專(zhuān)利名稱(chēng)：大型環(huán)形件成形加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型環(huán)形件的制造方法。
背景技術(shù)：
環(huán)形件廣泛用于冶金、石油化工、航天、航空等工業(yè)中?，F(xiàn)有的環(huán)形件制造技術(shù)主要有馬架擴(kuò)孔、軋制輾擴(kuò)法及鋼板切割法等。
馬架擴(kuò)孔是將毛坯套在芯軸上，在壓力機(jī)或鍛錘上用上砧錘打毛坯，產(chǎn)生沿圓周方向的拔長(zhǎng)，使鍛件壁厚減薄，內(nèi)、外徑同時(shí)增加，從而達(dá)到所要求的直徑尺寸要求，然后通過(guò)車(chē)削等機(jī)械加工方式完成環(huán)形件截面的制造。其缺點(diǎn)是直徑尺寸偏差大、環(huán)形件壁厚不均勻、切削加工量大。另外，受設(shè)備高度限制加工的直徑一般不超過(guò)1m。馬架擴(kuò)孔獲得環(huán)形件通常也是下面提到輾環(huán)工藝的毛坯。
軋制輾擴(kuò)法是首先采用馬架擴(kuò)孔或其它一些鍛造方式進(jìn)行環(huán)件制坯，然后在環(huán)件軋制設(shè)備上采用旋轉(zhuǎn)模具對(duì)環(huán)件毛坯局部連續(xù)施壓成形，使環(huán)形件整體壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形，最終使環(huán)形件成為一定形狀和尺寸的環(huán)形件毛坯，然后再通過(guò)大型立車(chē)進(jìn)行截面機(jī)械加工。軋制輾擴(kuò)法制造環(huán)形件的優(yōu)點(diǎn)是所需要的設(shè)備噸位小、材料利用率較高、振動(dòng)沖擊小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用該方法制造的環(huán)件外徑尺寸為40～10000mm，應(yīng)用范圍也較廣，常見(jiàn)的環(huán)件產(chǎn)品有軸承環(huán)、齒輪環(huán)、火車(chē)車(chē)輪輪箍、燃汽輪機(jī)環(huán)、電機(jī)集電環(huán)及核反應(yīng)堆容器環(huán)件等。申請(qǐng)?zhí)?00410060885.0中介紹了一種矩形截面鋁合金環(huán)形件的軋制成形方法。
上述兩種技術(shù)是制造整體環(huán)形件的主要方法，此外還有鋼板切割法，鋼板切割法的生產(chǎn)設(shè)備最為簡(jiǎn)單、投資小，且材料利用率較低。
對(duì)于空間環(huán)境模擬器、大型風(fēng)洞和水輪機(jī)轉(zhuǎn)子等大型裝備中使用的大型環(huán)形件，環(huán)形件的直徑超過(guò)5m，由于其尺寸大，即使用軋制輾擴(kuò)法能在工廠制造出來(lái)，由于超寬和超高也無(wú)法運(yùn)輸。因此對(duì)于直徑超過(guò)5m的大型環(huán)形件通常采用分瓣成形加工。
分瓣環(huán)形件的一種制造方法是采用鋼板切割法加工成弧段坯料，然后拼成整圓在立車(chē)上加工到設(shè)計(jì)的形狀和尺寸，最后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，再將若干弧段組焊成完整的環(huán)形件，并與容器組焊。分瓣環(huán)形件的另一種制造方法采用鋼板切割法加工成直段坯料或是直接將毛坯鍛成方坯，然后在液壓機(jī)上用模具冷彎成弧段，退火去應(yīng)力熱處理后，拼成整圓在立車(chē)上加工到設(shè)計(jì)的形狀和尺寸，最后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，將若干弧段組焊成完整的環(huán)形件，該方法較鋼板弧段切割法材料利用率高。這兩種方法的主要缺點(diǎn)是需要使用大型立車(chē)加工環(huán)形件截面形狀，帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是成本高；二是對(duì)于直徑超過(guò)國(guó)內(nèi)最大直徑16m立車(chē)的環(huán)形件無(wú)法加工。
