CN107470434B - 用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及封头冲压制造领域，旨在提供一种用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置及方法。该装置包括由压边板与温控板组成的温控压边圈，压边板是一个环形钢板，环形的温控板具有径向截面呈U形的底板，压边板覆盖在底板上并构成中空结构；在中空结构内由内向外呈环形布置加热系统，最内侧为感应加热系统，感应加热系统的外侧为线圈电加热系统；在加热系统下方的底板上布置温度检测系统。本发明实现了亚稳态奥氏体不锈钢封头快速自动化温冲压成形，提高了生产效率，减少了能耗以及因人工喷枪加热带来的环境污染，具有高可靠、高效率特点；两级加热，效率更高；两种温度检测方法，温度监控更全面；可在现有油压机基础上改装，投入成本低。
Description
技术领域
本发明涉及封头冲压制造领域，具体涉及一种用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置及方法。
背景技术
亚稳态奥氏体不锈钢(如S30408)因具有良好的耐蚀性、塑性和韧性，被广泛应用于制造深冷压力容器、锅炉、核电等设备。封头作为这些设备的重要部件，对其产品质量提出了较高的要求。
冲压工艺由于生产效率高、加工精度好、加工范围广等而广泛应用于封头的成形制造。然而，在亚稳态奥氏体不锈钢封头冲压过程中，由于形变诱发马氏体相变，使得封头直边段因塑性变形量最大而马氏体含量最高。由于马氏体较奥氏体硬度高、脆性大，对应力腐蚀有一定促进作用，使得封头直边段力学性能和服役性能受到影响，严重时将引起封头失效，存在安全隐患。经研究发现，通过提高冲压时的温度(即温冲压)，能够有效的降低封头成形过程中马氏体相变量，从而保证封头性能。
然而，目前通常采用的温冲压装置及方法存在诸多局限性。第一种使用喷枪火焰直接加热板料，一般是在预冲压后对板料进行加热以实现温冲压，该方法使用范围最广，操作灵活性高，但加热效率低、操作安全性低、能耗高、污染大；另一种是加热炉加热，一般先加热炉中将板料加热至一定温度，再将板料转移至冲压机进行冲压成形来实现温冲压，该方法对板料加热均匀，但加热效率不高，生产效率低，能耗高；另外，中国专利CN101961758A公开了一种采用电涡流感应加热封头板料的冲压装置，其在封头冲压前对板料边缘通过集肤效应进行加热可实现温冲压，该方法加热速度快，但由于加热区域小(导体表面)，温度均匀性不高易导致封头质量不稳定，同时操作人员长期处于工频强电磁场中，可能对健康产生不利影响。
总之，目前采用喷枪、热炉及电涡流等封头温冲压装置及方法，仍存在诸多局限性，亟需一种高效率、高可靠、低成本的新型封头温冲压装置及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置，包括用于施加成形力和保证封头形状的冲压凸模以及与冲压凸模相匹配的冲压凹模；其特征在于，该装置还包括一个用于施加压边力和实现温度控制的环形的温控压边圈；该温控压边圈由位于上层的压边板与位于下层的温控板组成：压边板是一个环形钢板，环形的温控板具有径向截面呈U形的底板，压边板覆盖在底板上并构成中空结构；在中空结构内由内向外呈环形布置加热系统，最内侧为感应加热系统，感应加热系统的外侧为线圈电加热系统；在加热系统下方的底板上布置温度检测系统。
本发明中，所述感应加热系统的径向宽度占温控压边圈宽度的1/4，线圈电加热系统的径向宽度占温控压边圈径向宽度的3/4。
本发明中，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的。
本发明中，所述感应加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和至少一根高频电流感应线圈组成，感应线圈呈环形布置或间隔的环形布置。
本发明中，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的；其中，位于感应加热系统范围内的温度传感器是安装在高频电流感应线圈下方的。
本发明中，所述线圈电加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和多根电阻丝组成，各电阻丝呈间隔的环形布置。
本发明中，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的；其中，位于线圈电加热系统范围内的温度传感器是与电阻丝间隔且保持间距安装的。
本发明进一步提供了利用前述装置实现亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的方法，包括以下步骤：
(1)在冲压机的冲压凹模上依次放置待加工的亚稳态奥氏体不锈钢板料和内径尺寸与冲压凹模相匹配的温控压边圈；温控压边圈与板料紧密接触，板料圆心位置与冲压凹模及温控压边圈保持一致；
