CN104475495A - 一种直径大于1米筒体的校形方法 - Google Patents

Abstract

一种直径大于1米筒体的校形方法，通过确定筒体校形时的加热温度T和筒体的直径胀大量，并控制筒体内表面与校形芯模之间间隙，利用胀形芯模的材料膨胀系数比筒体材料的膨胀系数大，在加热后的冷却过程中由于胀形芯模厚度和体积远大于筒体，因此筒体的降温速率大于胀形芯模，在冷却过程中，筒体产生冷缩产生变形，而筒体的变形由于受到胀形芯模的限制，达到控制变形和校正作用。

Description

一种直径大于1米筒体的校形方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种直径大于1米的筒体的校形方法。

技术背景

大型筒体类零件成形方法主要有钣金卷焊成形法和旋压成形法。其中钣金卷焊成形法的成形精度无论是尺寸精度还是形状精度都较差，一般应用在低压容器厚板或对成形精度要求不高的产品上；旋压成形法比钣金卷焊成形法的成形精度高，一般被广泛应用在航天固体火箭发动机金属壳体的制造及军工产品的生产。在航天固体火箭发动机金属壳体及军工产品中，都采用高强度钢旋压或卷焊筒体组焊而成，产品的结构特点是：壁薄、强度高、尺寸精度和形状精度要求严。由于传统的筒体成形方法成形精度差，在壳体组焊中，会产生较大的错边量影响壳体的强度，一般采取的工艺措施是选配，即选用尺寸相同或接近的筒体来组焊以减少错边量。而随着现代航天产品更精更高的要求，对产品的制造精度要求不断提高，因此现有的技术已不能满足产品的最终质量要求。传统的筒体校形方法主要是采用三轴或多轴卷板机等设备进行冷校形，但该方法精度差，难以满足产品高精度要求。专利《薄壁筒体直径及形状精度控制方法及其专用工具》(申请号201210246565.9)提供了一种通过专用热胀形芯模对薄壁筒体进行适量塑性拉伸的定量热胀形方法，其主要特征是：先将定位安装在专用吊具底座上的薄壁筒体吊装到井式炉中预热，打开井式炉门，将专用热胀形芯模吊装放置到薄壁筒体的内孔中，然后关闭井式炉门，将专用热胀形芯模、薄壁筒体和专用吊具一起加热到设定温度保温后，打开井式炉门，将专用热胀形芯模、薄壁筒体和专用吊具一起吊出井式炉，空冷至室温后吊出专用热胀形芯模。该方法存在的主要问题是操作不便、成本高。特别是将专用热胀形芯模吊装放置到已预热的薄壁筒体的内孔中，观察和调整困难，只适合于长度较短的直径为0.8m的小直径筒体；对于长度较长的大直径筒体，由于筒体尺寸大、刚性差，大型校形工装重量大、难调整，易于碰伤筒体甚至导致产品报废。

发明内容

为克服现有技术中存在的不适于直径大于1米的筒体校形的不足，本发明提出了一种直径大于1米筒体的校形方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定筒体校形时的加热温度T。所述筒体胀大量根据公式(1)确定：

△d＝αTd         (1)

公式(1)中，α为材料的线膨胀系数，d是筒体的内径。

考虑筒体冷却后的回弹量，热校形时的加热温度T应按公式(2)确定，

T＝(d₁-D)/(Dα-d₁α₁)+T₀+△T         (2)

其中d₁为校形后筒体的内径，α₁为在校形加热温度时筒体的线膨胀系数；D为校形芯模的外径，α为在校形加热温度时校形芯模的线膨胀系数；T₀为环境温度，为5～30℃；△T为温度修正量，所述修正量为±50℃。

得到加热温度T＝500～950℃。

所述芯模的线膨胀系数比筒体的线膨胀系数大5～7×10^-6/℃。所述校形芯模的壁厚为30～60mm；校形芯模采用不锈钢或耐热不锈钢制成，常温线膨胀系数为15×10^-6～17×10^-6/℃。

