CN110479838B - 超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法 - Google Patents

超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，包括以下步骤：S1、组装超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形装置；S2、将坯料放入约束模中，约束模以角速度带动坯料绕自身轴线转动；S3、位于坯料上表面范围内的包络模在包络机构的带动下以速度向下进给；S4、随着坯料厚度逐渐减薄，外径逐渐增大，其余包络模相继以速度向下进给，直至所有包络模都参与包络成形；S5、成形结束后，顶杆机构将超大型薄壁贮箱箱底从约束模中顶出。本发明将小直径的圆盘形坯料整体成形超大型薄壁贮箱箱底，满足工件对力学性能和承载能力的苛刻要求。该方法成形力小、材料利用率高、柔性高，包络模尺寸远小于超大型薄壁构件尺寸，降低模具制造成本。

Description

超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法
技术领域
本发明涉及压力容器制造领域，更具体地说，涉及一种超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法。
背景技术
超大型薄壁贮箱箱底是大型压力容器的关键承力构件，具有壁厚薄、外径大、承载能力高的特点，其性能对大型压力容器的可靠性和安全性具有重要影响。目前，超大型薄壁贮箱箱底采用高强材料，其直径超过10m，制造难度大。高性能、高效率、低成本制造超大型薄壁贮箱箱底是国际制造领域研究的热点。
塑性成形方法是一种高性能、高效率、低成本的制造方法，其中强力旋压方法和液压成形方法能够成形薄壁构件。但是采用强力旋压方法成形超大型薄壁构件时，坯料容易出现失稳起皱现象；采用液压成形方法成形超大型薄壁构件时，成形力大，需要超大型装备。并且，这两种方法仅能成形厚度较薄的板坯，受制造技术限制，目前无法制造出满足这两种成形方法需要的大尺寸坯料。
目前，超大型薄壁贮箱箱底制造方法是分块成形加组装拼焊方法。该方法将箱底分成多个瓜瓣，先单独制造各个瓜瓣，再通过焊接工艺将多个瓜瓣拼焊成一个整体。该方法虽然能够成形超大型薄壁贮箱箱底，但是受到多个焊接区的影响，贮箱整体力学性能和承载能力降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，满足超大型薄壁贮箱箱底对力学性能和承载能力的苛刻要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，包括以下步骤：
S1、组装超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形装置，其包括：旋转台、约束模、多个包络模、多个包络机构、多个顶料杆和顶杆机构；约束模固定在旋转台上，包络机构相互独立且沿旋转台周向方向分布在特定位置，包络机构和旋转台相互独立；每个包络机构装配一个包络模并带动包络模绕自身轴线转动和径向移动；顶料杆均匀分布在约束模下方，顶杆机构位于旋转台正下方并带动顶料杆移动；
S2、将坯料放入约束模中，约束模以角速度w0带动坯料绕自身轴线转动；位于约束模外侧的包络模在包络机构的带动下沿径向移动到位，并以角速度wm绕各自轴线旋转；
S3、位于坯料上表面范围内的包络模在包络机构的带动下以速度v向下进给，其余包络模不进给，坯料在包络模的作用下主要产生弯曲变形，直至和约束模完全接触；
S4、随着坯料厚度逐渐减薄，外径逐渐增大，其余包络模相继以速度v向下进给，直至所有包络模都参与包络成形；金属材料在所有包络模和约束模的共同作用下沿约束模径向和周向流动，由小直径的圆盘形坯料逐渐成形为超大型薄壁贮箱箱底；
S5、成形结束后，所有包络模停止转动，先沿轴向方向上升至约束模上端面以上，再沿约束模径向方向退至初始位置，约束模停止转动，顶杆机构带动顶料杆向上运动将超大型薄壁贮箱箱底从约束模中顶出。
上述方案中，包络模数量根据超大型薄壁贮箱箱底最大外径、包络模母线长度和成形交叉区长度进行确定，需满足如下公式：
(n-1)L1-L2＜R0+(n-1)L2＜nL1 (1)
