CN103537509A - 一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，以双管嘴管道为例，包括：确定热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道各部分的尺寸；确定初始管坯的尺寸；确定预制孔中心的位置及孔径大小；确定完成第二管嘴的热挤压成形所需要的除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向的压缩量；确定继续完成第一管嘴的热挤压成形所需要的管坯沿轴向的压缩量；确定热挤压模具关键部位的尺寸参数；选择热挤压模具的结构形式；确定挤压力能参数及选择成形设备；确定双管嘴管道热挤压成形过程的工艺流程。根据本发明的方法可直接成形管道内孔及管嘴内孔，提高管嘴处的结构强度，改善金属力学和组织性能，缩短制造周期、提高材料利用率。

Description

一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法

技术领域

本发明属于多管嘴管道制造领域，涉及一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法。

背景技术

大型多管嘴管道是核电、火电、石油化工等工业领域中的重要设施部件。

目前，制造大型多管嘴管道有以下两种方法。一种方法是采用自由锻和机加工去除材料相结合的手段，即首先将实心坯料自由锻造成形得到局部带有实心凸台的管道轮廓的实心毛坯，然后对实心毛坯进行机加工得到管道内孔以及管嘴内孔。这种方法生产效率低下、材料利用率很低、加热火次多工艺繁复、管道组织性能差且能量消耗高。另一种方法是基于拉拔工艺对管坯多次加热拔制管嘴。这种方法不仅增加了能耗和生产成本，而且成形后产品性能不稳定，质量难以保证。以上方法都存在一定的不足，不是制造大型多管嘴管道的理想技术。

因此，研究一种大型多管嘴管道成形工艺制定及模具设计方法意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术难题是提供一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，所述方法每个管嘴只需一次热挤压即可成形完毕，按顺序依次完成各个管嘴的热挤压成形。该方法生产效率高、材料利用率高、中间加热火次少、组织性能易于保证、能耗低且质量性能稳定。

本发明所采用的技术方案是：

一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，以大型双管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法为例，具体如下：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”分别对应“左（上）”、“右（下）”，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

步骤1：由双管嘴管道成品件各部分的尺寸考虑机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道各部分的尺寸：内径d₅为d₀与d₅的机加工余量之差、外径D₅为D₀与D₅的机加工余量之和、长度L₁为L₀与L₁的左、右端面的机加工余量之和，第一管嘴的内径d₃为d₁与d₃的机加工余量之差、外径D₃为D₁与D₃的机加工余量之和、高度h₃为h₁与h₃的机加工余量之和，第二管嘴的内径d₄为d₂与d₄的机加工余量之差、外径D₄为D₂与D₄的机加工余量之和、高度h₄为h₂与h₄的机加工余量之和，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₃为l₁与L₁的右端面的机加工余量之和、l₂为l₀与L₁的右端面的机加工余量之和，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₃为r₁与r₃的机加工余量之差、r₄为r₂与r₄的机加工余量之差，其中，双管嘴管道成品件各部分的尺寸：管道内径d₀、外径D₀、长度L₀，第一管嘴的内径d₁、外径D₁、高度h₁，第二管嘴的内径d₂、外径D₂、高度h₂，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₁、l₀，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₁、r₂。

步骤2：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为开有双预制孔的管坯去除氧化皮后的体积与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的体积相等，所以可以得到初始管坯内径d₆为d₅与内表面氧化皮厚度之差，外径D₆为D₅与外表面氧化皮厚度之和，长度L₂为：

$\begin{array}{c}{L}_2=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\Δd}}_7)}^2+{(d_8+{2\mathrm{\Δd}}_8)}^2-d_3^2-d_4^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}\\ +\frac{(D_5^2-d_5^2)L_1+(D_3^2-d_3^2)h_3+(D_4^2-d_4^2)h_4}{(D_5^2-d_5^2)}+2\mathrm{\ΔL}\end{array}---\left(1\right)$

