压力容器的生产中,封头的冲压加工成型是最 基础的工序之一,冲压模具的设计在封头冲压加工
中起决定性的作用, 笔者对超高强度钢( 406 钢) 薄 壁封头冲压过程中的技术难点及应采取的工艺措施 作进行了简要分析。
1　技术要求及技术要点分析 1. 1　技术要求 某容器前、 后半椭球体材料为406 钢, 板料厚
4. 0mm,
b= 640MPa,
0. 2= 43MPa, 冲压后椭球体 外型面长半径和短半径之比k= a∶b= 500∶250=
2∶1,如图1 所示,与外型面切面检测样板不贴合间
隙 t, 型面处不大于2mm; 直线段部位不大于1. 5
mm,封头表面划伤、 碰伤、 拉痕、 麻坑等表面缺陷不
得大于0. 1mm, 不得有裂纹。
图1　半椭球体冲压后尺寸
1. 2　板料下料尺寸计算 冲压板料毛坯尺寸过大将导致封头冲压过程中
主缸压力增大,封头直线段部位减薄严重, 甚至产生 龟裂成为裂纹源, 诱发裂纹的产生;冲压板料毛坯尺 寸过小导致所需压边力过大, 当设备压边力不够大
时冲压过程中板料流动过快就会引起鼓包、 皱折的 产生。封头展开料尺寸推导如下:
图 2　椭圆曲面表面积计算尺
椭圆曲线方程:
x 2
b2 + y 2
a2 = 1( 0 < b
a)　焦距c2
= a2
- b2
;
( 1)
离心率:  = c
a
则有: y 2 = a2 - x 2
a2
b2
= a2
b2
× ( b2 - x 2)
y = a
b
b2 - x 2
y′ = a
b
× - x
b2 - x 2
y′ 2 = (
a
b
) 2
x 2
b2
- x 2
d s = 1 + y′ 2 dx = 1 + 〔a
b
〕 2
x 2
b2
- x 2dx
=
b2
+ 〔c
b
〕 2
x 2
b2 - x 2 dx
d F = 2! y d s = 2! a
b
b2 - x 2
b2 + 〔c
b
〕 2x 2
b2 - x 2

dx
= 2! a
b
b2
+ 〔c
b
〕 2
x 2

dx
对椭圆封头曲面进行积分得出表面积公式:
Fq = 2! a
b∫ b
0
b2 + 〔c
b
〕 2x 2
d x
= ! a
b

[
x
2 b2
+
c2
b2 x 2
+
b2
2c
ln〔c
b
x
+ b2
+
c2
b2 x 2
〕 ]
b
0
= ! a
[
b
2
b2 + c2 + b2
2c
ln〔 b2
+ c2
+ c
b2 + c2 - C
〕 ]
= ! a
[ a +
b2
2c
ln〔 a + c
a - c
〕 ]
= ! a
[ a +
b2
2c

1
  ln〔 1 + 
1 -  〕
= ! a
{ a + b2
2c

1
  ln[
a
b
( 1 +   ) ] }
将a= kb　  = a2
- b2
a2 = k2
- 1
k 代入( 1) 式化
简得出封头曲面展开面面积:
F q = ! a2
[ 1 + 1
k k2
- 1
ln( k + k2
- 1) ]
( 2)
椭圆封头曲面展开直径D0 通解公式为( 由于直 边量、 圆角半径、 飞边量相对较小, 为计算简便,将其
直接加入展开直径中) :
D 0 = F
!2h3 + 1
2 ! R + 2L
= Dz [ 1 + 1
k k 2
- 1
ln( k + k2
- 1) ]
+ 2h0 +
1
2 ! R + 2L
Dz——椭球封头公称内径D1+ 封头钢板厚度t
· 92 ·

