CN103386585A - 壳台或管台成形工艺及其所用的反挤压模 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种壳台或管台成形工艺及其所用的反挤压模，其工艺步骤如下：步骤一：钢锭镦粗进而获得钢坯；步骤二：通过反挤压技术获得壳坯或管坯；步骤三：采用虚拟模原理的模具对壳坯或管坯局部反挤压完成壳台或管台的一体化成形；其所用的反挤压模具，包括反挤压筒、反挤压芯轴和中空的减径减壁反挤压冲头反挤压芯轴固定设于反挤压筒内，中空的减径减壁反挤压冲头纵向运动于反挤压筒内，反挤压芯轴位于中空的减径减壁反挤压冲头内，所述中空的减径减壁反挤压冲头下端设有半圆弧结构，中空的减径减壁反挤压冲头下端开口所在平面为与其轴心线不垂直的斜面，本发明实现了壳台与壳体或管台与管体一体化成形，强度强度和抗疲劳可靠度高。

Description

壳台或管台成形工艺及其所用的反挤压模

技术领域

本发明涉及一种金属加工工艺方法及其相关模具，特别涉及一种壳台或管台成形工艺及其所用的反挤压模。

背景技术

随着核电，重石化，海洋工程等领域的发展，对大型超高压压力容器和管件、泵体、阀体要求越来越高，特别对壳台结构（图12）和管台结构（图13）的一体化成形要求越来越普遍。所谓壳台结构件和管台结构件在本质上是一致的，都是在带有一定曲率的表面上隆起一个凸台。在壳体表面上隆起凸台称为壳台结构；在管件表面上隆起凸台称为管台结构，管台为壳台的一种特殊情况，凸台与壳体和管体的交线为空间曲线，不允许空间曲线焊接，空间曲线部位需一次即一体化成形，具有管台结构的重型锻件的生产由于大吨位压机等制造设备的限制，其制造工艺一直局限于局部粗放式的自由锻成形工艺。目前国内重型机械制造厂和相关的工艺研发者均基于现有设备条件进行技术改进，主要基于自由锻成形方式，该种方式对制造设备的要求非常高，生产制造成本高，且成形的产品强度低，易发生断裂。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种壳台或管台成形工艺及其所用的反挤压模，该壳台或管台成形工艺形成的壳台一体结构，连接位置无焊缝，壳台内部无裂纹和缺陷，壳台的可靠性和强度高。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种壳台或管台成形工艺，其步骤如下：

步骤一：钢锭镦粗：将钢锭去除冒口和底部后，镦粗头对钢锭施加镦粗载荷，进而获得钢坯；

步骤二：壳坯或管坯挤压成形：将步骤一中所得的钢坯放置于管坯反挤压筒内，采用反挤压芯轴将钢坯挤压成管坯或者将钢坯放置于壳坯反挤压模内，采用反挤压轴将钢坯反挤压成壳坯；

步骤三：采用虚拟模原理的模具对壳坯或管坯局部反挤压完成壳台或管台的一体化成形：在上述步骤中成形的壳坯固定于支撑模上或将管坯固定于支撑轴上，在需要成形壳台或管台位置的外缘安装虚拟模压边圈，对壳坯或管坯施加压边力，并在与压边力施加的同时或之后，采用反挤压冲头在壳台或管台位置对壳坯或管坯施加径向的反挤压力，进而完成壳台或管台结构的一体化成形。

