CN1037328C - 全开无碎片拱形带槽金属爆破片制造方法 - Google Patents

Abstract

一种全开无碎片拱形带槽金属爆破片的制造方法，其特点是除掉拱型刻槽刀具和拱型预拱模，用平面刀具和平板模具代替，正拱形和反拱形爆破片都用同样设备和方法，为了防止抽边现象，在爆破片的平面边缘(12)部分起拱的面上，加工有凹槽(6)，这种凹槽的加工是用带有微型凸肩(3)夹持器的上页(2)来完成的，采用流体压力预拱法进行起拱。

Description

全开无碎片拱形带槽金属爆破片制造方法

本发明涉及一种爆破片的制造方法。

拱形金属爆破片是工业生产中用于防止压力系统超压的安全泄压装置中的压力敏感元件，其中唯有拱形金属刻槽爆破片在爆破后完全无爆破碎片。拱形金属刻槽爆破片按其用途又可以分为两类：正拱形金属刻槽爆破片(其凹面朝向系统高压侧)；反拱形金属刻槽爆破片(其凸面朝向系统高压侧)。拱形金属刻槽爆破片装置主要由夹持器的上、下两页与一个带有由中心向其边缘呈放射状的若干条减弱槽的拱形金属膜片组成。当压力系统内的气体介质压力超压达到这种爆破片的设定爆破压力时，正拱形的则因减弱槽处产生大塑性变形而撕裂成若干片，反拱形的则因拱面失去稳定性，发生翻转弯曲大变形而在减弱槽处撕裂成若干片。所以均可实现无碎片全开启的要求，使其泄压面积最大，以保证在设定的最短时间内泄放掉超压的气体介质，保护压力系统的安全。然而实际上，能否使金属刻槽爆破片在爆破时均沿着预先刻制的减弱槽完全开裂成若干片，实现全开启状态的关键因素则是刻制减弱槽的加工方法。许多拱形金属刻槽爆破片，尤其是反拱形金属刻槽爆破片在爆破时不能实现完全开放，其主要原因是刻槽加工工艺不当所致。为了实现完全开启，对于反拱形金属刻槽爆破片，国外有人提出了一些较合理的加工工艺，最典型的是1975年由LoremnE.Wood等人申请的美国专利(专利号3921556)，它提供了一种反拱形金属刻槽爆破片的加工方法，包括以下几步：(1)将金属薄板切割成圆形膜片；(2)将圆形膜片放置在特定的拱膜夹具内用压力起拱；(3)对起拱的膜片进行退火以消除形变硬化；(4)用拱形模刀在金属膜片的拱形表面上刻槽；(5)将刻上槽的膜片放在特定拱模内第二次起拱，以拉伸已单面刻制的减弱槽为双面减弱槽；(6)第二次退火，消除内应力与形变硬化。用这种方法加工的爆破片，在失稳爆破时，一般都由膜片中心开始翻转，并能够在设定的爆破压力下，沿着双面减弱槽自动、准确地全部撕开成数片，以达到全部开启的目的。为防万一，该专利称若反拱刻槽爆破片翻转失稳后不沿减弱槽开裂而成为正拱形刻槽爆破片时，则正拱形的爆破压力不会大于反拱形的爆破压力的1.5倍。由此可见，上述工艺方法亦仍难保证完全开启。

此外，上述加工工艺存在下列不足之处：(1)不同口径或不同拱高的(即爆破压力值不同的)爆破片均需备有各自专一的拱膜与拱形刻槽模刀，故既繁杂，又不经济；(2)该专利的全部夹紧拱模，均无防抽边结构，当膜片材料较厚需要较大预拱压力时，由于膜片与模具间缺乏足够大的摩擦力，在预拱时经常发生抽边现象，导致膜片在预拱时变形不均匀，从而使得同批次的各爆破片爆破压力的偏差过大，以至失去可靠性；(3)没有提出实现全开启时，该种工艺能够保证的刻槽深度指标。

