锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法

摘要

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法，它适用于核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形的工艺设计和制造过程。本发明采用解析法和有限元模拟相结合的方法开发了锥形筒体锻件成形过程预制坯、中间坯和最终锻件的尺寸关系式，给出了中间坯和预制坯的设计方法。本发明建立的锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法和设计公式适用于生产百万千瓦级核电锥形筒体、大型加氢反应器锥形筒体等重要部件，采用该方法设计的中间坯和预制坯生产锥形筒体锻件，能够很好地控制锻件的锥度，解决传统的锥形筒体锻件成形困难、加工尺寸精度不能保证的问题。

说明书

技术领域

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法，它适用于核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形的工艺设计和制造过程。

背景技术

锥形筒体是核电蒸发器和石化加氢反应器最重要的部件之一，锻件往往重达百余吨，直径超过5米，由于其特殊的服役环境，对锻件的组织和性能存在极高的要求，制造难度非常大，目前我国该类锻件绝大部分依赖进口，有时甚至花钱也买不到，严重制约了我国核电和石油化工行业的发展。

传统的锥形筒体锻件成形十分困难，扩孔过程中锻件锥度发生动态变化，成形过程难以控制，锻造过程控制不好就会使锻件锥度不合格，造成锻件报废，损失巨大。因此，常规做法是将锻件制成直筒，然后通过机械加工的方法获得锥形筒体。这样虽然比较保险，但增加了锻件的加工余量，造成了极大的浪费，同时需要更大的钢锭，给热加工上游钢锭的制造带来了困难。此外，将直筒加工成锥形筒体的过程将切断锻件固有的纤维流线，严重影响产品的组织性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法，解决传统的锥形筒体锻件成形困难、加工尺寸精度不能保证的问题，采用该方法设计的中间坯和预制坯生产锥形筒体锻件，能够很好地控制锻件的锥度，大大减少锥形筒体锻件的加工余量，减小后续冷加工的难度，缩短产品的生产周期。

本发明的技术方案是：

一种锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法，具体步骤如下：

1)采用解析法获得了由中间坯到最终锻件的扩孔过程中中间坯各部分尺寸的设计公式；

2)采用解析法获得了由预制坯到中间坯的扩孔过程中预制坯各部分尺寸的设计公式；

3)采用有限元模拟技术对上述解析法获得的公式进行了校核，获得了预制坯和中间坯的设计公式中的关键系数。

所述步骤1)中，采用解析法获得的由中间坯到最终锻件的扩孔过程中，中间坯各部分尺寸的设计公式为：

H₁＝H₂/k₂  (k₂≥1)

t₁＝δ·t₂

$R_1=\frac{t_1^2+k_2(2R_2{t}_2-t_2^2)}{2t_1}$

$r_1=\frac{t_1^2+k_2(2r_2{t}_2-t_2^2)}{2t_1}$

${\theta }_1\text{=arctan}(k_2^2·{\mathrm{tg\theta }}_2/\delta )$

其中，中间坯和最终锻件上的几何尺寸符号含义如下：

R₁为中间坯大端外径，r₁为中间坯小端外径，t₁为中间坯壁厚，H₁为中间坯高度，θ₁为中间坯锥度；R₂为最终锻件大端外径，r₂为最终锻件小端外径，t₂为最终锻件壁厚，H₂为最终锻件高度，θ₂为最终锻件锥度，k₂为由预制坯到中间坯的扩孔过程中锻件在高度上的增长率；角度单位为度，长度单位均为毫米。

所述步骤2)中，采用解析法获得的由预制坯到中间坯的扩孔过程中预制坯各部分尺寸的设计公式为：

t_0S＝t₁

r₀＝r₁

H₀＝H₁/k₁(k₁≥1)

$R_0=\sqrt{\frac{9}{4}{r}_0^2+3k_1{t}_{0S}{R}_1-3t_{0S}{r}_0(2-k_1)-3{t_{0S}}^2(k_1-1)}-\frac{r_0}{2}$

