柴油机高压油管接头冷镦工艺优化研究

胡广云，王奎，向贤念，王雁冰（中船动力研究院有限公司，上海200129）

柴油机高压油管接头冷镦工艺优化研究

胡广云，王奎，向贤念，王雁冰
（中船动力研究院有限公司，上海200129）

针对某型船用柴油机高压油管接头断裂事故，采用有限元仿真与试验相结合的方法，研究高压油管接头在冷镦成型过程中的材质的流线型以及内孔的尺寸。通过仿真与试验相结合的方法，研究了冷镦管胚进料长度尺寸对成型材质流线及内孔尺寸的影响，然后探讨了冷镦次数对成型结果的影响，为高压油管接头冷镦成型方案的改进提供了很好的参考。

柴油机高压油管接头冷镦成型流线

1 引言

为了满足船舶柴油机低油耗、高功率的要求，柴油机厂大多采用提高爆发压力和供油压力的方式。这种方法加剧了机体的振动，使得高压油管组件的工作条件更加恶劣，常会导致高压油管断裂失效的发生[1～2]。高压油管的断裂会导致燃油的泄漏和异常停机，严重的还会造成人员的伤害。

本文通过仿真与试验相结合的方法，研究了冷镦管胚进料长度尺寸对成型材质流线及内孔尺寸的影响，探讨了冷镦次数对成型结果的影响，分析不同的冷镦成型方案。

2 高压油管接头

某型船用柴油机在运行过程中发现高压油管组件接口处漏油，经拆卸检查发现，均为高压油管接头处发生径向断裂。高压油管接头采用Φ10×3毛坯管，并用EF50-6型冷墩机进行冷墩。冷镦成型后的管接头尺寸示意图如图1所示。管接头主要尺寸包括接头锥面角度α、接头最大直径D、内孔顶端圆角尺寸Ra、接头顶端圆角尺寸Rb、接头长度L、接头与管部连接部位圆角尺寸Rc和油孔内孔径d。

本文中该高压油管接头主要特征尺寸要求如表1所示。

图1 高压油管接头尺寸示意图

3 有限元分析

高压油管接头冷镦成型的有限元模型如图2所示。根据模型的对称性，采用轴对称模型进行仿真计算，选取的单元类型为CAX4R，单元尺寸为0.3 mm，冷墩模具冲头及夹具使用解析刚体进行建模。由于采用拉格朗日方法对高压油管接头进行冷镦成型的仿真模拟，网格单元的节点固定在材料内，节点随材料一起流动[3～4]，因此可以根据网格线来判断冷镦过程高压油管接头内部的材料型线变化。

在管接头冷镦成型仿真分析中，夹具作为固支约束；管子被夹具夹住的部分作为固支约束；冷墩模具冲头1、2、3依次沿轴向按照“进料长度”方向（Y轴负方向）进行强制位移约束，冲头3的尺寸为高压油管接头外侧的最终尺寸。

毛坯管的材料牌号为20CrMoA，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7.8×10-6，材料的屈服强度为319MPa，抗拉极限为479MPa，材料的延伸率约为30.5%。

为便于观察高压油管冷镦后材质流线变化和可能产生的径向缺陷，所有仿真均使用油孔径向方向位移（U2）结果作为评价依据。

根据高压油管冷镦后的铰孔及倒圆角加工，对于内径小于铰孔尺寸（Φ4.3mm）的冷镦方案，可通过铰孔消除冷镦造成的初始缺陷。因此对冷镦方案的仿真结果评价主要指标为：（1）接头内径最大处是否满足Φ4.3mm要求；（2）内外部表面是否饱满；（3）材质流线是否平滑。

经过冲头1、冲头2和冲头3的三道冲压作用，毛坯管沿Y方向的位移结果如图3所示。从仿真结果显示，毛坯管材质型线较为流畅，接头内外部表面饱满，但接头内孔径尺寸大于要求的4.3 mm，没有达到内孔径的加工指标，内孔加工完成后会出现缺陷。

对比仿真分析结果，在高压油管接头的实物加工中也出现了类似的缺陷。

图3 仿真计算结果

高压油管接头真实破坏情况如图4所示。根据管接头冷镦成型仿真计算结果可以判断，内径出现缺陷的位置产生了疲劳断裂。

图4 实际断裂情况

4 管胚进料长度尺寸对管接头成型的影响

4.1 试验验证方案

根据有限元仿真分析结果以及实际油管接头断裂情况，并结合经验可知，冷锻过程油管内孔产生的缺陷主要是由于材料不足产生，因此下面研究不同进料长度对冷镦过程油管内孔填充以及材质流线的影响。根据经验和冷镦机的参数要求，设置三组不同进料长度的改进方案，进料长度分别为27.5、29和29.3mm。

方案1管接头冷镦成型仿真计算结果和试验结果如图5所示。从仿真计算结果可以看出，高压管接头内外表面材料饱满，但是材质型线不够流畅，并且管接头内孔出现褶皱。从试验结果可知，材质型线与内孔褶皱与仿真结果基本一致，但内孔径的尺寸不一致。仿真结果显示接头内孔径满足油管内孔径的要求，但试验结果表明没有达到该首要指标。

图5 方案1仿真计算结果和试验结果

方案2结果如图6所示。从仿真结果可以看出，管接头内外部表面饱满，材质型线较为流畅，接头内孔基本无褶皱，接头内孔径满足要求。从试验结果来看，材质型线较为流畅，内孔有褶皱但较为平缓，与仿真计算结果基本一致，但内孔径的尺寸不满足内孔径的尺寸要求。