(2)启动温度检测系统中的温度检测仪和线圈电加热系统的控制器，通过温控压边圈的底部对板料进行预热；实时监测线圈电加热系统的温度变化，根据设定目标调节线圈电加热系统的控制器，直至达到设定温度要求；调整加热功率使温控压边圈能保持板料所需最终加热温度的最低温度，以减少能耗；
(3)下移冲压凸模开始冲压，同时打开温控压边圈的感应加热系统，对板料进行补热；实时监测感应加热系统的温度变化，根据设定目标调节感应加热系统的控制器，直至达到最终加热温度区间；
(6)待板料的主体部分随冲压凸模下移通过温控压边圈进入冲压凹模后，停止感应加热系统的加热；待板料成形完成后，停止线圈电加热系统的加热，封头冲压过程结束。
本发明中，在步骤(3)中，所述最终加热温度区间为110-180℃。因为该温度高于亚稳态奥式体不锈钢材料的马氏体相变终止温度(Md，与化学元素含量有关，一般为50～100℃)，可有效抑制亚稳态材料的形变诱发马氏体相变。
本发明中，所述板料的厚度范围为4～20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)实现了亚稳态奥氏体不锈钢封头的快速自动化温冲压成形，提高了生产效率，减少了能耗以及因人工喷枪加热带来的环境污染，具有高可靠、高效率的特点；
(2)两级加热，效率更高。板料冲压前先运用电阻丝加热原理进行均匀预热，冲压时根据板料局部温度变化通过电感应原理进行快速补热，两种加热原理，两级加热方式，实现更高加热效率；
(3)两种温度检测方法，温度监控更全面。综合了热电偶温度检测稳定和红外非接触温度检测的优点，实现板料冲压全过程的温度监控，更有利于对封头进行温成形工艺控制；
(4)本发明可以在现有冲压成形常用油压机基础上进行温控压边圈的温控改装来实现，投入成本低。
附图说明
图1为亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形装置示意图。
图2为温控压边圈装置1/4示意图。
附图中标记：1冲压凸模(冲头)；2温控压边圈；2-1电阻丝；2-2温度传感器；2-3感应线圈；3板料；4冲压凹模。
具体实施方式
本发明针对亚稳态奥氏体不锈钢封头的温冲压生产需求，提供了一种亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形系统和方法，实现亚稳态奥氏体不锈钢封头高效率、高可靠的温冲压成形。
用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置，包括用于施加成形力和保证封头形状的冲压凸模1、与冲压凸模1相匹配的冲压凹模4，以及用于施加压边力和实现温度控制的环形的温控压边圈2。温控压边圈2由位于上层的压边板与位于下层的温控板组成：压边板是一个环形钢板，环形的温控板具有径向截面呈U形的底板，压边板覆盖在底板上并构成中空结构；在中空结构内由内向外呈环形布置加热系统，最内侧为感应加热系统，感应加热系统的外侧为线圈电加热系统；在加热系统下方的底板上布置温度检测系统。感应加热系统的径向宽度占温控压边圈宽度的1/4，线圈电加热系统的径向宽度占温控压边圈径向宽度的3/4。
感应加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和至少一根高频电流感应线圈2-3组成，感应线圈2-3呈环形布置或间隔的环形布置，用于实现对板料进行快速补热。线圈电加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和多根电阻丝2-1组成，各电阻丝2-1呈间隔的环形布置，用于实现对温控压边圈的预热和板料的初步加热功能。温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器2-2，各温度传感器2-2在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器2-2之间也是等间距布置的；其中，位于感应加热系统范围内的温度传感器2-2是安装在高频电流感应线圈下方的。位于线圈电加热系统范围内的温度传感器2-2是与电阻丝2-1间隔且保持间距安装的。
本发明中，高频电流感应线圈2-3的高频是指30～50kHZ，具体可选紫铜管环绕而成的线圈，紫铜管尺寸可选直径10mm、壁厚1mm。温度传感器2-2可选红外温度检测器。
本发明中利用前述装置实现亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的方法，包括以下步骤：
(1)在冲压机的冲压凹模4上依次放置待加工的亚稳态奥氏体不锈钢的板料3和内径尺寸与冲压凹模相匹配的温控压边圈2；温控压边圈2与板料3紧密接触，板料3圆心位置与冲压凹模4及温控压边圈2保持一致；板料的厚度范围为4～20mm。
(2)启动温度检测系统中的温度检测仪和线圈电加热系统的控制器，通过温控压边圈2的底部对板料3进行预热；实时监测线圈电加热系统的温度变化，根据设定目标调节线圈电加热系统的控制器，直至达到设定温度要求；调整加热功率使温控压边圈2能保持板料3所需最终加热温度的最低温度，以减少能耗；