θ₀＝arctan[k₁(R₀-r₀)/H₁]

t_0B＝t_0S+H₀tanθ₀

其中，中间坯和预制坯上的几何尺寸符号含义如下：

R₀为预制坯大端外径，t_0B为预制坯大端壁厚，r₀为预制坯小端外径，t_0S为预制坯小端壁厚，H₀为预制坯高度，θ₀为预制坯锥度；R₁为中间坯大端外径，r₁为中间坯小端外径，t₁为中间坯壁厚，H₁为中间坯高度，θ₁为中间坯锥度，k₁为由中间坯到最终锻件的扩孔过程中锻件在高度上的增长率；角度单位为度，长度单位均为毫米。

所述步骤3)中，采用有限元模拟技术对上述解析法获得的公式进行了校核，获得了预制坯和中间坯的设计公式中的关键系数为：

当扩孔前存在关系式$\frac{r_0}{R_B}=1~2$和$\frac{t_{0B}}{t_2}=1.5~3.0$时，由中间坯到最终锻件的扩孔过程中锻件在高度上的增长率k₁＝1.0～1.2，由预制坯到中间坯的扩孔过程中锻件在高度上的增长率k₂＝1.0～1.1，k₁和k₂的取值随着马杠半径R_B和壁厚减薄率δ的变化而采用不同的取值，马杠半径越大、壁厚减薄率越大，k值的取值就越大。

本发明重点研究了锥形筒体扩孔过程中锻件尺寸的变化规律，开发了锥形筒体锻件成形过程预制坯、中间坯和最终锻件的尺寸关系式，以及中间坯和预制坯的设计方法，其主要内容包括：

1)采用解析法获得了由中间坯到最终锻件的扩孔过程中中间坯各部分尺寸的设计公式。

2)采用解析法获得了由预制坯到最中间坯的扩孔过程中预制坯各部分尺寸的设计公式。

3)采用有限元模拟技术对解析公式进行了校核，获得了预制坯和中间坯的设计公式中的关键系数。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用数值模拟技术确定了一种核电和加氢反应器锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法，采用该方法设计的中间坯和预制坯生产锥形筒体锻件，能够很好地控制锻件的锥度，大大减少锥形筒体锻件的加工余量，减小后续冷加工的难度，缩短产品的生产周期。

2、采用解析法和有限元模拟相结合的方法设计中间坯和预制坯的尺寸和扩孔过程的锻压工艺，减少了试验次数，降低了研究费用。可以根据设计公式准确地设计中间坯和预制坯的形状和各部分尺寸，确保生产出高质量的锥形筒体锻件。

3、本发明建立的锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法和设计公式适用于生产百万千瓦级核电锥形筒体、大型加氢反应器锥形筒体等重要部件，生产新型号锥形筒体锻件时，只须根据锻件图纸即可设计出预成形毛坯形状尺寸，以及扩孔过程的锻造工艺，可大大减少设计时间，降低研制费用，缩短产品生产周期。

附图说明

图1a-i为锥形筒体锻件锻造流程示意图，其中：

图1a为钢锭形态示意图。

图1b为钢锭拔长过程示意图。

图1c为坯料镦粗过程示意图。

图1d为坯料冲孔过程示意图。

图1e-1和图1e-2为将坯料使用芯棒拔长为具有一定锥度的形态过程示意图，图1e-1为左视图，图1e-2为主视图。

图1f为将坯料放置在马杠上，将壁厚压均匀过程示意图。

图1g为使用马杠扩孔过程示意图。

图1h为使用马杠扩孔至最终尺寸示意图。

图1i为锥形筒体锻件最终形态示意图。

图2为由预制坯到中间坯的扩孔前后锻件几何特征示意图。中心线左侧为扩孔前的预制坯状态，对应附图1f的状态；中心线右侧为扩孔后的中间坯状态，对应附图1g的状态。

图3为由中间坯到最终锻件的扩孔前后锻件几何特征示意图。中心线左侧为扩孔前的中间坯状态，，对应附图1g的状态；中心线右侧为扩孔后的最终锻件状态，对应附图1h的状态。

图4为采用本发明进行有限元模拟获得的预制坯形态(图4a)、中间坯形态(图4b)和最终锻件形态(图4c)示意图。

图中，1-钢锭；2-坯料；3-上平砧；4-下平砧；5-镦粗帽；6-镦粗盘；7-漏盘；8-冲子；9-芯棒；10-V型砧；11-马杠。

图中各尺寸符号的含义：R₀为预制坯大端外径，t_0B为预制坯大端壁厚，r₀为预制坯小端外径，t_0S为预制坯小端壁厚，H₀为预制坯高度，θ₀为预制坯锥度；R₁为中间坯大端外径，r₁为中间坯小端外径，t₁为中间坯壁厚，H₁为中间坯高度，θ₁为中间坯锥度；R₂为最终锻件大端外径，r₂为最终锻件小端外径，t₂为最终锻件壁厚，H₂为最终锻件高度，θ₂为最终锻件锥度。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明，本发明中除角度单位为度以外，其他长度单位均为毫米。