而對(duì)于一些有密封要求的大型環(huán)形件，控制環(huán)形件的平面度與槽底的平面度是加工工藝的主要目標(biāo)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，由于道路、車(chē)輛以及運(yùn)輸過(guò)程振動(dòng)引起的變形等問(wèn)題，整體加工后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝往往很難實(shí)現(xiàn)。例如用大立車(chē)進(jìn)行整體加工，其機(jī)床的加工精度是可行的，但其裝夾變形誤差遠(yuǎn)大于機(jī)床誤差。整體工件的運(yùn)輸過(guò)程中車(chē)輛的振動(dòng)使工件發(fā)生很大的變形，如Φ5m整體環(huán)形件變形可達(dá)4mm～5mm之多。而且對(duì)于大型環(huán)形件，分段拼成整圓在立車(chē)上加工到設(shè)計(jì)的形狀和尺寸后，需拆分成若干環(huán)段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝成整體環(huán)形件，此過(guò)程中，由于焊接拼裝引起的焊接變形也會(huì)使得整個(gè)環(huán)形件的平面度難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述介紹的環(huán)形件分瓣成形的鋼板切割法、冷彎法或是整體扎制輾擴(kuò)法所成形環(huán)形件，其只能成形矩形等截面形式簡(jiǎn)單的環(huán)形件，而且要實(shí)現(xiàn)環(huán)形件的密封功能，其后續(xù)機(jī)械加工量較大的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種新的大型環(huán)形件成形加工方法。
本發(fā)明是通過(guò)下述方案予以實(shí)現(xiàn)的分段鍛成方坯或是鋼板切割直條狀坯料→加工基準(zhǔn)面→機(jī)加工截面形狀→壓制成形→畫(huà)線去端頭→加工焊接坡口→拼焊成圓環(huán)形件→現(xiàn)場(chǎng)精加工，具體工藝過(guò)程如下一、根據(jù)預(yù)成形環(huán)形件的直徑尺寸將其分成n個(gè)子段，每個(gè)子段的坯料尺寸確定如下各段坯料長(zhǎng)度L為L(zhǎng)＝2πR/n+(1～2)*H，L尺寸或分段數(shù)n要考慮鋼板長(zhǎng)度并保證壓制成弧段后的運(yùn)輸要求，采用鍛造成型或鋼板切割方法將預(yù)成形環(huán)形件加工成滿(mǎn)足上述條件的方坯或是直條狀坯料；二、然后依次進(jìn)行退火處理、型面加工，得到異型截面坯料；三、將兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)的異型截面坯料通過(guò)焊接的形式，使其成為對(duì)稱(chēng)截面的坯料，然后在液壓機(jī)或臥式彎曲機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制工藝過(guò)程如下將上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之間，隨著模具的閉合，在凸凹模具之間的坯料壓制成形，開(kāi)啟模具，進(jìn)行送料，每次送料量要小于凸模的長(zhǎng)度，而后再次閉合壓制，以此類(lèi)推，直至最后一步壓制完成；四、壓制成形的環(huán)形件曲率尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將焊縫打開(kāi)，去端頭加工焊接坡口，然后將經(jīng)壓制后的n個(gè)子段組焊成整個(gè)環(huán)形件；五、最后對(duì)整個(gè)環(huán)形件進(jìn)行銑削、磨削、珩磨、拋光精整加工處理。
采用本發(fā)明工藝制造的環(huán)形件制造成本低、后續(xù)機(jī)械加工量小、加工后平面度好、且不受大型立車(chē)等設(shè)備加工能力的限制，可用于加工直徑超過(guò)20m以上受加工設(shè)備限制的特大型環(huán)形件。成形材料可以是低碳鋼、合金鋼、鋁合金等各種金屬材料。


圖1為φ8.5m環(huán)形件截面圖；圖2為環(huán)形件臥式壓制結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的局部放大圖；圖4為壓制成形工藝過(guò)程圖；圖5為φ8.5m環(huán)形件焊接順序圖；圖6為檢測(cè)點(diǎn)位置及坡口結(jié)構(gòu)圖；圖7為多功能機(jī)床原理圖，其中1中心支撐架，2配重，3中心支撐，4橫梁，5徑向?qū)к壖斑M(jìn)給，6銑削頭，7垂直導(dǎo)軌及進(jìn)給，8徑向?qū)к壖斑M(jìn)給，9同向進(jìn)給，10環(huán)形件。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式通過(guò)下述方案對(duì)異型截面環(huán)形件進(jìn)行彎曲成形分段鍛成方坯或是鋼板切割直條狀坯料→加工基準(zhǔn)面→機(jī)加工截面形狀→壓制成形→畫(huà)線去端頭→加工焊接坡口→拼焊成圓環(huán)形件→現(xiàn)場(chǎng)精加工，具體工藝過(guò)程如下一、根據(jù)預(yù)成形環(huán)形件的直徑尺寸將其分成n個(gè)子段，每個(gè)子段的坯料尺寸確定如下每個(gè)環(huán)形件由n段組成，各段坯料長(zhǎng)度L為L(zhǎng)＝2πR/n+(1～2)*H，L尺寸或分段數(shù)n要考慮鋼板長(zhǎng)度并保證壓制成弧段后的運(yùn)輸要求，由于環(huán)形件彎曲時(shí)兩端部存在直段，不能達(dá)到曲率要求，故兩端要預(yù)留一定的工藝端頭，每端長(zhǎng)度為成形件高度方向尺寸H的1～2倍。