CN115572801A - 用于护环扩镦的强化装置及强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于护环扩镦的强化装置及强化方法,包括上压头和下压头,上压头位于护环的上端,下压头位于护环的下端。上压头和下压头的外形结构相同,压头包括圆柱大凸台、第二锥形头、第一锥形头和圆柱小凸台,圆柱大凸台的下表面与第二锥形头的上端连接,第二锥形头的下端与第一锥形头的上端连接,第一锥形头的下端与圆柱小凸台的上端连接。第一锥形头使护环的两端主要受周向拉应力实现护环的扩径变形进行强化,圆柱大凸台的下表面使护环通过压缩变形主要在压应力为主的作用下实现强化。本发明简化了护环强化工艺,改变了护环强化过程中的受力状态,提高了护环的使用寿命,降低了生产成本。

Description

用于护环扩镦的强化装置及强化方法
技术领域
本发明涉及护环强化领域,特别涉及一种用于护环扩镦的强化装置及强化方法。
背景技术
护环是汽轮发电机组的关键部件之一,因其受力情况复杂、服役工况特殊、技术要求严格,因此,护环材料必须具有良好的力学性能,而护环材料在传统单一路径加载下已基本达到强化极限,难以满足护环产品所具有的力学性能。为解决这一技术问题,一些专家和学者提出采用复杂加载路径冷变形强化的手段来提高护环的力学性能。
采用复杂路径冷变形强化的方法是在护环液压胀形传统工艺的基础上,增加一道次或多道次的缩径工艺。但此工艺过程及其复杂,工艺装备设计制造难度大,且液压胀形是使护环在拉应力作用下得到强化,在拉应力作用下不但容易达到强化极限,而且在后续使用过程中容易在残余应力的作用下破坏,影响护环的使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种用于护环扩镦的强化装置及强化方法,通过具有圆柱小凸台、第一锥形头、第二锥形头和圆柱大凸台的上压头和下压头,使护环的两端通过锥形头主要在周向拉应力作用下实现扩径变形,进行强化;直壁中间部分区域通过压缩在主要在压应力为主作用下实现强化变形,最终使两部分应变强化趋于一致,从而实现护环的上下两端部以及直壁中间区域的均匀强化。
本发明提供了一种用于护环扩镦的强化装置,其包括上压头和下压头,所述上压头位于护环的上端,所述下压头位于护环的下端。所述上压头和所述下压头的外形结构相同,压头,其包括圆柱大凸台、第二锥形头、第一锥形头和圆柱小凸台,所述圆柱大凸台的下表面与所述第二锥形头的上端连接,所述第二锥形头的下端与所述第一锥形头的上端连接,所述第一锥形头的下端与所述圆柱小凸台的上端连接,第一锥形头使护环的两端主要受周向拉应力实现护环的扩径变形进行强化,所述圆柱大凸台的下表面使护环通过压缩变形在压应力为主的作用下实现强化。所述第一锥形头的锥度α的表达式如下:
Figure BDA0003853079860000021
其中,D为护环的外径,d为护环的内径,H为护环的高度,Δh为第二阶段护环强化压缩变形率
Figure BDA0003853079860000022
达到要求时上压头的压下量,取值范围为0.15~0.20,L1为上压头和下压头的第一锥形头的高度,L2为上压头和下压头的第二锥形头的高度,φ1为上压头和下压头的圆柱大凸台直径,φ1大于护环外径D,φ2为上压头和下压头的圆柱小凸台直径。
可优选的是,所述圆柱小凸台的直径小于所述护环的内径,整个强化过程中不接触护环。
可优选的是,所述第二锥形头的锥度β比第一锥形头的锥度α小2-3度。
可优选的是,所述上压头、所述护环和所述下压头的轴线在同一条直线上。
本发明的另外一方面,提供一种用于护环扩镦的强化装置的强化方法,其具体包括以下步骤:
S1、初始定位:将上压头的上端和液压机的安装端连接,将下压头的下端固定,并将护环放置于上压头和下压头之间;
S2、护环扩径变形:操纵液压机使上压头向靠近护环的方向运动,护环的上端和下端分别在上压头和下压头第一锥形头的作用下护环两端发生第一阶段的扩径变形,扩径变形量由上压头和下压头中第一锥形头的锥度α和第一锥形头的高度L1决定;
S3、配合导向:使上压头继续向靠近护环的方向运动,直至护环上端和下端中通过扩径后的护环端部倒角分别接触上压头和下压头的第二锥形头接触,完成配合导向;