所述筒体采用碳钢或合金钢制成，常温线膨胀系数为10×10^-6～12×10^-6/℃。

步骤2，确定筒体的直径胀大量。当筒体在井式炉内加热至温度T时，筒体胀大量通过公式(3)确定，

△d＝α₁×d₀×(T－T₀)        (3)

其中d₀为校形前筒体的内径。

步骤3，筒体与校形芯模配合。将待校形的筒体套装在校形芯模的外表面上，使筒体与芯模同轴。筒体内表面与校形芯模之间间隙配合，使筒体内径比表面与校形芯模外表面之间有4～20mm的间隙。

步骤4，装炉校形。将井式炉预热至200℃。将装配好的校形芯模与筒体整体吊装入井式炉内，继续对所述井式炉加热至加热温度T后，保温60～240min,利用校形芯模对筒体进行校形。所述加热温度T为500～950℃。保温结束后，出炉冷却。将校形芯模和筒体整体吊出井式炉后水平放置，空冷至室温后，将校形后的筒体从校形芯模上卸出，得到校形后的筒体。

步骤5，筒体检测。对校形后的筒体采用常规方法进行检测，检测内容包括筒体的外圆平均直径、壁厚、圆跳动和直线度。若筒体检测结果满足设计要求，则校形结束；若筒体检测结果不满足设计要求，则继续步骤6。

检测时沿筒体轴向选取截面测量；所选取测量截面的间距为100～150mm。测量筒体的圆跳动和平均外径，沿周向均布4～16条母线测筒体的直线度。

步骤6，重复校形。对校形后筒体的外圆平均直径、圆跳动和直线度检测不满足设计要求的筒体重复校形。在重复校形时，调整加热温度T，将加热温度T在步骤4的基础上增加10℃。重复步骤4～步骤5，直至该筒体的检测结果满足设计要求。

本发明是在卷焊成形或旋压成形的基础上采用成形芯模经热处理后来形成筒体的最终尺寸和形状，即把卷焊或旋压的筒体尺寸比要求的筒体尺寸小1～5mm，而最终的尺寸是由成形芯模和热处理参数决定。其原理是：卷焊或旋压的筒体套装在成形芯模上，经过加热来把筒体尺寸胀大和胀圆来形成筒体的最终尺寸和形状。这里，成形芯模制造所选的材料线胀系数要比筒体材料的线胀系数大，一般采用不锈钢或耐热不锈钢，它的尺寸按照需成形筒体的尺寸来计算确定；热处理的加热温度和工艺参数由最终尺寸的和需胀大量来确定，一般控制在650℃～950℃以内。

在本发明中，需成形的筒体材料为各种碳钢和各种合金钢，常温下，一般的线膨胀系数在10×10^-6～12×10^-6/℃，而成形模具的材料采用不锈钢和耐热不锈钢，它的线膨胀系数在15×10^-6～17×10^-6/℃，在加热过程中，两者的线膨胀系数随着温度的增加而增大，但两者之间线膨胀系数的差值变化不大，基本上在5×10^-6～7×10^-6/℃以内，具体可通过试验来确定。以直径1000mm计算，其筒体胀大量△d＝αTd＝﹙5×10^-6～7×10^-6﹚×﹙650～950﹚×1000＝3.25～6.65mm。当成形过程中，温度误差1℃^。度时，尺寸误差为0.005～0.007mm，一般热处理温度误差为±10，则尺寸误差为0.05～0.07mm，这比传统成形方法精度提高了20～100倍。上述计算的值未考虑筒体冷却后的回弹量，即得到筒体的实际尺寸要小于计算值，具体回弹量按照筒体的尺寸试验确定，并通过工艺参数进行修正。

本发明能够成形各种各种低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢和高合金钢材质的高精度筒体产品，适用于航空、航天和压力容器铸造领域。本发明主要是利用了胀形芯模的材料膨胀系数比筒体材料的膨胀系数大，在加热后的冷却过程中由于胀形芯模厚度和体积远大于筒体，因此筒体的降温速率大于胀形芯模，在冷却过程中，筒体产生冷缩产生变形，而筒体的变形由于受到胀形芯模的限制，达到控制变形和校正作用。

