CN1714994A - 高精度薄壁金属球的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度薄壁金属球的制作方法，在金属板材上划线裁料、组对焊接成壳体，然后向壳体内充入液体介质，在内压作用下使壳体塑性变形进行趋球变形成球体，其特征在于将板材裁成正多边形，壳体为由边长相等的12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体。从球变开始到球变后泄压排液，壳体始终沉没在液体中，泄压排液在正压下进行。本发明能够制作高精度的薄壁金属球，其操作简单，劳动强度小，劳动条件好，材料利用率高，制作成本低。本发明方法用于制作厚径比在1－3/1000的不锈钢、黄铜及低碳钢材质的高精度薄壁金属球，用于制作单层薄壁金属地球仪壳体、各种雕塑及其它要求高精度薄壁球的场合。

Description

高精度薄壁金属球的制作方法

技术领域

本发明涉及一种改进的薄壁金属球的制作方法。

背景技术

当今雕塑中的金属薄壁球、低压水罐及粉料罐等常用球体容器，不外乎以下几种制作方法：

方法一、使用塑性金属材料不锈钢、碳钢及退火黄铜等作成数目不等的“橘瓣皮”(或再加两快“球冠皮”)先排列组焊成半球壳，再由两个半球壳组焊而成整球。它的制造工艺过程步骤一般是：(1)用适用于某一球径的弧线样板在板材上划(弧)线；(2)按线切割下料；(3)借助于某一个固定(球面)曲率的模具，在压力机上压制成“橘瓣皮”毛坯片；(4)修正毛坯片的(球面)曲率；(5)弧线样板对毛坯片的边沿进行二次划线；(6)沿线割除毛边；(7)组对焊接成半球；(8)修正半球；(9)两半球组成整球；(10)修整矫形；(11)球面处理。

方法二、直径较小者的制造工艺过程步骤一般是：(1)在板料上画线；(2)按划线切割下料；(3)将板料拼焊成圆形胚料；(4)在压力机上将圆形胚料压制成半球(毛坯片)；(5)对半球毛坯片的边沿进行二次划线；(6)沿线切割半球毛坯片的毛边；(7)修正半球的球面曲率；(8)两半球组成整球；(9)修整矫形；(10)球面处理。

方法三、采用金属无模爆炸技术：首先将金属板料经计算分别下料，先卷制一节圆柱体，再由若干扇形料组成所需的锥台体，依次组成封闭的单曲率壳体，然后向壳体内充入液体介质，并在其中植入炸药，在爆炸力压作用下壳体产生塑性变形，壳体成为双曲率球形壳体。

方法四、采用整体液压涨型工艺，预先组焊成一个封闭的单曲率壳体(如由若干单曲率“橘瓣片”组成)然后向壳体内充入液体介质，在内压作用下壳体产生塑性变形，壳体成为双曲率球形壳体。

以上制作金属球球壳的工艺方法缺点是：

对于第一、第二种方法而言：

(1)投资多。成型的压力机投资多，模具需要量大，制作一种球径的“橘瓣片”或半球就需要一套模具；

(2)费工多。所有工序几乎全部为制作球面或球面弧线，手工操作难度大，费工多。

(3)球面质量差。由于加工“橘瓣片”时材料回弹，难以保证曲率的一直，压制后必须经过人工锤击修正，千锤百痕的局部凹凸难以避免或消除，加上焊缝分布不均匀，最后组焊“赤道焊缝”整体成球后，因焊接变形引起的棱角、不圆滑以及不圆度等重要质量指标，均难以修复。

