CN108015149A - 一种屏蔽套无缝管强旋成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，包括以下步骤：制造初始毛坯；制造芯模；制造旋轮两副，所述旋轮均包括X旋轮、Y旋轮、Z旋轮；旋压成形。采用本发明的成形方法成形的屏蔽套尺寸精度、机械性能、物理指标(磁导率、电阻率)等各项指标均满足了使用要求。实现了制约第三代核电站主泵关键零部件自主制造技术的突破。

Description

一种屏蔽套无缝管强旋成形方法

技术领域

本发明涉及屏蔽套无缝管旋压成形技术，特别一种高精度极大径厚比管件的强旋成形方法。

背景技术

旋压成形技术综合了锻造、挤压、拉伸、环扎和滚压等技术的特点，它借助旋轮的进给运动，加压于随芯模旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形。它属于回转成形范畴,是局部连续塑性成形工艺。当前，旋压技术已广泛应用于机械、电器、汽车及化工等行业，尤其在航空、航天及兵器工业等尖端领域也得到了越来越多的应用。对于在超限使役环境下工作的超薄壁回转体零件,如第三代核电站的核主泵电机定/转子屏蔽套,大型喷气飞机喷管等,旋压成形技术有着卓越的优势。应用旋压成形技术取代焊接,可消除纵向焊缝、减少环向焊缝、充分细化晶粒组织、提高产品安全使役性能。同时,旋压加工可节省贵重材料,提高产品尺寸精度和表面质量。

目前,薄壁回转体零件旋压的极限直径/壁厚比(简称径厚比)通常在400～750之间,随着装备技术的重大发展需求,超越这一极限是旋压技术研究的当务之急。研究超薄壁回转体零件旋压成形需要就旋压工艺参数(压下量、进给比、芯模转速等)、旋压状态参数(摩擦条件、毛坯与模具配合间隙等)和旋轮几何参数(直径、攻角、圆角半径等)与材料变形流动特征之间的关系开展广泛的研究。

目前，中国在引进消化吸收第三代核电站APIO00核电技术的基础上，坚持自主创新，实现大型先进压水堆核电机组建设的自主化和国产化目标。而APl000采用了屏蔽泵作为核主泵，其中屏蔽套的成形技术是制约第三代核主泵自主制造的关键技术之一。该部件在高温高压且具有辐射与腐蚀性的环境下工作，设计寿命为60年。因此，对屏蔽套的加工综合性能和尺寸精度提出了苛刻的要求。

屏蔽套无缝管(以下简称屏蔽套)的一般技术特点是：几何精度要求高、大长径比以及大径厚比。图5是屏蔽套结构示意图，所述屏蔽套(外径等于长度等大于2700mm，壁厚等于径厚比达800)、材料为哈斯特洛-C276镍基合金。内外表面不得存在裂纹、渣孔、重皮、划伤等缺陷。

由于哈斯特洛-C276属于高镍合金材料，塑性成形时加工硬化趋向极为严重，特别要成形大长径比、径厚比达800的薄壁件，难度极大。主要表现在成形时极易产生失稳丧失精度、鼓包、折叠等缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术难点问题主要为旋压局部加载材料流变与整体约束的矛盾，即成形高稳定性和材料流动均匀性问题。具体有以下几点：

1材料的流动稳定性。超薄筒形件在反旋成形过程中，变形区材料一部分向前流动，一部分向后流动，当材料向前流动的量大于向后流动的量时，材料在旋轮前端堆积，这时旋轮实际压下量增大，旋压力也增大，由于超薄壁件的局部刚度不够造成局部失稳，以致造成结构的失稳和工件的报废。

2对工件与芯模间隙的敏感性。工件与芯模间隙的大小对超薄壁件旋压成形影响极大，因为超薄壁件成形时变形区材料流动相对较少，如果间隙太大，则部分材料向筒形工件内侧流动，用来填充间隙，使内径缩径和实际压下量增大，易出现螺旋状鼓形，造成薄壁结构的失稳；如果间隙太小，则不利于材料的轴向流动。

3对残余应力不均匀分布的敏感性。超薄壁件成形时会产生很大的残余应力，如果参数失调，则材料流动不均、变形不协调而导致残余应力分布不均匀；超薄壁件由于结构上的高柔性，对这种不均匀的残余应力非常敏感，使工件局部尺寸和形状会发生改变，精度丧失。