图6 方案2仿真计算结果和试验结果

方案3仿真结果和试验结果如图7所示。从仿真结果可以看出，管接头外部表面未填满，材质型线不流畅，接头内孔有少许褶皱，接头内孔径尺寸满足要求。从试验结果可以看到，与仿真结果类似，管接头材质型线不流畅，内孔有褶皱，但内孔径的尺寸不满足要求。

图7 方案3仿真计算结果和试验结果

4.2 仿真结果与试验结果的对比分析

通过对三组不同冷镦管胚进料长度尺寸下冷镦过程的仿真模拟以及试验验证，对比仿真结果和试验结果，可以得到仿真分析结果与实际试验情况的相同点和差异，具体体现在以下三个方面。

（1）仿真结果显示的内孔径与实际试验相比偏小。由于内孔需要进行机加工饺孔，需要冷墩后具有较小的孔径（≤Φ4.3mm），因此对于该项指标，应对仿真结果提出更高要求，以满足实际制造要求。

（2）仿真结果内孔材质褶皱比实际情况平缓，实际制造时产生的内孔材质褶皱将比仿真结果更为严重。

（3）仿真结果对接头处的冷墩成型趋势，材料堆积位置及模具填充饱和性的拟合度较高，其仿真结果是值得参考的。

由于一些复杂的因素，如冷墩成型的工艺特性对材料参数、冷墩后材料回弹和相关装夹组件的影响等，导致了仿真结果与实际试验结果产生了上述偏差，仿真结果的各项指标优于试验结果，因此为了保证实际制造时的可行性，针对仿真结果应预留一定的余量。

5 冷镦次数对管接头成型影响

单次冷镦变形量过大会造成冷镦后材质流线及成型的不理想，因此考虑采用增加冷镦成型的次数，通过减少单次冷镦的变形量来改善管接头的冷镦成型过程。于是设计了一组5次成型的方案，研究冷镦次数对管接头成型过程的影响。

5次成型的有限元模型如图8所示。图中有5个冲头模具，从冲头1开始依次对管接头毛坯管进行冲压，冲头5的形状为高压油管接头的最终尺寸。

图8 5次冷镦成型有限元模型

5次冷镦成型仿真结果和解剖结果如图9所示。从图中可以看出，管接头外表面材料已填满，内孔尺寸满足要求，材料型线较为流畅。按照5次冷镦成型的方案，试制一批次的高压油管，装机进行发动机试验后拆卸。从图中可以看出，剖面未出现疲劳裂纹萌生，获得了预期的效果。

图9 五次冷镦成型仿真结果和试验结果

4 结果分析与讨论

将不同方案的仿真结果汇总见表2。从表中可以看出，在一定范围内，随着进料长度的增加，冷镦成型的毛坯管内外表面、内部材料的型线和内孔尺寸能更好地满足要求，但当进料长度继续增加时，会导致毛坯管内外表面出现褶皱，材料的型线也会有较大的影响。对比不同冷镦次数的冷镦成型方案可以看出，当冷镦次数从3次增加到5次时，成型的毛坯管对应的内外表面的饱满程度、材料的型线和内孔的尺寸都能很好地满足要求。结合以上研究内容，选用了5次成型作为改进方案，成本增加约10%，目前尚未出现类似的断裂事故。

表2 仿真计算结果汇总

6 总结

通过仿真与试验相结合，分析不同管胚进料长度尺寸和对冷镦次数的研究，可以得到以下结论：

（1）进料长度对模具填充率和内孔径具有较大的影响。进料长度大，则填充率高，内孔径小。

（2）过大的进料长度会降低材质流线质量，甚至产生材质摺叠缺陷。增加冷镦次数能很好地控制材料堆积情况和流线。

[1]王雁冰，胡广云，宋雅丽等.某柴油机高压油管冷镦接头断裂问题分析[J].柴油机，2013，35（6）：40-43.

[2]白书战，贾迎军，张海龙等.基于振动测试的发动机高压油管断裂问题分析[J]内燃机与动力装置，2007（3）：49-52.

[3]孙江龙，杨文玉，杨侠等.拉格朗日、欧拉和任意拉格朗日-欧拉描述的有限元分析[C].//第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会论文集.2008：1024.

[4]王赤,应保胜,田德旺等.基于拉格朗日公式的冷轧有限元分析[J].锻压技术,2006,31(5)：29-32.

[5]Benson JP,EdmondsD V,Effectofm icrostructure on fatigue in threshold region in low-allow steel[J] MetalScience,1978,12(5)：223-232.

The ProcessOptimization Study ofCold Heading for High Pressure Fuel Pipe JointofDieselEngine

Hu Guangyun,Wang Kui,Xiang Xiannian,Wang Yanbing
（China Shipbuilding Power Engineering Institute Co.,Ltd.,Shanghai200129,China）

For the rupture of high pressure fuel pipe joint of amarine diesel engine,finite element method and experimentwere combined to study thematerial streamline and the inner hole size of the fuel pipe in the cold heading process.The effectof the feeding length on thematerial streamline and the inner hole size was studied,and the effect of cold heading times on the shaping result was discussed,which providesagood reference for the developmentof the cold heading process.

dieselengine,high pressure fuelpipe joint,cold heading,stream line

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.010

来稿日期：2017-02-17

胡广云（1978-），女，工程师，主要研究方向为发动机结构CAE技术。