背景技術(shù)：
大型三通主要用于油氣輸送管道中主干線與支線的連接處。按照支管直徑D₂和主管直徑D₁的關(guān)系，可將其分為小異徑比(D₂/D₁≤2/3)三通和大異徑比(2/3<D₂/D₁≤1)三通。特殊的，當(dāng)D₂/D₁＝1時(shí)，主管與支管直徑相等，即等徑三通。大型三通的成形方法主要有鑄造、焊接、液壓成形和擠壓成形等。鑄造三通的內(nèi)部缺陷較嚴(yán)重；焊接三通焊縫區(qū)域的沖擊韌性較差；液壓成形三通的最大成形三通管徑較小；擠壓三通的壁厚減薄較嚴(yán)重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種壁厚均勻、焊縫數(shù)量少、成形質(zhì)量穩(wěn)定的大型板制單焊縫三通成形工藝方法及成形裝置。

本發(fā)明的方法主要是：以板坯作為原材料，精確下料；依次經(jīng)過脹形(或拉深)和反拉深成形得到寬法蘭筒形件，其中直筒部分作為三通支管；經(jīng)U型截面成形和O型截面成形，將法蘭部分成形為三通主管，同時(shí)對支管圓角部分進(jìn)行整形；將主管焊合；切除支管的圓角及底部區(qū)域；切除主管兩端多余材料，即可得到合格的單焊縫等徑三通管件。為實(shí)現(xiàn)上述方法又設(shè)計(jì)出與其配套的裝置。

一、對于小異徑比(支管直徑D₂和主管直徑D₁的比值D₂/D₁≤2/3)大型板制單焊縫三通：

(一)本發(fā)明的方法之一具體如下：

1.下料

(1)確定坯料形狀：坯料形狀為矩形，長L＝π(D₁-t)+(10～20)mm，寬D＝C+(100～200)mm。其中，D₁為主管直徑，t為三通壁厚，C為主管長度。

(2)下料：選取與產(chǎn)品三通管件材質(zhì)和壁厚相同的板坯作為原材料，按照計(jì)算所得矩形板料尺寸進(jìn)行切割機(jī)下料。

2.加工坡口

將下好的坯料裝卡在機(jī)床上，通過刀具與坯料的相對運(yùn)動(dòng)加工出坯料兩短邊段橫截面要求的坡口尺寸。

3.支管成形

(1)脹形：

將坯料放在凹模Ⅰ上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凸模Ⅰ與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。脹形過程中，首先由壓邊圈施加力將坯料壓住，隨后凸模Ⅰ將坯料壓入凹模Ⅰ，待凸模球冠完全進(jìn)入凹模，即脹形高度為H₁時(shí)，停止成形，獲得支管預(yù)成形坯。

(2)反拉深

將支管預(yù)成形坯放在凹模Ⅱ上，通過球頭定位桿定位，使球冠中心線與凹模中心線對齊。凸模Ⅱ與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。反拉深成形過程中，凸模Ⅱ?qū)⑴髁蠅喝氚寄＂?，拉深高度達(dá)到H₂＝M-D₁/2+r_d2時(shí)，停止成形，獲得支管成形坯。

4.主管成形

(1)U型截面成形：

將支管成形坯放在凹模III上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模III與下模板通過螺釘聯(lián)接，下模板上設(shè)有與現(xiàn)有技術(shù)相同的與壓機(jī)工作臺(tái)相連的機(jī)構(gòu)。該成形步驟與反拉深成形共用凸模Ⅱ。凸模Ⅱ壓下，將支管成形坯壓入凹模III，平面凸緣部分形成U型主管坯。

(2)O型截面成形

將凹模III內(nèi)的兩塊墊塊卸下，將U型主管坯置于凹模內(nèi)。凸模III與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。滑塊帶動(dòng)凸模III壓下，將U型主管坯壓制成O型主管坯，制得三通管坯。

