CN104588562B - 核电水室整体顶盖的塑性成形工艺及其所用智能锻造压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电水室整体顶盖的塑性成形工艺及其所用智能锻造压机，其工艺步骤依次为：三维建模对模型进行模拟、使用大型LCD近净成形获得坯料、顶部弧面智能塑性成形和圆柱侧面环形智能塑性成形，智能锻造压机的垂直机架固定于地面，其上的主工作缸带动活动横梁纵向滑动，旋转工作台能绕竖直的轴转动定位于活动横梁的移动工作台上，垂直机架上的支撑缸带动水平机架纵向运动，水平机架上水平工作缸与沿水平方向能够伸缩的智能辅助压头对应，智能主压头纵向能伸缩固定定位于垂直机架上，传感系统用于感应到锻件温度、压头压力和锻件金属流动信息，本发明获得的水室整体顶盖精度高、节省材料、加工周期短、锻造柔性高、加工成本低。

Description

核电水室整体顶盖的塑性成形工艺及其所用智能锻造压机

技术领域

本发明涉及一种核电用封头、三通、阀体、法兰，或其他高端重型装备用的封头、三通、阀体、法兰的塑性锻造成形工艺及其快速成型装备，特别涉及一种核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺及其所用智能锻造压机。

背景技术

现如今，全球核电工业已进入了一个高速发展时期，为了改善能源结构，各工业发达国家和发展中国家都在积极致力于核电的发展。目前的核电产业已经发展到第三代核电技术，即采用AP1000核能电站。该核电站的装备中，其关键部件(包括压力容器、蒸汽发生器等)全部采用锻件制造。传统自由锻核电锻造工艺，由于锻造精度低，形成很大加工余量；成形能力差，大量的结构无法成形，需靠“敷料”来简化锻件，因而增加了锻件重量；更为重要的是，为保正“锻透”，保证各种自由锻工艺规范的执行，必件采用数倍于锻件重量的钢锭，材料浪费十分严重。这些关键部件不仅尺寸巨大，而且外形也较为复杂，因此这种大型锻件的制造是核电站制造中的一大难题。蒸汽发生器中的水室整体顶盖(如图1所示)，由于其尺寸巨大，外形复杂，品质要求高，现有技术制造周期长，加工成本高，效率低下。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺及其所用智能锻造压机，该核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺及其所用智能锻造压机锻造精度高、节省材料、无需专用模具、锻造柔性高、加工成本低。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺，具体步骤如下：

步骤一：对锻件进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟，得到智能锻造前后锻件的几何尺寸值；

步骤二：使用大型激光熔覆沉积LCD(激光熔覆沉积)近净成形，得到步骤一所模拟的智能锻造前的锻件尺寸外形；

步骤三：顶部弧面智能塑性锻造成形：将激光熔覆沉积LCD成形的坯料定位在支撑装置上，智能锻造压机启动，主工作缸垂直向上运动推动坯料与智能锻造压机智能主压头接触挤压，智能主压头挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖顶部弧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、智能主压头和智能辅助压头挤压力大小和坯料金属流动位移数据给智能锻造压机的控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位；

步骤四：圆柱侧面环形智能塑性锻造成形：水室整体顶盖顶部弧面塑性锻造成形完成以后，主工作缸继续垂直向上运动一定距离，从而推动智能锻造压机的活动横梁、移动工作台、旋转工作台、模具和坯料一起垂直向上运动，与此同时智能主压头与主工作缸同步向上运动(保证已经完成的水室整体顶盖顶部弧面的尺寸不变)，主工作缸运动到位的同时，四个水平机架的支撑液压缸向下运动一定距离，使水平工作缸到达加工位置，智能辅助压头伸出顶住水室整体顶盖圆柱面侧面的内表面，水平工作缸顶杆向前运动推动坯料与智能锻造压机智能辅助压头接触挤压，智能辅助压头和水平工作缸顶杆上的模具挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖圆柱侧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、智能主压头和智能辅助压头挤压力大小和坯料金属流动位移数据给控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位。

