1、北华航天工业学院北 华 航 天 工 业 学 院塑性成形新技术课程考核报告无模液压胀球摘 要: 介绍了无模胀球技术的基本原理和主要工序，以及无模胀球技术的最新研究进展和在工程中的应用情况。对椭球壳体液压胀形时的应力分布进行了理论分析和图形描述，并进行了-系列的椭球壳整体无模液胀成形试验研究，同时通过有限元数值模拟分析了壳体在胀形过程中塑性变形的发生部位及扩展过程。关键词: 液压胀形；无模胀形球；形容器椭球形容器第6期 稀有金属材料与工程杂志社等：稀有金属材料与工程写作及排版规范 171引言无模液压胀形技术是哈工大王仲仁教授1985年提出的一种新的球形容器成形方法，获得国家发明专利(专利号8510
2、6716)，并曾先后获得国家科技进步二等奖和国家发明奖。该技术可用来制造石油、化工、造纸、供水及建筑装饰等行业的压力容器、常压容器、球形装饰品及球形房屋等。目前采用该工艺建造的各种规模球罐几十台其中直径最大达94m最大壁厚24mm广泛应用于水塔、液化气贮罐、建筑装饰及飞行仿真球幕等领域。同传统制造工艺相比整体无模成形新工艺具有不需模具和压力机投资少、生产成本低产品生产周期短残余应力低组焊容易等优点。近几年随着整体液压胀形工艺的发展该工艺已扩展到非球形容器的胀形包括椭球形容器及封头顶部的无模液胀成形此外用于制造弯头的环壳无模胀形工艺也取得了较大进展。自1910年美国建成世界上第1台工业用球形容器
3、以来在世界各国的建球史上一直沿用的工艺流程为：下料一压型一组焊一检验即“先成形后焊接”的工艺路线。传统的模压成形工艺需要大工作台面压力机和大型模具，工艺复杂、生产周期长、成本高。整体液压胀形工艺改变了传统的“先成形后焊接“工艺路线为“先焊接后成形”其基本原理是将平板或经预先滚弯成具有单曲率的壳体组装焊接成一个封闭的多面壳体然后向封闭的多面壳体内充满液体介质并通过一个可以控制加载曲线加压系统向封闭多面壳体内施加内压在内压作用下多面壳体产生塑性变形而逐渐成形为一个球壳。一、无模胀球的原理及主要工序无模胀球的基本原理是用一个封闭的单曲率壳去逼近一个球壳，然后在单曲率壳体中充入传压介质使之发生塑性变形
4、并逐步胀形成为球壳。该工艺的主要工序为：下料弯卷组装焊接液压胀形。从无模胀球的原理和工艺过程，我们可以明显地看出该工艺具有如下一些优点。(1)只有极板和侧瓣两种形式的坯料，因此下料简单，精度易于保证。(2)由于组装焊接时的瓣片都是单曲率瓣片，因此组装比双曲率的球瓣容易。(3)由于不需模具和压力机，产品的制造成本降低，对产品规格的变化适应性强。随着工程需要及整体液压胀形技术的发展，该工艺的应用已由传统的球形容器扩展到非球形容器的胀形，包括椭球形容器封头顶部及环壳的无模胀形。 二、几个重要发展阶段无模液压胀形技术自提出以后，在壳体结构设计成形工艺理论分析和实验研究有限元模拟及工程应用等方面都有了长
5、足的发展，该技术经历了几个重要的发展阶段，可以概括如下。平板类到单曲率多面壳体结构球形容器成形前多面壳体一般采用平面类多面壳体或单曲率多面壳体结构。如图3所示图中虚线为成形后壳体轮廓线。平板类足球式(a)平板类壳体=|图3液压胀形前多面壳体的结构(b)单曲率壳体球壳因采用平面板料组焊成形，不需要预加工，下料简单，组装方便，精度容易保证，但减薄量较大，多用于小直径壁厚不大的球壳成形。而单曲率桔瓣式球壳具有壁厚均匀角变形小等优点，适合于制造壁厚要求严及厚板大直径球形容器，但坯料一般需预先卷弯。常压容器到压力容器初期无模液压胀形方法一直用于制作装饰球或常压容器，后来采用该方法研制的200m。液化气球