为解决上述技术难点问题，本发明提供一种屏蔽套无缝管强旋成形方法。所述成形方法包括：

制造初始毛坯，以及对毛坯进行热处理；

制造芯模；

制造第一副旋轮和第二副旋轮，所述第一副旋轮包括X1旋轮、Y1旋轮、Z1旋轮；所述第二副旋轮包括X2旋轮、Y2旋轮、Z2旋轮；

旋压成形，包括三次旋压，每次分两道次成形，前两次采用第一副旋轮为正旋，第三次采用第二副旋轮为反旋，为最终成形。两次中间热处理；

进一步，遵循体积不变原则确定初始毛坯长度、壁厚。

进一步，毛坯的材料是哈斯特洛-C276镍基合金，毛坯的热处理状态为固溶。

进一步，所述芯模的材料为9SiCr，HRC58-60。

进一步，所述芯模与所述初始毛坯的间隙为0.08mm-0.18mm。

进一步，所述旋轮材料为GCr15，HRC60-62。

第一副旋轮的型面参数如下(用于前两次成形)：

X1旋轮：＝30°＝25°R＝5mm；Y1旋轮：＝30°β＝22°R＝4.8mm；Z1旋轮：＝30°β＝22°R＝4.8mm。

第二副旋轮的型面参数如下(用于第三次成形)：

X2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；Y2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；Z2旋轮：＝20°＝15°R＝4mm。其中，为旋轮前角，为旋轮后角，R为圆角半径。

进一步，采用第一副旋轮进行第一次旋压成形。步骤包括：将成形芯模安装于旋压机主轴，安装第一副旋轮，将毛坯套在成形芯模上；经两道次正旋壁厚从10mm减薄至4.3mm，减薄率为67％。随后进行真空固溶处理。

进一步，采用第一副旋轮进行第二次旋压成形。经两道次正旋壁厚从4.3mm减薄至1.45mm，减薄率为66％，随后进行真空固溶处理。切割正旋锁止环。

进一步，采用第二副旋轮进行第三次旋压成形。经两道次反旋壁厚从1.45mm减薄至0.45mm，减薄率为68％，此时长度大于2700mm，随后进行真空固溶处理。总变薄率高达95.5％。

上述真空固溶处理的目的为消除加工硬化和残余应力，使材料回复初始机械性能。

本发明采用强旋成形方法，通过三次(6道次，其中4道次正旋，2道次反旋)旋压，从初始毛坯10mm减薄至成品0.45mm，长度从200mm增长至2700mm，尺寸精度、机械性能、物理指标(磁导率、电阻率)等各项指标均满足了屏蔽套使用要求。另外，节省了贵重材料，降低了成本。

附图说明

图1是本发明实施例的初始毛坯示意图；

图2是本发明的第三次旋压前的反旋毛坯示意图(第二次旋压成形得到的结果)；

图3是本发明第一、第二次正旋示意图。图中，1为第一副旋轮，2为毛坯，3为芯模；

图4是本发明最终反旋成形示意图。图中，4为第二副旋轮，5为反旋毛坯，7为止动套；

图5是本发明实施例某屏蔽套示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中以哈斯特洛-C276镍基合金为例实施本发明所提供的旋压成形方法，以形成高精度极大径厚比哈斯特洛-C276屏蔽套，具体方法如下：

1.制造初始毛坯，根据屏蔽套尺寸要求和哈斯特洛-C276材料性能，遵循体积不变原则，选择合适的旋压变薄率以确定成形区毛坯壁厚和长度，加上固定端长度和后续切割余量形成初始毛坯。如图1所示。

2.毛坯热处理

毛坯的热处理状态为固溶。毛坯热处理的原则是毛坯具有良好的可旋性，可满足各次最大变薄率要求。

本发明实施例使用哈斯特洛-C276合金材料，毛坯是固溶状态。

3.制造芯模

芯模的尺寸和屏蔽套尺寸相适应，并具有足够的硬度和刚度，以防旋压受力时变形损坏，芯模材料应选用淬透性良好的合金工具钢。本实施例中，所述芯模的材料为9CrSi，芯模热处理HRC60，芯模径跳全程不大于0.015，圆度不大于0.015。芯模与毛坯间隙为0.08-0.18mm。

3.制造第一副旋轮和第二副旋轮旋轮，所述第一副旋轮包括X1旋轮、Y1旋轮、Z1旋轮；所述第二副旋轮包括X2旋轮、Y2旋轮、Z2旋轮；

第一副旋轮的型面参数如下(用于前两次成形)：

X1旋轮：＝30°＝25°R＝5mm；Y1旋轮：＝30°＝22°R＝4.8mm；Z1旋轮：＝30°＝22°R＝4.8mm。

第二副旋轮的型面参数如下(用于第三次成形)：

X2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；Y2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；Z2旋轮：＝20°＝15°R＝4mm。其中，为旋轮前角，为旋轮后角，R为圆角半径。

旋轮径跳不大于0.02mm。

4.旋压成形

本实施例中采用三旋轮卧式ST40-30CNC旋压机，也可采用其他型号强力旋压机，旋轮错距可调。整个成形过程分三次旋压加两次中间固溶处理，此过程采用上述第一副旋轮错距旋压进行第一、第二次旋压。采用上述第二副旋轮错距旋压进行第三次最终旋压成形。