寬度B尺寸為B＝(1+10～20％)B/，高度H尺寸為H＝(1+10～20％)H/，其中B/和H/分別為環(huán)形件寬度及高度方向的凈尺寸，10～20％為機(jī)加工余量。采用鍛造成型或鋼板切割方法將預(yù)成形環(huán)形件加工成滿(mǎn)足上述條件的方坯或是直條狀坯料；二、然后依次進(jìn)行退火處理、型面加工，得到異型截面坯料；三、將兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)的異型截面坯料通過(guò)焊接的形式，使其成為對(duì)稱(chēng)截面的坯料，然后在液壓機(jī)或臥式彎曲機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制工藝過(guò)程如下將上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之間，隨著模具的閉合，在凸凹模具之間的坯料壓制成形，開(kāi)啟模具，進(jìn)行送料，每次送料量要小于凸模的長(zhǎng)度，而后再次閉合壓制，以此類(lèi)推，直至最后一步壓制完成；四、壓制成形的環(huán)形件曲率尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將焊縫打開(kāi)，去端頭加工焊接坡口，然后將經(jīng)壓制后的n個(gè)子段組焊成整個(gè)環(huán)形件；五、最后對(duì)整個(gè)環(huán)形件進(jìn)行銑削、磨削、珩磨、拋光精整加工處理。
本實(shí)施方式中，對(duì)于5m-10m的環(huán)形件用液壓機(jī)壓制。
本實(shí)施方式中，對(duì)于10m-30m的環(huán)形件用臥式彎曲機(jī)壓制。
本實(shí)施方式中，環(huán)形件的材質(zhì)為低碳鋼、合金鋼或鋁合金等各種金屬材料。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式以φ8.5m、截面凈尺寸如圖1所示的環(huán)形件壓制成形為例，通過(guò)下述方案對(duì)其進(jìn)行成形加工分段鍛成方坯或是鋼板切割直條狀坯料→加工基準(zhǔn)面→機(jī)加工各個(gè)側(cè)面及截面形狀→立式或臥式壓制成形→畫(huà)線去端頭→加工焊接坡口→拼焊成圓環(huán)形件→現(xiàn)場(chǎng)精加工，具體工藝過(guò)程如下(1)首先根據(jù)預(yù)成形環(huán)形件的直徑尺寸8.5m將其分成6個(gè)子段，每個(gè)子段的坯料尺寸確定如下每個(gè)環(huán)形件由6段組成，各段坯料長(zhǎng)度L為L(zhǎng)＝2πR/6+(1～2)*H＝5.2m，由于環(huán)形件壓制時(shí)兩端部存在直段，不能達(dá)到曲率要求，故兩端要預(yù)留一定的工藝端頭，每端長(zhǎng)度為成形件高度方向尺寸H的1～2倍。寬度B尺寸為B＝(1+10～20％)*250＝280mm，高度H尺寸為H＝(1+10～20％)*135＝150mm，其中10～20％為機(jī)加工余量。對(duì)于該直徑8.5m環(huán)形件，共分為6段，坯料長(zhǎng)L、寬B、高H的尺寸分別為5.2m、280mm、150mm，該坯料可以鍛造，也可以采用150mm厚鋼板切割。各段坯料需進(jìn)行退火處理，防止機(jī)加工中產(chǎn)生變形，而后在刨床或是銑床上進(jìn)行型面的加工，加工時(shí)各個(gè)型面，包括中間密封型槽，該機(jī)加工各型面需留5～10mm加工余量，用于最后的現(xiàn)場(chǎng)精加工。
(2)加工成型后的坯料在臥式彎曲機(jī)上或是液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)環(huán)形件的壓制，在壓制過(guò)程中，由于工件型面的不對(duì)稱(chēng)性，單件壓制時(shí)，成形過(guò)程中工件存在側(cè)彎和扭曲的缺陷，為環(huán)形件的后續(xù)焊接組裝及機(jī)械加工帶來(lái)很大困難，故采取將兩件成對(duì)壓制的工藝措施，將兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)的異型截面坯料通過(guò)焊接的形式，使其成為對(duì)稱(chēng)截面的坯料，然后進(jìn)行臥式壓制，如圖2和3。壓制工藝過(guò)程如下圖3是壓制成形的工藝過(guò)程。圖4(a)是第一步壓制的初始狀態(tài)，模型包括凸模、凹模和坯料。隨著模具的閉合，在凸凹模具之間的坯料壓制成形，開(kāi)啟模具，進(jìn)行送料，而后再次閉合壓制。以此類(lèi)推，直至最后一步壓制完成。壓制的曲率半徑由模具來(lái)控制。
