CN100418698C - 大型环形件成形加工方法 - Google Patents

Abstract

大型环形件成形加工方法，涉及一种大型环形件制造方法。针对现有钢板切割法或是扎制辗扩法所成形环形件，其只能成形矩形等截面形式简单的环形件，而且要实现环形件的密封功能，其后续机械加工量较大的缺点，本发明通过下述方案予以实现：分段锻成方坯或是钢板切割直条状坯料→加工基准面→机加工截面形状→压制成形→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆环形件→现场精加工。采用本发明工艺制造的环形件制造成本低、后续机械加工量小、加工后平面度好、且不受大型立车等设备加工能力的限制，可用于加工超大直径特别是受加工设备限制的特大型环形件，最大直径可达30m。

Description

大型环形件成形加工方法

技术领域

本发明涉及一种大型环形件的制造方法。

背景技术

环形件广泛用于冶金、石油化工、航天、航空等工业中。现有的环形件制造技术主要有马架扩孔、轧制辗扩法及钢板切割法等。

马架扩孔是将毛坯套在芯轴上，在压力机或锻锤上用上砧锤打毛坯，产生沿圆周方向的拔长，使锻件壁厚减薄，内、外径同时增加，从而达到所要求的直径尺寸要求，然后通过车削等机械加工方式完成环形件截面的制造。其缺点是直径尺寸偏差大、环形件壁厚不均匀、切削加工量大。另外，受设备高度限制加工的直径一般不超过1m。马架扩孔获得环形件通常也是下面提到辗环工艺的毛坯。

轧制辗扩法是首先采用马架扩孔或其它一些锻造方式进行环件制坯，然后在环件轧制设备上采用旋转模具对环件毛坯局部连续施压成形，使环形件整体壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形，最终使环形件成为一定形状和尺寸的环形件毛坯，然后再通过大型立车进行截面机械加工。轧制辗扩法制造环形件的优点是所需要的设备吨位小、材料利用率较高、振动冲击小、生产成本低等优点。采用该方法制造的环件外径尺寸为40～10000mm，应用范围也较广，常见的环件产品有轴承环、齿轮环、火车车轮轮箍、燃汽轮机环、电机集电环及核反应堆容器环件等。申请号200410060885.0中介绍了一种矩形截面铝合金环形件的轧制成形方法。

上述两种技术是制造整体环形件的主要方法，此外还有钢板切割法，钢板切割法的生产设备最为简单、投资小，且材料利用率较低。

对于空间环境模拟器、大型风洞和水轮机转子等大型装备中使用的大型环形件，环形件的直径超过5m，由于其尺寸大，即使用轧制辗扩法能在工厂制造出来，由于超宽和超高也无法运输。因此对于直径超过5m的大型环形件通常采用分瓣成形加工。

分瓣环形件的一种制造方法是采用钢板切割法加工成弧段坯料，然后拼成整圆在立车上加工到设计的形状和尺寸，最后运至施工现场，再将若干弧段组焊成完整的环形件，并与容器组焊。分瓣环形件的另一种制造方法采用钢板切割法加工成直段坯料或是直接将毛坯锻成方坯，然后在液压机上用模具冷弯成弧段，退火去应力热处理后，拼成整圆在立车上加工到设计的形状和尺寸，最后运至施工现场，将若干弧段组焊成完整的环形件，该方法较钢板弧段切割法材料利用率高。这两种方法的主要缺点是需要使用大型立车加工环形件截面形状，带来两个问题，一是成本高；二是对于直径超过国内最大直径16m立车的环形件无法加工。

而对于一些有密封要求的大型环形件，控制环形件的平面度与槽底的平面度是加工工艺的主要目标。根据以往经验，由于道路、车辆以及运输过程振动引起的变形等问题，整体加工后运至现场安装往往很难实现。例如：用大立车进行整体加工，其机床的加工精度是可行的，但其装夹变形误差远大于机床误差。整体工件的运输过程中车辆的振动使工件发生很大的变形，如Φ5m整体环形件变形可达4mm～5mm之多。而且对于大型环形件，分段拼成整圆在立车上加工到设计的形状和尺寸后，需拆分成若干环段运至现场焊接拼装成整体环形件，此过程中，由于焊接拼装引起的焊接变形也会使得整个环形件的平面度难以保证。