S4、护环压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环上端和下端分别呈喇叭形,然后继续使上压头向下运动,上压头中圆柱大凸台的下表面对护环施加轴向载荷,使护环进行第二阶段的压缩变形,第一阶段的扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域应变趋于一致。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1、本发明通过扩径和压缩复合变形,使护环的端部通过锥形头主要在周向拉应力作用下实现扩径变形,进行强化,其余直壁中间部分区域通过压缩在压应力为主作用下实现强化变形,使两部分应变强化效果趋于一致,从而实现护环的上下两端部与直壁中间区域的均匀强化。
2、本发明护环强化方法,改变了护环强化过程中的受力状态,提高了护环的使用寿命。
附图说明
图1为本发明用于护环扩镦的强化装置中上压头的主视图;
图2为本发明用于护环扩镦的强化装置在初始定位阶段主视方向的剖切结构图;
图3为本发明用于护环扩镦的强化装置在扩径变形阶段主视方向的剖切结构图;
图4为本发明用于护环扩镦的强化装置在配合导向阶段主视方向的剖切结构图;
图5为本发明用于护环扩镦的强化装置在压缩变形阶段主视方向的剖切结构图。
主要附图标记:
上压头1,下压头2,护环3。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效,以下将结合说明书附图进行详细说明。
用于护环扩镦的强化装置,如图1所示,包括上压头1和下压头2,上压头1位于护环3的上端,下压头2位于护环3的下端。采用护环扩镦强化装置进行护环强化时改变了护环3的受力状态提高了强化后护环3的使用寿命,同时简化了护环3的强化工艺。
上压头1和下压头2的外形结构相同,上压头1包括圆柱大凸台、第二锥形头、第一锥形头和圆柱小凸台,圆柱大凸台的下表面与第二锥形头的上端连接,第二锥形头的下端与第一锥形头的上端连接,第一锥形头的下端与圆柱小凸台的上端连接。第一锥形头使护环的端部受周向拉应力实现护环的扩径变形进行强化,圆柱大凸台的下表面使护环通过压缩变形在压应力为主的作用下实现强化。
第一锥形头的锥度α的表达式如下:
Figure BDA0003853079860000041
其中,D为护环的外径,d为护环的内径,H为护环的高度,Δh为第二阶段护环强化压缩变形率
Figure BDA0003853079860000042
达到要求时上压头的压下量,取值范围为0.15~0.20,L1为上压头和下压头的第一锥形头的高度,L2为上压头和下压头的第二锥形头的高度,φ1为上压头和下压头的圆柱大凸台直径,φ1大于护环外径D,φ2为上压头和下压头的圆柱小凸台直径。
锥形头使护环的两端主要受周向拉应力实现护环的扩径进行强化变形,位于护环3上端和下端的上压头1和下压头2使护环3的中部通过压缩在压应力为主的作用下实现强化变形。
具体而言,圆柱小凸台的直径小于护环的内径,整个强化过程中不接触护环。第二锥形头的锥度β比第一锥形头的锥度α小2-3度。上压头1、护环3和下压头2的轴线在同一条直线上。
本发明的第二方面,用于护环扩镦的强化装置的强化方法,具体操作过程如下:
S1、如图2所示,初始定位:将上压头1的上端和液压机的安装端连接,将下压头2的下端固定,并将护环3放置于上压头1和下压头2之间。
S2、如图3所示,扩径变形:操纵液压机使上压头1向靠近护环3的方向运动,护环3的上端和下端分别在上压头1和下压头2第一锥形头的作用下发生第一阶段的扩径变形,扩径变形量由上压头1和下压头2中第一锥形头的锥度α和第一锥形头的高度L1决定。
S3、如图4所示,配合导向:使上压头1继续向靠近护环3的方向运动,直至护环3的上端和下端中通过扩径后的护环3端部倒角分别接触上压头1和下压头2的第二锥形头接触,由于第二锥形头的锥度β小于第一锥形头锥度α,第二锥形头与第一锥形头扩径后的护环3端部倒角相互配合,对扩径变形起导向作用。
S4、护环压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环3上端和下端分别呈喇叭形,变形主要集中于两端部,然后继续使上压头1向下运动,上压头1中圆柱大凸台的下表面对护环3施加轴向载荷,从而使护环3进行第二阶段的压缩变形,此阶段护环3中间区域的变形量大于上端喇叭口和下端喇叭口位置,第一阶段的扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环3中上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域的应变趋于一致。