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种新的加工工艺方法，其基本构思是：去除拱形刻槽模刀和拱形预拱模，改用平面形状刻槽刀具有圆形或其他形状的金属平片上刻制单面槽，之后进行第一次无模预拱至某个拱高，经热处理以消除形变硬化，再进行第二次预拱，对于爆破压力的允许偏差较大者，仍采用无模流体压力预拱方法，而当反拱金属爆破片，其爆破压力的允许偏差较小，如±4％以内者，则需要用球形凹曲面模进行有模第二次预拱成型，以确保球形拱面的准确几何形状与统一的拱形高度，以使同批次爆破片的爆破压力可以控制在允许的较小偏差范围之内，最后对膜片再进行第二次退火处理，完全消除形变硬化与冷作残余应力，以保证爆破压力完全稳定，消除应变时效现象。这种方法既适用于制造正拱形金属刻槽爆破片，也适用于制造反拱形金属刻槽爆破片。

本发明方法的具体步骤是：①从薄板上剪切下圆形平片(或矩形或其他形状平片)，简称膜片；②把膜片放置于平板形模具的平面，再压上平直条形刀刃并施压，在膜片上压出由中心向四周呈辐射状的多条压槽；③把经过压槽后的膜片装入带有微型凸肩的夹持器的上页和下页之间，夹持器下页经过密封垫与缸体的法兰相连，膜片带压槽的面要朝向缸体；④再紧固螺检或使用压力机把夹持器的上页和下页与缸体的法兰把紧，对夹持器上页与下页施加压紧力，并由夹持器的上页上的微型凸肩将平膜片的周边部分的上表面压制出环形凹槽；⑤打开压力源的开关，让有压流体介质充入缸体的内部，使膜片预拱成某个高度的拱形膜片，因拉伸作用，在原膜片的下表面上的四条直形压槽处发生预缩现象，使得拱形膜片的凸面在相对位置上出现深度较浅的颈缩凹槽，初步形成双凹形减弱槽(此减弱槽在附图上的符号仍用“[10]”标注，下同)；⑥卸下拱形膜片，将其进行退火热处理；⑦热处理后，将拱形膜片再装入带有压力源的缸体的法兰上的夹持器上页与下页之间，重复④与⑤的动作，对拱形膜片进行第二次适度预拱，加深双凹形减弱槽的深度，并使其拱面高度接近或达到预定设计高度。对于正拱形的主要控制双凹形减弱槽的深度，以控制其爆破压力；对于反拱形的则主要控制拱形膜片的拱形高度与槽的深度两个参数，为确保全开，最终的拱面顶部压槽[10]处剩余厚度应确保其值小于原始厚度的50％。若经第二次预拱仍未达到上述要求，为防止过度预拱引起破裂，则应进行第二次退火处理；⑧第二次热处理后还可进行第三次适度预拱；达到设计要求后，⑨将其进行第三次退火处理，消除残余内应力与形变硬化。

这样，从薄板剪切下来的膜片，经过压槽、环形凹槽加工，然后，预拱成为具有双凹形减弱槽的拱形膜片，将此膜片经过退火、调正拱高或双凹形减弱槽的深度之后，即成为本发明的爆破片。

为消除预拱过程中的抽边现象，本发明在夹持器上页或下页的压紧面上，设计有微型凸肩，在爆破片边缘上设计有相应的环形凹槽。本发明所设计的爆破片基本结构是：由环形平面边缘部分，拱形曲面部分、环形过渡圆角曲面及在拱形曲面两侧面上加工形成的由拱顶部位向四个方向辐射的多条双凹形减弱槽和在环形平面边缘上的单面微型凹槽所组成。