作为本发明的进一步改进，所述步骤一为钢锭闭式镦粗，钢锭将放置于镦粗模内，镦粗头对钢锭施加镦粗载荷，使钢锭在镦粗模的约束下进行闭式镦粗，进而获得优质钢坯。

作为本发明的进一步改进，所述步骤一与步骤二之间还设有钢坯拔长工序：采用快锻液压机带动型砧对钢坯进行拔长，同时使钢坯形成具有台阶的轴状结构。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二中管坯挤压成形包括如下步骤：先穿孔：将经过镦粗的钢坯放置于穿孔模具内，芯垫无孔的一段堵设于穿孔模腔下方，穿孔冲头沿钢坯中心线穿孔形成桶状结构，然后推拉芯垫使芯垫有孔的一段位于穿孔模腔下方，穿孔冲头继续向下冲切桶底，将桶底切除，形成一个贯穿孔；再进行扩孔：将穿孔的钢坯放入扩孔模具内，整形芯轴插设于贯穿孔下端，直径大于穿孔冲头的扩孔冲头沿中心向下运动，反挤压钢坯，以扩大钢坯内孔，最终形成管坯。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二和步骤三之间还设有管坯的芯轴拔长工序：采用快锻液压机带动型砧对管坯进行拔长，同时在管坯外侧形成台阶。

作为本发明的进一步改进，所述扩孔后，通过反挤压模具进行反挤压减外径、减壁厚并增长管坯的长度工序：将管坯放置于管坯反挤压筒内，反挤压芯轴固定置于管坯内孔中，中空的减径减壁反挤压冲头以挤压模内径为导向并沿其内壁运动，挤压管坯缩小其外径、壁厚，并增加其长度。

作为本发明的进一步改进，所述反挤压模具的中空的减径减壁反挤压冲头的顶部为斜口结构（即斜口中空冲头），所述斜口结构的斜度与管台位置相匹配，所述具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头向下运动，并挤压中空的管坯将其外径缩小，同时形成半个凸台结构；然后将该管坯倒置反向定位于反挤压筒内，并用中空斜口支撑支撑已减轻减薄的管坯，再用具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头向下运动并挤压管坯的另一端，完成完整的柱状凸台结构。

作为本发明的进一步改进，所述步骤三中，虚拟模压边圈与管坯外壁或壳坯外壁接触的一侧设有圆角、倒角和倒角后再加上圆角结构中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述与壳坯或管坯接触一端的虚拟模压边圈宽度是壳坯或管坯壁厚度A的1-6倍。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟模压边圈与壳坯或管坯侧壁接触的表面为具有多峰结构的粗糙面，位于壳坯或管坯内的支撑模外侧壁表面也为具有多峰结构的粗糙面，所述多峰结构的峰谷深度为0.1-5mm，峰间距为0.1-10mm。

一种壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，包括反挤压筒、反挤压芯轴和中空的减径减壁反挤压冲头，以使用方向为基准，反挤压芯轴固定设于反挤压筒内，中空的减径减壁反挤压冲头纵向能够运动插设于反挤压筒内，所述中空的减径减壁反挤压冲头外侧壁紧贴反挤压筒内侧壁，反挤压芯轴位于中空的减径减壁反挤压冲头内，所述中空的减径减壁反挤压冲头下端壁上设有至少一个与待成形管台位置和大小匹配的半圆弧结构，该半圆弧结构与中空的减径减壁反挤压冲头下端开口连通，所述中空的减径减壁反挤压冲头下端开口所在平面为与其轴心线不垂直的斜面，至少一个半圆弧结构位于该斜面远离挤压模的一侧。

作为本发明的进一步改进，所述中空的减径减壁反挤压冲头上半圆弧结构的数量为两个，分别位于中空的减径减壁反挤压冲头远离反挤压筒一侧开口所在平面的两相对侧。

作为本发明的进一步改进，还设有一中空斜口支撑，该中空的斜口支撑能够拆卸固设于与反挤压筒下端内侧。

本发明的有益技术效果是：本发明通过反挤压技术先实现壳坯或管坯成形后，再在壳坯或管坯需要成形壳台或管台位置的外缘施加一虚拟模压边圈，然后通过反挤压凸台冲头挤出壳台或管台结构，实现了壳台与壳体或管台与管体一体化成形，壳体与壳台以及管体与管台间的连接空间曲线无需焊接而一体化成形，具有最高的强度和抗疲劳可靠度，是核电、石油、重化工等领域的管道、泵体、阀体一体化成形新技术。