(3)下移冲压凸模1开始冲压，同时打开温控压边圈2的感应加热系统，对板料3进行补热；实时监测感应加热系统的温度变化，根据设定目标调节感应加热系统的控制器，直至达到最终加热温度区间；最终加热温度区间为110-180℃。
(6)待板料3的主体部分随冲压凸模1下移通过温控压边圈2进入冲压凹模4后，停止感应加热系统的加热；待板料3完成成形后，停止线圈电加热系统的加热，封头冲压过程结束。
应用示例：
(1)根据系统所述的位置关系安装温控压边圈2中的线圈电加热系统、温度检测系统和感应加热系统；在线圈电加热系统范围内，从内到外按奇数圈为热电偶、偶数圈为红外温度检测单元圈进行布置。通过采用两套加热系统与温度检测系统配合，能在减少温度测量误差的同时实现高效温度测量；
将型号EHA 1000x10S30408材料封头对应直径为1259mm的板料3至于冲压凹模4上，板料3的圆心位置与冲压凹模4保持一致；放置温控压边圈2，使其与板料3紧密接触，并施加相应压边力；
(2)启动温度检测系统和线圈电加热系统，通过温控压边圈2对板料3进行预热和温度监测；根据温度目标调节线圈加热系统的温度，直至达到设定温度110℃，降低线圈加热系统的功率使温控压边圈2保持板料3所需最终加热温度的最低温度110℃，以节约用电；
(3)待板料3加热完成后，下移冲压凸模1开始冲压，同时打开温控压边圈2的感应加热系统，对板料3进行补热和实时的温度监测，通过调节感应加热系统的功率来使板料3温度达到最终加热温度区间110℃～180℃；
(4)直至板料3随冲压凸模1下移全部通过温控压边圈2后，感应加热系统终止加热，待板料3完成成形，封头冲压过程结束。
Claims (10)
1.一种用于亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的装置，包括用于施加成形力和保证封头形状的冲压凸模以及与冲压凸模相匹配的冲压凹模；其特征在于，该装置还包括一个用于施加压边力和实现温度控制的环形的温控压边圈；该温控压边圈由位于上层的压边板与位于下层的温控板组成：压边板是一个环形钢板，环形的温控板具有径向截面呈U形的底板，压边板覆盖在底板上并构成中空结构；在中空结构内由内向外呈环形布置加热系统，最内侧为感应加热系统，感应加热系统的外侧为线圈电加热系统；在加热系统下方的底板上布置温度检测系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应加热系统的径向宽度占温控压边圈宽度的1/4，线圈电加热系统的径向宽度占温控压边圈径向宽度的3/4。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和至少一根高频电流感应线圈组成，感应线圈呈环形布置或间隔的环形布置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的；其中，位于感应加热系统范围内的温度传感器是安装在高频电流感应线圈下方的。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线圈电加热系统由电源、能无级调节加热功率的控制器和多根电阻丝组成，各电阻丝呈间隔的环形布置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述温度检测系统包括温度检测仪和若干个呈点状布置的温度传感器，各温度传感器在底板上呈等间距的环向布置，沿环向的温度传感器之间也是等间距布置的；其中，位于线圈电加热系统范围内的温度传感器是与电阻丝间隔且保持间距安装的。
8.利用权利要求1所述装置实现亚稳态奥氏体不锈钢封头温冲压成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在冲压机的冲压凹模上依次放置待加工的亚稳态奥氏体不锈钢板料和内径尺寸与冲压凹模相匹配的温控压边圈；温控压边圈与板料紧密接触，板料圆心位置与冲压凹模及温控压边圈保持一致；
(2)启动温度检测系统中的温度检测仪和线圈电加热系统的控制器，通过温控压边圈的底部对板料进行预热；实时监测线圈电加热系统的温度变化，根据设定目标调节线圈电加热系统的控制器，直至达到设定温度要求；调整加热功率使温控压边圈能保持板料所需最终加热温度的最低温度，以减少能耗；
(3)下移冲压凸模开始冲压，同时打开温控压边圈的感应加热系统，对板料进行补热；实时监测感应加热系统的温度变化，根据设定目标调节感应加热系统的控制器，直至达到最终加热温度区间；
(6)待板料的主体部分随冲压凸模下移通过温控压边圈进入冲压凹模后，停止感应加热系统的加热；待板料完成成形后，停止线圈电加热系统的加热，封头冲压过程结束。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述最终加热温度区间为110-180℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述板料的厚度范围为4～20mm。
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