作为发明的进一步改进，在步骤三和步骤四中在挤压坯料进行塑性锻造成形的同时对接触部位局部加热。

一种智能锻造压机，包括垂直机架、水平机架、活动横梁、移动工作台、旋转工作台、主工作缸、水平工作缸、支撑液压缸、智能主压头、智能辅助压头、传感系统和控制系统，所述垂直机架固定安装于地面，主工作缸的缸体固定安装于垂直机架下端梁上，其活塞杆能够纵向伸缩，活动横梁能够沿纵向滑动设于垂直机架内，活动横梁与主工作缸的活塞杆相连接，移动工作台固定安装于活动横梁上，旋转工作台能够绕竖直的轴转动定位于移动工作台上，水平机架纵向能够滑动套设于垂直机架上，支撑液压缸的缸体与垂直机架固连，支撑液压缸的活塞杆与水平机架固连，至少一个水平工作缸固定安装于水平机架上，智能主压头纵向能够伸缩固定定位于垂直机架上，至少一个智能辅助压头沿水平方向能够伸缩固定定位垂直机架上，且各个智能辅助压头恰能够与水平机架上各个水平工作缸的活塞杆一一对应，各个传感系统分别安装于智能主压头和智能辅助压头上并能感应到坯料温度、压头对坯料的压力和坯料金属流动位移数据并传信于控制系统，控制系统控制旋转工作台、主工作缸、水平工作缸、支撑液压缸、智能主压头和智能辅助压头动作。

作为发明的进一步改进，还设有上砧子固定板和上砧子，所述上砧子固定板固定安装于垂直机架上端梁上，上砧子能够沿水平方向滑动安装于上砧子固定板上，智能主压头和智能辅助压头分别固定安装于上砧子上。

作为发明的进一步改进，所述水平工作缸的活塞杆端部固定安装有水平砧子。

作为发明的进一步改进，所述水平工作缸的数量为4个，均匀分布于水平机架上，且各个水平工作缸活塞杆能够与各个智能辅助压头联动保持一一同轴正对的位置状态。

作为发明的进一步改进，所述智能主压头挤压面与锻件顶部弧面一致，且棱边分别形成有楔入角。

作为发明的进一步改进，所述垂直机架水平机架均为预应力钢丝缠绕机架。

作为发明的进一步改进，所述旋转工作台由步进系统带动作步进旋转。

作为发明的进一步改进，所述旋转工作台上还设有用于定位锻件的支撑装置。

本发明的有益技术效果是：本发明采用大型激光熔覆沉积LCD工艺和智能锻造压机创造性的结合，使锻件锻透，坯料的变形均匀，能够将水室整体顶盖锻件从头到尾获得整体压实，使水室整体顶盖锻件晶粒细匀，组织不偏析，性能稳定，满足核电容器的各项技术指标，从而得到锻造精度高、节省材料、加工周期短、锻造柔性高、加工成本低的水室整体顶盖，它摒弃了模锻以型腔控制和保证锻件的结构和精度的传统方法，在大型激光熔覆沉积LCD近净成形的基础上，通过智能锻造压机改变施力特征，从而控制金属的流向，完成锻造成形。

附图说明

图1为本发明所锻造的水室整体顶盖立体图；

图2为本发明的智能锻造压机主视图；

图3为本发明智能锻造压机俯视图。

具体实施方式

实施例：一种核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺，具体步骤如下：

步骤一：对锻件进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟，得到智能锻造前后锻件的几何尺寸值；

步骤二：使用大型激光熔覆沉积LCD近净成形，得到步骤一所模拟的智能锻造前的锻件尺寸外形；

步骤三：顶部弧面智能塑性锻造成形：将激光熔覆沉积LCD成形的坯料定位在支撑装置上，智能锻造压机启动，主工作缸垂直向上运动推动坯料与智能锻造压机智能主压头3接触挤压，智能主压头3挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台5带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖顶部弧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、智能主压头和智能辅助压头挤压力大小和坯料金属流动位移数据给智能锻造压机的控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台5的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位；

步骤四：圆柱侧面环形智能塑性锻造成形：水室整体顶盖顶部弧面塑性锻造成形完成以后，主工作缸继续垂直向上运动一定距离，从而推动智能锻造压机的活动横梁14、移动工作台13、旋转工作台5、模具和坯料一起垂直向上运动，与此同时智能主压头与主工作缸同步向上运动(保证已经完成的水室整体顶盖顶部弧面的尺寸不变)，主工作缸运动到位的同时，四个水平机架6的支撑液压缸向下运动一定距离，使水平工作缸到达加工位置，智能辅助压头4伸出顶住水室整体顶盖圆柱面侧面的内表面，水平工作缸顶杆向前运动推动坯料与智能锻造压机智能辅助压头4接触挤，智能辅助压头4和水平工作缸顶杆上的模具挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台5带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖圆柱侧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、压头挤压力大小和坯料金属流动位移数据给控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台5的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位。

通过将大型激光熔覆沉积LCD工艺和智能锻造压机相结合，先通过激光熔覆沉积LCD工艺制造高精度的坯料，然后采用智能锻造压机对坯料进行智能锻压成型，坯料的变形均匀，能够将水室整体顶盖锻件从头到尾获得整体压实，使水室整体顶盖锻件晶粒细匀，组织不偏析，性能稳定，满足核电容器的各项技术指标，从而得到锻造精度高、节省材料、加工周期短、锻造柔性高、加工成本低的水室整体顶盖，它摒弃了模锻以型腔控制和保证锻件的结构和精度的传统方法，在大型激光熔覆沉积LCD近净成形的基础上，通过智能锻造压机改变施力特征，从而控制金属的流向，完成锻造成形。