式中，n为包络模的总个数，R0为超大型薄壁贮箱箱底最大外径，L1为包络模母线在水平面的投影长度，L2为相邻两个成形交叉区在水平面的投影长度，保证成形的超大型薄壁贮箱箱底几何形状完整。
上述方案中，根据包络模的编号依次确定包络模成形区域位置，成形区域在水平面投影区域到约束模轴线最小距离em和最大距离Em分别由公式(2)和(3)确定：
em＝(m-1)(L1-L2) (2)
Em＝mL1-(m-1)L2 (3)
式中，m为包络模的编号。
上述方案中，成形区域相邻的两个包络模对称布置，定义经过约束模轴线和编号为1号的包络模轴截面的面为xOz面，则不同包络模轴截面与xOz面的夹角由公式(4)～(7)确定：
当包络模数量为偶数时，夹角由公式(4)和(5)确定：
Figure GDA0002493367960000031
Figure GDA0002493367960000032
式中，n为包络模的总个数，a1为编号为奇数的包络模的编号，b1为编号为偶数的包络模的编号；
当包络模数量为奇数时，夹角由公式(6)和(7)确定：
Figure GDA0002493367960000033
Figure GDA0002493367960000034
式中，a2为编号为奇数的包络模的编号，b2为编号为偶数的包络模的编号。
上述方案中，所述包络模包括成形部分、夹持部分和过渡部分，所述成形部分的几何形状根据包络模轴线和约束模轴线夹角、以及包络模成形区域的几何形状确定，将成形区域的母线绕包络模轴线转动一周，得到成形部分几何形状；夹持部分为圆柱体，其外径保证包络模具有足够刚度且不和超大型薄壁贮箱箱底上表面干涉；成形部分和夹持部分由球形的过渡部分连接。
上述方案中，不同位置处的包络模角速度wm根据公式(8)确定；
Figure GDA0002493367960000035
其中，γm为包络模轴线和约束模轴线夹角，所有包络模轴线相交在约束模轴线上一点，保证包络模和约束模同步转动。
上述方案中，所述顶杆包括圆形顶杆和异形顶杆，在约束模中心布置圆形顶杆，在非中心位置均匀布置多个异形顶杆，异形顶杆位于成形交叉区域下方，且异形顶杆上表面和对应超大型薄壁贮箱箱底下表面匹配。
实施本发明的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，具有以下有益效果：
(1)本发明超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法可以实现超大型薄壁贮箱箱底整体成形，满足其力学性能和承载能力苛刻要求，同时提高材料利用率和加工效率。
(2)本发明超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法属于连续局部塑性成形方法，成形力小、能耗低、绿色环保。
(3)本发明超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法包络模和约束模机构相互独立，成形方法柔性好，能够根据超大型薄壁贮箱箱底几何尺寸进行相应调整，节约制造成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为超大型薄壁贮箱箱底分体式空间包络成形开始阶段的示意图；
图2为超大型薄壁贮箱箱底分体式空间包络成形阶段一的示意图；
图3为超大型薄壁贮箱箱底分体式空间包络成形结束的示意图；
图4为超大型薄壁贮箱箱底轴截面示意图；
图5为坯料轴截面示意图；
图6为不同包络模成形区域示意图；
图7为不同包络模周向位置示意图；
图8为3号包络模的三维示意图；
图9为顶料杆三维示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-9所示，在本发明的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法包括以下步骤：
S1、超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形装置包括：旋转台、约束模、6个包络模、6个包络机构、25个异形顶料杆和顶杆机构。其中，约束模固定在旋转台上；包络机构相互独立且沿旋转台周向方向分布在特定位置，包络机构和旋转台相互独立；每个包络机构装配一个包络模并带动包络模绕自身轴线转动和径向移动；顶料杆均匀分布在约束模下方，顶杆机构位于旋转台正下方并带动顶料杆移动。
