大型錐形筒體余量控制研究

□季正進

上海重型機器廠有限公司　上?！?00245

大型錐形筒體余量控制研究

□季正進

上海重型機器廠有限公司上海200245

錐形筒體成形的關鍵在于制坯，坯料的好壞直接影響最后的完工尺寸，因此，采用合理的制坯方式及掌握有關參數很重要。通過借鑒、比較國內外知名廠家生產錐形筒體的成形方案，研究成形機制，對大型錐形筒體的余量控制提出一些想法。

隨著核電技術向二代加、三代AP1000等發展，核電設備趨于大型化，承壓設備部件的制造難度也有所增大［1］。例如，核島部分蒸汽發生器的接管段和主殼體之間有一段過渡鍛件，大端外徑達5600mm，小端外徑為4400mm，呈錐臺形，等壁厚約160mm，制造過程相當難。

出于技術保密的考慮，目前國內外可直接借鑒用于制造大規格錐形體的成形經驗還不多，需要企業自身進行研發和工藝優化。筆者著重探討制坯時的余量檢測問題。

1　國內外可借鑒的制坯經驗

1.1日本室蘭20世紀80年代的制坯經驗

根據某專家當年在室蘭的現場實錄，室蘭工廠用140 t鋼錠鍛造［2］，通過5火次成形（火次是指坯料進爐子加熱的次數），制坯如圖1所示。

圖1　日本室蘭的制坯

室蘭的工藝過程為：熱送鋼錠經氣割兩頭落料后，再進行鐓粗、沖孔、擴孔至內孔φ1 850 mm，然后用φ1 800 mm芯棒拔底部端小錐段，再平整、擴孔成形，如圖2所示，完工后的工件內外徑單面余量為22 mm左右，臂厚為255 mm。

圖2　完工圖

1.2國內A公司的制坯經驗

A公司采用的是拔錐形坯的思路。通過先期計算機有限元模擬，設置好錐體大、小端面的大致尺寸，然后用專用工裝擴孔成形。這樣做的特點是預制坯大、小兩端余量不一，需要用專用工裝成形，如圖3、圖4所示。

圖3　A公司預制坯

圖4　使用專用工裝成形

圖3中，R0為大端面初始半徑，r0為小端面初始半徑，H0為初始高度，tos為小端面初始壁厚，tob為大端面初始壁厚，θ0為初始角度。

1.3 國內B公司的制坯經驗

B公司采用階梯制坯擴孔鍛造成形法，通過計算機模擬，確定相應的階梯系數、階梯直徑。如圖5所示，t1=t2=t3，通過體積不變原理可求得L1、L2、L3、L4。

圖5　B公司制坯

1.4國內S公司的制坯經驗

2005年，S公司對某加氫壓力容器錐形鍛件進行攻關，用兩個80 t雙真空錠進行了錐體鍛造試制。試制的兩個鍛件分別采用兩種成形方案，一個采用制錐形坯法，另一個采用制階梯坯法，最終取得了理想的坯料。

根據錐形筒體的特點，S公司通常進行的鍛造工藝為：先對鋼錠進行壓拔，再進行鐓粗、拔長、開坯，然后進行鐓粗、沖孔，經平擴增加擴孔比后由拔長芯棒進行拔出預制坯（階梯坯），最后用擴孔芯棒擴孔完工。

2　不同坯形比較、優劣及經濟性分析［4］

2.1帶直段錐形坯

借鑒日本室蘭20世紀80年代的制造經驗及S廠運用室蘭思路進行試制得出的經驗，認為當采用帶直段錐形坯（如圖1所示）制坯方案時，存在錐體部分不太好控制斜度的情況。由于受到過程檢測手段的限制，對中間過程鍛件的外形尺寸控制也存在諸多不便，但其錐體前的直段卻能在一定程度上起到限制砧下表面金屬軸向流動的作用。

2.2國內A公司整體錐形坯

A公司所制的預制坯整體呈錐形，大端面與小端面余量不一致，大端面壁厚大于小端面的壁厚。通過計算機模擬，分別確定大、小端對軸向伸長量的影響，并在制坯時進行工藝參數補償。