在步骤三和步骤四中在挤压坯料进行塑性锻造成形的同时对接触部位局部加热，通过局部加热即可实现锻件锻压成型，节省能源，成型效率高。

一种应用于核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺中的智能锻造压机，包括垂直机架1、水平机架6、活动横梁14、移动工作台13、旋转工作台5、主工作缸2、水平工作缸7、支撑液压缸8、智能主压头3、智能辅助压头4、传感系统和控制系统，所述垂直机架1固定安装于地面，主工作缸2的缸体固定安装于垂直机架1下端梁上，其活塞杆能够纵向伸缩，活动横梁14能够沿纵向滑动设于垂直机架1内，活动横梁14与主工作缸2的活塞杆相连接，移动工作台13固定安装于活动横梁14上，旋转工作台5能够绕竖直的轴转动定位于移动工作台13上，水平机架6纵向能够滑动套设于垂直机架上，支撑液压缸8的缸体与垂直机架1固连，支撑液压缸8的活塞杆与水平机架6固连，至少一个水平工作缸7固定安装于水平机架6上，智能主压头3纵向能够伸缩固定定位于垂直机架1上，至少一个智能辅助压头4沿水平方向能够伸缩固定定位垂直机架1上，且各个智能辅助压头4恰能够与水平机架6上各个水平工作缸7的活塞杆一一对应，各个传感系统分别安装于智能主压头3和智能辅助压头4上并能感应到坯料温度、压头对坯料的压力和坯料金属流动位移数据并传信于控制系统，控制系统控制旋转工作台5、主工作缸2、水平工作缸7、支撑液压缸8、智能主压头3和智能辅助压头4动作，水平机架6通过支撑液压缸8与垂直机架1连接，通过支撑液压缸8实现上下移动或停止于某一位置，其始终与智能辅助压头位置对应，主工作缸2停止于下死点时，将激光熔覆沉积LCD工艺成形好的工件(核电深封头)坯料定位于旋转工作台5上，主工作缸2上行推动活动横梁14带动旋转工作台5和工件(核电深封头)坯料与智能主压头3对击，使得工件(核电深封头)坯料的底部的材料塑性变形往边上流动，智能辅助压头4伸出与水平工作缸7活塞杆对击，使得工件(核电深封头)坯料周围的材料向上流动，旋转工作台5带动工件(核电深封头)坯料12在垂直、水平对击的间隙进行旋转，智能主压头3与智能辅助压头4上装有传感系统，电控系统根椐传感系统所采集的数据进行分析实时调整主工作缸2和水平工作缸7的压力，使工件(核电深封头)坯料被压实变薄达到所需要的内部组织与形状，加工完成后由支撑液压缸8带动水平机架6下行至下死点，主工作缸2回程至下死点，将完成的工件(核电深封头)锻压成型，智能辅助压头4(可伸缩)缩回，卸下工件(核电深封头)进行后续加工即可，该设备智能程度高，锻压工件精度高，一体成型，工件强度高。

还设有上砧子固定板10和上砧子11，所述上砧子固定板10固定安装于垂直机架1上端梁上，上砧子11能够沿水平方向滑动安装于上砧子固定板10上，智能主压头3和智能辅助压头4分别固定安装于上砧子上，通过上砧子11实现智能主压头3和智能辅助压头4的定位，使得设备通用性更高，可以根据工件形状设置不同的智能主压头3和智能辅助压头4，完成锻压的工件(核电深封头留在上砧子11上，可将完成的工件(核电深封头)与上砧子11一起移出压机，方便工件的拆卸。

所述水平工作缸7的活塞杆端部固定安装有水平砧子，智能辅助压头4伸出与水平工作缸7所带的水平砧子对击，使得工件(核电深封头)坯料周围的材料向上流动，保证工件坯料周围材料流动方向准确，具有可控性。

所述水平工作缸7的数量为4个，均匀分布于水平机架6上，且各个水平工作缸7活塞杆能够与各个智能辅助压头4联动保持一一同轴正对的位置状态，保证智能辅助压头4与水平工作缸7同轴正对，对工件坯料进行充分有效的挤压成型。

所述智能主压头3挤压面与锻件顶部弧面一致，且棱边分别形成有楔入角，确保工件挤压成型精度高，能有效控制工件坯料材料流动方向。

所述垂直机架1水平机架6均为预应力钢丝缠绕机架。

所述旋转工作台5由步进系统带动作步进旋转。

所述旋转工作台5上还设有用于定位锻件的支撑装置9，该支撑装置9可以为模具，用于定位锻件。

Claims (10)