(4)材料利用率低。下料和切边均为“弓对弓”“背靠背“的弧线，下脚料难以回用，材料利用率低，仅有80％左右。

(5)方法一的“南、北极”处焊缝过分集中。

(6)规格受限。在球壳的规格尺寸上受到模具规格的严格制约。

(7)劳动条件差。敲击噪音大，劳动条件极差。

对于第三种方法而言：

(1)材料利用率低，也仅有80％左右。

(2)由于锥台体在受力状态下其应力(应变)与其它部位不同，圆度和直径的精度难于精确控制。

对于第四种方法而言：

(1)材料利用率低，也仅有80％左右。

(2)与方法1相同，“南、北极”处焊缝过分集中，难以保证球面的圆度和光洁度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的薄壁金属球的制作方法，能够制作高精度的薄壁金属球，而且操作简单，劳动强度小，劳动条件好，材料利用率高，制作成本低。

本发明所述的高精度薄壁金属球的制作方法，在金属板材上划线裁料、组对焊接成壳体，然后向壳体内充入液体介质，在内压作用下使壳体塑性变形进行趋球变形成球体，其特征在于将板材裁成正多边形；其中正多边形为正六边形和正五边形。

本发明利用了以下原理：

理论根据：数学中的欧拉(Euler’s theore，1707--1783)多面体定理指出：设任一多面体的顶点数为V，棱数为E，面数为F(下同)，如果它能满足V-E+F＝2(亦即凸多面体)，将此多面体中充入流体介质，施加内压，则此多面体即可变成球形，称欧拉定理。

本发明就是根据欧拉定理，将同材质又等厚度的塑性金属薄板料裁成多边形的“面”，再将这些“面”组焊成满足欧拉定理的多面体，并在“体”内加压使多面体的表面变成球面的技术。

对比多面体和球体的几何形状可见：由多面体受内压而变为球形的过程(以下称“球变”)中，组成多面体的“面”，以及“面”上的“线”的变形量，因多面体的“面”的数量的多少和形状的不同而异。在为得到相同直径球壳情况下，组成多面体的“面”的数目越多，各面、棱和点的中心对称性越强，“球变”过程中其塑性变形量越小，“球变”越容易，反之依然。在同一个多面体上，越远离其中心的点，“球变”的过程中的位移越小，反之依然。欧拉多面体定理，是未考虑材料塑性的。实际上，对于塑性金属材料而言，如常用的不锈钢、低碳钢、铜材或铝材，由于其塑性所限，并非所有满足欧拉定理的多面体都能通过施加内压成球。实践证明，所有的柏拉图多面体虽然满足欧拉定理的条件，但在成球的过程中由于“棱”和“面”的塑性变形量过大而开裂，难以成球。反之，当组成多面体的“面”数过多，组对焊接的工作量过大，也不宜采用。因此，采用多面体形式的原则是在材料及其焊接接头的塑性能满足“球变”的前提下，应尽量减少多面体的“面”、“棱”和“顶点”的数量。

本发明是采用数学上所谓的阿基米德多面体中截顶二十面体，即在正二十面体的棱长的三分之一处截顶，得到由边长相等的12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体，如此，F＝32，V＝60，E＝90，满足欧拉定理V-E+F＝2的条件。

该多面体就是足球图案。其“面”的图形简单且组合规律性强，所有“顶点”共球面，每个定点均为3条棱的交点，组焊后的焊缝分布均匀。施加内压，“球变”过程自始至终，所有“顶点”之间及各“顶点”离中心的距离(即球半径R)不变，其余各点均趋于与顶点共球面。多面体上的直线，延伸率最小者0.69％(32面体的“棱”)，最大者4.4％(正六边形的高)。实验证明，这种“球变”对不锈钢、退火黄铜和低碳钢材料及其焊接接头的塑性来讲，成品率可达100％。

为了方便、准确地进行制作，可按照下列关系式进行计算，设要制作的球的外直径为D，多边形的边长为b，则b＝sinll.64°D＝0.2018 D，据此关系式，可准确地制作出任意直径的球体。同样，根据要制作的球体的直径，可准确计算出多边形的边长，可准确下料。

为了提高材料的利用率，在金属板材上的下料采用拼料套裁的办法，排版方式是：正六边形按蜂巢图案排列，正五边形按数学中的“黄金律”排列，通过直线焊缝拼接，材料利用率接近100％。