式中，L₂为初始管坯与开有双预制孔的管坯的长度；

L₁为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的长度；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后其端面的氧化皮厚度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₇为第一预制孔的孔径；

Δd₇为第一预制孔内表面氧化皮的厚度；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径；

d₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径；

h₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的高度；

D₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

h₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的高度；

步骤3：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为成形第一、第二管嘴采用不同的挤压模，所以可以得到第二预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₄，第一预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₅满足：

$l_2-\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}<l_4<l_2+\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}---\left(2\right)$

l₅＝l₃+ΔL    （3）

式中，l₄为右预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离；

l₂为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的中心距管道最右（下）端的距离；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

l₅为第一预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离；

l₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的中心距管道最右（下）端的距离；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后其端面的氧化皮厚度；

为了保证管嘴与管道三通，第一管嘴的内径d₃、第一预制孔孔径d₇、第一预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₇满足：

d₃＝d₇+2Δd₇    （4）

为了实现少的机加工量和高的材料利用率，第二预制孔孔径d₈、第二预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₈、第二管嘴的内径d₄、第二管嘴的外径D₄一般满足：

d₄＜d₈+Δd₈＜D₄    （5）

步骤4：

4.1）根据体积不变原则，得到第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度L₃及除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向的压缩量Δh₁如下：

$L_3=\frac{2(D_5^2-d_5^2)(L_2-2\mathrm{\&Delta;L})+(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]-2(D_4^2-d_4^2)h_4}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(6\right)$

${\mathrm{\&Delta;h}}_1=L_2-2\mathrm{\&Delta;L}-L_3=\frac{2(D_4^2-d_4^2)h_4-(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(7\right)$

式中，L₃为第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度；

L₂为初始管坯与开有预制孔的管坯的长度；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后端面的氧化皮厚度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

h₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的高度；

Δh₁为完成下管嘴的热挤压连续成形所需要的除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向的压缩量；

4.2）根据体积不变原则，得到第二管嘴热挤压成形完成后继续完成第一管嘴的热挤压成形所需要的管坯沿轴向的压缩量Δh₂如下：

${\mathrm{\&Delta;h}}_2=L_3-L_1=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\&Delta;d}}_7)}^2-d_3^2]+2(D_3^2-d_3^2)h_3}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(8\right)$

式中，Δh₂为第二管嘴热挤压成形完成后继续完成第一管嘴的热挤压成形所需要的管坯沿轴向的压缩量；

L₃为第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度；

L₁为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的长度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₇为第一预制孔的孔径；

Δd₇为第一预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径；

d₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径；

h₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的高度；

4.3）除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向压缩Δh₁+Δh₂就可以完成第一、第二管嘴的热挤压连续成形。

步骤5：由双管嘴管道成品件第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₁、r₂减去相应的机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄，而热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄与热挤压模具对应此处的圆角半径R₁、R₂相等，由此得到热挤压模具关键部位的尺寸。

步骤6：由双管嘴管道的结构特点可以得到热挤压模具的结构形式：挤压筒为四部分组合而成的开有两侧孔的空心圆筒，两端部分是带半个第一侧孔的空心圆筒及带半个第二侧孔的空心圆筒，中间部分是带半个第一侧孔和半个第二侧孔的组合空心圆筒，可以是由带半个第一侧孔的半圆筒和带半个第二侧孔的半圆筒组合而成

也可以是由带半个第一侧孔和半个第二侧孔的半圆筒和同高度的不带侧孔的半圆筒组合而成

挤压模为空心圆筒与圆柱体嵌套式组合挤压模及阶梯圆柱体式挤压模，组合式挤压筒两侧孔的孔径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的外径D₃、D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和，两侧孔的中心与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的中心相重合，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈的外径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径D₃与两倍的玻璃膜的厚度之和，芯棒的直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径d₃与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式挤压模的较大圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和、较小圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径d₄与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式模具中直径为d₄的圆柱体的高度即为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的第二管嘴高度与管道厚度之和，组合式挤压筒的厚度大于h₃，与管坯的厚度之和大于台阶圆柱体式挤压模中直径为d₄的圆柱体的高度，热挤压成形第二管嘴时，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈及芯棒的端部必须靠紧管坯外表面，第二管嘴热挤压连续成形完成后第一管嘴热挤压成形开始时，将外圈与芯棒嵌套式组合挤压模的外圈沿自身轴心线由原位置移出h₃，保持芯棒固定不动。