收稿日期: 2010- 05- 15
作者简介: 罗春华( 1978- ) ,男, 学士学位, 2001年毕业于内蒙古工业大学材料学院,致力于材料成型与控制研究。　罗春华 · 薄壁封头冲压中的技术要点浅析 2010 年第20 期
　　h0—封头直边高度
k—椭圆封头公称直径与厚度之比
R—凹模圆脚半径+ 1
2 t
L—飞边宽度 当k= 2 时(为标准型椭圆封头) : Dz= 992mm+
4mm, h0= 35mm, R = 25+ 2mm, L= 76mm。代入
( 3)式得
D0 = Dz [ 1 + 1
2 22
- 1
ln( 2 + 22
- 1) ]
+ 2h0 + 1
2 ! R + 2L
= 1. 175Dz + 2h0 + 1
2 ! R + 2L
= 1 400mm
验证: ∀1 400 封头代入公式D0= ∀1 900 的与现 行工艺相符, ∀600 封头代入公式的与现行工艺基本 一致,该尺寸经过生产验证效果良好。
2　模具设计时考虑因素 2. 1　皱折、 鼓包缺陷及模具整体结构的确定:
封头冲压时坯料外缘的压缩量最大,其值为:
△L = ! ( Dp - Dm) ( 5)
Dp——坯料直径,
Dm——拉深后大口直径(带飞边)
此压缩量向三个方向流动:
向垂直于拉深方
向的切向流动,增加边缘厚度;  拉深时向中心流 动,补充径向拉薄;   向外自由伸长, 即径向扩大。 由 于径向流动阻力小,所以向外伸长往往较大。 如果坯 料较薄或模具不当、 工艺不当,使封头在拉延过程中
其变形区切向压应力大于径向拉应力时, 就会丧失 稳定而产生皱折或鼓包。影响皱折产生的主要原因 是坯料的相对厚度t / Dm ( t 板料厚度, Dm 拉深后封
头带飞边时直径) , 相对厚度越大, 坯料边缘稳定性 越好, 切向压应力只能使板边变厚;相对厚度越小,
对板边纵向弯曲抗力越小, 易丧失稳定而起皱。此 外,热冲时板坯料加热温度不均、 模具间隙及下模圆
角太大、 坯料划、 碰伤严重、 压边力太小或不均等都 能产生皱折和鼓包。坯料产生皱折后,很难通过阴、 阳模具间的间隙, 容易被拉断。 即使通过阴、 阳模,皱
折也无法消除,会影响封头质量。 高碳钢和普通低碳钢椭球体封头不起皱折条件 为:
Dp - Dm < ( 1 ～20) t ( 6)
Dp——坯料直径,
Dm——拉深后大口直径,
t——封头壁厚。
对某直径∀1 000 容器封头,初期冲压过程中皱 折和鼓包现象严重, 按公式( 6) 计算 Dp - Dm=
1 400- ( 1 000+ 50+ 76×2) = 198> 20t 容易产生 皱折和鼓包, 所以对模具进行了完善,采用增加压边
圈的方法解决,设计了带压边圈的模具如图3 所示,
冲压时利用压力机边缸给压边圈一定压力, 冲前使 用适量的润滑油等措施,减少并最终避免了鼓包和
皱折现象的发生。为了校正椭球体型面增加了底拖 用于校形工序,使椭球体型面良好过渡;设计了阴模 直口与阴模拖直口,装配时用压板螺栓定位,从而保 证了阴模与阴模拖的同轴度。
图3　压边圈
2. 2　凹模圆角半径R凹 的确定 一般来说, R凹 尽可能取大些,大的R凹 可以降低 极限拉深系数,减少冲压时摩擦阻力、 提高材料的流
动性, 从而提高椭球体表面质量,但是R凹 过大时会
削弱压边圈的作用, 引起起皱和鼓包现象; R凹 过小 时使材料流动性降低,使封头表面质量降低甚至产 生龟裂形成裂纹源, 导致封头被拉裂,还会降低模具
的使用寿命,因此R凹 的大小要适当。椭球体凹模圆 角半径可以参考公式:
R 凹 = C1C2t ( 7)
C1——考虑材料的力学性能系数,对于软钢、 硬 铝C1= 1; 对于纯铜、 黄铜、 防锈铝, C1=
0. 8;对于406 高强度钢取C1= 1. 2～1. 5
C2——考虑板料厚度与拉深系数,取5～6. 5
R 凹 = 1. 2 ×5 ×4 = 24mm
考虑406 钢冲压性能及工件使用性能取R凹 =
25mm,经过实际使用该圆角半径可行。
图 4　凹模圆角半径的选取
2. 3　模具间隙的确定
一般来说, 间隙过小会增大冲压时摩擦阻力、 降 低材料的流动性,降低工件表面质量、 使工件拉伸后 变得更薄,甚至产生龟裂形成裂纹源,导致封头表面 拉裂,降低模具使用寿命;间隙过大冲压时摩擦阻力
会减小、 材料的流动性增大,引起皱褶和鼓包现象,
因此模具间隙大小要适当, 间隙Z 一般取( 1～1. 1
t ) ,考虑406 钢冲压性能、 工件表面质量、 模具使用
寿命及工艺可靠性要求, 取间隙Z 为4. 4mm。 3　拉深次数的确定 拉深次数和拉深量是冲压工艺编制中的关键点 之一,直接关系到拉深件的质量和拉深工作的经济
性。理论计算: 拉深次数决定于每次拉深时允许的 极限变形程度,拉伸系数m 是衡量拉深变形程度的
一个重要的工艺参数:拉伸系数。 m——每次拉深后工件直径Dz 与拉深毛坯D0
的比值m= Dz/ D0
代入Dz= 1 000- 4= 996
D0= 1. 175Dz+ 2×35+ 25×2+ 70×2= 1 400
得: m= 0. 7115
板料一次拉深最小拉深系数m0, 30CrMnSiA 拉 深系数0. 62～0. 70, 406 钢经过球化退火后材料冲 压性能大大改善, 一次拉深最小拉深系数应小于 0. 7, 因此m> m0,即该封头可以一次拉深成型。 为了
节省成本缩短生产周期我们采用了, 一次冲压拉伸 到深度300mm, 退火后冲压校形并拉深至要求尺 寸。
4　结论 封头冲压过程中,计算好板料毛坯尺寸、 设计模 具时选择合适的模具整体结构,计算好阴模过渡圆 角,设计、 计算好拉深次数,确定好模具间隙, 根据实
验情况确定压边力等基础性控制点, 冲压加工前对 板料进行认真的清理,对模具和封头上的划、 碰伤及 时修磨,添加适量的润滑油等措施,就能生产出合格
的封头。 在这篇文章的完成过程中得到苏冬梅、 赵俊龙 二位同志的大力支持和帮助, 在此表示感谢。 [参考文献]
[ 1]　陆博福,陆平. 非标准椭圆及标准椭圆形封头 冲压展开下料尺寸的计算[ J] . 压力容器,
2008, ( 6) .
[ 2] 　阮鑫, 赵博龙,张志勋. 薄壁封头冲压成型过 程中的几个技术要点浅析[ J] . 河北化工