在球变前的多面体的相应位置(多面体的中心对称面，即对应于成球后的球壳的大圆部位)上设置用钢丝制作的’大圆定量尺”，使“球变”结束时尽量接近”大圆定量尺”上的预设长度标记。通过控制球壳大圆周长值的方法来控制直径，其直径精度是大圆周长的精度的3倍以上。大圆定量尺的经验公式为：L＝π(D+d)(1+k)

式中  L--大圆定量尺上的预设长度标记值(mm)；

      D--要求的球壳外直径(mm)；

      d--大圆量尺的钢丝直径(mm)；

      k--球壳泄压后的回弹系数，因材质的屈服强度而异，取值

      0.15-0.2％。

球体的容积与其直径成三次方的关系。制造直径较大的球壳，其厚径比(壁厚与直径之比)小到一定程度(如小于1/1000)时，泄压后体内水的重量足以以引起球壳发生水银珠状的变形。为此本发明运用阿基米德原理，采用将充满液体的多面体壳体从球变开始到球变后泄压排液，壳体始终全部沉没于液体(如水)中进行打压和泄压的方法，以消除水的自重对球壳圆度的影响，从而制作出高精度球壳。

根据所用材料的强度和厚度，预先计算内胀成球过程中所需的水压，按表压值控制内胀过程。

为避免成球后排液时球内产生负压而将球壳抽瘪，本发明泄压排液在正压下进行，采用正压排水管排水。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

与通常的第一、二种方法制造薄壁球的方法相比，本发明投资少，工序简化，操作简单，劳动条件好，材料利用律高，球面质量高，打磨焊缝的余高后可以得到近于标准几何球面的薄壁球。

(1)投资少、成本低。所用的切割和焊接设备与其他方法相同，但所需的成型设备只需一台打压泵和一个水池，一池水反复循环使用。仅是第一、二种方法成型设备投资的10％左右；

(2)可制作任意大小的球壳。与通常的一、二种方法在球壳的规格尺寸上受到模具规格的严格制约相比，本发明中所要制作的球的直径与组成多面体的多边形的边长一一对应，可以制作球直径300mm以上任意大小的球壳而不受压力机和模具规格的制约。操作容易：与通常的方法全部是球面弧线操作相比，本发明所有的画线、切割、组装焊接等操作全部变为简化的直线操作。

(3)工序简化，节省工时，成功率高。与通常第一、二种方法的十几道步骤相比本发明只有五道步骤，依次是：画线、切割、组焊成多面体、内压一次成球和球面处理，工时减少60-70％，制作速度快，成功率100％。

(4)材料利用率高。其他方法下料和切边多为“弓对弓”、“背靠背“的弧线操作下脚料，难以回收利用。本发明的排版下料，使材料利用率接近100％，降低成本。

(5)球面质量高、精度高。帕斯卡定律指出：密闭容器内各点的液体压强相等。因此，在多面体内部，不同方向上的压力最终使多面体上各点共球面。利用大圆定量尺最终控制球壳的外径，球壳的直径和圆度误差可达小于0.5/1000，圆度几近几何球面，尺寸精度可达12级，而且球壳无须任何敲打整形，无锤痕，如经抛光，球面光可鉴人，质量远高于其它任何制球方法。

(6)劳动强度小，劳动条件好。直线焊接操作，无需敲击，无噪音，成形工序施行水压内胀操作，安全可靠，无任何环境污染。

本发明“球变”完成后的球壳是一个金属足球模型，原焊缝是足球的“缝线”，快速均匀地沿着焊缝中心线移动加热，焊缝在热应力的作用下向球壳内凹陷，凸现出12片正五边形和20片正五边形的形象，恰像一个打足了气的足球。同理，此方法成为制造各种体育运动球类金属模型的方法。