本发明的爆破片加工过程的细节如下：

从薄板上剪切下膜片，其大小是根据要求而确定，其形状一般是圆形，也可以是其他形状。当膜片需要压槽时，首先将膜片放在一个直径不小于膜片直径大小的平板模具的平面上，然后将平面刀具的平直条形刀刃放在与膜片轧制方向成45°±5°角的线上，刀刃上的缺口正好对准膜片中心，再对刀具施加压力P，使平面刀具的刀刃在膜片上压入(刻槽加工)要求的深度，然后抬起平面刃具使刀刃转动90°后，再对膜片施加相同数值的压力，结果就完成了在膜片的一个表面上加工出中心部位断开，并向四周辐射的压槽。当然，由于刀具与膜片之间的相对位置转角变化，可以根据需要加工出不同数目的压槽。经检查合格，即制成了带有压槽的膜片，还可以采用十字形或其他放射状的多条等高刀刃如上述方法那样在膜片上一次压槽成形。

膜片上凹槽的加工过程是在预拱前由带有环状微型凸肩的夹持器通过螺栓和螺母与缸体上法兰的施压完成的。将带压槽的膜片装入带有环状微型凸肩的夹持器上页与不带微型凸肩的下页之间，应注意的是，膜片不带压槽的面，与带微形凸肩的夹持器的上页相对，然后，再放在与缸体的法兰上面的密封垫上，带压槽的面朝向缸体，对准中心，此时，膜片的边缘(即爆破片平坦的环形凸缘部分)正好与夹持器上的环状微型凸肩对中，然后，再紧固螺栓或用压力机施加压力，对膜片的边缘施加压紧力，以致使膜片在与环状微型凸肩接触处产生大量塑性变形而被压成一个环形凹槽。这样，在膜片上加工出的压槽与凹槽正好是处在膜片的上下不同表面上。

预拱，是在上述膜片加工凹槽后，紧接着打开缸体的阀门，有压流体介质进入缸体，使膜片变形成球拱状。预拱步骤具体是：将带有凹槽的膜片装入带有环状微型凸肩的夹持器上页与不带微型凸肩的夹持器下页之间，并使环状微型凸肩正好嵌合在环状凹槽内，然后把夹持器放在缸体的法兰上面的密封垫上，并使带有压槽的面对向缸体。通过螺栓与螺母把紧夹持器的上页、下页和法兰，检查无误后，打开缸体的流体阀门，使有压流体介质通过缸体的内部，在这种压力下预拱，通过缸体上面的仪器控制膜片上的压槽的深度(正拱形)和拱的高度(反拱形)，这就是第一次预拱。对于正拱形或反拱形爆破片的其他加工方法都是一样的。

一般预拱可一次完成，如果，第一次预拱不能满足要求时，应经第二次乃至第三次预拱处理，直到合格为止，但每次预拱后，都必须进行软化退火，方可再进行第二次或第三次预拱，其方法仍再重复上述第一次预拱过程。

应当说明的是，在预拱过程中，由于介质的压力和夹持器的夹紧作用，使带有压槽的膜片末被夹持器夹持的部分产生塑性变形，因而沿流体作用力的方向预拱，但由于有压槽的部分较其他部分更薄，所以，优先在压槽处产生塑性变形，以致该处由于预缩现象的产生而使与压槽相对的另一个表面上的对应位置也产生收缩，使膜片被加工成在其两个表面都带有压槽(即成为双凹形减弱槽的拱形膜片)，此时即成为本发明的爆破片。同时，在预拱过程中，压槽各处变形量也不相同，靠近拱顶部分变形大于其他部分。结果使靠近拱顶部分的压槽深度比其他部分深度要大，导致了压槽的深度从拱顶到拱边逐渐减小。这就保证了爆破片[1]在爆破时从中心优先开启的可能性。同时由于平面刀具的刀刃中心有缺口，这就保证了加工后的压槽在拱的中心处是不连续的。

爆破片一般是用塑性金属材料制作，在每次预拱之后，必须进行消除应力退火。其中不锈钢的退火工艺是，入炉后升温至850℃保温10分钟，再加热至1050℃～1090℃保温时间为每毫米厚度不超过3分钟，然后急冷至室温。