缺點：①任何坯料在塑性狀況下施壓時都存在趨圓性，因此錐體兩端面帶圓弧頭的設計易增強兩端料軸向流動的趨勢，從而影響直徑方向上的走料；②錐體坯拔長操作及尺寸測量存在共性問題，即不便于過程控制和測量。

優點：利用專用工裝最終成形可使鍛件工藝性余塊減少，從而節省了冷加工工時，縮短了加工周期，降低了生產成本，在一定程度上保護了鍛件固有金屬流線不為機械加工所切斷，提高了鍛件組織性能。

2.3國內B公司階梯制坯

在制坯時，B公司專家認為錐形筒體坯料的外圓輪廓是由一段二次拋物線繞軸旋轉一周而圍成的回轉體［5］?；剞D體的拋物線輪廓結構在實際操作中很難實現，在實際操作中可對其進行簡化處理，將回轉體的拋物線輪廓看作由無數個臺階輪廓組合而成。在生產中，用階梯狀外形結構的坯料代替拋物線輪廓坯料，階梯坯料的臺階數量和尺寸應根據鍛件尺寸、錐度和臺階直徑差的大小來選取，當直徑差很大而長度不長時，應選擇用多階梯坯料［6］。

2.4國內S公司制坯

從基本成形原理看，坯料在擴孔時，上砧與坯料的凸出部分首先接觸，金屬沿徑向延伸，內外徑增大，此時沒有同砧接觸的坯料因金屬整體性也會沿直徑方向延伸，但延伸量很小，這部分坯料在長度方向上的延伸與在徑向上的形變不均勻，從而使坯料成錐形。

S公司階梯制坯的思路很大程度上受到了日本室蘭工廠直段錐形坯設計經驗的影響，認為錐形坯料中的直段對金屬軸向流動的限制作用不容忽視。

在體積成形中，最小阻力定律［7］可以用來分析各種工序的金屬流動，并通過調整某個方向的流動阻力來改變某些方向上的金屬流動量，以便合理成形，消除缺陷。根據最小阻力定律［8］，在塑性變形過程中，如果金屬質點有向幾個方向移動的可能，則金屬各質點將向阻力最小的方向移動。變形體內的質點在垂直于外力方向位移時，實際發生在到斷面周界的最短法線方向上，即最短法線方向上的摩擦阻力最小。

圖6　中間坯與最終鍛件對比

由于對錐體施壓過程中金屬質點在端部存在向軸向流動多于向徑向流動的現象，為達到限制坯料金屬質點向軸向位移大、徑向位移小的目的，在制坯時特意采用直段代替斜體的設計。利用上、下砧面與坯料接觸時產生的砧下摩擦影響區的影響，可以在一定程度上限制金屬在軸向的流動，同時也便于工人操作和現場測量。

3　角度與制坯尺寸間的運算關系

大型錐形筒體成形成功的關鍵在于制坯，而制坯的關鍵是要理清內部邏輯關系和有關參數。

錐形筒體由于大端面初始周長比小端面初始周長長，壁厚減小相同的量將使大端直徑的增量大于小端，因此鍛件錐度會隨著臂厚的減小而逐漸增大。錐度的變化和最終鍛件的各部分尺寸通過經驗無法預測，設計不當將使產品因最終的鍛件尺寸和錐度不符合而報廢。

筆者將坯料按成形次序分為預制坯、中間坯、最終鍛件，通過解析法來反推角度與制坯尺寸間的關系。

3.1中間坯與最終鍛件之間的關系研究（可用于過程控制、錐度控制）

如圖6所示，R1為中間坯臺階壓平時大端半徑，r1為中間坯臺階壓平時小端半徑，H1為中間坯臺階壓平時高度，t1為中間坯臺階壓平時壁厚，θ1為中間坯臺階壓平時角度，R2為鍛件完工時大端半徑，r2為鍛件完工時時小端半徑，H2為鍛件完工時高度，t2為鍛件完工時壁厚，θ2為鍛件完工時角度。