5.焊接

將三通管坯的主管背部開口處用焊機(jī)焊合，焊縫為位于主管底部的一條縱向焊縫。

5.切除余料

將三通管坯主管兩端以及支管端部多余的坯料用切割機(jī)切除，并按三通規(guī)格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

(二)成形模具

1、支管成形模具

(1)脹形模具：

凸模I為底板下面設(shè)有與其垂直相連的圓頭柱體，該圓頭柱體的自由端為球冠，球冠直徑為

D_p1＝D₂/m-2z (1)

其中，D₂為支管直徑；m為拉深系數(shù)，查閱設(shè)計(jì)手冊確定；z為凸模Ⅰ與凹模Ⅰ的間隙z＝(1-1.1)t。球冠高度為

$H_1=4t+\sqrt{2.24t^2+D_{2}M-0.5D_1{D}_2+0.56D_{2}t-2.28D_{2}t/m}---\left(2\right)$

其中，M為支管高度。

與凸模對應(yīng)的凹模Ⅰ為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d1＝D₂/m，該凹模Ⅰ的中心通孔與頂面設(shè)圓角，該圓角半徑為r_d1＝(3-5)t。

(2)反拉深模具：

凸模II為底板下面設(shè)有與其垂直相連的U型體，該U型體是由立方體與半圓柱體相連組成的幾何體，該U型型面半徑r＝D₁/2,寬b₁＝D₂-2z；圓角半徑為r_p2＝(3-5)t。U型體下端中部設(shè)有與其連為一體的平頭圓柱體，其直徑為D_p2＝D₂-2z。

與凸模II對應(yīng)的凹模Ⅱ?yàn)樵O(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為為D_d2＝D₂，該凹模Ⅱ的中心通孔與頂面設(shè)圓角，該圓角半徑為r_d2＝(3-5)t。

2、主管成形模具

(1)U型截面成形模具：

主管成形U型截面成形模具的凸模結(jié)構(gòu)與凸模II相同，共用。

凹模III為型面尺寸與三通外壁型面尺寸相同兩端敞開且開口向上的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面中部設(shè)與支管對應(yīng)的通孔，U型槽體的兩個(gè)豎直壁內(nèi)設(shè)與其平行的開口槽，開口槽內(nèi)設(shè)有與其對應(yīng)的墊塊，墊塊通過螺釘與凹模III聯(lián)接，兩墊塊間距b₂＝D₁。

(2)O型截面成形模具：

凸模III為兩端敞開且開口向下的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面即型面尺寸與三通主管外壁型面尺寸相同。

與凸模III對應(yīng)的凹模與U型截面成形凹模III結(jié)構(gòu)相同，但不加墊塊。

二、對于大異徑比(支管直徑D₂和主管直徑D₁的比值2/3<D₂/D₁≤1)大型板制單焊縫三通：

(一)本發(fā)明的方法之二具體如下：

1.下料

(1)確定坯料形狀：以寬法蘭筒形件作為反算模型，利用DYNAFORM軟件自帶的BSE(板料尺寸計(jì)算)功能將其展開，得到合理的坯料尺寸。寬法蘭筒形件的特征在于法蘭長度為L＝π(D₁-t)+(10～20)mm，寬度為D＝C+(100～200)mm,直壁筒的直徑為d＝D₂/m，高度H₂＝M-D₁/2+r_d。其中，D₁為主管直徑；t為三通壁厚；C為主管長度；D₂為支管直徑；m為拉深系數(shù)，查閱設(shè)計(jì)手冊確定；M為支管高度，r_d為圓角半徑，r_d＝(3-5)t。

