2可知水室壳体热冲压过程中边缘受到较大的拉应力时,由于塑性不够产生沿晶断裂。一种材料的变形需要具备两个条件,1.尽量小的变形抗力,2.尽量大的变形性,通常材料随着温度的升高变形抗力降低,塑性提高。因此钢铁的变形通常在0.6熔点温度以上进行,变形抗力降低,这时钢铁由体心立方结构转变成面心立方结构。
面心立方结构更容易滑移原因:
1.滑移面上的原子多、密集,易滑移;
2.滑移方向比体心立方结构多,滑移易起动。
3.面心立方结构的Rp0.2随温度降低的趋势没有体心立方结构明显,因此提高温度改变塑性的效果也就没有体心立方结构明显。
4.因此面心立方结构塑性较高,更容易成型。传统的钢铁变形通常在高温下进行。
BFe30-1-1(铁白铜)在室温下是面心立方结构,具有良好的塑性,随温度升高强度降低,同时塑性降低更严重。BFe30-1-1不同温度下的力学性能比较见下表:
温度℃ | R0.2 N/mm | Rm N/mm | A% | Z% |
20 | 145 | 360 | 41 | 75 |
200 | 125 | 320 | 37 | 73 |
300 | 120 | 290 | 35 | 65 |
400 | 105 | 245 | 19 | 15 |
500 | 95 | 175 | 16 | 15 |
760 | 35 | 60 | 18 | 22 |
870 | 15 | 35 | 20 | 26 |
从表中可以看出BFe30-1-1的强度随着温度的升高明显下降,20℃与870℃强度差十倍;而且塑性也显著下降——延伸率降低一半,断面收缩率降低到三分之一。从BFe30-1-1不同温度下的力学性能来看,应考虑晶界弱化问题,即晶界强度随温度升高而下降。从300℃~400℃范围内塑性锐减,可以说晶界弱化是断裂的内在原因。这也是热冲压产生变形开裂的内在原因。
通过Bfe30-1-1(铁白铜)板料的冷冲压试验可以得出如下结论:
(1)BFe30-1-1(铁白铜)板料具有良好的室温塑性,冷变形性能良好。
(2)节约能源,便于操作,具有显著的经济效益,同时解决热冲后性能不合格问题。
因此本实施方式产生的效果为:
1.BFe30-1-1(铁白铜)材料小曲率半径弯头由于曲率半径小,基本等同于其直径,直接弯制极易产生褶皱和断裂现象,难以实现。通过试验实现了小曲率半径弯头冲压焊接成型。
2.BFe30-1-1(铁白铜)板料具有良好的室温塑性,冷变形性能良好,因此在冲压时采用冷压成型,效果显著。
3.设计凹口减小压型时内侧的材料堆积和外侧的材料延伸量不足,得到了较好的成型毛坯。
通过对BFe30-1-1弯头的金相检测,经过力学性能分析,得知BFe30-1-1白铜在室温下是面心立方结构,具有良好的塑性,随温度升高强度降低,同时塑性降低更严重。故采取冷冲压成型弯头效果会更好。
通过本实施方式,摸索出了白铜小弯曲半径弯头的成型方法,设计出了适用此类型弯头成型的毛坯材料,解决了白铜在热冲压成型时发生的原材料断裂问题,以及在冷冲压成型时发生的材料堆积,成型质量差等问题。本次实施方式的成功使BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头冲压焊接成型有理可依,有据可查,属于国内领先水平如图5和图6。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中将下模具的半径r增大为13mm或14mm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一中通过分析得知模具与毛坯间隙过小导致压型使毛坯下行不顺利,重新设计模具,重新设计的模具增加了硬度,利用45号钢板制成冲压模具,硬度较高;其中,原模具硬度为230~280HBW,45号钢板硬度为480~600HBW。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤二中毛坯外弧半径R1为295mm,毛坯内弧半径为R3为105mm,毛坯外弧的圆心与内弧圆心的垂直高度h为25mm,毛坯圆心角为90°。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二中由于毛坯在压型过程中毛坯内弧受挤压向内收缩,外弧受拉伸向外延伸,在内弧受挤压处产生材料堆积,因此在毛坯内弧中间处设计半径为R4为26~29mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤二中在毛坯外弧中间处设计半径为R2为105mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤三中冲压过程为:
冲压前将上模具、下模具与设计的毛坯之间涂润滑油;采用压力机,将冲压模具进行压型,设计的毛坯位于冲压模具中间,一次冲压成半块环形弯头的形状;其中,冲压条件是压力机压力要达到300吨以上。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