步骤7：对整个成形过程建立有限元模型，并进行数值模拟得到挤压力随行程的变化规律及最大挤压力，据此选择相应吨位的挤压机。

步骤8：双管嘴管道热挤压成形过程的工艺流程为：初始管坯—开预制孔—加热—高压水或机械除鳞—玻璃粉润滑—热挤压连续成形第二管嘴—热挤压连续成形第一管嘴—双管嘴管道热挤压成形件，喷涂玻璃粉时，管坯及预制孔的内表面喷涂A5玻璃粉，粒度为100目以上，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm，管坯的外表面喷涂844-7玻璃粉，粒度为100～120目，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm。

对于大型多管嘴管道热挤压成形，工艺制定与模具设计方法与上述方法一致：由最后一个管嘴到第一管嘴依次挤压成形，成形其余管嘴处的挤压模选择外圈与圆柱体嵌套式组合挤压模，成形最后一个管嘴处的挤压模选择台阶式圆柱体挤压模，挤压筒选择开有侧孔的组合式空心圆筒。

采用本发明提供的方法成形大型多管嘴管道具有以下优点：

1）生产效率高，大大缩短了制造周期和交货期。

2）材料利用率高。通过热挤压成形多个管嘴，无需大量的机加工，材料的利用率得到了极大地提高。

3）加热次数少有利于改善金属内部组织，提高管道的力学和组织性能。

4）金属流动易于控制，金属各部分连续变形使得管道金属流线连续，提高了管嘴处的结构强度。

5）模具结构简单、制造成本低、易于操控和实施，热挤压成形的多管嘴管道易于脱模。

附图说明

图1为双管嘴管道成品件示意图。

图2为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道示意图。

图3为初始管坯示意图。

图4为开有预制孔的管坯示意图。

图5为第二管嘴热挤压成形完成后的管道示意图。

图6为外圈与圆柱体嵌套式组合模具的关键部位示意图（图中未表示玻璃膜）。

图7为阶梯圆柱体式模具的关键部位示意图（图中未表示玻璃膜）。

图8为第二管嘴热挤压成形开始时管坯与模具的装配示意图（图中未表示玻璃膜）。

图9为第二管嘴热挤压成形完成后第一管嘴热挤压成形开始时管坯与模具的装配示意图（图中未表示玻璃膜）。

图10为第一管嘴热挤压成形完成后管坯与模具的装配示意图（图中未表示玻璃膜）。

附图标记：1—挤压垫，2—芯棒，3—外圈与芯棒嵌套式组合挤压模，4—右（下）端模具，5—阶梯圆柱体式挤压模，6—管坯，7—组合式挤压筒。

图11为双管嘴管道热挤压成形有限元模型示意图。

附图标记：1—芯棒，2—挤压垫，3—管坯，4—组合式挤压筒，5—外圈与芯棒嵌套式组合挤压模，6—阶梯圆柱体式挤压模，7—下（右）端模具。

图12为双管嘴管道热挤压成形过程挤压力随行程的变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，以大型双管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法为例，具体如下：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”分别对应“左（上）”、“右（下）”，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