以下结合实施例对本发明一种用于护环扩镦的强化装置及强化方法做进一步描述:
实施例一:
对内径为800mm、外径为1000mm和高度为1000mm的护环3,在第一锥形头高度为200mm、第二锥形头高度为50mm和圆柱小凸台直径为750mm的上压头1和下压头2的作用下,压缩变形率Δh/H为0.15时,具体实施过程如下:
S1、如图2所示,初始定位:将上压头1的上端和液压机的安装端连接,将下压头2的下端固定,并将护环3放置于上压头1和下压头2之间。
S2、如图3所示,扩径变形:操纵液压机使上压头1向靠近护环3的方向运动,护环3的上端和下端分别在上压头1和下压头2第一锥形头锥度α为35度的作用下发生第一阶段的扩径变形,扩径变形后护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度为800MPa。
S3、如图4所示,配合导向:使上压头1继续向靠近护环3的方向运动,直至护环3的上端和下端中通过扩径后的护环3端部倒角分别接触上压头1和下压头2中锥度β为33度的第二锥形头接触,第二锥形头与第一锥形头扩径后的护环3端部倒角相互配合,对扩径变形起导向作用。
S4、如图5所示,压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环3上端和下端分别呈喇叭形,变形主要集中于两端部,然后继续使上压头1向下运动,上压头1中圆柱大凸台的下表面对护环3施加轴向载荷,从而使护环3进行第二阶段的压缩变形,压缩变形后护环3中间区域的强度为1014MPa,此阶段护环3中间区域的变形量大于上端喇叭口和下端喇叭口位置,第一阶段的扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度达到990MPa,从而使护环3上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域的应变趋于一致。
实施例二:
对内径为800mm、外径为1000mm和高度为1000mm的护环3,在第一锥形头高度为200mm、第二锥形头高度为50mm和圆柱小凸台直径为750mm的上压头1和下压头2的作用下,压缩变形率Δh/H为0.18时,具体实施过程如下:
S1、如图2所示,初始定位:将上压头1的上端和液压机的安装端连接,将下压头2的下端固定,并将护环3放置于上压头1和下压头2之间。
S2、如图3所示,扩径变形:操纵液压机使上压头1向靠近护环3的方向运动,护环3的上端和下端分别在上压头1和下压头2第一锥形头锥度α为39度的作用下发生第一阶段的扩径变形,扩径变形后护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度为918MPa。
S3、如图4所示,配合导向:使上压头1继续向靠近护环3的方向运动,直至护环3的上端和下端中通过扩径后的护环3端部倒角分别接触上压头1和下压头2中锥度β为37度的第二锥形头接触,第二锥形头与第一锥形头扩径后的护环3端部倒角相互配合,对扩径变形起导向作用。
S4、如图5所示,压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环3上端和下端分别呈喇叭形,变形主要集中于两端部,然后继续使上压头1向下运动,上压头1中圆柱大凸台的下表面对护环3施加轴向载荷,从而使护环3进行第二阶段压缩变形,压缩变形后护环3中间区域的强度为1080MPa,此阶段护环3中间区域的变形量大于上端喇叭口和下端喇叭口位置,第一阶段的扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度达到1065MPa,从而使护环3上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域的应变趋于一致。
实施例三:
对内径为800mm、外径为1000mm和高度为1000mm的护环3,在第一锥形头高度为200mm、第二锥形头高度为50mm和圆柱小凸台直径为750mm的上压头1和下压头2的作用下,压缩变形率Δh/H为0.20时,具体实施过程如下:
S1、如图2所示,初始定位:将上压头1的上端和液压机的安装端连接,将下压头2的下端固定,并将护环3放置于上压头1和下压头2之间。