S2、成形开始阶段(如图1所示)：将坯料2放入约束模3中，约束模3以角速度w0带动坯料2绕自身轴线转动；位于约束模外侧的6个包络模(其中三个为图中的标号1、4和5)在包络机构的带动下沿径向移动到各自特定位置，并以角速度wm绕各自轴线旋转。
S3、成形阶段一(如图2所示)：位于坯料2上表面范围内的包络模(1和4)在包络机构的带动下以速度v向下进给，其余包络模5暂时不进给。坯料2在包络模的作用下主要产生弯曲变形，直至和约束模3完全接触。
S4、成形阶段二：随着坯料厚度逐渐减薄，外径逐渐增大，其余包络模相继以速度v向下进给，直至所有包络模都参与包络成形。金属材料在所有包络模和约束模的共同作用下沿约束模径向和周向流动，由小直径的圆盘形坯料逐渐成形为超大型薄壁贮箱箱底(如图4所示)。
S5、成形结束(如图3所示)：所有包络模和停止转动，先沿轴向方向上升至约束模上端面以上，再沿约束模径向方向退至初始位置；同时，约束模停止转动；最后，顶杆机构带动顶料杆6、7和8向上运动将超大型薄壁贮箱箱底从约束模中顶出。
在本实施例中，坯料为圆盘形毛坯，其外径2400mm，厚度13mm(如图5所示)。
在本实施例中，包络模数量确定方法：包络模数量根据超大型薄壁贮箱箱底最大外径φ10200mm、包络模母线在水平面的投影长度L1＝900mm和成形交叉区长度L2＝50mm进行确定，包络模数量n＝6满足公式1。
(n-1)L1-L2＜R0+(n-1)L2＜nL1 (1)
即：
4450＜5350＜5400。
在本实施例中，根据包络模的编号依次确定包络模成形区域位置，由公式2和3计算出成形区域在水平面投影区域到约束模轴线最小距离em分别为0mm、850mm、1700mm、2550mm、3400mm和4250mm，最大距离Em分别为900mm、1750mm、2600mm、3450mm、4300mm和5150mm(如图6所示)。
em＝(m-1)(L1-L2) (2)
Em＝mL1-(m-1)L2 (3)
式中，m为包络模的编号。
在本实施例中，不同包络模在周向方向位置确定方法：成形区域相邻的两个包络模对称布置，定义经过约束模轴线和1号包络模轴截面的面为xOz面。因为包络模总数量为偶数，根据公式4、5确定1号至6号包络模轴截面和xOz面的夹角分别为0°、180°、60°、240°、120°和300°(如图7所示)。
Figure GDA0002493367960000061
Figure GDA0002493367960000062
式中，a1为编号为奇数的包络模的编号，b1为编号为偶数的包络模的编号。
在本实施例中，包络模分为成形部分101、夹持部分103和过渡部分102(如图8所示)。其中，成形部分的几何形状根据包络模轴线和约束模轴线夹角γm、以及包络模成形区域的几何形状确定，将成形区域的母线绕包络模轴线转动一周，得到成形部分几何形状。为将包络模最大外径控制在合理范围内，1号、2号和5号包络模轴线和约束模轴线夹角为43°，3号、4号和6号包络模轴线和约束模轴线夹角为40°。夹持部分为圆柱体，1号至6号包络模夹持部分外径分别为φ1475mm、φ1530mm、φ1385mm、φ1322mm、φ1318mm和φ2298mm。成形部分101和夹持部分103由球形的过渡部分102连接。
在本实施例中，包络模角速度确定方法：约束模角速度ω0＝6.28rad/s，根据公式8确定1号、2号和5号包络模角速度ω1、2、5＝8.59rad/s，3号、4号和6号包络模角速度ω3、4、6＝8.20rad/s。并且所有包络模轴线相交在约束模轴线上一点，保证包络模和约束模同步转动。
Figure GDA0002493367960000071
在本实施例中，在约束模中心布置φ100mm的圆形顶杆，在其他位置均匀布置24个异形顶杆。其中一个异形顶杆如图9所示，最小内径φ1600mm，最大外径φ2000mm，且异形顶杆上表面和对应超大型薄壁贮箱箱底下表面匹配。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、组装超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形装置，其包括：旋转台、约束模、多个包络模、多个包络机构、多个顶料杆和顶杆机构；约束模固定在旋转台上，包络机构相互独立且沿旋转台周向方向分布在特定位置，包络机构和旋转台相互独立；每个包络机构装配一个包络模并带动包络模绕自身轴线转动和径向移动；顶料杆均匀分布在约束模下方，顶杆机构位于旋转台正下方并带动顶料杆移动；