如附图1a-i所示，锥形筒体锻件的锻造流程为：

(1)将钢锭1加热到指定温度，如附图1a所示；

(2)将钢锭1拔长为圆柱体形状的坯料2，置于上平砧3和下平砧4之间，如附图1b所示；

(3)将坯料2放在镦粗帽5和镦粗盘6之间，镦粗到指定高度，如附图1c所示；

(4)将坯料2放在漏盘7与上平砧3之间，在坯料2中心使用空心冲子8冲孔，如附图1d所示；

(5)将芯棒9插入到坯料2中心的孔内，使用上平砧3和下V形砧10将坯料2拔长为一端大一端小的圆台结构，并满足指定的尺寸要求，如附图1e-1和1e-2所示；

(6)使用马杠11插入到坯料2中心的孔内，放置到马架上，用上平砧3将坯料2壁厚压均匀，如附图1f-1g所示；

(7)使用上平砧3和马杠11扩孔，使坯料2壁厚减小，直径增大，直到坯料2大端和小端直径以及壁厚均满足工艺尺寸要求，如附图1h所示。

在上述流程中，对应步骤(6)变形前的毛坯称为预制坯，对应步骤(6)变形后的毛坯或步骤(7)变形前的毛坯称为中间坯，对应步骤(7)变形后的毛坯称为最终锻件。圆台结构直径较大的一端称为大端，直径较小的一端称为小端。

在上述流程中，(1)-(5)步属于常规操作，比较简单，通过经验即可控制锻件尺寸。而对于步骤(6)将坯料壁厚压均匀的过程将使锻件的变形量从大端向小端逐渐减小，大端直径的变化量大于小端，锻件锥度因此逐渐增大，锥度发生动态变化，壁厚均匀时锻件的各部分尺寸和锥度通过常规经验无法预测，这给后续的马杠扩孔带来困难；对于步骤(7)使用上平砧和马杠扩孔，使坯料壁厚减小，直径增大，直到坯料大端和小端直径以及壁厚均满足工艺尺寸要求的过程，由于大端初始周长比小端初始周长大，因此壁厚减小相同的量，将使大端直径的增加量大于小端，锻件的锥度因此随着壁厚的减小而逐渐增大，锥度的变化和最终锻件的各部分尺寸通过经验无法预测，设计不当将导致最终锻件的尺寸和锥度不合格，造成锻件报废。

本发明重点研究了在上述步骤(6)和步骤(7)过程中锻件尺寸的变化规律，开发了锥形筒体锻件成形过程预制坯、中间坯和最终锻件的尺寸关系式，以及中间坯和预制坯的设计方法。本发明以最终锻件的几何特征为基础，反推出中间坯的几何尺寸公式，以及预制坯的几何尺寸公式，其中，R₀为预制坯大端外径，t_0B为预制坯大端壁厚，r₀为预制坯小端外径，t_0S为预制坯小端壁厚，H₀为预制坯高度，θ₀为预制坯锥度；R₁为中间坯大端外径，r₁为中间坯小端外径，t₁为中间坯壁厚，H₁为中间坯高度，θ₁为中间坯锥度；R₂为最终锻件大端外径，r₂为最终锻件小端外径，t₂为最终锻件壁厚，H₂为最终锻件高度，θ₂为最终锻件锥度。

具体步骤如下：

1)采用解析法获得了由中间坯到最终锻件的扩孔过程中，中间坯尺寸的设计公式，对应锻造流程中的步骤(7)。采用解析法推导了由中间坯到最终锻件的扩孔过程中的尺寸关系式，如图3所示。

采用解析法推导中间坯尺寸设计公式的过程如下：

根据变形前后锻件体积不变：

$\pi {R_1}^2{H}_1-\pi {(R_1-t_1)}^2{H}_1=\pi R_2^2{H}_2-\pi {(R_2-t_2)}^2{H}_2---\left(1\right)$