如图3所示，芯模3的安装调整：成形芯模3安装于旋压机主轴后，调整尾部径向跳动，跳动值≤0.04mm。

第一副旋轮1安装调整：安装第一副旋轮1于旋轮轴(未示出)并使径跳值≤0.03mm，调整第一副旋轮1轴向错距，使第一、第二次旋压X1旋轮，Y1旋轮，Z1旋轮错距值为3.2mm。检查第一副旋轮工作型面是否完好，型面光洁度应不低于0.8μm，不允许存在任何缺陷。

旋压时，首先将毛坯2套在芯模3上，第一副旋轮1按表一、表二旋压预设程序值(轴向错距、径向压下量、进给率)旋压，最终成形为图2的第三次反旋毛坯5。其流程为：第一次施压(两道次)→真空固溶→第二次施压(两道次)→真空固溶→切割。

如图4所示，芯模3的安装调整：芯模3安装于旋压机主轴后，调整尾部径向跳动，跳动值≤0.04mm。

第二副旋轮4安装调整：安装第二副旋轮4于旋轮轴(未示出)并使径跳值≤0.03mm，调整第二副旋轮4轴向错距，使X2旋轮，Y2旋轮，Z2旋轮错距值为2.6mm。检查第二副旋轮工作型面是否完好，型面光洁度应不低于0.8μm，不允许存在任何缺陷。

旋压时，首先将反旋毛坯5套在芯模3上，第二副旋轮4按表三旋压预设程序值(轴向错距、径向压下量、进给率)旋压，最终成形为图5的屏蔽套。

所述预设程序参数值轴向错距、径向压下量、进给量的设置原则是：

1)轴向错距，后轮的运动轨迹应尽量覆盖前轮所形成的螺旋突起；

2)径向压下量分配应尽可能使三旋轮受力保持平衡状态；

3)进给率对工件表面质量和工件精度起决定作用，进给率大有利于控制扩径，但表面粗糙度随之变大，应根据工件要求综合考虑，合理匹配；

表一为本实施例中所确定的第一次旋压参数表

表一

注：旋轮压下量指第一副旋轮1与芯模3表面之间隙，下同，F为旋轮轴向进给，S为主轴转速。

表二为本实施例中所确定的第二次旋压参数表

表二

表三为本实施例中所确定的第三次旋压参数表

表三

需要说明的是，表一、表二、表三只是示例性地给出本发明一个实施例所给出的旋压参数表，而不应该以此来限制本发明的保护范围。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，制造初始毛坯，选择合适的旋压变薄率以确定成形区毛坯壁厚和长度，加上固定端长度和后续切割余量形成初始毛坯；

步骤二，初始毛坯进行固溶热处理；

步骤三，制造芯模；所述芯模的尺寸和屏蔽套尺寸相适应；

步骤四，制造第一副旋轮和第二副旋轮，所述第一副旋轮包括X1旋轮、Y1旋轮、Z1旋轮；所述第二副旋轮包括X2旋轮、Y2旋轮、Z2旋轮；

步骤五，旋压成形：采用第一副旋轮进行第一次旋压成形，随后进行真空固溶处理；采用第一副旋轮进行第二次旋压成形，随后进行真空固溶处理，并切割锁止环；采用第二副旋轮进行第三次旋压成形，再次进行真空固溶处理。

2.依据权利要求1所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，所述芯模材料采用合金工具钢，所述合金工具钢为9CrSi，制造径跳≤0.015mm，安装径跳≤0.04mm。

3.依据权利要求1所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，所述芯模与所述初始毛坯的间隙各道次均保持为0.08mm～0.18mm。

4.依据权利要求1所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，所述第一副旋轮和第二副旋轮的材料为GCr15，HRC60-62，制造径跳≤0.02mm，安装径跳≤0.03mm。

5.依据权利要求4所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，所述第一副旋轮的型面参数如下：

X1旋轮：＝30°＝25°R＝5mm；Y1旋轮：＝30°＝22°R＝4.8mm；Z1旋轮：＝30°＝22°R＝4.8mm；

所述第二副旋轮的型面参数如下：

X2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；Y2旋轮：＝30°＝12°R＝4mm；

Z2旋轮：＝20°＝15°R＝4mm；

其中，为旋轮前角，β为旋轮后角，R为圆角半径。

6.依据权利要求1所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，前两次旋压时，安装第一副旋轮于旋轮轴并使径跳值≤0.03mm，调整第副一旋轮轴向错距，使第一、第二次旋压X1旋轮，Y1旋轮，Z1旋轮错距值为3.2mm。

7.依据权利要求1所述的一种屏蔽套无缝管强旋成形方法，其特征在于，第三次旋压时，安装第二副旋轮于旋轮轴并使径跳值≤0.03mm，调整第副二旋轮轴向错距，使X2旋轮，Y2旋轮，Z2旋轮错距值为2.6mm。