S2、如图3所示,扩径变形:操纵液压机使上压头1向靠近护环3的方向运动,护环3的上端和下端分别在上压头1和下压头2第一锥形头锥度α为42度的作用下发生第一阶段的扩径变形,扩径变形后护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度为989MPa。
S3、如图4所示,配合导向:使上压头1继续向靠近护环3的方向运动,直至护环3的上端和下端中通过扩径后的护环3端部倒角分别接触上压头1和下压头2中锥度β为40度的第二锥形头接触,第二锥形头与第一锥形头扩径后的护环3端部倒角相互配合,对扩径变形起导向作用。
S4、如图5所示,压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环3上端和下端分别呈喇叭形,变形主要集中于两端部,然后继续使上压头1向下运动,上压头1中圆柱大凸台的下表面对护环3施加轴向载荷,从而使护环3进行第二阶段压缩变形,压缩变形后护环3中间区域的强度为1153MPa,此阶段护环3中间区域的变形量大于上端喇叭口和下端喇叭口位置,第一阶段得扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环3上端喇叭口和下端喇叭口的强度达到1100MPa,从而使护环3上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域的应变趋于一致。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于护环扩镦的强化装置,其包括上压头和下压头,所述上压头位于护环的上端,所述下压头位于护环的下端,其特征在于,
所述上压头和所述下压头的外形结构相同,压头,其包括圆柱大凸台、第二锥形头、第一锥形头和圆柱小凸台,所述圆柱大凸台的下表面与所述第二锥形头的上端连接,所述第二锥形头的下端与所述第一锥形头的上端连接,所述第一锥形头的下端与所述圆柱小凸台的上端连接,所述第一锥形头用于实现对护环两端进行扩径变形,所述圆柱大凸台的下表面用来实现第二阶段护环压缩变形;
所述第一锥形头的锥度α的表达式如下:
Figure FDA0003853079850000011
其中,D为护环的外径,d为护环的内径,H为护环的高度,Δh为第二阶段护环强化压缩变形率
Figure FDA0003853079850000012
达到要求时上压头的压下量,取值范围为0.15~0.20,L1为上压头和下压头的第一锥形头的高度,L2为上压头和下压头的第二锥形头的高度,φ1为上压头和下压头的圆柱大凸台直径,φ1大于护环外径D,φ2为上压头和下压头的圆柱小凸台直径;
锥形头使护环的两端主要受周向拉应力实现护环的扩径进行强化变形,位于护环上端和下端的上压头和下压头使护环的中部通过压缩在压应力为主的作用下实现强化变形。
2.根据权利要求1所述的用于护环扩镦的强化装置,其特征在于,所述圆柱小凸台的直径小于所述护环的内径。
3.根据权利要求1所述的用于护环扩镦的强化装置,其特征在于,所述第二锥形头的锥度β比第一锥形头的锥度α小2-3度。
4.根据权利要求1所述的用于护环扩镦的强化装置,其特征在于,所述上压头、所述护环和所述下压头的轴线在同一条直线上。
5.一种根据权利要求1-4之一所述的用于护环扩镦的强化装置的强化方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、初始定位:将上压头的上端和液压机的安装端连接,将下压头的下端固定,并将护环放置于上压头和下压头之间;
S2、护环扩径变形:操纵液压机使上压头向靠近护环的方向运动,护环的上端和下端分别在上压头和下压头第一锥形头的作用下护环两端发生第一阶段的扩径变形,扩径变形量由上压头和下压头中第一锥形头的锥度α和第一锥形头的高度L1决定;
S3、配合导向:使上压头继续向靠近护环的方向运动,直至护环上端和下端中通过扩径后的护环端部倒角分别接触上压头和下压头的第二锥形头接触,完成配合导向;
S4、护环压缩变形:经过锥形头扩径变形强化后的护环上端和下端分别呈喇叭形,然后继续使上压头向靠近护环的方向运动,上压头中圆柱大凸台的下表面对护环施加轴向载荷,使护环进行第二阶段的压缩变形,第一阶段的扩径变形和第二阶段的压缩变形叠加在一起,使护环上端喇叭口位置、下端喇叭口位置和中间区域的应变趋于一致。
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