$\pi {r_1}^2{H}_1-\pi {(r_1-t_1)}^2{H}_1=\pi r_2^2{H}_2-\pi {(r_2-t_2)}^2{H}_2---\left(2\right)$

假设扩孔前后锥形筒体高度满足：

H₂＝k₂H₁(k₂≥1)                                        (3)

即：

H₁＝H₂/k₂(k₂≥1)                                       (4)

等式(1)展开，并联合等式(3)可得：

$2R_1{t}_1-{t_1}^2=k_2(2R_2{t}_2-t_2^2)---\left(5\right)$

$R_1=\frac{t_1^2+k_2(2R_2{t}_2-t_2^2)}{2t_1}---\left(6\right)$

同理由等式2)可得：

$2r_1{t}_1-{t_1}^2=k_2(2r_2{t}_2-t_2^2)---\left(7\right)$

$r_1=\frac{t_1^2+k_2(2r_2{t}_2-t_2^2)}{2t_1}---\left(8\right)$

由等式(5)和(7)相减并整理得：

(R₁-r₁)t₁＝k₂(R₂-r₂)t₂                                        (9)

联合等式(3)和(10)可得：

$\frac{(R_1-r_1)t_1}{H_1}=\frac{k_2(R_2-r_2)t_2}{H_2/k_2}---\left(10\right)$

结合$\frac{R_1-r_1}{H_1}=\mathrm{tg}{\theta }_1$和$\frac{R_2-r_2}{H_2}=\mathrm{tg}{\theta }_2,$由等式(10)可得出：

$\mathrm{tg}{\theta }_1·t_1=k_2^2·\mathrm{tg}{\theta }_2·t_2---\left(11\right)$

扩孔前后锻件小端壁厚的减薄率(即锻比)δ定义为：

$\delta =\frac{t_1}{t_2}---\left(12\right)$

结合式(11)和(12)可得：

${\theta }_1\text{=arctan}(k_2^2·{\mathrm{tg\theta }}_2/\delta )---\left(13\right)$

2)采用解析法获得了由预制坯到中间坯的扩孔过程中预制坯尺寸的设计公式，对应锻造流程中的步骤(6)。

采用解析法推导了由预制坯到中间坯的扩孔过程中的尺寸关系式，如图2所示。

采用解析法推导预制坯尺寸设计公式的过程如下：

根据变形前后锻件体积不变：

$\frac{1}{3}\pi (R_0^2+R_0·r_0+r_0^2)H_0-\pi {(r_0-t_0^S)}^2{H}_0=\frac{1}{3}\pi (R_1^2+R_1·r_1+r_1^2)H_1-$

$\frac{1}{3}\pi ({(R_1-t_1)}^2+(R_1-t_1)·(r_1-t_1)+{(r_1-t_1)}^2)H_1---\left(14\right)$

假设将壁厚锻压至均匀过程中，锻件小端半径和壁厚保持不变，即

t_0S＝t₁                                                       (15)

和

r₀＝r₁                                                        (16)

扩孔前、后锻件高度存在关系式：

H₁＝k₁H₀(k₁≥1)                                               (17)

即：

H₀＝H₁/k₁(k₁≥1)                                              (18)

化简(14)式，求解R₀可得：

$R_0=\sqrt{\frac{9}{4}{r}_0^2+3k_1{t}_{0S}{R}_1-3t_{0S}{r}_0(2-k_1)-3{t_{0S}}^2(k_1-1)}-\frac{r_0}{2}---\left(19\right)$

结合$\frac{R_0-r_0}{H_0}=\mathrm{tg}{\theta }_0$和式(17)，得出：

θ₀＝arctan[k₁(R₀-r₀)/H₁]                                     (20)

扩孔前大端壁厚可表达为：

t_0B＝t_0S+H₀tanθ₀                                             (21)

3)图4a～c所示为采用本发明进行有限元模拟获得的预制坯形态(图4a)、中间坯形态(图4b)和最终锻件形态(图4c)示意图，有限元模拟结果显示，在每一砧压下的过程中，坯料在轴向和径向均有延展。根据大量有限元回归结果，当扩孔前存在关系式$\frac{r_0}{R_B}=1~2$和$\frac{t_{0B}}{t_2}=1.5-3.0$时，由中间坯到最终锻件的扩孔过程中锻件在高度上的增长率k₁＝1.0～1.2，由预制坯到中间坯的扩孔过程中锻件在高度上的增长率k₂＝1.0～1.1，k₁和k₂的取值随着马杠半径R_B和壁厚减薄率(即锻比)δ的变化而采用不同的取值，马杠半径越大、壁厚减薄率越大，k值的取值就越大。