发明内容

针对上述介绍的环形件分瓣成形的钢板切割法、冷弯法或是整体扎制辗扩法所成形环形件，其只能成形矩形等截面形式简单的环形件，而且要实现环形件的密封功能，其后续机械加工量较大的缺点，本发明提出了一种新的大型环形件成形加工方法。

本发明是通过下述方案予以实现的：分段锻成方坯或是钢板切割直条状坯料→加工基准面→机加工截面形状→压制成形→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆环形件→现场精加工，具体工艺过程如下：

一、根据预成形环形件的直径尺寸将其分成n个子段，每个子段的坯料尺寸确定如下：各段坯料长度L为：L＝2πR/n+(1～2)*H，H为成形件高度方向尺寸，L尺寸或分段数n要考虑钢板长度并保证压制成弧段后的运输要求，采用锻造成型或钢板切割方法将预成形环形件加工成满足上述条件的方坯或是直条状坯料；

二、然后依次进行退火处理、型面加工，得到异型截面坯料；

三、将两个非对称的异型截面坯料通过焊接的形式，使其成为对称截面的坯料，然后在液压机或卧式弯曲机上进行压制，压制工艺过程如下：将上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之间，随着模具的闭合，在凸凹模具之间的坯料压制成形，开启模具，进行送料，每次送料量要小于凸模的长度，而后再次闭合压制，以此类推，直至最后一步压制完成；

四、压制成形的环形件曲率尺寸达到设计要求后，将焊缝打开，去端头加工焊接坡口，然后将经压制后的n个子段组焊成整个环形件；

五、最后对整个环形件进行铣削、磨削、珩磨、抛光精整加工处理。

采用本发明工艺制造的环形件制造成本低、后续机械加工量小、加工后平面度好、且不受大型立车等设备加工能力的限制，可用于加工直径超过20m以上受加工设备限制的特大型环形件。成形材料可以是低碳钢、合金钢、铝合金等各种金属材料。

附图说明

图1为φ8.5m环形件截面图；图2为环形件卧式压制结构示意图；图3为图2的局部放大图；图4为压制成形工艺过程图；图5为φ8.5m环形件焊接顺序图；图6为检测点位置及坡口结构图；图7为多功能机床原理图，其中1：中心支撑架，2：配重，3：中心支撑，4：横梁，5：径向导轨及进给，6：铣削头，7：垂直导轨及进给，8：径向导轨及进给，9：同向进给，10：环形件。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式通过下述方案对异型截面环形件进行弯曲成形：分段锻成方坯或是钢板切割直条状坯料→加工基准面→机加工截面形状→压制成形→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆环形件→现场精加工，具体工艺过程如下：

一、根据预成形环形件的直径尺寸将其分成n个子段，每个子段的坯料尺寸确定如下：每个环形件由n段组成，各段坯料长度L为：L＝2πR/n+(1～2)*H，L尺寸或分段数n要考虑钢板长度并保证压制成弧段后的运输要求，由于环形件弯曲时两端部存在直段，不能达到曲率要求，故两端要预留一定的工艺端头，每端长度为成形件高度方向尺寸H的1～2倍。宽度B尺寸为：B＝(1+10～20％)B/，高度H尺寸为：H＝(1+10～20％)H/，其中B/和H/分别为环形件宽度及高度方向的净尺寸，10～20％为机加工余量。采用锻造成型或钢板切割方法将预成形环形件加工成满足上述条件的方坯或是直条状坯料；

二、然后依次进行退火处理、型面加工，得到异型截面坯料；

三、将两个非对称的异型截面坯料通过焊接的形式，使其成为对称截面的坯料，然后在液压机或卧式弯曲机上进行压制，压制工艺过程如下：将上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之间，随着模具的闭合，在凸凹模具之间的坯料压制成形，开启模具，进行送料，每次送料量要小于凸模的长度，而后再次闭合压制，以此类推，直至最后一步压制完成；