附图说明

图1是本发明中筒体热胀形的结构示意图。图中：

1.筒体；2.成形芯模。

具体实施方式

本实施例是一种提高大型筒形工件精度成形方法，所成形工件的材质为各种碳钢和各种合金钢，筒体的外径为φ1000～φ3000mm，壁厚为3～15mm。胀形芯模的材质采用不锈钢和耐热不锈钢，要求其线膨胀系数必须大于筒体材质线膨胀系数。该方法所用的设备采用大型的立式热处理炉或退火炉，要求其内径比筒体的外径大1000mm以上。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定筒体校形时的加热温度T。所述筒体胀大量根据公式(1)确定：

△d＝αTd          (1)

公式(1)中，α为材料的线膨胀系数，d是筒体的内径。

本实施例中，△d＝5×10^-6～7×10^-6×650～950×1000＝3.25～6.65mm。

本实施例的成形过程中，当加热温度T每变化1℃时，筒体直径的变化为0.005～0.007mm。当热处理炉的温度误差为±10℃，则筒体直径的误差为0.05～0.07mm。与传统成形方法比较，本实施例的成形过程中的精度提高了20～100倍。

所述得到的筒体胀大量△d未考虑筒体冷却后的回弹量。为了有效地控制筒体的校形精度，热校形时的加热温度T应按公式(2)确定，

T＝(d₁-D)/(Dα-d₁α₁)+T₀+△T      (2)

其中d₁为校形后筒体的内径，α₁为在校形加热温度时筒体的线膨胀系数；D为校形芯模的外径，α为在校形加热温度时校形芯模的线膨胀系数；T₀为环境温度，为5～30℃；△T为温度修正量，所述修正量为±50℃。

得到加热温度T＝500～950℃

本实施例中，校形后筒体的内径d₁＝1000mm，校形芯模的外径D＝995mm；在校形加热温度时，筒体的线膨胀系数α₁＝14.6×10^-6/℃，校形芯模的线膨胀系数α＝6.4×10^-6/℃；环境温度T₀＝20℃。通过公式(2)得到T＝650℃。

步骤2，确定筒体的直径胀大量。当筒体在井式炉内加热至温度T时，筒体胀大量通过公式(3)确定，

△d＝α₁·d₀·(T－T₀)       (3)

其中d₀为校形前筒体的内径。

本实施例中，校形前筒体的内径d₀＝998mm，筒体的线膨胀系数α₁＝14.6×10^-6/℃，加热温度T＝650℃；环境温度T₀＝20℃。通过公式(3)得到△d＝9.17mm。

步骤3，筒体与校形芯模配合。将待校形的筒体套装在校形芯模的外表面上，使筒体与芯模同轴。筒体内表面与校形芯模之间间隙配合，使筒体内径比表面与校形芯模外表面之间有4～20mm的间隙。

所述校形芯模为筒体状，该校形芯模的外径与待校形筒体的内径相同。在所述校形芯模的下端有法兰，该法兰的上端面形成了工件筒体的安放面。在所述校形芯模上端有吊装用的吊环。所述校形芯模的壁厚为30～60mm，校形芯模采用不锈钢或耐热不锈钢制成，常温线膨胀系数为15×10^-6～17×10^-6/℃。筒体采用各种碳钢或各种合金钢制成，常温线膨胀系数为10×10^-6～12×10^-6/℃。芯模的线膨胀系数比筒体的线膨胀系数大5×10^-6～7×10^-6/℃。

步骤4，装炉校形。将井式炉预热至200℃。将装配好的校形芯模与筒体整体吊装入井式炉内，继续对所述井式炉加热至加热温度T后，保温60～240min,利用校形芯模对筒体进行校形。所述加热温度T为500～950℃。保温结束后，出炉冷却。将校形芯模和筒体整体吊出井式炉后水平放置，空冷至室温后，将校形后的筒体从校形芯模上卸出，得到校形后的筒体。本实施例中，加热温度T为650℃，保温时间为120min。