(2)下料：選取與產(chǎn)品三通管件材質(zhì)和壁厚相同的板坯作為原材料，按照反算坯料形狀及尺寸進(jìn)行切割機(jī)下料。

2.加工坡口

將下好的坯料裝卡在機(jī)床上，通過刀具與坯料的相對運(yùn)動(dòng)加工出坯料兩短邊段橫截面要求的坡口尺寸。

3.支管成形

(1)拉深：

將坯料放在凹模Ⅳ上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凸模Ⅳ與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。拉深過程中，首先由壓邊圈施加力將坯料壓住，隨后凸模Ⅳ將坯料壓入凹模Ⅳ，拉深高度達(dá)到H＝M-D₁/2+r_d時(shí)，停止成形，獲得支管預(yù)成形坯。

(2)反拉深

將支管預(yù)成形坯放在凹模Ⅴ上，通過定位桿定位，使預(yù)制支管中心線與凹模中心線對齊。凸模Ⅴ與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。反拉深成形過程中，凸模Ⅴ將坯料壓入凹模Ⅴ，拉深高度達(dá)到H時(shí)，停止成形，獲得支管成形坯。

4.主管成形

(1)U型截面成形：

將支管成形坯放在凹模Ⅵ上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模Ⅵ與下模板通過螺釘聯(lián)接，下模板上設(shè)有與現(xiàn)有技術(shù)相同的與壓機(jī)工作臺(tái)相連的機(jī)構(gòu)。該成形步驟與反拉深成形共用凸模Ⅴ。凸模Ⅴ壓下，將支管成形坯平面凸緣部分壓制成形U型主管坯。

(2)O型截面成形

將凹模Ⅵ內(nèi)的兩塊墊塊卸下，將U型主管坯置于凹模內(nèi)。凸模Ⅵ與上模板通過螺釘聯(lián)接，上模板通過現(xiàn)有技術(shù)與壓機(jī)橫梁相連。滑塊帶動(dòng)凸模Ⅵ壓下，將U型主管坯壓制成O型主管坯，制得三通管坯。

5.焊接

將三通管坯的主管背部開口處用焊機(jī)焊合，焊縫為位于主管底部的一條縱向焊縫。

5.切除余料

將三通管坯主管兩端以及支管端部多余的坯料用切割機(jī)切除，并按三通規(guī)格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

(二)成形模具

1、支管成形模具

⑴脹形模具：

凸模IV為底板下面設(shè)有與其垂直相連的平頭圓柱體，其直徑為D_p4＝D₂/m-2z，其中，z為凸模Ⅳ與凹模Ⅳ的間隙z＝(1-1.1)t；平頭與圓柱體間的圓角半徑為r_p4＝(3-5)t。

與凸模對應(yīng)的凹模Ⅳ為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d4＝D₂/m，該凹模Ⅳ的中心通孔與頂面設(shè)圓角，圓角半徑為r_d4＝(3-5)t。

(2)反拉深模具：

凸模V為底板下面設(shè)有與其垂直相連的U型體，該U型體是由立方體與半圓柱體相連組成的幾何體，上部U型型面半徑r＝D₁/2-z,寬b₁＝2r，U型體下端中部設(shè)有與其連為一體的平頭圓柱體，其直徑為D_p5＝D₂-2z。

與凸模V對應(yīng)的凹模V為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d5＝D₂，該凹模V的中心通孔與頂面設(shè)圓角，圓角半徑為r_d5＝(3-5)t。

3、主管成形模具

(1)U型截面成形模具：

主管成形U型截面成形模具的凸模結(jié)構(gòu)與凸模V相同，共用。

凹模VI為型面尺寸與三通外壁型面尺寸相同兩端敞開且開口向上的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面中部設(shè)與支管對應(yīng)的通孔，U型槽體的兩個(gè)豎直壁內(nèi)設(shè)與其平行的開口槽，開口槽內(nèi)設(shè)有與其對應(yīng)的墊塊，墊塊通過螺釘與凹模III聯(lián)接，兩墊塊的間距b₂＝D₁。

(2)O型截面成形模具：

凸模VI為兩端敞開且開口向下的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面即型面尺寸與三通主管外壁型面尺寸相同。

