本發(fā)明涉及鍛件制造，具體的是一種球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法。

背景技術(shù)：

球環(huán)過渡異型筒體是用于容器裝備的鍛件，其形狀如圖1所示，是由連接成一體的球環(huán)段11和直筒段12形成。其直筒段12即是內(nèi)外壁平行的圓直筒狀，通常會(huì)與一段直筒焊接；球環(huán)段11外壁為球弧形且與直筒段12外壁相切，通常會(huì)與球形封頭焊接。這里所謂球弧形即是一個(gè)球面被平行的兩個(gè)平面切割，位于兩個(gè)平面之間的部分弧面。球環(huán)段11內(nèi)壁也為球弧形，且球環(huán)段11壁厚小于或等于所述直筒段12壁厚。

上述異形鍛件若采用自由鍛工藝，實(shí)現(xiàn)難度非常大，目前可行的方法主要有兩種：

一種方法是先根據(jù)異型筒形狀鍛造出大壁厚的圓直筒件，然后通過切削加工，去除多余金屬得到球環(huán)過渡異型筒體形狀，這種工藝切削量大，造成材料浪費(fèi)嚴(yán)重，而且大大提高機(jī)加工成本，同時(shí)由于切斷了球環(huán)段與直筒段的金屬鍛造流線，對(duì)鍛件性能影響非常大。

另一種方法是先鍛造出圓直筒件，然后利用專用工裝伸入圓直筒件的通孔內(nèi)，該專用工裝為柱型，柱型的周面設(shè)置有凸起，與球環(huán)段內(nèi)壁形狀適配，利用該工裝進(jìn)行鍛件擴(kuò)孔，得到球環(huán)過渡異型筒體的內(nèi)壁形狀，然后用切削加工得到球環(huán)過渡異型筒體的外壁形狀。采用本方法，球環(huán)段與直筒段的金屬流線破壞相對(duì)少一些，但鍛件性能依然會(huì)下降，而且需要根據(jù)不同的異型筒制造不同形狀的工裝，制造成本顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法，幾乎能完整保留鍛件的本體鍛造流線，提高鍛件性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法，所述球環(huán)過渡異型筒體包括連接的球環(huán)段和直筒段，所述球環(huán)段外壁為球弧形且與直筒段外壁相切，球環(huán)段內(nèi)壁也為球弧形，且球環(huán)段壁厚小于或等于所述直筒段壁厚，球環(huán)段的端部為異型筒小端，直筒段的端部為異型筒大端，球環(huán)過渡異型筒體的軸向高度為h；

包括順序進(jìn)行的以下步驟：

A、設(shè)計(jì)中間坯模型：所述中間坯模型形狀為錐形筒，錐形筒的大端端面外徑、壁厚分別與所述異型筒大端尺寸適配，錐形筒軸向高度為h+a，錐形筒外壁母線與軸線的銳夾角為t；

B、在有限元模擬軟件中，建立所述中間坯模型，在模擬軟件中對(duì)中間坯模型的上下端面進(jìn)行軸向擠壓，設(shè)置軸向壓下量為a，在模擬軟件中模擬計(jì)算出鍛造變形后的坯料形狀，得到變形坯模型，中間坯模型的小直徑段變形后的部分為模擬球環(huán)段，中間坯模型的大直徑段變形后的部分為模擬直筒段；

C、對(duì)比變形坯模型和球環(huán)過渡異型筒體的形狀，并修正中間坯模型形狀：當(dāng)模擬球環(huán)段的外壁尺寸小于所述球環(huán)段的相應(yīng)位置尺寸，減小t，當(dāng)模擬球環(huán)段的內(nèi)壁尺寸大于所述球環(huán)段的相應(yīng)位置尺寸，增大t，直到球環(huán)段內(nèi)、外壁尺寸分別位于模擬球環(huán)段的相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)；