附图说明

图1为镦粗工序原理示意图；

图2为采用快锻液压机利用型砧对钢坯进行拔长形成具有台阶的轴结构示意图；

图3为穿孔工序第一步原理示意图；

图4为穿孔工序第二步原理示意图；

图5为穿孔工序中所用芯垫结构原理示意图；

图6为扩孔工序原理示意图；

图7为采用平口减径减壁中空冲头挤压示意图；

图8为壳坯成形原理示意图；

图9为采用斜口减径减壁中空冲头反挤压第一步原理示意图；

图10为采用斜口减径减壁中空冲头反挤压第二步原理示意图；

图11为采用斜口减径减壁中空冲头反挤压第三步原理示意图；

图12为采用虚拟模原理的壳台局部反挤压成形工序原理示意图；

图13为采用虚拟模原理的管台局部反挤压成形工序原理示意图。

具体实施方式

实施例：一种壳台或管台成形工艺，其步骤如下：

步骤一：钢锭镦粗：将钢锭去除冒口和底部后，镦粗头3对钢锭施加镦粗载荷，进而获得钢坯4；

步骤二：壳坯或管坯挤压成形：将步骤一中所得的钢坯4放置于管坯反挤压筒26内，采用反挤压芯轴27将钢坯4挤压成管坯9或者将钢坯4放置于壳坯反挤压模8内，采用反挤压轴6将钢坯4反挤压成壳坯7，挤压成形工艺使锻件在闭式的模具的型腔中获得极大的三向压应力，即成形是在极大的球应力条件下进行，有利于压实坯料并锻（焊）合材料中的裂纹等缺陷，从而保证锻件获得优良的内部组织性能，且成形件形状的尺寸精度较易于通过模具型腔的尺寸来保证；

步骤三：采用虚拟模原理的模具对壳坯或管坯局部反挤压完成壳台13或管台14的一体化成形：在上述步骤中成形的壳坯7固定于支撑模10上或将管坯固定于支撑轴101上，在需要成形壳台13或管台14位置的外缘安装虚拟模压边圈11，对壳坯7或管坯9施加压边力Q，并在与压边力Q施加的同时或之后，采用反挤压冲头12在壳台13或管台14位置对壳坯7或管坯9施加径向的反挤压力，进而完成壳台13或管台14结构的一体化成形，径向的压边力Q在流动金属表面形成的摩擦力对流动的金属具有掣动作用（原苏联В.Ф.Лошкарев著“Проиэводство Стальных  Поковок”），它使与施加径向的压边力Q位置的表面层金属难以流动；稍远一点，掣动作用减小一些，直至约金属层厚度等于虚拟模压边圈宽度A的1/3处消失，从而形成一个倒金字塔形的难变形区，难变形区的存在，改变了金属的流向，使X方向的金属流量（即形成管台14/壳台13高度的方向）增加；而Y方向流动的金属流量大大减少，此种难变形区的作用就类似一种模具的作用，故称为虚拟模，在虚拟模挤压技术中，通过调整压边力Q、虚拟模压边圈宽度A以及虚拟模压边圈11与被挤压金属间的摩擦力（通过在虚拟模压边圈11接触金属的表面上刻划多峰微结构调整金属按要求的方向流动：阻止金属沿其轴向流动，同时迫使金属沿其径向流动，以形成壳台13或管台14，壳台13或管台14与壳坯7或管坯9的一体化挤压成形，保证空间过渡线区材料结构致密，内部无裂纹等缺陷，是核电结构件、深海工程和超高压容器阀体的先进成形工艺。