與凸模VI對應(yīng)的凹模與U型截面成形凹模VI結(jié)構(gòu)相同，但不加墊塊。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用本發(fā)明獲得的三通產(chǎn)品僅在主管背部存在一條焊縫，主管與支管過渡圓滑，改善了介質(zhì)的流通性。

2.本發(fā)明所用坯料為板料，模具簡單，成形設(shè)備要求低，因此可成形大型三通件。

3.支管肩臺(tái)部分會(huì)出現(xiàn)增厚現(xiàn)象，提高三通管件薄弱部分的強(qiáng)度，提高使用壽命。

4.無需加熱，管坯組織均勻，能源消耗少，材料利用率高，降低了產(chǎn)品成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明成形三通主視示意簡圖。

圖2為本發(fā)明成形三通左視示意簡圖。

圖3為本發(fā)明例1脹形成形裝置主視示意簡圖。

圖4為本發(fā)明例1脹形成形裝置三維示意簡圖。

圖5為本發(fā)明例1反拉深成形裝置主視示意簡圖。

圖6為本發(fā)明例1反拉深成形裝置左視示意簡圖。

圖7為本發(fā)明例1反拉深成形裝置三維示意簡圖。

圖8為本發(fā)明例1U型截面成形裝置主視示意簡圖。

圖9為本發(fā)明例1U型截面成形裝置左視示意簡圖。

圖10為本發(fā)明例1U型截面成形裝置三維示意簡圖。

圖11為本發(fā)明例1O型截面成形裝置主視示意簡圖。

圖12為本發(fā)明例1O型截面成形裝置左視示意簡圖。

圖13為本發(fā)明例1O型截面成形裝置三維示意簡圖。

圖14為本發(fā)明例2坯料反算模型示意簡圖。

圖15為本發(fā)明例2反算坯料示意簡圖。

圖16為本發(fā)明例2拉深成形裝置主視示意簡圖。

圖17為本發(fā)明例2拉深成形裝置三維示意簡圖。

圖18為本發(fā)明例2反拉深成形裝置主視示意簡圖。

圖19為本發(fā)明例2反拉深成形裝置左視示意簡圖。

圖20為本發(fā)明例2反拉深成形裝置三維示意簡圖。

圖21為本發(fā)明例2U型截面成形裝置主視示意簡圖。

圖22為本發(fā)明例2U型截面成形裝置左視示意簡圖。

圖23為本發(fā)明例2U型截面成形裝置三維示意簡圖。

圖24為本發(fā)明例2O型截面成形裝置主視示意簡圖。

圖25為本發(fā)明例2O型截面成形裝置左視示意簡圖。

圖26為本發(fā)明例2O型截面成形裝置三維示意簡圖。

圖中：1.三通主體；2.焊縫；3.上模板；4.凸模Ⅰ；5.壓邊圈Ⅰ；6.坯料；7.凹模Ⅰ；8.下模板；9.凸模Ⅱ；10.凹模Ⅱ；11.墊塊；12.凹模Ⅲ；13.凸模Ⅲ；14.反算模型；15.反算坯料；16.凸模Ⅳ；17.壓邊圈Ⅱ；18.凹模Ⅳ；19.凸模Ⅴ；20.凹模Ⅴ；21.墊塊；22.凹模Ⅵ；23.凸模Ⅵ。

具體實(shí)施方式

例1

以生產(chǎn)材料Q235，主管直徑D₁＝800mm、支管直徑D₂＝400mm、支管高度M＝500mm、主管長度C＝1200mm、厚度t＝20mm焊縫2在背部的三通1為例，如圖1和圖2所示，對本發(fā)明進(jìn)行說明。