當(dāng)模擬直筒段與模擬球環(huán)段結(jié)合處的內(nèi)壁尺寸，或者模擬直筒段的內(nèi)壁尺寸大于球環(huán)過渡異型筒體的相應(yīng)位置尺寸，減小a，當(dāng)模擬直筒段與模擬球環(huán)段結(jié)合處的外壁尺寸，或者模擬直筒段的外壁尺寸小于球環(huán)過渡異型筒體的相應(yīng)位置尺寸，增大a；直到球環(huán)過渡異型筒體所有位置的內(nèi)、外壁尺寸均位于變形坯模型相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)，得到確定好的中間坯模型尺寸；否則重復(fù)所述調(diào)整t和調(diào)整a的步驟進(jìn)行修正；

D、以確定好的中間坯模型尺寸鍛造出中間坯實(shí)體，以確定好的a為壓下量，用壓機(jī)對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體鍛件。

球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法，所述球環(huán)過渡異型筒體包括連接的球環(huán)段和直筒段，所述球環(huán)段外壁為球弧形且與直筒段外壁相切，球環(huán)段內(nèi)壁也為球弧形，且球環(huán)段壁厚小于或等于所述直筒段，球環(huán)段的端部為異型筒小端，直筒段的端部為異型筒大端，球環(huán)過渡異型筒體的軸向高度為h；所述直筒段外徑為4100mm，壁厚為460mm，h＝2100mm，球環(huán)段與直筒段的軸向長度比值為0.7：1；

包括順序進(jìn)行的以下步驟：

鍛造出中間坯實(shí)體，所述中間坯實(shí)體形狀為錐形筒，錐形筒的大端端面外徑為4100mm，壁厚為465mm，錐形筒軸向高度為2300mm，錐形筒母線與軸線夾角為4°，用壓機(jī)以壓下量為200mm對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體鍛件。

進(jìn)一步的，所述中間坯實(shí)體的材質(zhì)為20鋼、35鋼、16Mn鋼、20Mn鋼、16MND5鋼、18MND5鋼、SA508系列鋼、20MnMo鋼、20MnNiMo鋼、20MnMoNb鋼、2.25Cr-1Mo鋼、14Cr1Mo鋼、35CrMo鋼、15CrMo鋼或2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。

本發(fā)明的有益效果是：上述球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法，先在軟件中設(shè)計(jì)出中間坯模型，中間坯模型為錐形筒狀，然后在有限元模擬軟件中模擬對(duì)中間坯上下端面擠壓變形，并根據(jù)變形結(jié)果修正中間坯模型的高度、錐度和壓下量，直到變形結(jié)果與需要的球環(huán)過渡異型筒體形狀一致。則以最終確定的中間坯模型尺寸鍛造出中間坯實(shí)體，隨后進(jìn)行鐓粗加工，經(jīng)少量切削修正后得到需要的球環(huán)過渡異型筒體鍛件。上述鍛件制造方法幾乎能完整保留鍛件的本體鍛造流線，大大提高鍛件性能，而且切削加工少，能降低材料和加工費(fèi)用，也無需制造專用工裝，能顯著降低制造成本。

附圖說明

圖1是球環(huán)過渡異型筒體鍛件的剖面示意圖；

圖2是中間坯模型的剖面示意圖；

圖3是在有限元模擬軟件中進(jìn)行中間坯模型軸向擠壓的變形示意圖，為變形結(jié)果一；

圖4是在有限元模擬軟件中進(jìn)行中間坯模型軸向擠壓的變形示意圖，為變形結(jié)果二；

圖5是在有限元模擬軟件中進(jìn)行中間坯模型軸向擠壓的變形示意圖，為變形結(jié)果三；

圖6是在有限元模擬軟件中進(jìn)行中間坯模型軸向擠壓的變形示意圖，為變形結(jié)果四；

圖7是在有限元模擬軟件中進(jìn)行中間坯模型軸向擠壓的變形示意圖，為變形結(jié)果五；

圖中附圖標(biāo)記為：球環(huán)過渡異型筒體1、球環(huán)段11、直筒段12、異型筒小端13、異型筒大端14、中間坯模型2、變形坯模型3、模擬球環(huán)段31、模擬直筒段32、壓板5。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明：