四、压制成形的环形件曲率尺寸达到设计要求后，将焊缝打开，去端头加工焊接坡口，然后将经压制后的n个子段组焊成整个环形件；

五、最后对整个环形件进行铣削、磨削、珩磨、抛光精整加工处理。

本实施方式中，对于5m-10m的环形件用液压机压制。

本实施方式中，对于10m-30m的环形件用卧式弯曲机压制。

本实施方式中，环形件的材质为低碳钢、合金钢或铝合金等各种金属材料。

具体实施方式二：本实施方式以φ8.5m、截面净尺寸如图1所示的环形件压制成形为例，通过下述方案对其进行成形加工：分段锻成方坯或是钢板切割直条状坯料→加工基准面→机加工各个侧面及截面形状→立式或卧式压制成形→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆环形件→现场精加工，具体工艺过程如下：

(1)首先根据预成形环形件的直径尺寸8.5m将其分成6个子段，每个子段的坯料尺寸确定如下：每个环形件由6段组成，各段坯料长度L为：L＝2πR/6+(1～2)*H＝5.2m，由于环形件压制时两端部存在直段，不能达到曲率要求，故两端要预留一定的工艺端头，每端长度为成形件高度方向尺寸H的1～2倍。宽度B尺寸为：B＝(1+10～20％)*250＝280mm，高度H尺寸为：H＝(1+10～20％)*135＝150mm，其中10～20％为机加工余量。对于该直径

环形件，共分为6段，坯料长L、宽B、高H的尺寸分别为5.2m、280mm、150mm，该坯料可以锻造，也可以采用150mm厚钢板切割。各段坯料需进行退火处理，防止机加工中产生变形，而后在刨床或是铣床上进行型面的加工，加工时各个型面，包括中间密封型槽，该机加工各型面需留5～10mm加工余量，用于最后的现场精加工。

(2)加工成型后的坯料在卧式弯曲机上或是液压机上实现环形件的压制，在压制过程中，由于工件型面的不对称性，单件压制时，成形过程中工件存在侧弯和扭曲的缺陷，为环形件的后续焊接组装及机械加工带来很大困难，故采取将两件成对压制的工艺措施，将两个非对称的异型截面坯料通过焊接的形式，使其成为对称截面的坯料，然后进行卧式压制，如图2和3。压制工艺过程如下：图3是压制成形的工艺过程。图4(a)是第一步压制的初始状态，模型包括凸模、凹模和坯料。随着模具的闭合，在凸凹模具之间的坯料压制成形，开启模具，进行送料，而后再次闭合压制。以此类推，直至最后一步压制完成。压制的曲率半径由模具来控制。

(3)压制成形的环形件曲率尺寸达到设计要求后，将焊缝打开，然后去端头加工焊接坡口，然后将环形件的各个环段运至现场，在现场将经压制后的6个子段组焊成整个环形件，焊接过程中需严格控制焊接顺序，以控制焊接变形。

(4)组焊后的整个环形件经焊缝热处理后，与筒体进行焊接装配，而后利用多功能机床进行密封面和密封槽的现场精加工。由于环形件密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，要进行铣削精加工，将图7中的铣削头换成磨削头或抛光头，还可以完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。

具体实施方式三：本实施方式以由六瓣组成的直径φ8.5m环形件的拼焊为例，环形件采用手工电弧焊接，焊接坡口采用对称的双U形坡口，在开始焊接时，在环形件与刚性平台之间均布放置一些塑料板，以减小两者之间的摩擦力，从而最大限度的消除由于摩擦阻力而产生的残余应力。环形件的焊接顺序如下：

a)第一层焊缝焊接时，6名焊工分布在3条立焊缝的两侧，同时对称施焊。每焊缝处，一人焊接对口的上半部，另一人焊接对口的下半部，焊接完毕后清理对方的焊缝根部，再焊接剩下的另一半焊缝。