实施例一:
本实施例一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,具体是按照以下步骤制备的:
采用板材冷冲压成两个半环对接而成,试验在室温下进行,发生边缘材料堆积,造成模具断裂(图2所示);
由于管件在成型过程中,内弧受挤压向内收缩,外弧受拉伸向外延伸,图2所示的这种原材料选择存在一定问题,在内弧受挤压处产生材料堆积,使工装的内弧处受到很大挤压力,导致模具承受不住发生断裂,零件成型亦不到位;(设计的新模具增加了间隙,原模具无间隙,新设计的模具留0.5mm间隙)可防止此现象;
步骤一、通过分析得知模具与毛坯间隙过小导致压型使毛坯下行不顺利,重新设计模具,重新设计的模具增加了硬度,利用45号钢板代替材料为HT350(钢板牌号)的原模具制成冲压模具,硬度较高;其中,原模具硬度为230~280HBW,45号钢板硬度为480~600HBW;冲压模具包括上模具和下模具;
步骤二、加大下模具的入模圆角,即将原模具中的下模具的倒角半径为r8的入模圆角,修改为下模具的倒角半径r增大为12mm得到重新设计的冲压模具;其中,r8为原模具的下模具的半径为8mm;
步骤三、由于毛坯在压型过程中毛坯内弧受挤压向内收缩,外弧受拉伸向外延伸,在内弧受挤压处产生材料堆积,因此分别在在毛坯内弧中间处设计半径为R25的凹口得到两块设计的毛坯,详见图3,可解决材料堆积问题;其中,R25为毛坯凹口的半径为25mm;弧长l为100mm,在毛坯外弧中间处设计半径为R2为100mm,弧长L为150mm毛坯材质为BFe30-1-1,规格为φ108×10(φ为108为毛坯直径,10为壁厚);
将设计毛坯进行冷压试验;设计凹口以释放压型时产生的应力集中,便于成型,试验取得成功;如图5和图6为管件冷压成型成功后的焊接过程及焊后成型实例
设计的新模具增加了间隙,新设计的毛坯增加了凹口,使毛坯在成型过程中材料堆积处留有余量,减小模具受到的挤压力如图3和图4;
步骤四、利用步骤二重新设计的冲压模具将步骤三设计的两块毛坯冲压成两块半环形弯头;
冲压前将上模具、下模具与设计的毛坯之间涂润滑油;采用压力机,将冲压模具进行压型,设计的毛坯位于冲压模具中间,一次冲压成半块环形弯头的形状;其中,冲压条件是压力机压力要达到300吨;其中,每块半环形弯头的截面呈半圆弧;
步骤五、将两块半环形弯头进行组对焊接成环形弯头。
本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于,该方法具体是按照以下步骤进行的:
步骤一、将冲压模具的下模具的入模圆角的倒角半径r增大为12mm~15mm得到重新设计的冲压模具;其中,冲压模具包括上模具和下模具;用来冲压形成小曲率半径弯头的两块半弯头;
步骤二、在毛坯内弧中间处设计半径为R4为25~30mm,弧长l为100~120mm的凹口;在毛坯外弧中间处设计半径为R2为100~110mm,弧长L为150~180mm的凹口得到两块设计的毛坯;其中,毛坯的材质为BFe30-1-1铁白铜;
步骤三、利用步骤一重新设计的冲压模具将步骤二设计的两块毛坯分别冲压成两块半环形弯头;其中,每块半环形弯头的截面呈半圆弧;
步骤四、将两块半环形弯头进行组对焊接成环形BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头。
2.根据权利要求1所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤一中将下模具的入模圆角的倒角半径r增大为13mm或14mm。
3.根据权利要求2所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤一中冲压模具为利用45号钢板制成的;其中,45号钢板硬度为480~600HBW。
4.根据权利要求3所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤二中毛坯外弧半径R1为295mm,毛坯内弧半径为R3为105mm,毛坯外弧的圆心与内弧圆心的垂直高度h为25mm,毛坯圆心角为90°。
5.根据权利要求4所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤二中在毛坯内弧中间处设计半径为R4为26~29mm。
6.根据权利要求5所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤二中在毛坯外弧中间处设计半径为R2为105mm。
7.根据权利要求6所述一种BFe30-1-1铁白铜小曲率半径弯头的冲压焊接成型方法,其特征在于:步骤三中冲压过程为:
冲压前将上模具、下模具与设计的毛坯之间涂润滑油;采用压力机,将冲压模具进行压型,设计的毛坯位于冲压模具中间,一次冲压成半块环形弯头的形状;其中,冲压条件是压力机压力要达到300吨以上。
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