選取厚度為20mm的Q235板料作為原材料，矩形坯料6的長L＝2464mm，寬D＝1300mm，用切割機(jī)下料。將下好的坯料裝卡在機(jī)床上，通過刀具與坯料的相對運(yùn)動(dòng)加工出坯料短邊橫截面要求的坡口，坡口為Y型坡口，尺寸為10×15mm。

將坯料坡口朝下放置在凹模Ⅰ7上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模Ⅰ中心通孔的直徑為D_d1＝534mm，圓角半徑為r_d1＝100mm，通過下模板8固定在壓機(jī)工作臺(tái)上。凸模I4為底板下面設(shè)有與其垂直相連的圓頭柱體，該圓頭柱體的自由端為球冠，球冠直徑為為D_p1＝494mm，高度為H₁＝225mm，通過上模板3安裝在壓力機(jī)滑塊上。如圖3和圖4所示，脹形過程中，首先由壓邊圈Ⅰ5施加力將坯料壓住，隨后凸模Ⅰ將坯料壓入凹模Ⅰ，脹形高度為H₁＝225mm時(shí)，停止成形，獲得支管預(yù)成形坯。

將支管預(yù)成形坯放在凹模Ⅱ10上，球冠底部向上，通過球頭定位桿定位，使球冠中心線與凹模中心線對齊。凸模II9為底板下面設(shè)有與其垂直相連的U型體，該U型體是由立方體與半圓柱體相連組成的幾何體，該U型型面半徑r＝380mm，寬b₁＝760mm，圓角半徑為r_p2＝80mm。U型體下端中部設(shè)有與其連為一體的平頭圓柱體，其直徑為D_p2＝360mm，通過上模板安裝在壓力機(jī)滑塊上。凹模Ⅱ10為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d2＝400mm，圓角半徑為r_d2＝80mm，通過下模板固定與壓機(jī)工作臺(tái)上，如圖5、圖6和圖7所示，反拉深成形過程中，凸模Ⅱ?qū)⑴髁蠅喝氚寄＂颍罡叨冗_(dá)到H₂＝180mm時(shí)，停止成形，獲得支管成形坯。

將支管成形坯放在凹模III12上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模III通過下模板固定在壓機(jī)工作臺(tái)上，凹模III為型面尺寸與三通外壁型面尺寸相同兩端敞開且開口向上的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面中部設(shè)與支管對應(yīng)的通孔，U型槽體的兩個(gè)豎直壁內(nèi)設(shè)與其平行的開口槽，開口槽內(nèi)設(shè)有與其對應(yīng)的墊塊11，墊塊通過螺釘與凹模III聯(lián)接，兩墊塊間距b₂＝800mm。該成形步驟與反拉深成形共用凸模Ⅱ，如圖8、圖9和圖10所示，凸模Ⅱ壓下，將支管成形坯平面凸緣部分壓制成形U型主管坯。

將凹模III內(nèi)的兩塊墊塊卸下，將U型主管坯置于凹模III內(nèi)。凸模III13為兩端敞開且開口向下的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面即型面尺寸與三通主管外壁型面尺寸相同，通過上模板通與壓機(jī)橫梁相連，如圖11、圖12和圖13所示，滑塊帶動(dòng)凸模Ⅲ壓下，將U型主管坯壓制成O型主管坯，制得三通管坯。

將三通管坯的主管背部開口處用焊機(jī)焊合，焊縫為位于主管底部的一條縱向焊縫。將三通管坯主管兩端以及支管端部多余的坯料用切割機(jī)切除，并按三通規(guī)格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

例2

以生產(chǎn)材料X80，主管直徑D₁＝800mm、支管直徑D₂＝600mm、支管高度M＝500mm、主管長度C＝1200mm、厚度t＝20mm的三通為例對本發(fā)明進(jìn)行說明。

