CN116117449A - 一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，反求设计初始带矩形孔板坯的形状与尺寸；将矩形孔板坯转移到加工模具的凹模上，压边圈下移对位于凹模上的矩形孔板坯区域加压并形成领圈法兰面；凸模下移并对位于凹模内的孔板坯区域进行下压至设计位置后形成领圈法兰过渡面和领圈法兰边；本发明通过窗口领圈的整体成形方式，相比传统锻造工艺可大幅降低材料切削量、提高材料利用率，相比传统拼焊成形工艺可大幅降低焊缝数量与焊接变形，此外，本发明在温热条件下整体成形出窗口领圈，成形过程不会对领圈的磁力学性能产生影响，省去了通过后续热处理进行组织和性能调控的繁琐工序，适用于真空室窗口领圈的整体化、高效率、低成本批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材成形技术领域，特别是涉及一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法。
背景技术
超大型(直径超过12m)真空室是核聚变反应装置的核心部件，为等离子体提供超高真空运行场所，并需要承受强电磁力和热负荷，其形状为环状D形截面(高度6.2m，宽度3.9m)双层薄壁复杂结构。真空室窗口是核聚变真空室的重要组成部分，用于外界诊断、设备安装、真空抽取和检修通道。而窗口领圈(长度达2m，宽度达1.6m)是将真空室主体D形结构侧壁与窗口延伸段连接起来的重要零件，它不仅要承受窗口自重，而且需传递作用在真空室主体和内部零件的力。为了能够与真空室主体侧壁连接起来以后满足上述承载要求，领圈通常设计成近L形横截面的三维环状零件，其法兰区域曲面构型与真空室主体相同，用于与真空室主体进行连接，而法兰边区域形状与窗口根部相同，用于与窗口进行连接。综上所述，真空室窗口领圈不仅要满足力学承载要求，而且外形轮廓复杂、加工精度要求很高，导致无法使用钢板直接进行模压成形，制造难度非常大。因此，如何快速成形制造出高性能、低成本窗口领圈是核聚变真空室制造领域目前亟待解决的问题。
德国在为ITER制造真空室窗口领圈时采用锻造γ焊接γ切削加工的技术路线：先热锻出8-10段方形棒坯；然后利用氩弧焊和电子束焊将其拼焊成一个三维的长方形环；最后利用切削的方式将其加工成窗口领圈。这种方法目前存在的主要问题是：1)工序非常复杂，锻造阶段需要设计加工多套锻造模具用于成形形状各异的方形棒坯，焊接阶段由于棒坯端面尺寸大需采用多层多道次焊接工艺，切削阶段加工量大，这不仅导致领圈制造成本极高，而且其加工周期也非常长；2)领圈常用ITER级316LN不锈钢材料，价格昂贵，但由方形棒坯切削出L型截面时需要去除大量余料，材料利用率非常低，造成浪费；3)焊缝多，易导致力学性能弱化、磁导率增加，需通过后续热处理调控。另外一种制造窗口领圈的技术路线是：厚板分段弯曲成形变截面结构γ拼焊。然而，利用传统氩弧焊对厚板进行多层多道次焊接时，每道焊缝从开坡口到装夹焊接完成需要耗时7天左右的时间，很难满足真空室窗口的批量生产，且氩弧焊容易导致拼焊成形的窗口领圈焊接变形大，无法实现与真空室主体的精准连接，需要进行反复的机械校形，耗时耗力。因此，提出一种电子束焊接工艺方法(专利号：ZL202111382417.5)，但需要设置专门的垫板。此外，这种分段弯曲-拼焊成形的方法对于直壁段的弯曲相对容易，而圆角段的弯曲成形较难，且窗口领圈一般为空间三维构型，使的弯曲成形过程更为复杂。因此，多段拼焊成形方式依然存在大量焊缝，极易对最终构件的承载能力和磁性能产生影响。
为了解决上述问题，本发明提供一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，来解决以往的窗口领圈加工质量和加工效率不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，达到提高窗口领圈加工质量和加工效率的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，包括以下内容：
反求设计初始矩形孔板坯的形状与尺寸；
将初始矩形孔板坯加热到设计温度；