步骤1：由图1所示的双管嘴管道成品件及各部分尺寸考虑相应的机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道各部分的尺寸：内径d₅为d₀与d₅的机加工余量之差、外径D₅为D₀与D₅的机加工余量之和、长度L₁为L₀与L₁的左、右端面的机加工余量之和，第一管嘴的内径d₃为d₁与d₃的机加工余量之差、外径D₃为D₁与D₃的机加工余量之和、高度h₃为h₁与h₃的机加工余量之和，第二管嘴的内径d₄为d₂与d₄的机加工余量之差、外径D₄为D₂与D₄的机加工余量之和、高度h₄为h₂与h₄的机加工余量之和，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₃为l₁与L₁的右端面的机加工余量之和、l₂为l₀与L₁的右端面的机加工余量之和，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₃为r₁与r₃的机加工余量之差、r₄为r₂与r₄的机加工余量之差，其中，双管嘴管道成品件各部分的尺寸：管道内径d₀、外径D₀、长度L₀，第一管嘴的内径d₁、外径D₁、高度h₁，第二管嘴的内径d₂、外径D₂、高度h₂，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₁、l₀，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₁、r₂。

步骤2：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为开有双预制孔的管坯去除氧化皮后的体积与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的体积相等，所以由图2所示的热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道各部分的尺寸即可得到初始管坯内径d₆为d₅与内表面氧化皮厚度之差，外径D₆为D₅与外表面氧化皮厚度之和，长度L₂可由公式（1）求得，初始管坯的尺寸如图3所示。

$\begin{array}{c}{L}_2=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\&Delta;d}}_7)}^2+{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2-d_3^2-d_4^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}\\ +\frac{(D_5^2-d_5^2)L_1+(D_3^2-d_3^2)h_3+(D_4^2-d_4^2)h_4}{(D_5^2-d_5^2)}+2\mathrm{\&Delta;L}\end{array}---\left(1\right)$

步骤3：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为成形第一、第二管嘴采用不同的挤压模，所以可以得到第二预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₄满足公式（2），第一预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₅满足公式（3）。

$l_2-\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}<l_4<l_2+\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}---\left(2\right)$

l₅＝l₃+ΔL    （3）

为了保证管嘴与管道三通，第一管嘴的内径d₃、第一预制孔孔径d₇、第一预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₇满足公式（4），为了实现少的机加工量和高的材料利用率，第二预制孔孔径d₈、第二预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₈、第二管嘴的内径d₄、第二管嘴的外径D₄一般满足公式（5），开有预制孔的管坯及尺寸如图4所示。

d₃＝d₇+2Δd₇    （4）

d₄＜d₈+Δd₈＜D₄    （5）

步骤4：

4.1）将除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向压缩Δh₁，第二管嘴即可在挤压力的作用下一次热挤压连续成形。其中，L₃可由公式（6）求得，Δh₁可由公式（7）求得，第二管嘴热挤压成形完成后的管道如图5所示。

$L_3=\frac{2(D_5^2-d_5^2)(L_2-2\mathrm{\&Delta;L})+(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]-2(D_4^2-d_4^2)h_4}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(6\right)$

${\mathrm{\&Delta;h}}_1=L_2-2\mathrm{\&Delta;L}-L_3=\frac{2(D_4^2-d_4^2)h_4-(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(7\right)$

4.2）第二管嘴热挤压连续成形后，调整成形第一管嘴处的挤压模的外圈部分的位置，使其沿自身轴心线由原位置移出h₃，采用同样的方法继续沿轴向压缩Δh₂，完成第一管嘴的一次热挤压连续成形，Δh₂可由公式（8）求得。

${\mathrm{\&Delta;h}}_2=L_3-L_1=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\&Delta;d}}_7)}^2-d_3^2]+2(D_3^2-d_3^2)h_3}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(8\right)$

4.3）开有预制孔的管坯在挤压垫的作用下沿轴向压缩Δh₁+Δh₂就可以完成第一、第二管嘴的热挤压成形，第一、第二管嘴热挤压成形完成后未进行机加工的双管嘴管道如图2所示。

步骤5：由双管嘴管道成品件第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₁、r₂减去相应的机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄，而热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄与热挤压模具对应此处的圆角半径R₁、R₂相等，由此得到热挤压模具关键部位的尺寸，如图6和图7所示。