所述步骤一为钢锭闭式镦粗，钢锭将放置于镦粗模2内，镦粗头3对钢锭施加镦粗载荷，使钢锭在镦粗模2的约束下进行闭式镦粗，进而获得优质钢坯4。

所述步骤一与步骤二之间还设有钢坯4拔长工序：采用快锻液压机带动型砧16对钢坯4进行拔长，同时使钢坯4形成具有台阶15的轴状结构17，所述台阶位置、台阶高度5与管台位置、管台高度18相适应，为保证锻造的精度，可采用快锻操作机19与快锻液压机的型砧16联动加工，可以对经过开式镦粗和闭式镦粗形成的钢坯4进上所述拔长加工。

所述步骤二中管坯挤压成形包括如下步骤：先穿孔：将经过镦粗的钢坯4放置于穿孔模具20内，芯垫21无孔的一段堵设于穿孔模腔下方，穿孔冲头22沿钢坯4中心线穿孔形成桶状结构，然后推拉芯垫21使芯垫21有孔的一段位于穿孔模腔下方，穿孔冲头22继续向下冲切桶底，将桶底切除，形成一个贯穿孔；再进行扩孔：将穿孔的钢坯4放入扩孔模具23内，整形芯轴25插设于贯穿孔下端，直径大于穿孔冲头22的扩孔冲头24沿中心向下运动，反挤压钢坯4，以扩大钢坯4内孔，最终形成管坯9，反挤压过程中，随着扩孔冲头24向下运动，整形芯轴25可以保持钢坯4末扩孔段的直径不变，扩孔工序实现了钢坯4中心孔扩孔的同时，又减薄管壁并增加管子的长度。通过反挤压冲孔和扩孔提高了金属内部结构的致密度，对于厚壁小管径钢管，穿孔和扩孔两工序也可以合并一次完成。

所述步骤二和步骤三之间还设有管坯的芯轴拔长工序：采用快锻液压机带动型砧16对管坯9进行拔长，同时在管坯9外侧形成台阶15，所述台阶位置、台阶高度5与管台位置、管台高度18相适应。

所述扩孔后，通过反挤压模具进行反挤压减外径、减壁厚并增长管坯的长度工序：将管坯9放置于管坯反挤压筒26内，反挤压芯轴27固定置于管坯9内孔中，中空的减径减壁反挤压冲头28以挤压模内径为导向并沿其内壁运动，挤压管坯9缩小其外径、壁厚，并增加其长度。

所述反挤压模具的中空的减径减壁反挤压冲头28的顶部为斜口结构（即斜口中空冲头），所述斜口结构的斜度α与管台14位置相匹配，所述具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头28向下运动，并挤压中空的管坯9将其外径缩小，同时形成半个凸台结构；然后将该管坯9倒置反向定位于反挤压筒26内，并用中空斜口支撑29支撑已减轻减薄的管坯9，再用具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头28向下运动并挤压管坯9的另一端，完成完整的柱状凸台结构，通过采用斜口中空的减径减壁反挤压冲头28进行减径减壁增长管坯的成形，可以在管坯9外侧壁上直接成形出柱状凸台结构，有利于采用虚拟模原理的虚拟模进行局部反挤压形成管台14结构。

所述步骤三中，虚拟模压边圈11与管坯外壁或壳坯外壁接触的一侧设有圆角、倒角和倒角后再加上圆角结构中的一种，圆角和斜角之值应与管台14、壳台13根部的圆角和斜角相对应匹配。

所述与壳坯7或管坯9接触一端的虚拟模压边圈宽度A是壳坯7或管坯9壁厚度A的1-6倍。

所述虚拟模压边圈11与壳坯7或管坯9侧壁接触的表面为具有多峰结构的粗糙面，位于壳坯7或管坯9内的支撑模10外侧壁表面也为具有多峰结构的粗糙面，所述多峰结构的峰谷深度为0.1-5mm，峰间距为0.1-10mm，增大壳坯7或管坯9与虚拟模压边圈间壳台13或管台14圆周外侧位置的摩擦力，确保壳台13或管台14的反挤压成形。