球環(huán)過渡異型筒體鍛件的制造方法，所述球環(huán)過渡異型筒體1包括連接的球環(huán)段11和直筒段12，所述球環(huán)段11外壁為球弧形且與直筒段12外壁相切，球環(huán)段11內(nèi)壁也為球弧形，且球環(huán)段11壁厚小于或等于所述直筒段12壁厚，球環(huán)段11的端部為異型筒小端13，直筒段12的端部為異型筒大端14，球環(huán)過渡異型筒體1的軸向高度為h；

包括順序進(jìn)行的以下步驟：

A、設(shè)計(jì)中間坯模型2：所述中間坯模型2形狀為錐形筒，錐形筒的大端端面外徑、壁厚分別與所述異型筒大端14尺寸適配，錐形筒軸向高度為h+a，錐形筒外壁母線與軸線的銳夾角為t；

B、在有限元模擬軟件中，建立所述中間坯模型2，在模擬軟件中對(duì)中間坯模型2的上下端面進(jìn)行軸向擠壓，設(shè)置軸向壓下量為a，在模擬軟件中模擬計(jì)算出鍛造變形后的坯料形狀，得到變形坯模型3，中間坯模型2的小直徑段變形后的部分為模擬球環(huán)段31，中間坯模型2的大直徑段變形后的部分為模擬直筒段32；

C、對(duì)比變形坯模型3和球環(huán)過渡異型筒體1的形狀，并修正中間坯模型2形狀：當(dāng)模擬球環(huán)段31的外壁尺寸小于所述球環(huán)段11的相應(yīng)位置尺寸，減小t，當(dāng)模擬球環(huán)段31的內(nèi)壁尺寸大于所述球環(huán)段11的相應(yīng)位置尺寸，增大t，直到球環(huán)段11內(nèi)、外壁尺寸分別位于模擬球環(huán)段31的相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)；

當(dāng)模擬直筒段32與模擬球環(huán)段31結(jié)合處的內(nèi)壁尺寸，或者模擬直筒段32的內(nèi)壁尺寸大于球環(huán)過渡異型筒體1的相應(yīng)位置尺寸，減小a，當(dāng)模擬直筒段32與模擬球環(huán)段31結(jié)合處的外壁尺寸，或者模擬直筒段32的外壁尺寸小于球環(huán)過渡異型筒體1的相應(yīng)位置尺寸，增大a；直到球環(huán)過渡異型筒體1所有位置的內(nèi)、外壁尺寸均位于變形坯模型3相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)，得到確定好的中間坯模型2尺寸；否則重復(fù)所述調(diào)整t和調(diào)整a的步驟進(jìn)行修正；

D、以確定好的中間坯模型2尺寸鍛造出中間坯實(shí)體，以確定好的a為壓下量，用壓機(jī)對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體1鍛件。

本發(fā)明的球環(huán)過渡異型筒體鍛件制造方法，是先設(shè)計(jì)中間坯模型，在有限元模擬軟件中對(duì)中間坯模型進(jìn)行模擬軸向擠壓，根據(jù)其變形結(jié)果，修正中間坯模型形狀，直到變形結(jié)果與需求鍛件形狀相符，則以此尺寸制作中間坯實(shí)體，隨后鐓粗、修整后得到需要的球環(huán)過渡異型筒體鍛件。

具體的，球環(huán)過渡異型筒體1的形狀如圖1所示，包括連接的球環(huán)段11和直筒段12，球環(huán)段11的端部為異型筒小端13，直筒段12的端部為異型筒大端14，球環(huán)過渡異型筒體1的軸向高度為h。

為得到上述形狀的鍛件，需要先設(shè)計(jì)中間坯模型2，例如在軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)中間坯模型2，如圖2所示，其形狀為錐形筒，錐形筒的大端端面外徑、壁厚分別與所述異型筒大端14尺寸適配，所謂的適配，即是要確保錐形筒鐓粗后的大端比異型筒大端14的尺寸范圍更大或相同，然后經(jīng)過少量切削修整即可得到需要的鍛件。