本发明全开无碎片拱形带槽金属爆破片制造方法的主要优点是，它不仅省去了加工难度大的曲面刀具，而且也省去了预拱用的凹面模具，与已有技术相比，本发明工艺可节省成本50％，同时，正拱形爆破片的加工方法与反拱形爆破片的加工方法都是一样的，采用这种方法制造的爆破片与本发明提出的夹持器，共同使用，不会发生爆破片的抽边现象。

下面结合附图进一步说明本发明的具体细节：

图1是本发明正拱形全开无碎片带槽金属爆破片装置结构示意图。爆破片[1]被夹持器的上页[2]和下页[4]通过螺栓[5]和螺母所夹持，夹持器上页[2]与爆破片[1]相接触的接触面[8]上，设计有环状微型凸肩[3]，嵌合在爆破片[1]环形凸缘上的凹槽[6]里，而夹持器的下页[4]与爆破片相接触的面[7]则是一个无特征的光滑平面。在上页[2]接触面[8]与上页[2]内孔表面[9]相交处设计有圆角曲面[28]，在起拱部分上加工形成的多条双凹形减弱槽[10]，箭头所指方向为流体介质压力方向。

图2是本发明所设计爆破片[1]的剖面结构示意图。它的外边是环形平面边缘[12]部分，中间部分是拱形曲面[11]部分，在环形平面边缘[12]部分上加工有环形凹槽[6]，在拱形曲面[11]部分的两个面上，由加工形成多条双凹形减弱槽[10]，在平面边缘[12]部分与拱形曲面[11]部分之间的是一圆弧形过渡的圆角曲面[28]组成。

图3是图2的俯视示意图。环形的凹槽[6]加工在平面边缘[12]部分上面，而在拱形曲面[11]部分上由加工形成的多条双凹形减弱槽[10]，它由中心部位呈辐射状向四周放射，而在中心处是没有压槽的。

图4是本发明爆破片加工用的平面刀具断面结构示意图。条形刀刃[13]嵌装在槽形刚体[14]上，刀具的两个刃面成90°角。箭头表示刀具施力方向。

图5是图4条形刀刃[13]的立体示意图。刀刃是一条直线，在刀刃的中间开有缺口[15]，两刃面的夹角为90°。

图6是本发明爆破片加工用的平板模具的断面结构示意图。它是一个圆形的平面[16]，其凸出部分被装配在刚性的框体[17]的圆孔内，圆形平面[16]的工作面直径的大小，一般应大于爆破片的拱形曲面部分投影直径。

图7是本发明工艺方法在膜片[18]上加工压槽过程示意图。把要加工压槽的膜片[18]，放在由平直条形刀刃[13]及槽形刚体[14]所组成的平面刀具和由圆形平面[16]及刚性框体[17]所组成的平板模具之间，对刀具施加外力p，即可在膜片[18]上加工出压槽。

图8是本发明工艺方法，在膜片[18]上加工凹槽[6]及预拱爆破片装置示意图。将已加工出压槽的膜片，放在带有微型凸肩[3]夹持器的上页[2]与下页[4]之间，其有压槽的一面朝向缸体[19]，而背向有凸肩[3]的夹持器上页[2]，然后放在缸体[19]的法兰[22]上面的密封垫[23]上，再用螺栓[5]螺母紧固，并借助于设在夹持器上页[2]的微型凸肩[3]，便将膜片压出凹槽[6]，这一过程完后，再打开油泵[21](或气泵)的阀门[25]，使试验流体介质进入缸体[19]内部[20]，由于压力使膜片预拱，根据仪器[24]指示的预拱高度(这是反拱形，如果是正拱形则控制其压槽深度)可停机，此时膜片便加工成具有一定拱形高度(或压槽深度)带有环形凹槽[6]和双凹形减弱槽[10]的爆破片[1]了，预拱之后按前述的退火工艺进行退火处理。

本发明的具体实施例如下：实施例1：

储气罐上用的全开无碎片反拱形带槽金属爆破片的制造。

工作压力为1.0MPa，泄放口内径为φ100mm，采用厚度为0.5mm的不锈钢板材，加工成拱高为20mm，压槽处的剩余厚度为0.2mm的全开无碎片反拱形带槽金属爆破片。