一种壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，包括反挤压筒26、反挤压芯轴27和中空的减径减壁反挤压冲头28，以使用方向为基准，反挤压芯轴27固定设于反挤压筒26内，中空的减径减壁反挤压冲头28纵向能够运动插设于反挤压筒26内，所述中空的减径减壁反挤压冲头28外侧壁紧贴反挤压筒26内侧壁，反挤压芯轴27位于中空的减径减壁反挤压冲头28内，所述中空的减径减壁反挤压冲头28下端壁上设有至少一个与待成形管台14位置和大小匹配的半圆弧结构，该半圆弧结构与中空的减径减壁反挤压冲头28下端开口连通，所述中空的减径减壁反挤压冲头28下端开口所在平面为与其轴心线不垂直的斜面，至少一个半圆弧结构位于该斜面远离挤压模的一侧。

所述的壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，其特征是：所述中空的减径减壁反挤压冲头28上半圆弧结构的数量为两个，分别位于中空的减径减壁反挤压冲头28远离反挤压筒26一侧开口所在平面的两相对侧，即一个半圆弧结构位于斜面远离反挤压筒26一侧，另一个半圆弧结构位于斜面靠近反挤压筒26一侧，当管坯9反向放置进行第二次减径减壁反挤压时，就在管坯9上形成两个位置相对，轴向高度不同的柱状凸台结构，当然也可以是两个半圆弧结构不位于中空的减径减壁反挤压冲头28斜面两相对侧，形成的柱状凸台结构轴向就形成夹角，或者仅一个半圆弧结构，形成一个柱状凸台结构，此类都是本领域技术人员很容易想到的。

还设有一中空斜口支撑29，该中空的斜口支撑能够拆卸固设于与反挤压筒26下端内侧。

Claims (13)

1.一种壳台或管台成形工艺，其特征为：其步骤如下：

步骤一：钢锭镦粗：将钢锭去除冒口和底部后，镦粗头（3）对钢锭施加镦粗载荷，进而获得钢坯（4）；

步骤二：壳坯或管坯挤压成形：将步骤一中所得的钢坯（4）放置于管坯反挤压筒（26）内，采用反挤压芯轴（27）将钢坯（4）挤压成管坯（9）或者将钢坯（4）放置于壳坯反挤压模（8）内，采用反挤压轴（6）将钢坯（4）反挤压成壳坯（7））；

步骤三：采用虚拟模原理的模具对壳坯或管坯局部反挤压完成壳台（13）或管台（14）的一体化成形：在上述步骤中成形的壳坯（7）固定于支撑模（10）上或将管坯固定于支撑轴（101）上，在需要成形壳台（13）或管台（14）位置的外缘安装虚拟模压边圈（11），对壳坯（7）或管坯（9）施加压边力（Q），并在与压边力（Q）施加的同时或之后，采用反挤压冲头（12）在壳台（13）或管台（14）位置对壳坯（7）或管坯（9）施加径向的反挤压力，进而完成壳台（13）或管台（14）结构的一体化成形。

2.如权利要求1所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述步骤一为钢锭闭式镦粗，钢锭将放置于镦粗模（2）内，镦粗头（3）对钢锭施加镦粗载荷，使钢锭在镦粗模（2）的约束下进行闭式镦粗，进而获得钢坯（4）。

3.如权利要求1或2所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述步骤一与步骤二之间还设有钢坯（4）拔长工序：采用快锻液压机带动型砧（16）对钢坯（4）进行拔长，同时使钢坯（4）形成具有台阶（15）的轴状结构（17）。

4.如权利要求1或3所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述步骤二中管坯挤压成形包括如下步骤：先穿孔：将经过镦粗的钢坯（4）放置于穿孔模具（20）内，芯垫（21）无孔的一段堵设于穿孔模腔下方，穿孔冲头（22）沿钢坯（4）中心线穿孔形成桶状结构，然后推拉芯垫（21）使芯垫（21）有孔的一段位于穿孔模腔下方，穿孔冲头（22）继续向下冲切桶底，将桶底切除，形成一个贯穿孔；再进行扩孔：将穿孔的钢坯（4）放入扩孔模具（23）内，整形芯轴（25）插设于贯穿孔下端，直径大于穿孔冲头（22）的扩孔冲头（24）沿中心向下运动，反挤压钢坯（4），以扩大钢坯（4）内孔，最终形成管坯（9）。