由于對(duì)錐形筒上下端面進(jìn)行軸向鐓粗時(shí)，其大端面的形狀尺寸變化不大，因此可以是錐形筒的大端端面外徑與異型筒大端14端面尺寸相同，且錐形筒的大端壁厚與所述異型筒大端14壁厚相同或略大；或者錐形筒的大端端面外徑與異型筒大端14端面尺寸略大，且錐形筒的大端端面內(nèi)徑比異型筒大端14端面內(nèi)徑略小。

如圖2所示，錐形筒軸向高度為h+a，距離a即是鍛造時(shí)的軸向壓下量，錐形筒外壁母線與軸線銳夾角為t。

隨后，將設(shè)計(jì)好的中間坯模型2導(dǎo)入有限元模擬軟件中，這里所謂的有限元模擬軟件是指能夠用于模擬鍛件擠壓受力變形的有限元分析模擬軟件，例如，美國SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司的deform軟件、美國ANSYS公司的ansys軟件等。

如圖3所示，在有限元模擬軟件中，模擬的壓板5對(duì)中間坯模型2的上下端面進(jìn)行軸向擠壓，在軟件中設(shè)置軸向壓下量為a，并輸入鍛件材料的力學(xué)參數(shù)。中間坯模型力學(xué)參數(shù)要與最終中間坯實(shí)體的材質(zhì)相同，也就是與最終的鍛件實(shí)體材質(zhì)相同。

常見的中間坯實(shí)體的材質(zhì)可以是20鋼、35鋼、16Mn鋼、20Mn鋼、16MND5鋼、18MND5鋼、SA508系列鋼、20MnMo鋼、20MnNiMo鋼、20MnMoNb鋼、2.25Cr-1Mo鋼、14Cr1Mo鋼、35CrMo鋼、15CrMo鋼或2.25Cr-1Mo-0.25V鋼等。

有限元模擬軟件可模擬計(jì)算出鍛造變形后的坯料形狀，中間坯模型2的小直徑段即圖2錐形筒的上段，變形后的部分為模擬球環(huán)段31；中間坯模型2的大直徑段即圖2錐形筒的下段，變形后的部分為模擬直筒段32，隨后根據(jù)變形結(jié)果來修正中間坯模型2的形狀。

例如，需要的球環(huán)過渡異型筒體鍛件尺寸為，直筒段12外徑為4100mm，壁厚為460mm，鍛件軸向高度h＝2100mm，球環(huán)段11與直筒段12的軸向長度比值為0.7，即是球環(huán)段11與直筒段12外壁的軸向長度比例為0.7:1。

可以先設(shè)計(jì)中間坯模型2的尺寸為錐形筒的大端端面外徑為4100mm，壁厚為465mm，錐形筒軸向高度為2600mm，即是軸向壓下量a＝500mm，夾角t為6°。

模擬變形后，對(duì)比得到的變形坯模型3形狀和需要的球環(huán)過渡異型筒體1形狀，如圖3所示。壓板5之間的實(shí)線圖形為錐形筒變形后得到的變形坯模型3，虛線且填充的圖形為需要的球環(huán)過渡異型筒體1形狀。

圖3實(shí)施例可見，模擬球環(huán)段31的外壁尺寸小于所述球環(huán)段11的相應(yīng)位置尺寸，因此可以減小t。如果修改中間坯模型2的尺寸，將t減少為3°，則軟件模擬計(jì)算得到如圖4，模擬球環(huán)段31的內(nèi)壁尺寸大于所述球環(huán)段11的相應(yīng)位置尺寸，因此可以增大t。

如果修改中間坯模型2的尺寸，將t增大為4°，則軟件模擬計(jì)算得到如圖5，球環(huán)段11內(nèi)、外壁尺寸分別位于模擬球環(huán)段31的相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)，則表明t＝4°為較適宜的角度，否則繼續(xù)按照上述修正方法調(diào)整中間坯模型2形狀。