b)2、3层焊接采取短段加分三段退焊，焊层熔敷金属厚度控制在上部2.5～3.0mm，下部3.0～4.0mm，第4～8层采用分三段退焊，焊层熔敷金属厚度控制在2.5～4.0mm，第9层至封面，采用立向上直通焊，如图5所示。这样一来，前几层采用短段加分三段退焊焊接时，环形件的上端横向收缩小，而下端的横向收缩大。而后几层采用直通焊时，环形件的上端横向收缩大，下端的横向收缩小，两者的前后结合使上下端的差值得到了控制。同时由于分段退焊，使每段的结合点与前一段的起点相结合，因此温度差不是很大，这样就改善了不均匀加热和冷却的程度，减小了焊接残余应力与变形。

c)焊接时采用双面对称焊接，对称的两名焊工的焊接规范参数保持对称(即焊接电流、焊接电压、焊接速度保持一致)。在焊接过程中，每层焊道层间温度控制在600℃以下。

d)在焊接到环形件凸颈部位时，施焊位置已经由立焊转到平焊位置，每焊接一层焊缝，就用风铲锤击焊道一次，直到焊接完毕，这样一方面改善了应力在厚度方向的分布，释放了应力，另一方面，通过锤击来调整焊缝上下端的收缩值的大小，从而达到控制环形件焊接变形的目的，但是在盖面层焊缝不应锤击。

e)在焊缝上下平面和立面设置检测点，对每层焊缝焊接后，利用游标卡尺检测焊缝横向收缩量，随时进行焊缝变形调整。图6为检测点位置及剖口结构示意图。

f)对测量的各端面点的焊缝收缩数据进行分析后，通过调整施焊顺序、焊缝清根深浅程度、加大焊层厚度等办法，来达到控制焊缝收缩量的不对称性。

g)环形件焊接完毕后采用200～3000C加热，保温2小时的热处理工艺消除焊接残余应力。

h)组焊后的整个环形件经焊缝热处理后，与筒体进行焊接装配，而后利用多功能机床进行密封面和密封槽的现场精加工。

由于环形件密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，机床不仅要能进行铣削精加工，还应该能够完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。精加工时，机床本体沿工件圆周方向绕工件圆心做连续回转运动，从而可以完成连续铣削加工，以达到要求的平面度和粗糙度。机床的结构简图如图7所示，将图7中的铣削装置换成磨削或者其他精整装置，便可以进行相应的精加工或精整加工。

Claims (2)

1. 大型环形件成形加工方法，其特征在于所述方法为：分段锻成方坯或是钢板切割直条状坯料→加工基准面→机加工截面形状→压制成形→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆环形件→现场精加工，具体工艺过程如下：

一、根据预成形环形件的直径尺寸将其分成n个子段，每个子段的坯料尺寸确定如下：各段坯料长度L为：L＝2πR/n+(1～2)*H，H为成形件高度方向尺寸，L尺寸或分段数n要考虑钢板长度并保证压制成弧段后的运输要求，采用锻造成型或钢板切割方法将预成形环形件加工成满足上述条件的方坯或是直条状坯料；

二、然后依次进行退火处理、型面加工，得到异型截面坯料；

三、将两个非对称的异型截面坯料通过焊接的形式，使其成为对称截面的坯料，然后在液压机或卧式弯曲机上进行压制，压制工艺过程如下：将上述焊接后的坯料的一端置于凸模和凹模之间，随着模具的闭合，在凸凹模具之间的坯料压制成形，开启模具，进行送料，每次送料量要小于凸模的长度，而后再次闭合压制，以此类推，直至最后一步压制完成；

四、压制成形的环形件曲率尺寸达到设计要求后，将焊缝打开，去端头加工焊接坡口，然后将经压制后的n个子段组焊成整个环形件；

五、最后对整个环形件进行铣削、磨削、珩磨、抛光精整加工处理。

2. 根据权利要求1所述的大型环形件成形加工方法，其特征在于所述环形件的材质为低碳钢、合金钢或铝合金。

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