根據中間坯尺寸的設計公式：

假設擴孔前后筒體高度變化滿足H2=kH1（k≥1，k為平均展寬因數），即：

由式（1）、式（3）得：

同理，由式（2）、式（3）得：

由式（4）、式（5）得：

于是有：

因為鍛比σ=t1/t2，所以：

設Dbb為中間坯大端直徑，Dbs為中間坯小端直徑，db、ds、Dd、Ds、依次為成形后大端內徑尺寸、成形后小端內徑尺寸、成形后大端外徑尺寸、成形后小端外徑尺寸。因為鍛件完工尺寸是已知的，所以上述4個尺寸可以理解為定值。

t1、t2為筒體成形前后壁厚，假設k1、k2分別為大、小端展寬因數，根據直徑、半徑、壁厚關系，可得：

式中：R2=Db/2；r2=Ds/2。

結論：中間坯的坯料壁厚與展寬因數有關，可以通過控制壁厚來優化坯料的尺寸。

3.2預制坯與中間坯之間的關系

因為在預制坯臺階壓平、內徑擴大過程中，坯料軸向上存在一定量的金屬流動，使坯料總體高度有所增加，所以軸向流動量在非對稱坯料成形中可看作側膨脹量，它受到相鄰金屬的牽扯和成形溫度的干涉。

為彌補因側膨脹量導致徑向料緊張造成的不足，預制坯需在中間坯尺寸的基礎上在大、小兩頭設置一定量的工藝性余量，即截面積余量。

設R0=2Kbt1+rb，r0=2Kst1+rb，其中Kb、Ks分別為大端、小端的截面積因數。

預制坯與中間坯之間的邏輯關系如圖7所示。

圖7　預制坯與中間坯的關系比照

圖中：R0為預制坯大端半徑，r0為預制坯小端半徑，Rm為預制坯第二臺階半徑，Rn為預制坯第三臺階半徑，L1、L2、L3、L4為各臺階長度，rb為坯料內孔半徑，R1為中間坯臺階壓平時大端半徑，r1為中間坯臺階壓平時小端半徑，H1為中間坯臺階壓平時高度，h為中間坯臺階壓平時1/4高度，t1為中間坯臺階壓平時壁厚，θ1為中間坯臺階壓平時角度，Rx為中間坯臺階壓平第1個h臺階壓平時大端半徑，Rz為中間坯臺階壓平第2個h時大端半徑，Ry為中間坯臺階壓平第3個h時大端半徑。

根據圓臺體積公式，得中間坯體積：

則質量：

（注：鐵的密度ρ為7.85 t/m3）

求得中間坯1質量：

同理可得中間坯2質量：

中間坯3質量：

中間坯4質量：

假設圖7中中間坯坯料1對應于預制坯坯料（1），中間坯坯料2對應于預制坯坯料（2），中間坯坯料3對應于預制坯坯料（3），中間坯坯料4對應于預制坯坯料（4），根據體積不變定律，可得G1=G（1）、G2=G（2）、G3=G（3）、G4=G（4），則預制坯坯料（1）質量G（1）=π（r02-rb2）L1×7.85，將式（17）代入，得：

同理，可得：

結論：在臺階長度設計上，需要合理選擇n值。

從原理上分析，筆者不贊成H1均分，而應盡可能將大端面和小端面的臺階長度放長，以便充分利用砧下接觸時的摩擦阻力來限制金屬軸向的流動。當然，也要考慮砧的寬度，以便于現場操作。

在臺階高度設計上，要考慮高寬比，防止失穩。臺階不宜過深，要避免臺階平壓時產生折疊。

4　鍛造實例

以S廠用350 t鋼錠鍛壓199 t過渡錐體鍛件［9］為例，工藝流程如圖8所示：熱送鋼錠燒剝T肩→拔長下料→鐓粗、沖孔、擴孔→拔長、制階梯坯（即預制坯）→平整→擴孔→完工。

經過測算，中間坯到最終鍛件的擴孔過程中，鍛件展寬因數k1=1.19、k2=1.13，預制坯到中間坯的過程中，截面積因數Kb=1.08、Ks=1.07。

若以實際終鍛尺寸和預制坯尺寸來測算預制坯截面積因數，則大端面截面積因數Kb′=1.28，小端面截面積因數Ks′=1.05，即大端面截面積放大28%，小端面截面積放大5%。