(3)壓制成形的環(huán)形件曲率尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將焊縫打開(kāi)，然后去端頭加工焊接坡口，然后將環(huán)形件的各個(gè)環(huán)段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)將經(jīng)壓制后的6個(gè)子段組焊成整個(gè)環(huán)形件，焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制焊接順序，以控制焊接變形。
(4)組焊后的整個(gè)環(huán)形件經(jīng)焊縫熱處理后，與筒體進(jìn)行焊接裝配，而后利用多功能機(jī)床進(jìn)行密封面和密封槽的現(xiàn)場(chǎng)精加工。由于環(huán)形件密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，要進(jìn)行銑削精加工，將圖7中的銑削頭換成磨削頭或拋光頭，還可以完成磨削、珩磨、拋光等精整加工。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式以由六瓣組成的直徑φ8.5m環(huán)形件的拼焊為例，環(huán)形件采用手工電弧焊接，焊接坡口采用對(duì)稱(chēng)的雙U形坡口，在開(kāi)始焊接時(shí)，在環(huán)形件與剛性平臺(tái)之間均布放置一些塑料板，以減小兩者之間的摩擦力，從而最大限度的消除由于摩擦阻力而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。環(huán)形件的焊接順序如下a)第一層焊縫焊接時(shí)，6名焊工分布在3條立焊縫的兩側(cè)，同時(shí)對(duì)稱(chēng)施焊。每焊縫處，一人焊接對(duì)口的上半部，另一人焊接對(duì)口的下半部，焊接完畢后清理對(duì)方的焊縫根部，再焊接剩下的另一半焊縫。
b)2、3層焊接采取短段加分三段退焊，焊層熔敷金屬厚度控制在上部2.5～3.0mm，下部3.0～4.0mm，第4～8層采用分三段退焊，焊層熔敷金屬厚度控制在2.5～4.0mm，第9層至封面，采用立向上直通焊，如圖5所示。這樣一來(lái)，前幾層采用短段加分三段退焊焊接時(shí)，環(huán)形件的上端橫向收縮小，而下端的橫向收縮大。而后幾層采用直通焊時(shí)，環(huán)形件的上端橫向收縮大，下端的橫向收縮小，兩者的前后結(jié)合使上下端的差值得到了控制。同時(shí)由于分段退焊，使每段的結(jié)合點(diǎn)與前一段的起點(diǎn)相結(jié)合，因此溫度差不是很大，這樣就改善了不均勻加熱和冷卻的程度，減小了焊接殘余應(yīng)力與變形。
c)焊接時(shí)采用雙面對(duì)稱(chēng)焊接，對(duì)稱(chēng)的兩名焊工的焊接規(guī)范參數(shù)保持對(duì)稱(chēng)(即焊接電流、焊接電壓、焊接速度保持一致)。在焊接過(guò)程中，每層焊道層間溫度控制在600℃以下。
d)在焊接到環(huán)形件凸頸部位時(shí)，施焊位置已經(jīng)由立焊轉(zhuǎn)到平焊位置，每焊接一層焊縫，就用風(fēng)鏟錘擊焊道一次，直到焊接完畢，這樣一方面改善了應(yīng)力在厚度方向的分布，釋放了應(yīng)力，另一方面，通過(guò)錘擊來(lái)調(diào)整焊縫上下端的收縮值的大小，從而達(dá)到控制環(huán)形件焊接變形的目的，但是在蓋面層焊縫不應(yīng)錘擊。
e)在焊縫上下平面和立面設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)每層焊縫焊接后，利用游標(biāo)卡尺檢測(cè)焊縫橫向收縮量，隨時(shí)進(jìn)行焊縫變形調(diào)整。圖6為檢測(cè)點(diǎn)位置及剖口結(jié)構(gòu)示意圖。
f)對(duì)測(cè)量的各端面點(diǎn)的焊縫收縮數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過(guò)調(diào)整施焊順序、焊縫清根深淺程度、加大焊層厚度等辦法，來(lái)達(dá)到控制焊縫收縮量的不對(duì)稱(chēng)性。
g)環(huán)形件焊接完畢后采用200～3000C加熱，保溫2小時(shí)的熱處理工藝消除焊接殘余應(yīng)力。
h)組焊后的整個(gè)環(huán)形件經(jīng)焊縫熱處理后，與筒體進(jìn)行焊接裝配，而后利用多功能機(jī)床進(jìn)行密封面和密封槽的現(xiàn)場(chǎng)精加工。
