(一)技術(shù)領(lǐng)域

本設(shè)計(jì)是一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置，它用于均化大型環(huán)軋零件在軋制過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。該殘余應(yīng)力均化裝置可以通過液壓系統(tǒng)的加載和檢測(cè)裝置的反饋控制脹形力，以液壓脹形的方式實(shí)現(xiàn)大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化。本設(shè)計(jì)屬于大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景

在現(xiàn)代工業(yè)中，大型環(huán)件的應(yīng)用非常廣泛，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)等用的環(huán)件與軸承內(nèi)外圈，石油、化工設(shè)備上的法蘭，坦克、艦炮上用的座圈和轉(zhuǎn)圈，核電站用的大型環(huán)件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔用的大型法蘭等。隨著我國航空航天、造船、核電、風(fēng)電等方面技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)環(huán)形件的尺寸、性能等的要求也越來越高，高強(qiáng)度、直徑超過5m的大型和超大型優(yōu)質(zhì)環(huán)件的需求與日俱增。

大型環(huán)件在機(jī)械加工過程中出現(xiàn)的過大變形和使用過程中出現(xiàn)的裂紋破壞等問題，都極大的影響了生產(chǎn)效益，由于大型環(huán)件應(yīng)用場(chǎng)合特殊，其尺寸要求和性能要求都較高，成本昂貴，若因變形而出現(xiàn)報(bào)廢，則損失巨大。環(huán)件出現(xiàn)這些問題都與殘余應(yīng)力有關(guān)。在金屬軋制過程中，軋件內(nèi)、外表面直接與軋輥接觸，并受軋輥的作用力而產(chǎn)生塑性變形，軋件心部則是受內(nèi)、外表面的擠壓而產(chǎn)生塑性變形，故軋件不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。鑒于殘余應(yīng)力對(duì)工件的強(qiáng)度、疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性都有很大影響，在機(jī)械制造中不可忽視對(duì)殘余應(yīng)力調(diào)控的工藝流程，達(dá)到將殘余應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)的目的。

針對(duì)對(duì)大型環(huán)軋零件實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力均化問題，提出了以液壓脹形技術(shù)對(duì)大型環(huán)軋零件加以脹形以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力均化的方案，并依據(jù)此方案設(shè)計(jì)了大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化。

(三)設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、目的：本設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化，提供了一種液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置，它提供了一種新的大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，能實(shí)現(xiàn)大型環(huán)扎零件的殘余應(yīng)力均化。

2、技術(shù)方案：本設(shè)計(jì)一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置，它是由裝置下模、待應(yīng)力均化環(huán)軋零件、裝置上模、上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件、上下模間靜密封件、上下模固接件、液壓站、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集軟件及電腦系統(tǒng)組成；

它們之間的位置連接關(guān)系是：裝置下模固定于地面上，待應(yīng)力均化環(huán)軋零件通過吊裝放置在裝置下模上，通過下模與環(huán)件間動(dòng)密封件與裝置下模相接觸，與裝置下模保持同心；裝置上模通過吊裝放置在待應(yīng)力均化環(huán)軋零件上，通過上模與環(huán)件間動(dòng)密封件與待應(yīng)力均化環(huán)軋零件相接觸，與裝置下模保持同心；兩個(gè)上下模固接件通過吊裝以左右合模的形式包覆裝置上模與裝置下模，上下模固接件與裝置上模、裝置下模均接觸，并與裝置下模保持同心；上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件分別在裝置上模、裝置下模相應(yīng)的與環(huán)件間動(dòng)密封件密封槽內(nèi)填充固定，與裝置上模、裝置下模和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件相接觸；上下模間靜密封件在上下模靜密封件密封槽內(nèi)填充固定，與裝置上模、裝置下模相接觸；激光位移傳感器的傳感探頭通過所配支架和螺釘固定在裝置下模相應(yīng)位置，傳感器的數(shù)據(jù)線通過裝置下模中的傳感器線道與裝置中心的傳感器放大器單元相連接，傳感器放大器單元與數(shù)據(jù)采集軟件和電腦系統(tǒng)相連接；液壓站控制系統(tǒng)與電腦系統(tǒng)相連接，液壓站出油口通過液壓管道、液壓管接頭與裝置下模的相應(yīng)充液口相連接，液壓站回油口通過液壓管道、液壓管接頭與裝置下模的相應(yīng)出液口相連接。具體的連接接觸情況可以參考圖1、圖2所示。