根據現場操作的經驗，可以從一些錐形筒體完工鍛件上發現一個共同特點，即大端面余量大，小端面余量小，且兩端圓弧頭處都存在外高內低現象。

為此筆者假設，對于大端外徑達5.7 m、小端外徑近4.4 m的錐體，大端截面積余量放大12%，小端放大7%是否適合。

當大端放大12%、小端放大7%，即Kb′=1.12、Ks′=1.07時，假設中間坯和終鍛尺寸基本與原來相符，即t1=670 mm、R1=2 570 mm、r1=1 920 mm、H1= 3 480 mm，則可得：預制坯尺寸大端面截面外徑D0= 3 700 mm，小端面截面外徑d0=3 160 mm，L4=900 mm，L1=1 050 mm，L2=L3=765 mm，Rm=1 705 mm，Rn= 1 695 mm。

上述推算基本符合臺階不均分、兩端面階梯長度要適當加長、臺階差不過大的成形原理分析，但大小端截面積分別放大12%和7%也僅僅是一種推測，若要做到精確、合理，還需要借助計算機模擬技術及先進的在線尺寸檢測系統。

5　坯料成形操作要點

（1）剛開始擴孔時，要多轉動、小壓縮量施壓。

（2）擴中間坯時要先擴小端面，利用出爐后坯料溫度自然下降，金屬流動性降低在一定程度上限制了大端面金屬軸向的流動。

（3）鍛壓中不能盯著一端，要兩端輪流鍛壓，外徑若擴不出來，需要進行局部擴。

（4）基本壓平后，留一定保留量，以便校圓、精整。

（5）芯棒的直徑越大，壁厚減薄率越大，k值也就越大。另外，因摩擦區不同，不同大小直徑的芯棒對坯料側膨脹量有干擾作用，因此選擇合適的芯棒很重要。

圖8　鍛造工序流程

6　不足之處

（1）對更高級別的鋼錠鍛壓成形目前未進行有效、成熟的計算機模擬，無法對有關參數進行量化。

（2）檢測手段比較粗放，現有檢測水平還處于樣棒、角尺測量階段。

（3）有關現場尺寸實測記錄不全，給估算帶來一定困難。

（4）最終成形不是模鍛成形，存在一些工藝性鍛造余塊，控制余量的水平和方式、方法還有待進一步研究和完善。

（5）完工前矯正工序的控制有待完善，尚未有效設計矯正環。

7　結束語

錐形筒體成形關鍵在于制坯，制坯關鍵是要理清內部邏輯關系，確定參數。輔之以現代的計算機模擬技術和在線檢測手段，對過程進行精確數據采集，這樣制坯才更具科學性和合理性。

對于大端外徑達5.7 m、小端外徑近4.4 m的錐體，筆者推測，大端截面積余量放大12%、小端放7%基本是適合的。

［1］施熔剛，朱杰，高強，等.三代核電蒸發器錐形簡體均質性評價［J］.熱加工工藝，2013，42（23）：153-155.

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［4］齊作玉.大鍛件鍛壓工藝參數化的研究［J］.大型鑄鍛件，2010（1）：9-11，29.

［5］劉凱泉，劉守旺.大型錐形筒體鍛造技術研究［J］.機械工人（熱加工），2007（7）：75-77.

［6］孫明日，李世鍵，陸善平，等.錐形筒體鍛件形成過程中間坯和預制坯的設計方法：200910011180.2［P］.2009-09-23.

［7］陳森燦，張子公，陳金德.關于塑性加工中的成形規律——評“最小阻力定律”和“應變順序與應力順序相對應規律”［J］.鍛壓技術，1981（1）：7-18.

［8］初懷清，徐永恒.最小阻力定律及其寬展［J］.鞍鋼技術，1980（3）：51-53.

［9］胡朝備，張國剛，孫峰，等.大型錐形筒體的鍛造方法［C］.成都：中國國際自由鍛會議，2010.

The key in shaping of conical cylinder is the body blank，the quality of blank will directly affect the completion of the finish size.Therefore，it is important to adopt reasonable way to make the blank and master its relevant parameters.By referencing and comparing some shaping schemes from domestic and foreign well-known manufacturers and exploring their shaping mechanism，put forward some ideas on margin control for large conical cylinders.

核電；錐形筒體；階梯制坯；余量控制

Nuclear Power；ConicalCylinder；Stepped Body Blank；Margin Control

TH122；TG316

A

1672-0555（2016）02-014-06

2016年1月

季正進（1981— ），男，碩士，工程師，主要從事采購工作