如圖5所示，可以看見變形坯模型3下半段任然發(fā)生彎曲，下部?jī)?nèi)壁超出了球環(huán)過渡異型筒體1的尺寸，即是符合模擬直筒段32與模擬球環(huán)段31結(jié)合處的內(nèi)壁尺寸，或者模擬直筒段32的內(nèi)壁尺寸大于球環(huán)過渡異型筒體1的相應(yīng)位置尺寸的情況，應(yīng)該減小a，即是減小軸向壓下量，例如修改中間坯模型2的尺寸，中間坯模型2軸向高度修改為2200mm，即是a＝100mm。

則軟件模擬計(jì)算得到如圖6，可見模擬直筒段32與模擬球環(huán)段31結(jié)合處的外壁尺寸，或者模擬直筒段32的外壁尺寸小于球環(huán)過渡異型筒體1的相應(yīng)位置尺寸，應(yīng)該增大a。

例如修改中間坯模型2的尺寸，中間坯模型2軸向高度修改為2300mm，即是a＝200mm,則軟件模擬計(jì)算得到如圖7。此實(shí)施例中，球環(huán)過渡異型筒體1所有位置的內(nèi)、外壁尺寸均位于變形坯模型3相應(yīng)位置尺寸范圍內(nèi)。這表明，中間坯模型2的尺寸為錐形筒大端端面外徑4100mm，壁厚465mm，錐形筒軸向高度為2300mm，即是軸向壓下量a＝200mm，錐形筒外壁母線與軸線夾角t為4°是較適宜的中間坯形狀尺寸，否則還需要按照前述的調(diào)整t和a的方法進(jìn)行調(diào)整。

隨后根據(jù)確定好的中間坯模型2尺寸鍛造出中間坯實(shí)體，其鍛造方法可以沿用現(xiàn)有的錐形筒鍛造技術(shù)，例如自由鍛工藝、軋環(huán)工藝等。再以確定好的壓下量a＝200mm，用壓機(jī)對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，鐓粗后的鍛件與有限元模擬軟件的模擬變形結(jié)果基本相同，最后可以采用切削、打磨或其他方式對(duì)鐓粗的鍛件進(jìn)行精確修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體1鍛件。

采用本發(fā)明的鍛件制造方法，對(duì)中間坯的切削加工少，幾乎可以完整保留球環(huán)過渡異型筒體鍛件的本體流線，大大提高鍛件性能，而且能節(jié)省加工費(fèi)和材料費(fèi)，也無需制造專用工裝，能顯著降低制造成本。

以下是采用本方法進(jìn)行鍛件制造的幾種具體實(shí)施例：

例1：球環(huán)過渡異型筒體的直筒段12外徑為3500mm，壁厚為350mm，h＝2200mm，球環(huán)段11與直筒段12的軸向長度比值為0.7:1，經(jīng)有限元軟件模擬后確定，中間坯實(shí)體尺寸為錐形筒的大端端面外徑3500mm，壁厚351mm，錐形筒軸向高度為2400mm，錐形筒母線與軸線夾角為4.2°，以壓下量為200mm對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體1鍛件。

例2：球環(huán)過渡異型筒體的直筒段12外徑為5000mm，壁厚為520mm，h＝2400mm，球環(huán)段11與直筒段12的軸向長度比值為1.4:1，經(jīng)有限元軟件模擬得出，中間坯實(shí)體尺寸為錐形筒的大端端面外徑5000mm，壁厚525mm，錐形筒軸向高度為2900mm，錐形筒母線與軸線夾角為10°，以壓下量為500mm對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體1鍛件。

例3：球環(huán)過渡異型筒體的直筒段12外徑為4600mm，壁厚為460mm，h＝2400mm，球環(huán)段11與直筒段12的軸向長度比值為1:1，經(jīng)有限元軟件模擬得出，中間坯實(shí)體尺寸為錐形筒的大端端面外徑4600mm，壁厚465mm，錐形筒軸向高度為2900mm，錐形筒母線與軸線夾角為6°，以壓下量為500mm對(duì)中間坯實(shí)體進(jìn)行鐓粗，對(duì)鐓粗后的鍛件多余部分進(jìn)行切削修整，得到需要的球環(huán)過渡異型筒體1鍛件。