所述裝置下模呈圓環(huán)形狀，中截面為“l(fā)”形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖3；其上表面需加工螺紋孔16×m64×150用以安裝與裝置上模相固接的沉頭螺釘，其上表面在φ9600-φ10300間需加工下模與環(huán)件間動(dòng)密封件密封槽，其上表面需加工螺紋孔8×m4.5×10用以安裝固定激光位移傳感器傳感探頭的螺釘，其側(cè)面在φ9300-φ9500間需加工與裝置上模間的迷宮密封階梯，其側(cè)面需加工密封螺紋孔16×m100用以安裝液壓管接頭，其下部需加工激光傳感器線道；裝置下模主要用以放置待應(yīng)力均化環(huán)軋零件，固定與支撐其他各裝置，與裝置上模和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件共同形成脹形液容納腔以容納脹形液，與裝置上模一同限制待應(yīng)力均化環(huán)軋零件的脹形方向；

所述待應(yīng)力均化環(huán)軋零件呈圓環(huán)形狀，圓環(huán)外徑、內(nèi)徑、高分別是：φ10000×φ9600×200，材料為7075鋁合金，是液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置的加工對(duì)象；

所述裝置上模呈圓環(huán)形狀，中截面為形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖4；其上表面需加工沉頭螺紋孔16×m64×90用以安裝與裝置下模相固接的沉頭螺釘，其下表面在φ9600-φ10300間需加工上模與環(huán)件間動(dòng)密封件密封槽，其外側(cè)面需焊接4個(gè)焊接吊耳，其內(nèi)側(cè)面在φ9300-φ9500間需加工上模與下模間靜密封件密封槽和與裝置下模間的迷宮密封階梯；裝置上模主要用以與裝置下模和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件共同形成脹形液容納腔，與裝置下模一同限制待應(yīng)力均化環(huán)軋零件的脹形方向；

所述上下模固接件呈圓環(huán)形狀，中截面為“]”形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖5；其外側(cè)面需焊接3個(gè)焊接吊耳；主要用以抵消待應(yīng)力均化環(huán)軋零件脹形時(shí)脹形液與裝置上模相接觸所產(chǎn)生的縱向壓力，實(shí)現(xiàn)裝置上模與裝置下?？v向與徑向的相對(duì)固定；

所述上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件呈圓環(huán)形狀，公稱直徑為φ9600-φ10300間的一系列值；主要用以實(shí)現(xiàn)液壓脹形過程中脹形中的環(huán)軋零件與裝置上模和裝置下模之間的動(dòng)密封；

所述上下模間靜密封件呈圓環(huán)形狀，公稱直徑為φ9300；主要用以實(shí)現(xiàn)液壓脹形過程中裝置上模與裝置下模之間的靜密封；

所述激光位移傳感器呈長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)、寬、高為26.2×49.7×66；主要用以測(cè)量液壓脹形時(shí)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件的脹形量；

所述液壓站大致呈長(zhǎng)方形，其輪廓長(zhǎng)、寬、高為3800×2700×1800；主要用以按液壓脹形所需的流量和油液壓力進(jìn)行供油；

其中，上下模固接件的數(shù)量是2個(gè)，上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件的數(shù)量是70個(gè)，上下模間靜密封件的數(shù)量是32個(gè)，激光位移傳感器的數(shù)量是4個(gè)；

其中，裝置下模為非標(biāo)零件，其材料為鑄鐵，按需要尺寸定做；

其中，裝置上模為非標(biāo)零件，其材料為鑄鐵，按需要尺寸定做；

其中，上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件采用yg6金屬分瓣環(huán)，按需要尺寸定做；

其中，上下模間靜密封件采用yg6金屬分瓣環(huán)，按需要尺寸定做；

其中，上下模固接件為非標(biāo)零件，其材料為20crmns5，按需要尺寸定做；

其中，激光位移傳感器的型號(hào)是il-300；

其中，液壓站為非標(biāo)設(shè)備，按工作壓力500mpa，流量150l/min，工作點(diǎn)數(shù)16個(gè)，配置plc系統(tǒng)與通訊模塊的要求定做。

本應(yīng)力均化裝置的工作原理：

大型環(huán)軋零件經(jīng)過軋制后其內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力，由液壓站供油充液進(jìn)入上下模與環(huán)件圍成的充液腔，由液壓站控制液體壓力，當(dāng)液體壓力與環(huán)件中的殘余應(yīng)力疊加提升至環(huán)件的屈服強(qiáng)度時(shí)，環(huán)件將發(fā)生塑性變形，發(fā)生塑性變形后的環(huán)件內(nèi)應(yīng)力達(dá)到新的平衡值且低于原殘余應(yīng)力值，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化。

3、優(yōu)點(diǎn)及功效

本設(shè)計(jì)一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置。它的優(yōu)點(diǎn)是可以在不使環(huán)軋零件材料發(fā)生熱軟化、不影響環(huán)軋零件的表面質(zhì)量的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)大型環(huán)軋零件的殘余應(yīng)力均化；通過對(duì)脹形比的檢測(cè)反饋控制脹形壓力，可以精確控制液壓脹形進(jìn)程。