以寬法蘭筒形件作為反算模型14，如圖14所示，其法蘭長度為L＝2464mm，寬度為D＝1300mm,直壁筒的直徑為d＝800mm，高度H₂＝200mm。圓角半徑r_d＝100mm。利用DYNAFORM軟件自帶的BSE(板料尺寸計(jì)算)功能將其展開，得到反算坯料15形狀及尺寸，如圖15所示。選取厚度為20mm的X80板料作為原材料，按照反算坯料形狀用切割機(jī)下料。將下好的坯料裝卡在機(jī)床上，通過刀具與坯料的相對運(yùn)動(dòng)加工出坯料短邊橫截面要求的坡口，坡口為Y型坡口，尺寸為10×15mm。

將坯料坡口朝下放置在凹模Ⅳ18上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模Ⅳ為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d4＝800mm，圓角半徑為r_d4＝100mm，通過下模板固定在壓機(jī)工作臺(tái)上。凸模IV16為底板下面設(shè)有與其垂直相連的平頭圓柱體，其直徑為D_p4＝760mm，圓角半徑為r_p4＝100mm，通過上模板安裝在壓力機(jī)滑塊上，如圖16和圖17所示，拉深過程中，首先由壓邊圈17施加力將坯料壓住，隨后凸模Ⅳ將坯料壓入凹模Ⅳ，拉深高度為H₂＝200mm時(shí)，停止成形，獲得支管預(yù)成形坯。

將支管預(yù)成形坯放在凹模Ⅴ20上，筒底向上，通過定位桿定位，將預(yù)制支管中心線與凹模中心線對齊。凹模Ⅴ為設(shè)有中心通孔的矩形板塊，中心通孔的直徑為D_d5＝600mm，圓角半徑為r_d5＝80mm，通過下模板固定與壓機(jī)工作臺(tái)上。凸模Ⅴ19為底板下面設(shè)有與其垂直相連的U型體，該U型體是由立方體與半圓柱體相連組成的幾何體，上部U型型面的半徑r＝380mm，寬b₁＝760mm，圓角半徑為r_p5＝80mm，U型體下端中部設(shè)有與其連為一體的平頭圓柱體，其直徑為D_p5＝560mm，通過上模板安裝在壓力機(jī)滑塊上。如圖18、圖19和圖20所示，反拉深成形過程中，凸模Ⅴ將坯料壓入凹模Ⅴ，拉深高度達(dá)到H₂＝200mm時(shí)，停止成形，獲得支管成形坯。

將支管成形坯放在凹模Ⅵ22上，通過定位銷定位，使坯料中心線與凹模中心線對齊。凹模Ⅵ通過下模板固定在壓機(jī)工作臺(tái)上，凹模VI為型面尺寸與三通外壁型面尺寸相同兩端敞開且開口向上的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面中部設(shè)與支管對應(yīng)的通孔，U型槽體的兩個(gè)豎直壁內(nèi)設(shè)與其平行的開口槽，開口槽內(nèi)設(shè)有與其對應(yīng)的墊塊21，墊塊通過螺釘與凹模III聯(lián)接，兩墊塊的間距b₂＝800mm。該成形步驟與反拉深成形共用凸模Ⅴ，如圖21、圖22和圖23所示，凸模Ⅴ壓下，將支管成形坯平面凸緣部分壓制成形U型主管坯。

將凹模Ⅵ內(nèi)的兩塊墊塊21卸下，將U型主管坯置于凹模Ⅵ內(nèi)。凸模Ⅵ23為兩端敞開且開口向下的U型槽體，該U型槽體的半圓柱形底面即型面尺寸與三通主管外壁型面尺寸相同，通過上模板通與壓機(jī)橫梁相連，如圖24、圖25和圖26所示，滑塊帶動(dòng)凸模Ⅵ壓下，將U型主管坯壓制成O型主管坯，制得三通管坯。

將三通管坯的主管背部開口處用焊機(jī)焊合，焊縫為位于主管底部的一條縱向焊縫。將三通管坯主管兩端以及支管端部多余的坯料用切割機(jī)切除，并按三通規(guī)格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。