本发明中，有限元模拟为常规技术，请参见文献[1]：庄茁等编著；ABAQUS非线性有限元分析与实例；2005-3-1；科学出版社；ISBN：7030150880。

综上所述，式(4)、(6)、(8)、(13)、(15)、(16)、(18)、(19)、(20)、(21)给出了锥形筒体的最终尺寸与毛坯初始尺寸的关系。进行工艺设计时，锻件的尺寸一般由零件尺寸加一定量的加工余量得到，因此可以认为R₂，r₂，r₂，H₂，θ₂，θ₂是已知的，锻比δ一般在1.5～3之间，k₁和k₂根据有限元回归结果可分别取为k₁＝1.0～1.2和k₂＝1.0～1.1。因此，根据以上公式即可方便求出中间坯和预制坯的初始尺寸。

实施例

本实施例的锻造零件为某型号核电蒸发器锥形筒体的中试锻件，要求最终锻件大端内径r₂＝815mm，外径R₂＝1000mm，壁厚t₂＝185mm，高度H₂＝1350mm，锥度θ₂＝11.1°。取k₁＝1.07，k₂＝1.05，δ＝1.65。

由中间坯到最终锻件的扩孔过程中，由公式(4)可得：

H₁＝H₂/k₂＝1350/1.05＝1286mm

由公式(12)得：

t₁＝δ·t₂＝1.65×185＝305mm

由公式(6)得：

$R_1=\frac{t_1^2+k_2(2R_2{t}_2-t_2^2)}{{2t}_1}=\frac{{305}^2+1.05\times (2\times 1000\times 185-{185}^2)}{2\times 305}=730\mathrm{mm}$

由公式(8)得：

$r_1=\frac{t_1^2+k_2(2r_2{t}_2-t_2^2)}{{2t}_1}=\frac{{305}^2+1.05\times (2\times 815\times 185-{185}^2)}{2\times 305}=613\mathrm{mm}$

由公式(13)得：

由预制坯到中间坯的扩孔过程中，由公式(15)可得：

t_0S＝t₁＝305mm

由公式(16)可得：

r₀＝r₁＝613mm

由公式(18)可得：

H₀＝H₁/k₁＝1286/1.07＝1202mm

由公式(19)可得：

$R_0=\sqrt{\frac{9}{4}{r}_0^2+3k_1{t}_{0S}{R}_1-3t_{0S}{r}_0(2-k_1)-3{t_{0S}}^2(k_1-1)}-\frac{r_0}{2}$

$=\sqrt{\frac{9}{4}\times {163}^2+3\times 1.07\times 305\times 730-3\times 305\times 613\times (2-1.07)-3\times {305}^2(1.07-1)}-\frac{613}{2}$

$=703\mathrm{mm}$

由公式(20)可得：

θ₀＝arctan[k₁(R₀-r₀)H₁]＝arctan[1.07×(703-613)/1286]＝4.3°

由公式(21)可得：

t_0B＝t_0S+H₀tanθ₀＝3050+1202×tan4.3＝395mm

采用以上计算得到的尺寸设计中间坯和预制坯，首先进行了计算机模拟验证，图4a～c所示为采用有限元模拟获得的预制坯形态(图4a)、中间坯形态(图4b)和最终锻件形态(图4c)示意图。随后进行了实际锻造操作，采用本发明获得了预制坯锻件、中间坯锻件和最终锻件。锻造结束后进行尺寸测量，锻件所有尺寸均达到预期要求，并且加工余量十分均匀，有效地提高了材料的利用率，降低了制造成本。

实施例结果表明，本发明建立的锥形筒体锻件成形过程中间坯和预制坯的设计方法和设计公式适用于生产百万千瓦级核电锥形筒体、大型加氢反应器锥形筒体等重要部件，采用该方法设计的中间坯和预制坯生产锥形筒体锻件，能够很好地控制锻件的锥度，大大减少锥形筒体锻件的加工余量，减小后续冷加工的难度，缩短产品的生产周期。