制作的不锈钢球壳表面经磨光处理后，可制造不锈钢风水球。

本发明方法用于制作厚径比在1-3/1000的不锈钢、黄铜及低碳钢材质的高精度薄壁金属球，用于制作单层薄壁金属地球仪壳体、各种雕塑及其它要求高精度薄壁球的场合。

附图说明

图1、截20面体-32面体的“面”展开示意图。

图2、边长为b的正六边形蜂巢式排板示意图。

图3-1、边长为b的正五边形按黄金律排板示意图。

图3-2、按黄金律排列边长为b的正五边形后的余料继续拼接成五边形的示意图。

图4、大圆定量尺示意图。

图5、内胀“球变”示意图。

图6、正压排水示意图。

图中：A、大圆定量尺 1、球变前多面体壳体 2、球变后球壳 3、水池 4、打压泵 5、潜水泵 6、密封垫 7、水位 8、排水管 9、进气口。

具体实施方式

下面结合实施例及上述附图对本发明作进一步说明。

本发明所述的高精度薄壁金属球的制作方法，以制造直径D为2米，厚度为1.5毫米的不锈钢薄壁球(厚径比为0.75/1000)为例：材料厚度为1.5毫米的SUS304不锈钢板。组成多面体的五边形和正六边形的边长均为0.2018D即404毫米。下料，对正六边形采用蜂巢式，对正五边形按黄金律排列方案。下料切割采用通常的等离子切割法。清理割口毛刺后，组对焊接成一具三十二面体的密闭容器。在多面体的任位置上开一小孔(直径25mm)，焊接相应的注水管和法兰。设置钢丝直径为1mm的大圆量尺A(预先计算出所要求的大圆量尺上的标记值6299mm，并将其标记于尺上)。将多面体浮于水池3水面，用打压水泵4将水池3中的水注入多面体壳体1内。水从“池”内转移到“体”内，多面体壳体1逐渐下沉，最终全部沉没于水中。待水注满，排净“体”内空气，开始打压。随着向“体”内注水量的增加，“体”积膨胀，压力升高。加压开始，先是多面体的弹性变形，压力成比例地增加。待“体”内的压力使“面”上的应力达到材料的屈服极限以后(此时表压0.8MPa左右)，虽继续打压注水，但“体”内的表压不再明显升高，多面体壳体1却继续“球变”膨胀，待多面体壳体1上所有的“点”全部共球面后(此时表压1.0MPa左右)变成球壳2，球壳2外直径周长达到大圆定量尺A上的预定标记值，“球变”完成。泄压排水，从进气口9打入压缩空气，在气压的作用下，球壳2内的水通过排水管8从球壳2内排入水池，球壳2逐渐上浮，池内水位仍然不变。最后，按要求进行球面处理获得金属球产品。

Claims (8)

1、一种高精度薄壁金属球的制作方法，在金属板材上划线裁料、组对焊接成壳体，然后向壳体内充入液体介质，在内压作用下使壳体塑性变形进行趋球变形成球体，其特征在于将板材裁成正多边形。

2、根据权利要求1所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于正多边形为正六边形和正五边形。

3、根据权利要求2所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于壳体为由边长相等的12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体。

4、根据权利要求3所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于球体的外直径与正多边形的边长间的关系符合：b＝0.2018D，其中b为正多边形的边长，D为要制作的球体的外直径。

5、根据权利要求4所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于正多边形在金属板材上拼料套裁。

6、根据权利要求1所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于设计大圆定量尺控制球变的球体外直径，关系式为L＝π(D+d)(1+k)，

式中：L-大圆定量尺上的预设长度标记值

      D-要求的球壳外直径

      d-大圆量尺的钢丝直径

      k--球壳泄压后的回弹系数，取值范围为0.15-0.2％。

7、根据权利要求1-6任一权利要求所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于从球变开始到球变后泄压排液，壳体始终沉没在液体中。

8、根据权利要求7所述的高精度薄壁金属球的制作方法，其特征在于泄压排液在正压下进行。

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