1.一种核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：对锻件进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟，得到智能锻造前后锻件的几何尺寸值；

步骤二：使用大型激光熔覆沉积LCD近净成形，得到步骤一所模拟的智能锻造前的锻件尺寸外形；

步骤三：顶部弧面智能塑性锻造成形：将激光熔覆沉积LCD成形的坯料定位在支撑装置上，智能锻造压机启动，主工作缸垂直向上运动推动坯料与智能锻造压机智能主压头接触挤压，智能主压头挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖顶部弧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、智能主压头和智能辅助压头的挤压力大小和坯料金属流动位移数据给智能锻造压机的控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位；

步骤四：圆柱侧面环形智能塑性锻造成形：水室整体顶盖顶部弧面塑性锻造成形完成以后，主工作缸继续垂直向上运动一定距离，从而推动智能锻造压机的活动横梁、移动工作台、旋转工作台、模具和坯料一起垂直向上运动，与此同时智能主压头与主工作缸同步向上运动，主工作缸运动到位的同时，四个水平机架的支撑液压缸向下运动一定距离，使水平工作缸到达加工位置，智能辅助压头伸出顶住水室整体顶盖圆柱面侧面的内表面，水平工作缸顶杆向前运动推动坯料与智能锻造压机智能辅助压头接触挤压，智能辅助压头和水平工作缸顶杆上的模具挤压坯料进行塑性锻造成形，同时旋转工作台带动坯料在水平面内沿主工作缸的轴心作旋转运动，从而完成水室整体顶盖圆柱侧面的塑性锻造成形，在锻造过程中，传感系统直接或间接实时反馈坯料温度、智能主压头和智能辅助压头挤压力大小和坯料金属流动位移数据给控制系统，控制系统根据传感系统反馈的数据控制智能锻造压机施力，同时控制旋转工作台的转动速度来改变智能主压头和智能辅助压头的施力特征，所述施力特征包括智能主压头和智能辅助压头压入高温坯料形成的作用力的分布形态、大小总值、施加方位。

2.根据权利要求1所述的核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺，其特征在于：在步骤三和步骤四中在挤压坯料进行塑性锻造成形的同时对接触部位局部加热。

3.一种应用于权利要求1所述的核电水室整体顶盖的塑性锻造成形工艺中的智能锻造压机，其特征在于：包括垂直机架(1)、水平机架(6)、活动横梁(14)、移动工作台(13)、旋转工作台(5)、主工作缸(2)、水平工作缸(7)、支撑液压缸(8)、智能主压头(3)、智能辅助压头(4)、传感系统和控制系统，所述垂直机架固定安装于地面，主工作缸的缸体固定安装于垂直机架下端梁上，其活塞杆能够纵向伸缩，活动横梁能够沿纵向滑动设于垂直机架内，活动横梁与主工作缸的活塞杆相连接，移动工作台固定安装于活动横梁上，旋转工作台能够绕竖直的轴转动定位于移动工作台上，水平机架纵向能够滑动套设于垂直机架上，支撑液压缸的缸体与垂直机架固连，支撑液压缸的活塞杆与水平机架固连，至少一个水平工作缸固定安装于水平机架上，智能主压头纵向能够伸缩固定定位于垂直机架上，至少一个智能辅助压头沿水平方向能够伸缩固定定位垂直机架上，且各个智能辅助压头恰能够与水平机架上各个水平工作缸的活塞杆一一对应，各个传感系统分别安装于智能主压头和智能辅助压头上并能感应到坯料温度、压头对坯料的压力和坯料金属流动位移数据并传信于控制系统，控制系统控制旋转工作台、主工作缸、水平工作缸、支撑液压缸、智能主压头和智能辅助压头动作。

4.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：还设有上砧子固定板(10)和上砧子(11)，所述上砧子固定板固定安装于垂直机架上端梁上，上砧子能够沿水平方向滑动安装于上砧子固定板上，智能主压头和智能辅助压头分别固定安装于上砧子上。

5.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：所述水平工作缸的活塞杆端部固定安装有水平砧子。

6.如权利要求3或5所述的智能锻造压机，其特征是：所述水平工作缸的数量为4个，均匀分布于水平机架上，且各个水平工作缸活塞杆能够与各个智能辅助压头联动保持一一同轴正对的位置状态。

7.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：所述智能主压头挤压面与锻件顶部弧面一致，且棱边分别形成有楔入角。

8.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：所述垂直机架水平机架均为预应力钢丝缠绕机架。

9.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：所述旋转工作台由步进系统带动作步进旋转。

10.如权利要求3所述的智能锻造压机，其特征是：所述旋转工作台上还设有用于定位锻件的支撑装置(9)。