5.如权利要求1或4所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述步骤二和步骤三之间还设有管坯的芯轴拔长工序：采用快锻液压机带动型砧（16）对管坯（9）进行拔长，同时在管坯（9）外侧形成台阶（15）。

6.如权利要求4所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述扩孔后，通过反挤压模具进行反挤压减外径、减壁厚并增长管坯的长度工序：将管坯（9）放置于管坯反挤压筒（26）内，反挤压芯轴（27）固定置于管坯（9）内孔中，中空的减径减壁反挤压冲头（28）以挤压模内径为导向并沿其内壁运动，挤压管坯（9）缩小其外径、壁厚，并增加其长度。

7.如权利要求6所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述反挤压模具的中空的减径减壁反挤压冲头（28）的顶部为斜口结构，所述斜口结构的斜度（α）与管台（14）位置相匹配，所述具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头（28）向下运动，并挤压中空的管坯（9）将其外径缩小，同时形成半个凸台结构；然后将该管坯（9）倒置反向定位于反挤压筒（26）内，并用中空斜口支撑（29）支撑已减轻减薄的管坯（9），再用具有斜口结构的中空的减径减壁反挤压冲头（28）向下运动并挤压管坯（9）的另一端，完成完整的柱状凸台结构。

8.如权利要求1所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述步骤三中，虚拟模压边圈（11）与管坯外壁或壳坯外壁接触的一侧设有圆角、倒角和倒角后再加上圆角结构中的一种。

9.如权利要求8所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述与壳坯（7）或管坯（9）接触一端的虚拟模压边圈宽度（A）是壳坯（7）或管坯（9）壁厚度（a）的1-6倍。

10.如权利要求9所述的壳台或管台成形工艺，其特征是：所述虚拟模压边圈（11）与壳坯（7）或管坯（9）侧壁接触的表面为具有多峰结构的粗糙面，位于壳坯（7）或管坯（9）内的支撑模（10）外侧壁表面也为具有多峰结构的粗糙面，所述多峰结构的峰谷深度为0.1-5mm，峰间距为0.1-10mm。

11.一种权利要求7所述的壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，其特征是：包括反挤压筒（26）、反挤压芯轴（27）和中空的减径减壁反挤压冲头（28），以使用方向为基准，反挤压芯轴（27）固定设于反挤压筒（26）内，中空的减径减壁反挤压冲头（28）纵向能够运动插设于反挤压筒（26）内，所述中空的减径减壁反挤压冲头（28）外侧壁紧贴反挤压筒（26）内侧壁，反挤压芯轴（27）位于中空的减径减壁反挤压冲头（28）内，所述中空的减径减壁反挤压冲头（28）下端壁上设有至少一个与待成形管台（14）位置和大小匹配的半圆弧结构，该半圆弧结构与中空的减径减壁反挤压冲头（28）下端开口连通，所述中空的减径减壁反挤压冲头（28）下端开口所在平面为与其轴心线不垂直的斜面，至少一个半圆弧结构位于该斜面远离挤压模的一侧。

12.一种权利要求11所述的壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，其特征是：所述中空的减径减壁反挤压冲头（28）上半圆弧结构的数量为两个，分别位于中空的减径减壁反挤压冲头（28）远离反挤压筒（26）一侧开口所在平面的两相对侧。

13.一种权利要求11所述的壳台或管台成形工艺中使用的反挤压模具，其特征是：还设有一中空斜口支撑（29），该中空的斜口支撑能够拆卸固设于与反挤压筒（26）下端内侧。

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