步骤5，筒体检测。对校形后的筒体采用常规方法进行检测，检测内容包括筒体的外圆平均直径、壁厚、圆跳动和直线度。检测时沿筒体轴向选取截面测量；所选取测量截面的间距为100～150mm。

测量筒体的圆跳动和平均外径，沿周向均布4～16条母线测筒体的直线度。若筒体检测结果满足设计要求，则校形结束；若筒体检测结果不满足设计要求，则继续步骤6。

步骤6，重复校形。对校形后筒体的外圆平均直径、圆跳动和直线度检测不满足设计要求的筒体重复校形。在重复校形时，调整加热温度T，将加热温度T在步骤4的基础上增加10℃，本实施例中，所述加热温度T为660℃。重复步骤4～步骤5，直至该筒体的检测结果满足设计要求。

Claims (4)

1.一种直径大于1米筒体的校形方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，确定筒体校形时的加热温度T；所述筒体胀大量根据公式(1)确定：

△d＝αTd    (1)

公式(1)中，α为材料的线膨胀系数，d是筒体的内径；

考虑筒体冷却后的回弹量，热校形时的加热温度T应按公式(2)确定，

T＝(d₁-D)/(Dα-d₁α₁)+T₀+△T    (2)

其中d₁为校形后筒体的内径，α₁为在校形加热温度时筒体的线膨胀系数；D为校形芯模的外径，α为在校形加热温度时校形芯模的线膨胀系数；T₀为环境温度，为5～30℃；△T为温度修正量，所述修正量为±50℃；

所述芯模的线膨胀系数比筒体的线膨胀系数大(5～7)×10^-6/℃；

得到加热温度T＝500～950℃

步骤2，确定筒体的直径胀大量；当筒体在井式炉内加热至温度T时，筒体胀大量通过公式(3)确定，

△d＝α₁×d₀×(T－T₀)    (3)

其中d₀为校形前筒体的内径；

步骤3，筒体与校形芯模配合；将待校形的筒体套装在校形芯模的外表面上，使筒体与芯模同轴；筒体内表面与校形芯模之间间隙配合，使筒体内径比表面与校形芯模外表面之间有4～20mm的间隙；

步骤4，装炉校形；将井式炉预热至200℃；将装配好的校形芯模与筒体整体吊装入井式炉内，继续对所述井式炉加热至加热温度T后，保温60～240min,利用校形芯模对筒体进行校形；所述加热温度T为500～950℃；保温结束后，出炉冷却；将校形芯模和筒体整体吊出井式炉后水平放置，空冷至室温后，将校形后的筒体从校形芯模上卸出，得到校形后的筒体；

步骤5，筒体检测；对校形后的筒体采用常规方法进行检测，检测内容包括筒体的外圆平均直径、壁厚、圆跳动和直线度；若筒体检测结果满足设计要求，则校形结束；若筒体检测结果不满足设计要求，则继续步骤6；

步骤6，重复校形；对校形后筒体的外圆平均直径、圆跳动和直线度检测不满足设计要求的筒体重复校形；在重复校形时，调整加热温度T，将加热温度T在步骤4的基础上增加10℃；重复步骤4～步骤5，直至该筒体的检测结果满足设计要求。

2.如权利要求1所述一种直径大于1米筒体的校形方法，其特征在于，所述校形芯模的壁厚为30～60mm；校形芯模采用不锈钢或耐热不锈钢制成，常温线膨胀系数为15×10^-6～17×10^-6/℃。

3.如权利要求1所述一种直径大于1米筒体的校形方法，其特征在于，筒体采用碳钢或合金钢制成，常温线膨胀系数为10×10^-6～12×10^-6/℃。

4.如权利要求1所述一种直径大于1米筒体的校形方法，其特征在于，检测时沿筒体轴向选取截面测量；所选取测量截面的间距为100～150mm；测量筒体的圆跳动和平均外径，沿周向均布4～16条母线测筒体的直线度。