6、罐于1992年在哈尔滨铁路局液化气公司投入运行，1998年开罐检查，未发现任何缺陷，被确定为一级品，且焊缝无腐蚀的痕迹，说明用这种方法成形残余应力较常规方法低，为三类球形压力容器的制造开辟了一条新路。与此同时壳体材料也由碳素结构钢发展到低合金钢，壳体厚度也由薄壁发展到厚壁。单层到多层由单层球形容器胀形扩展到多层球形容器胀形包括无间隙和有间隙双层球形容器的胀形。用无模液压胀形制造双层球形容器有以下特点，一是内外层壳体可以采用不同材料，用于制造耐腐蚀性容器，节约贵重金属。例如厚壁单层不锈钢球形容器，可以采用双层结构，内层为不锈钢，外层为低合金材料：二是可以代替厚壁球形容器，以中板代替厚板，提高和保
7、证了材料质量，变形力和壳体表面最大变形量得到降低，成形容易，球壳质量好，壁厚分布均匀，而且壳体承载能力并未降低，反而提高了安全性，可避免爆裂危险；三是内外层球壳夹层可保留一定间隙，便于采取保温绝热措施，能解决北方球罐的保温问题和液化气体的贮藏问题。等厚到不等厚大型常压储水、油球罐，由于壳体除受液体重力外，不受其他载荷作用，而液体压力与液面高度成正比，也就是说按等强度理论，壁厚自上而下应该是逐渐增加的，等厚度球罐会造成材料浪费。考虑到实际供应的材料厚度不可能连续变化，只能人为地将壳体的壁厚分成几个不连续的厚度，因此称之为不等厚度，在采用无模成形工艺的前提下，通过对2O01O00m。球壳的用料计算
8、可知，不等厚度球壳较等厚度球壳可节省材料2O35，无模液压胀形技术成功地试制了壁厚分别为4mm、6mm和8mm的球形容器。球形容器到非球形容器由球形容器的胀形扩展到非球形容器的胀形是无模液压成形技术的进一步发展。采用无模液压胀形技术成功地进行了椭球形容器及封头顶部无模液胀成形，用于弯头制造的环壳无模液胀成形，球缺及半球件的无模液胀成形及复杂异形壳体的无模液胀成形。三、工程应用无模液压胀形技术自1985年发明以来，在实际工程应用中先后开发四大系列产品。包括：(1)球形水塔和供水罐：(2)压力容器和液化气罐；(3)建筑装饰球；(4)飞行仿真球幕。其中最大直径达到94m。最大壁厚达到24mm，最高使
9、用压力177MPa。应用材料包括低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金。使用地点南到贵州省都匀，北到大庆，西到乌鲁木齐，东到青岛。应用行业有供水、造纸、液化气、建筑装饰和城市景点及国防领域飞行仿真球幕等。共制造了从0，394m共计25种不同规格直径的球形容器。四、结论(1)无模胀球技术的实质是利用向封闭壳体内施加液体压力或通过爆炸使液体作为“软模在趋圆力矩作用下使壳体成球 (2)无模液压胀形技术具有不用压力机和模具的优点，产品变更容易，生产周期短，成本低，残余应力低，安全性高等优点。 (3)无模液胀成形技术可用于成形球壳、椭球壳、封头顶部、环壳、球缺、半球及其他一些异形壳体。 (4)模液压胀
10、形技术在石油、化工、造纸、供水、建筑装饰及航空等行业的压力容器、常压容器、球形装饰品、球形房屋及飞行仿真球幕等领域有着巨大的工程应用价值。 五、代表性人物王仲仁教授无模液压胀形技术，是哈尔滨工业大学王仲仁教授1985年提出的一种新的球形容器成形方法，获得国家发明专利，并曾先后获得黑龙江省科技进步一等奖和国家发明奖。当年日本东京大学木内学与关口秀夫教授等人来中国见到此球，在了解到此方法后，由关口秀夫教授在日本的著名杂志“塑性加工”上发表了题为“中国锻压特许第1号”报道，该文还在日本得到了优秀报道奖。 六、参考文献示例参考文献 References （1）王仲仁、曾元松等人的无模胀球的原理与研究进展 （2）王仲仁、苑世剑和滕步刚在2014年出版的图书无模液压胀球原理与关键技术第6期 稀有金属材料与工程杂志社等：稀有金属材料与工程写作及排版规范 171