将加热到设计温度的初始矩形孔板坯转移到加工模具的凹模上，压边圈下移对位于所述凹模上的初始矩形孔板坯区域加压使其形成领圈法兰面；
凸模下移并对位于所述凹模内的初始矩形孔板坯区域进行下压至设计位置后形成领圈法兰过渡面和领圈法兰边；
移开所述凸模和压边圈，所述初始矩形孔板坯形成初始窗口领圈；
对所述初始窗口领圈法兰面、领圈法兰过渡面和领圈法兰边加工到设计厚度后形成最终窗口领圈。
优选地，所述最终窗口领圈的厚度为5mm至80mm，所述最终窗口领圈为横截面为近L型的三维矩形环状零件，所述领圈法兰面为双曲面，所述最终窗口领圈的领圈法兰边的高度大于所述矩形孔板坯厚度的一倍至两倍。
优选地，所述初始矩形孔板坯的形状和尺寸的设计方法如下：根据所述最终窗口领圈展开形状将坯料形状设计为初始矩形孔板坯，所述初始矩形孔板坯的外轮廓尺寸在所述最终窗口领圈展开尺寸的基础上增加20mm至200mm余量；所述初始板坯的矩形孔尺寸应保证翻边后形成的所述最终窗口领圈的法兰边高度大于所述领圈法兰边厚度的一倍至两倍。
优选地，当所述领圈法兰边的设计高度超过所述矩形孔板坯的成形极限时，在所述矩形孔板坯成形之前，在矩形孔的四个边角位置均开设有止裂槽，所述止裂槽内部设置有镶块。
优选地，所述镶块采用冷压弯曲成形。
优选地，对边角位置开设有止裂槽的矩形孔板坯进行整体翻边成形后，利用开坡口的氩弧焊将所述镶块封焊在所述止裂槽内部。
优选地，利用等离子体切割或高压水射流切割或激光切割方法切割出初始矩形孔板坯，然后利用磨削或切削方式对初始矩形孔板坯的内、外边缘进行去除毛刺和硬化层。
优选地，利用电阻加热或者感应加热装置将初始矩形孔板坯加热到设计温度，当孔板坯为不锈钢板料时，加热温度不超过300℃，当孔板坯为高温合金材料时，加热温度保证孔板坯磁导率不超过1.05。
优选地，矩形孔板坯完成加热后，在5s内转移到凹模上，在10s内完成压边圈下压合模动作。
优选地，将所述凸模提前加热到90℃至300℃，然后再将凸模进行下压。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1.本发明通过窗口领圈的整体成形方式，相比传统锻造工艺可大幅降低材料切削量、提高材料利用率，相比传统拼焊成形工艺可大幅降低焊缝数量与焊接变形。此外，本发明在温热条件下整体成形出窗口领圈，成形过程不会对领圈的磁/力学性能产生影响，省去了通过后续热处理进行组织和性能调控的繁琐工序，适用于真空室窗口领圈的整体化、高效率、低成本批量生产。
2.本发明中初始矩形孔板坯的形状和尺寸的设计方法如下：根据所述最终窗口领圈展开形状将坯料形状设计为初始矩形孔板坯，所述初始矩形孔板坯的外轮廓尺寸在所述最终窗口领圈展开尺寸的基础上增加20mm至200mm余量；所述初始板坯的矩形孔尺寸应保证翻边后形成的所述最终窗口领圈的法兰边高度大于所述领圈法兰边厚度的一倍至两倍；在对初始矩形板坯进行设计时，采用反求法，通过对设计成形的最终窗口领圈进行反推并结合加工余量以及翻边过程中的损耗得出最优的初始矩形孔板坯的形状和尺寸，进而达到提高加工效率的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是本发明一种带高边法兰的曲面矩形窗口领圈成形方法流程图；
附图2是本发明窗口领圈三维图及其截面；
附图3是本发明将真空室窗口领圈进行坯料展开并增加余量之后获得的初始矩形孔板坯示意图；
附图4是本发明真空室窗口领圈翻边成形前示意图；
附图5是本发明真空室窗口领圈翻边成形过程压边圈下行与凹模完全闭合将初始板坯成形为曲面矩形孔板坯时的示意图；
附图6是本发明真空室窗口领圈翻边成形结束时刻示意图；
附图7是本发明四个角部位置开设止裂槽的初始矩形孔板坯；
附图8是本发明止裂槽初始板坯进行翻边成形后获得的窗口领圈示意图；
附图9是本发明翻边成形后将镶块封焊在领圈四个角部位置止裂槽内时的示意图。
其中，1、窗口领圈；1-1、领圈法兰面；1-2、领圈法兰过渡面；1-3、领圈法兰边；2、初始矩形孔板坯；2-1、止裂槽；3、凹模；4、压边圈；5、凸模；6、镶块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，达到提高窗口领圈加工质量和加工效率的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