步骤6：由图1和图2所示双管嘴管道的结构特点可以得到热挤压模具的结构形式：挤压筒为四部分组合而成的开有两侧孔的空心圆筒，两端部分是带半个第一侧孔的空心圆筒及带半个第二侧孔的空心圆筒，中间部分是带半个第一侧孔和半个第二侧孔的组合空心圆筒，可以是由带半个第一侧孔的半圆筒和带半个第二侧孔的半圆筒组合而成

也可以是由带半个第一侧孔和半个第二侧孔的半圆筒和同高度的不带侧孔的半圆筒组合而成

挤压模为空心圆筒与圆柱体嵌套式组合挤压模及阶梯圆柱体式挤压模，组合式挤压筒两侧孔的孔径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的外径D₃、D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和，两侧孔的中心与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的中心相重合，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈的外径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径D₃与两倍的玻璃膜的厚度之和，芯棒的直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径d₃与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式挤压模的较大圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和、较小圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径d₄与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式模具中直径为d₄的圆柱体的高度即为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的第二管嘴高度与管道厚度之和，组合式挤压筒的厚度大于h₃，与管坯的厚度之和大于台阶圆柱体式挤压模中直径为d₄的圆柱体的高度，热挤压成形第二管嘴时，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈及芯棒的端部必须靠紧管坯外表面，第二管嘴热挤压连续成形完成后第一管嘴热挤压成形开始时，将外圈与芯棒嵌套式组合挤压模的外圈沿自身轴心线由原位置移出h₃，保持芯棒固定不动，第二管嘴热挤压成形开始时管坯与模具的装配如图8所示，第二管嘴热挤压成形完成后第一管嘴热挤压成形开始时管坯与模具的装配如图9所示，第一管嘴热挤压成形完成后管坯与模具的装配如图10所示。

步骤7：对整个成形过程建立有限元模型，如图11所示，进行数值模拟得到挤压力随行程的变化规律及最大挤压力，如图12所示，据此选择相应吨位的挤压机。

步骤8：双管嘴管道热挤压成形过程的工艺流程为：初始管坯—开预制孔—加热—高压水或机械除鳞—玻璃粉润滑—热挤压连续成形第二管嘴—热挤压连续成形第一管嘴—双管嘴管道热挤压成形件，喷涂玻璃粉时，管坯及预制孔的内表面喷涂A5玻璃粉，粒度为100目以上，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm，管坯的外表面喷涂844-7玻璃粉，粒度为100～120目，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm。

对于大型多管嘴管道热挤压成形，工艺制定与模具设计的方法与上述方法一致：由最后一个管嘴到第一管嘴依次挤压成形，成形其余管嘴处的挤压模选择外圈与圆柱体嵌套式组合挤压模，如图6所示，成形最后一个管嘴处的挤压模选择台阶式圆柱体挤压模，如图7所示，挤压筒选择开有侧孔的组合式空心圆筒，如图8、图9和图10所示。

Claims (2)

1.一种大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，其特征在于，以大型双管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法为例，包括以下步骤：

步骤1：由双管嘴管道成品件各部分的尺寸考虑机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道各部分的尺寸：内径d₅为d₀与d₅的机加工余量之差、外径D₅为D₀与D₅的机加工余量之和、长度L₁为L₀与L₁的左、右端面的机加工余量之和，第一管嘴的内径d₃为d₁与d₃的机加工余量之差、外径D₃为D₁与D₃的机加工余量之和、高度h₃为h₁与h₃的机加工余量之和，第二管嘴的内径d₄为d₂与d₄的机加工余量之差、外径D₄为D₂与D₄的机加工余量之和、高度h₄为h₂与h₄的机加工余量之和，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₃为l₁与L₁的右端面的机加工余量之和、l₂为l₀与L₁的右端面的机加工余量之和，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₃为r₁与r₃的机加工余量之差、r₄为r₂与r₄的机加工余量之差，其中，双管嘴管道成品件各部分的尺寸：管道内径d₀、外径D₀、长度L₀，第一管嘴的内径d₁、外径D₁、高度h₁，第二管嘴的内径d₂、外径D₂、高度h₂，第一、第二管嘴中心距管道最右（下）端的距离l₁、l₀，第一、第二管嘴外径与管道外径交接处过渡圆角半径r₁、r₂；