(四)附圖說明

圖1為本設(shè)計(jì)一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本設(shè)計(jì)一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置整體結(jié)構(gòu)爆炸示意圖；

圖3為本設(shè)計(jì)裝置下模中截面結(jié)構(gòu)輪廓示意圖；

圖4為本設(shè)計(jì)裝置上模中截面結(jié)構(gòu)輪廓示意圖；

圖5為本設(shè)計(jì)上下模固接件結(jié)構(gòu)輪廓示意圖；

圖6為本設(shè)計(jì)液壓脹形過程流程圖。

圖中符號(hào)說明如下：

1裝置下模；2待應(yīng)力均化環(huán)軋零件；3裝置上模；4上下模間靜密封件；5上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件；6上下模固接件；7液壓站；8激光位移傳感器；9數(shù)據(jù)采集軟件及電腦系統(tǒng)。

(五)具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本設(shè)計(jì)的實(shí)施方案。

見圖2，本設(shè)計(jì)一種大型環(huán)軋零件的液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置，它是由裝置下模1、待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2、裝置上模3、上下模間靜密封件4、上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5、上下模固接件6、液壓站7、激光位移傳感器8、數(shù)據(jù)采集軟件及電腦系統(tǒng)9組成。

它們之間的位置連接關(guān)系是：裝置下模1固定于地面上，待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2通過吊裝放置在裝置下模1上，通過下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5與裝置下模1相接觸，與裝置下模1保持同心；裝置上模3通過吊裝放置在待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2上，通過上模與環(huán)件間動(dòng)密封件5與待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2相接觸，與裝置下模1保持同心；兩個(gè)上下模固接件6通過吊裝以左右合模的形式包覆裝置上模3與裝置下模1，上下模固接件6與裝置上模3、裝置下模1均接觸，并與裝置下模1保持同心；上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5分別在裝置上模3、裝置下模1相應(yīng)的與環(huán)件間動(dòng)密封件密封槽內(nèi)填充固定，與裝置上模3、裝置下模1和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2相接觸；上下模間靜密封件4在上下模靜密封件密封槽內(nèi)填充固定，與裝置上模3、裝置下模1相接觸；激光位移傳感器8的傳感探頭通過所配支架和螺釘固定在裝置下模1相應(yīng)位置，傳感器的數(shù)據(jù)線通過裝置下模1中的傳感器線道與裝置中心的傳感器放大器單元相連接，傳感器放大器單元與數(shù)據(jù)采集軟件和電腦系統(tǒng)9相連接；液壓站7控制系統(tǒng)與電腦系統(tǒng)9相連接，液壓站9出油口通過液壓管道、液壓管接頭與裝置下模1的相應(yīng)充液口相連接，液壓站9回油口通過液壓管道、液壓管接頭與裝置下模1的相應(yīng)出液口相連接。

所述裝置下模1呈圓環(huán)形狀，中截面為“l(fā)”形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖3，裝置下模1為非標(biāo)零件，其材料為鑄鐵，需按需要尺寸定做；其上表面需加工螺紋孔16×m64×150用以安裝與裝置上模3相固接的沉頭螺釘，其上表面在φ9600-φ10300間需加工下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5密封槽，其上表面需加工螺紋孔8×m4.5×10用以安裝固定激光位移傳感器8傳感探頭的螺釘，其側(cè)面在φ9300-φ9500間需加工與裝置上模3間的迷宮密封階梯，其側(cè)面需加工密封螺紋孔16×m100用以安裝液壓管接頭，其下部需加工激光傳感器線道；裝置下模1主要用以放置待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2，固定與支撐其他各裝置，與裝置上模3和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2共同形成脹形液容納腔以容納脹形液，與裝置上模3一同限制待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2的脹形方向；

所述待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2呈圓環(huán)形狀，圓環(huán)外徑、內(nèi)徑、高分別是：φ10000×φ9600×200，材料為7075鋁合金，是液壓脹形殘余應(yīng)力均化裝置的加工對(duì)象；

所述裝置上模3呈圓環(huán)形狀，中截面為形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖4，裝置上模3為非標(biāo)零件，其材料為鑄鐵，需按需要尺寸定做；其上表面需加工沉頭螺紋孔16×m64×90用以安裝與裝置下模1相固接的沉頭螺釘，其下表面在φ9600-φ10300間需加工上模與環(huán)件間動(dòng)密封件5密封槽，其外側(cè)面需焊接4個(gè)焊接吊耳，其內(nèi)側(cè)面在φ9300-φ9500間需加工上模與下模間靜密封件4密封槽和與裝置下模1間的迷宮密封階梯；裝置上模3主要用以與裝置下模1和待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2共同形成脹形液容納腔，與裝置下模1一同限制待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2的脹形方向；