参考图1至图6，一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，包括以下内容：反求设计初始矩形孔板坯2的形状与尺寸；将初始矩形孔板坯2加热到设计温度；将加热到设计温度的初始矩形孔板坯2转移到加工模具的凹模3上，压边圈4下移对位于所述凹模3上的初始矩形孔板坯2区域加压使其形成领圈法兰面；凸模5下移并对位于所述凹模3内的初始矩形孔板坯2区域进行下压至设计位置后形成领圈法兰过渡面1-2和领圈法兰边1-3；移开所述凸模5和压边圈4，所述初始矩形孔板坯2形成初始窗口领圈1；对所述领圈法兰面1-1、领圈法兰过渡面1-2和领圈法兰边1-3加工到设计厚度后形成最终窗口领圈1；本发明通过窗口领圈1的整体成形方式，相比传统锻造工艺可大幅降低材料切削量、提高材料利用率，相比传统拼焊成形工艺可大幅降低焊缝数量与焊接变形，此外，本发明在温热条件下整体成形出窗口领圈，成形过程不会对领圈的磁力学性能产生影响，省去了通过后续热处理进行组织和性能调控的繁琐工序，适用于真空室窗口领圈1的整体化、高效率、低成本批量生产。
进一步的，所述最终窗口领圈的厚度为5mm至80mm，所述最终窗口领圈为横截面为近L形的三维矩形环状零件，所述领圈法兰面1-1为双曲面，所述最终窗口领圈的领圈法兰边1-3的高度大于所述矩形孔板坯厚度的一倍至两倍。
进一步的，所述初始矩形孔板坯2的形状和尺寸的设计方法如下：根据所述最终窗口领圈展开形状将坯料形状设计为初始矩形孔板坯2，所述初始矩形孔板坯2的外轮廓尺寸在所述最终窗口领圈展开尺寸的基础上增加20mm至200mm余量；所述初始板坯的矩形孔尺寸应保证翻边后形成的所述最终窗口领圈的法兰边高度大于所述领圈法兰边1-3厚度的一倍至两倍；在对初始矩形板坯进行设计时，采用反求法，通过对设计成形的最终窗口领圈进行反推并结合加工余量以及翻边过程中的损耗得出最优的初始矩形孔板坯2的形状和尺寸，进而达到提高加工效率的目的。
进一步的，当所述窗口领圈加工完毕后，采用数控机床对所述窗口领圈的边角进行打磨处理。
进一步的，利用等离子体切割或高压水射流切割或激光切割方法切割出初始矩形孔板坯2，然后利用磨削或切削方式对初始矩形孔板坯2的内、外边缘进行去除毛刺和硬化层，去除深度达到壁厚的5％至15％即可。
进一步的，利用电阻加热或者感应加热装置将初始矩形孔板坯2加热到设计温度，当孔板坯为不锈钢板料时，加热温度不超过300℃，当孔板坯为高温合金材料时，加热温度保证孔板坯磁导率不超过1.05。
进一步的，矩形孔板坯完成加热后，在5s内转移到凹模上，在10s内完成压边圈下压合模动作。
进一步的，凹模与压边圈的型面为双曲面，其双曲面形状由领圈法兰面1-1的形状与初始矩形孔板坯2的回弹特性确定，分为如下两种情况：
当曲面矩形孔板坯成形后回弹较小，通过最终数控机床铣削去除余量后可以保证所述窗口领圈的领圈法兰面1-1满足设计形状与尺寸精度时，凹模与所述压边圈的型面形状与领圈法兰面1-1相同。
当曲面矩形孔板坯成形后回弹较大，通过最终数控机床铣削去除余量后依然无法保证领圈法兰面1-1的形状与尺寸精度要求时，必须对凹模3与压边圈的型面形状进行优化，从而对成形后窗口领圈法兰面的回弹进行补偿。
进一步的，将凸模5提前加热到90℃至300℃，然后再将凸模5进行下压；通常可以选择在凸模5内部插入电阻加热棒或者在凸模5周围设置感应加热线圈，对凸模5进行加热，需同时对凸模5的温度场进行实时监控。
凹模3的圆角半径大于或等于领圈法兰过渡面1-2的目标圆角半径，凹模3与压边圈的间隙为矩形孔板坯厚度的1.0倍至1.1倍，凸模与凹模3的单面间隙为矩形孔板坯厚度的0.75倍至1.05倍，凸模是椭圆形、圆锥形、球形、圆柱平底形中的一种。
实施例2：
参考图1至图2，图4至图9，当所述领圈法兰边的设计高度超过所述矩形孔板坯的成形极限时，在所述矩形孔板坯成形之前，在矩形孔的四个边角位置均开设有止裂槽2-1，所述止裂槽2-1内部设置有镶块6。其它步骤与实施例1相同。
进一步的，止裂槽2-1的形状通常设计为U形。