步骤2：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为开有双预制孔的管坯去除氧化皮后的体积与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的体积相等，所以可以得到初始管坯内径d₆为d₅与内表面氧化皮厚度之差，外径D₆为D₅与外表面氧化皮厚度之和，长度L₂为：

$\begin{array}{c}{L}_2=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\&Delta;d}}_7)}^2+{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2-d_3^2-d_4^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}\\ +\frac{(D_5^2-d_5^2)L_1+(D_3^2-d_3^2)h_3+(D_4^2-d_4^2)h_4}{(D_5^2-d_5^2)}+2\mathrm{\&Delta;L}\end{array}---\left(1\right)$

式中，L₂为初始管坯与开有双预制孔的管坯的长度；

L₁为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的长度；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后其端面的氧化皮厚度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₇为第一预制孔的孔径；

Δd₇为第一预制孔内表面氧化皮的厚度；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径；

d₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径；

h₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的高度；

D₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

h₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的高度；

步骤3：开有双预制孔的管坯预热完成后会在其端面、内表面、外表面以及预制孔的内表面产生不同厚度的氧化皮，又因为成形第一、第二管嘴采用不同的挤压模，所以可以得到第二预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₄，第一预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离l₅满足：

$l_2-\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}<l_4<l_2+\frac{d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8-d_4}{2}---\left(2\right)$

l₅＝l₃+ΔL    （3）

式中，l₄为右预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离；

l₂为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的中心距管道最右（下）端的距离；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

l₅为第一预制孔的中心到管坯最右（下）端的距离；

l₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的中心距管道最右（下）端的距离；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后其端面的氧化皮厚度；

为了保证管嘴与管道三通，第一管嘴的内径d₃、第一预制孔孔径d₇、第一预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₇满足：

d₃＝d₇+2Δd₇    （4）

为了实现少的机加工量和高的材料利用率，第二预制孔孔径d₈、第二预制孔内表面氧化皮的厚度Δd₈、第二管嘴的内径d₄、第二管嘴的外径D₄一般满足：

d₄＜d₈+Δd₈＜D₄    （5）

步骤4：

4.1）根据体积不变原则，得到第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度L₃及除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向的压缩量Δh₁如下：

$L_3=\frac{2(D_5^2-d_5^2)(L_2-2\mathrm{\&Delta;L})+(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]-2(D_4^2-d_4^2)h_4}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(6\right)$

${\mathrm{\&Delta;h}}_1=L_2-2\mathrm{\&Delta;L}-L_3=\frac{2(D_4^2-d_4^2)h_4-(D_5-d_5)[d_4^2-{(d_8+{2\mathrm{\&Delta;d}}_8)}^2]}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(7\right)$

式中，L₃为第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度；

L₂为初始管坯与开有预制孔的管坯的长度；

ΔL为开有双预制孔的管坯预热后端面的氧化皮厚度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₈为第二预制孔的孔径；

Δd₈为第二预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径；

d₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径；

h₄为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的高度；

Δh₁为完成下管嘴的热挤压连续成形所需要的除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向的压缩量；

4.2）根据体积不变原则，得到第二管嘴热挤压成形完成后继续完成第一管嘴的热挤压成形所需要的管坯沿轴向的压缩量Δh₂如下：

${\mathrm{\&Delta;h}}_2=L_3-L_1=\frac{(D_5-d_5)[{(d_7+{2\mathrm{\&Delta;d}}_7)}^2-d_3^2]+2(D_3^2-d_3^2)h_3}{2(D_5^2-d_5^2)}---\left(8\right)$