由于環(huán)形件密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，機(jī)床不僅要能進(jìn)行銑削精加工，還應(yīng)該能夠完成磨削、珩磨、拋光等精整加工。精加工時(shí)，機(jī)床本體沿工件圓周方向繞工件圓心做連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而可以完成連續(xù)銑削加工，以達(dá)到要求的平面度和粗糙度。機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示，將圖7中的銑削裝置換成磨削或者其他精整裝置，便可以進(jìn)行相應(yīng)的精加工或精整加工。
權(quán)利要求
1.大型環(huán)形件成形加工方法，其特征在于所述方法為分段鍛成方坯或是鋼板切割直條狀坯料→加工基準(zhǔn)面→機(jī)加工截面形狀→壓制成形→畫(huà)線去端頭→加工焊接坡口→拼焊成圓環(huán)形件→現(xiàn)場(chǎng)精加工，具體工藝過(guò)程如下一、根據(jù)預(yù)成形環(huán)形件的直徑尺寸將其分成n個(gè)子段，每個(gè)子段的坯料尺寸確定如下各段坯料長(zhǎng)度L為L(zhǎng)＝2πR/n+(1～2)*H，L尺寸或分段數(shù)n要考慮鋼板長(zhǎng)度并保證壓制成弧段后的運(yùn)輸要求，采用鍛造成型或鋼板切割方法將預(yù)成形環(huán)形件加工成滿(mǎn)足上述條件的方坯或是直條狀坯料；二、然后依次進(jìn)行退火處理、型面加工，得到異型截面坯料；三、將兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)的異型截面坯料通過(guò)焊接的形式，使其成為對(duì)稱(chēng)截面的坯料，然后在液壓機(jī)或臥式彎曲機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制工藝過(guò)程如下將上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之間，隨著模具的閉合，在凸凹模具之間的坯料壓制成形，開(kāi)啟模具，進(jìn)行送料，每次送料量要小于凸模的長(zhǎng)度，而后再次閉合壓制，以此類(lèi)推，直至最后一步壓制完成；四、壓制成形的環(huán)形件曲率尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將焊縫打開(kāi)，去端頭加工焊接坡口，然后將經(jīng)壓制后的n個(gè)子段組焊成整個(gè)環(huán)形件；五、最后對(duì)整個(gè)環(huán)形件進(jìn)行銑削、磨削、珩磨、拋光精整加工處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型環(huán)形件成形加工方法，其特征在于對(duì)于5m-10m的環(huán)形件用液壓機(jī)壓制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型環(huán)形件成形加工方法，其特征在于對(duì)于10m-30m的環(huán)形件用臥式彎曲機(jī)壓制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型環(huán)形件成形加工方法，其特征在于所述環(huán)形件的材質(zhì)為低碳鋼、合金鋼或鋁合金。
全文摘要
大型環(huán)形件成形加工方法，涉及一種大型環(huán)形件制造方法。針對(duì)現(xiàn)有鋼板切割法或是扎制輾擴(kuò)法所成形環(huán)形件，其只能成形矩形等截面形式簡(jiǎn)單的環(huán)形件，而且要實(shí)現(xiàn)環(huán)形件的密封功能，其后續(xù)機(jī)械加工量較大的缺點(diǎn)，本發(fā)明通過(guò)下述方案予以實(shí)現(xiàn)分段鍛成方坯或是鋼板切割直條狀坯料→加工基準(zhǔn)面→機(jī)加工截面形狀→壓制成形→畫(huà)線去端頭→加工焊接坡口→拼焊成圓環(huán)形件→現(xiàn)場(chǎng)精加工。采用本發(fā)明工藝制造的環(huán)形件制造成本低、后續(xù)機(jī)械加工量小、加工后平面度好、且不受大型立車(chē)等設(shè)備加工能力的限制，可用于加工超大直徑特別是受加工設(shè)備限制的特大型環(huán)形件，最大直徑可達(dá)30m。
文檔編號(hào)B23P23/04GK1927534SQ200610150829
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者苑世劍, 滕步剛, 王仲仁 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)