首先从薄钢板上取φ120mm的膜片[18]，将其放在平板模具的圆形平面[16]上，再将平面刀具的平直条形刀刃[13]的缺口[15]对准膜片[18]的中心，通过施压，加工出四条向四周放射的压槽[10]。然后，将此带有压槽[10]的膜片[18]装入带有微型凸肩[3]的夹持器上页[2]和不带微型凸肩[3]的夹持器下页[4]之间，并使膜片[18]有压槽[10]面的背面与夹持器上页[2]相对，再把该夹持器连同膜片[18]一起放在缸体[19]的法兰[22]的密封垫[23]上，并使带压槽[10]的面朝向缸体[19]，对准中心，用螺栓[5]与螺母施加压力，最后，在膜片[18]的边缘加工出凹槽[6]。之后，向缸体[19]内部[20]通入气体，在气压的作用下进行第一次预拱，卸下预拱的膜片[18]，进行软化退火，工艺为850℃，保温10分钟，再加热到1050℃保温1.5分钟急冷至室温。再按前述在第一次预拱的设备上，进行第二次预拱。通过仪器[24]不断测出拱的高度，最后，测出拱高达到20mm，即预拱完毕，取下，按上述软化退火工艺退火后，即成为成品待用。

实施例2：

反应釜全开无碎片正拱形带槽金属爆破片的加工，要求材料为不锈钢，泄放口内径为300mm，爆破压力为0.7MPa，钢板的厚度为0.2mm，压槽深为0.05mm，压槽[10]处的剩余厚度为0.15mm，凹槽[6]深为0.1mm。

先自钢板上取φ330mm的膜片[18]，然后，按实施例1的加工工艺程序和设备(在此略)，加工出压槽[10]，再加工出凹槽[6]，第一次预拱，软化退火后，进行二次预拱，通过仪器[24]不断测定其压槽[10]处产生深度的变化，当测出深度为0.05mm时，停机，取下爆破片。按实施例1的软化退火工艺进行退火后，即为成品待用。

Claims (3)

1.全开无碎片拱形带槽金属爆破片的制造方法，该爆破片[1]以从金属薄板上剪取的膜片[18]为坯件，其特征在于：

a.把膜片[18]放置在平板模具的平面[16]上，通过对平面刀具的平直条形刀刃[13]施压，在膜片[18]上压出由中心向四周呈辐射状的多条压槽[10]；

b.把经过压槽后的膜片[18]装入带有微型凸肩[3]的夹持器上页[2]和不带微型凸肩[3]的夹持器下页[4]之间，并使膜片[18]不带压槽的面与带有微型凸肩[3]的夹持器上页[2]相对，再把该夹持器连同有压槽[10]的膜片一起放在缸体[19]的法兰[22]的密封垫[23]上，并使带压槽[10]的面朝向缸体[19]，再紧固螺栓[5]或使用压力机，借助夹持器上的微型凸肩[3]在膜片上加工出凹槽[6]；

c.向缸体[19]内部[20]通入流体介质，在流体压力作用下进行第一次预拱；

d.预拱后的膜片进行第一次退火处理，形成爆破片[1]；

e.第一次退火后的爆破片[1]在作第一次预拱的装置上进行第二次预拱；

f.经过第二次预拱的爆破片[1]，进行第二次消除内应力退火。

2.根据权利要求1所述的全开无碎片拱形带槽金属爆破片的制造方法，其特征在于，当拱形金属爆破片反用且其爆破压力的允许偏差在±4％之内时，需要用球形凹曲面模进行第二次预拱成形，使压槽[10]最终厚度小于原始厚度的50％。

3.根据权利要求1所述的全开无碎片拱形带槽金属爆破片的制造方法，其特征在于，压槽[10]加工用的平面刀具的刀刃[13]是中间带有缺口[15]的直线形，两刃面夹角为90°。

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