S2、将坯料放入约束模中，约束模以角速度ω0带动坯料绕自身轴线转动；位于约束模外侧的包络模在包络机构的带动下沿径向移动到位，并以角速度ωm绕各自轴线旋转；
S3、位于坯料上表面范围内的包络模在包络机构的带动下以速度v向下进给，其余包络模不进给，坯料在包络模的作用下主要产生弯曲变形，直至和约束模完全接触；
S4、随着坯料厚度逐渐减薄，外径逐渐增大，其余包络模相继以速度v向下进给，直至所有包络模都参与包络成形；金属材料在所有包络模和约束模的共同作用下沿约束模径向和周向流动，由小直径的圆盘形坯料逐渐成形为超大型薄壁贮箱箱底；
S5、成形结束后，所有包络模停止转动，先沿轴向方向上升至约束模上端面以上，再沿约束模径向方向退至初始位置，约束模停止转动，顶杆机构带动顶料杆向上运动将超大型薄壁贮箱箱底从约束模中顶出；
包络模数量根据超大型薄壁贮箱箱底最大外径、包络模母线长度和成形交叉区长度进行确定，需满足如下公式：
(n-1)L1-L2<R0+(n-1)L2<nL1 (1)
式中，n为包络模的总个数，R0为超大型薄壁贮箱箱底最大外径，L1为包络模母线在水平面的投影长度，L2为相邻两个成形交叉区在水平面的投影长度，保证成形的超大型薄壁贮箱箱底几何形状完整。
2.根据权利要求1所述的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，根据包络模的编号依次确定包络模成形区域位置，成形区域在水平面投影区域到约束模轴线最小距离em和最大距离Em分别由公式(2)和(3)确定：
em＝(m-1)(L1-L2) (2)
Em＝mL1-(m-1)L2 (3)
式中，m为包络模的编号。
3.根据权利要求1所述的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，成形区域相邻的两个包络模对称布置，定义经过约束模轴线和编号为1号的包络模轴截面的面为xOz面，则不同包络模轴截面与xOz面的夹角由公式(4)～(7)确定：
当包络模数量为偶数时，夹角由公式(4)和(5)确定：
Figure FDA0002524216960000021
Figure FDA0002524216960000022
式中，n为包络模的总个数，a1为编号为奇数的包络模的编号，b1为编号为偶数的包络模的编号；
当包络模数量为奇数时，夹角由公式(6)和(7)确定：
Figure FDA0002524216960000023
Figure FDA0002524216960000024
式中，a2为编号为奇数的包络模的编号，b2为编号为偶数的包络模的编号。
4.根据权利要求1所述的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，所述包络模包括成形部分、夹持部分和过渡部分，所述成形部分的几何形状根据包络模轴线和约束模轴线夹角、以及包络模成形区域的几何形状确定，将成形区域的母线绕包络模轴线转动一周，得到成形部分几何形状；夹持部分为圆柱体，其外径保证包络模具有足够刚度且不和超大型薄壁贮箱箱底上表面干涉；成形部分和夹持部分由球形的过渡部分连接。
5.根据权利要求1所述的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，不同位置处的包络模角速度ωm根据公式(8)确定；
Figure FDA0002524216960000031
其中，γm为包络模轴线和约束模轴线夹角，所有包络模轴线相交在约束模轴线上一点，保证包络模和约束模同步转动。
6.根据权利要求1所述的超大型薄壁整体贮箱箱底分体式空间包络成形方法，其特征在于，所述顶料杆包括圆形顶杆和异形顶杆，在约束模中心布置圆形顶杆，在非中心位置均匀布置多个异形顶杆，异形顶杆位于成形交叉区域下方，且异形顶杆上表面和对应超大型薄壁贮箱箱底下表面匹配。
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