进一步的，所述镶块6采用冷压弯曲成形。
进一步的，对边角位置开设有止裂槽2-1的矩形孔板坯进行整体翻边成形后，利用开坡口的氩弧焊将所述镶块6封焊在所述止裂槽2-1内部。
实施例3：
初始矩形孔板坯2利用专用的刚性多点模具、刚性整体模具或刚-弹性复合模具提前进行预成形；然后将预成形好的曲面矩形孔板坯进行加热，加热到目标温度后在5s内迅速转移到凹模3上，然后在3s内利用所述压边圈将所述曲面矩形孔板坯压紧在所述凹模3上；利用预热好的凸模进行翻边成形。其它步骤与实施例1相同。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，包括以下内容：
反求设计初始矩形孔板坯的形状与尺寸；
将初始矩形孔板坯加热到设计温度；
将加热到设计温度的初始矩形孔板坯转移到加工模具的凹模上，压边圈下移对位于所述凹模上的初始矩形孔板坯区域加压使其形成领圈法兰面；
凸模下移并对位于所述凹模内的初始矩形孔板坯区域进行下压至设计位置后形成领圈法兰过渡面和领圈法兰边；
移开所述凸模和压边圈，所述初始矩形孔板坯形成初始窗口领圈；
对所述领圈法兰面、领圈法兰过渡面和领圈法兰边加工到设计厚度后形成最终窗口领圈。
2.根据权利要求1所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，所述最终窗口领圈的厚度为5mm至80mm，所述最终窗口领圈为横截面为近L形的三维矩形环状零件，所述领圈法兰面为双曲面，所述最终窗口领圈的领圈法兰边的高度大于所述矩形孔板坯厚度的一倍至两倍。
3.根据权利要求2所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，所述初始矩形孔板坯的形状和尺寸的设计方法如下：根据所述最终窗口领圈展开形状将坯料形状设计为初始矩形孔板坯，所述初始矩形孔板坯的外轮廓尺寸在所述最终窗口领圈展开尺寸的基础上增加20mm至200mm余量；所述初始板坯的矩形孔尺寸应保证翻边后形成的所述最终窗口领圈的法兰边高度大于所述领圈法兰边厚度的一倍至两倍。
4.根据权利要求3所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，当所述领圈法兰边的设计高度超过所述矩形孔板坯的成形极限时，在所述矩形孔板坯成形之前，在矩形孔的四个边角位置均开设有止裂槽，所述止裂槽内部设置有镶块。
5.根据权利要求4所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，所述镶块采用冷压弯曲成形。
6.根据权利要求2所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，对边角位置开设有止裂槽的矩形孔板坯进行整体翻边成形后，利用开坡口的氩弧焊将所述镶块封焊在所述止裂槽内部。
7.根据权利要求1所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，利用等离子体切割或高压水射流切割或激光切割方法切割出初始矩形孔板坯，然后利用磨削或切削方式对初始矩形孔板坯的内、外边缘进行去除毛刺和硬化层。
8.根据权利要求1所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，利用电阻加热或者感应加热装置将初始矩形孔板坯加热到设计温度，当孔板坯为不锈钢板料时，加热温度不超过300℃，当孔板坯为高温合金材料时，加热温度保证孔板坯磁导率不超过1.05。
9.根据权利要求1所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，矩形孔板坯完成加热后，在5s内转移到凹模上，在10s内完成压边圈下压合模动作。
10.根据权利要求1所述的一种带高边法兰的曲面窗口领圈整体成形方法，其特征在于，将所述凸模提前加热到90℃至300℃，然后再将凸模进行下压。
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2023
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