式中，Δh₂为第二管嘴热挤压成形完成后继续完成第一管嘴的热挤压成形所需要的管坯沿轴向的压缩量；

L₃为第二管嘴热挤压成形完成后管道的长度；

L₁为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的长度；

D₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的外径；

d₅为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的内径；

d₇为第一预制孔的孔径；

Δd₇为第一预制孔内表面氧化皮的厚度；

D₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径；

d₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径；

h₃为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的高度；

4.3）除完氧化皮的带预制孔管坯沿轴向压缩Δh₁+Δh₂就可以完成第一、第二管嘴的热挤压连续成形；

步骤5：由双管嘴管道成品件第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₁、r₂减去相应的机加工余量即可得到热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄，而热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一、第二管嘴外径与管道外径交接处的过渡圆角半径r₃、r₄与热挤压模具对应此处的圆角半径R₁、R₂相等，由此得到热挤压模具关键部位的尺寸；

步骤6：由双管嘴管道的结构特点可以得到热挤压模具的结构形式：挤压筒为四部分组合而成的开有两侧孔的空心圆筒，两端部分是带半个第一侧孔的空心圆筒及带半个第二侧孔的空心圆筒，中间部分是带半个第一侧孔和半个第二侧孔的组合空心圆筒，可以是由带半个第一侧孔的半圆筒和带半个第二侧孔的半圆筒组合而成也可以是由带半个第一侧孔和半个第二侧孔的半圆筒和同高度的不带侧孔的半圆筒组合而成

挤压模为空心圆筒与圆柱体嵌套式组合挤压模及阶梯圆柱体式挤压模，组合式挤压筒两侧孔的孔径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的外径D₃、D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和，两侧孔的中心与热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道对应管嘴的中心相重合，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈的外径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的外径D₃与两倍的玻璃膜的厚度之和，芯棒的直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第一管嘴的内径d₃与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式挤压模的较大圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的外径D₄与两倍的玻璃膜的厚度之和、较小圆柱体直径为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道第二管嘴的内径d₄与两倍的玻璃膜的厚度之差，阶梯圆柱体式模具中直径为d₄的圆柱体的高度即为热挤压成形后未进行机加工的双管嘴管道的第二管嘴高度与管道厚度之和，组合式挤压筒的厚度大于h₃，与管坯的厚度之和大于台阶圆柱体式挤压模中直径为d₄的圆柱体的高度，热挤压成形第二管嘴时，外圈与芯棒嵌套式组合挤压模中外圈及芯棒的端部必须靠紧管坯外表面，第二管嘴热挤压连续成形完成后第一管嘴热挤压成形开始时，将外圈与芯棒嵌套式组合挤压模的外圈沿自身轴心线由原位置移出h₃，保持芯棒固定不动；

步骤7：对整个成形过程建立有限元模型，并进行数值模拟得到挤压力随行程的变化规律及最大挤压力，据此选择相应吨位的挤压机；

步骤8：双管嘴管道热挤压成形过程的工艺流程为：初始管坯—开预制孔—加热—高压水或机械除鳞—玻璃粉润滑—热挤压连续成形第二管嘴—热挤压连续成形第一管嘴—双管嘴管道热挤压成形件，喷涂玻璃粉时，管坯及预制孔的内表面喷涂A5玻璃粉，粒度为100目以上，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm，管坯的外表面喷涂844-7玻璃粉，粒度为100～120目，喷涂后玻璃膜的厚度为0.2～0.4mm。

2.根据权利要求1所述的大型多管嘴管道热挤压成形工艺制定与模具设计方法，其特征在于，对于多管嘴管道热挤压成形，工艺制定与模具设计方法与权利要求1所述方法一致，由最后一个管嘴到第一管嘴依次挤压成形，成形其余管嘴处的挤压模选择外圈与圆柱体嵌套式组合挤压模，成形最后一个管嘴处的挤压模选择台阶式圆柱体挤压模，挤压筒选择开有侧孔的组合式空心圆筒。

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