所述上下模固接件6呈圓環(huán)形狀，中截面為“]”形，其結(jié)構(gòu)輪廓可參考圖5，上下模固接件6為非標(biāo)零件，其材料為20crmns5，需按需要尺寸定做；其外側(cè)面需焊接3個(gè)焊接吊耳；主要用以抵消待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2脹形時(shí)脹形液與裝置上模3相接觸所產(chǎn)生的縱向壓力，實(shí)現(xiàn)裝置上模3與裝置下模1縱向與徑向的相對(duì)固定；

所述上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5呈圓環(huán)形狀，公稱直徑為φ9600-φ10300間的一系列值，上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5采用yg6金屬分瓣環(huán)，需按需要尺寸定做；主要用以實(shí)現(xiàn)液壓脹形過程中脹形中的待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2與裝置上模3和裝置下模1之間的動(dòng)密封；

所述上下模間靜密封件4呈圓環(huán)形狀，公稱直徑為φ9300，上下模間靜密封件4采用yg6金屬分瓣環(huán)，需按需要尺寸定做；主要用以實(shí)現(xiàn)液壓脹形過程中裝置上模3與裝置下模1之間的靜密封；

所述激光位移傳感器8呈長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)、寬、高為26.2×49.7×66，型號(hào)是il-300；主要用以測(cè)量液壓脹形時(shí)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2的脹形量；

所述液壓站7大致呈長(zhǎng)方形，其輪廓長(zhǎng)、寬、高為3800×2700×1800，液壓站為非標(biāo)設(shè)備，按工作壓力500mpa，流量150l/min，工作點(diǎn)數(shù)16個(gè)，配置plc系統(tǒng)與通訊模塊的要求定做；主要用以按液壓脹形所需的流量和油液壓力進(jìn)行供油；

其中，上下模固接件6的數(shù)量是2個(gè)，上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5的數(shù)量是70個(gè)，上下模間靜密封件4的數(shù)量是32個(gè)，激光位移傳感器8的數(shù)量是4個(gè)。

本應(yīng)力均化裝置的工作流程主要分為三個(gè)部分，具體如下：

(1)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件的裝配流程

待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2裝配前，上下模與環(huán)件間動(dòng)密封件5、上下模間靜密封件4需要分別在裝置上模3和裝置下模1上相應(yīng)的密封槽內(nèi)填充固定；液壓站7的出油口與回油口需要分別通過液壓管和液壓管接頭與裝置下模1上的進(jìn)油口和排油口相連接；激光位移傳感器8探頭需要通過所配支架和螺釘安裝在裝置下模1上，通過傳感器數(shù)據(jù)線和裝置下模1中的傳感器線道與數(shù)據(jù)采集軟件和電腦系統(tǒng)9相連接。待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2通過吊裝放置在裝置下模1上，調(diào)整與裝置下模1保持同心。裝置上模3通過吊裝放置在待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2和裝置下模1上，調(diào)整與裝置下模1保持同心。上下模固接件6以左右合模的形式包覆裝置上模3和裝置下模1。裝置上模3和裝置下模1通過連接螺釘和上下模固接件相互固定連接。進(jìn)行激光位移傳感器8、液壓站7、電腦系統(tǒng)9的初始設(shè)置。至此，裝置可以進(jìn)入應(yīng)力均化流程。

(2)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件的應(yīng)力均化流程

由電腦系統(tǒng)9控制液壓站7對(duì)裝置開始供油，充滿由裝置下模1、待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2和裝置上模3圍成的初始液腔。油液充滿液腔后，進(jìn)行加壓至503mpa并保持，30s后開始卸載至初始?jí)簭?qiáng)，重復(fù)此過程；其間，由激光位移傳感器8對(duì)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2的脹形尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并由數(shù)據(jù)采集軟件和電腦系統(tǒng)9對(duì)脹形速度、脹形比進(jìn)行計(jì)算并不斷與設(shè)定值進(jìn)行比較，不斷控制修正液壓站7的輸出參數(shù)。待環(huán)軋零件2達(dá)到設(shè)定的脹形比后，裝置停止脹形工作，開始卸載排油，油液排除結(jié)束后，裝置可以進(jìn)入取件流程。

(3)應(yīng)力均化后的環(huán)軋零件的取件流程

裝置停止工作后，對(duì)應(yīng)力均化后的環(huán)軋零件2進(jìn)行取件。通過吊裝將上下模固接件6取下，拆卸上下模固接螺釘，通過吊裝將裝置上模3取下。至此，可以通過吊裝將應(yīng)力均化后的環(huán)軋零件2取下，取件流程結(jié)束，對(duì)待應(yīng)力均化環(huán)軋零件2的應(yīng)力均化過程結(jié)束。