一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法

技术领域

本发明涉及锻造成形方法领域，尤其是涉及一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法。

背景技术

核电作为一种低碳、安全、可持续的清洁能源，是我国新时代能源体系转型必不可缺的主力能源。随着核电能源的发展，核电主设备的服役工况也越来越苛刻。核电压力容器是核岛中最重要，服役环境最恶劣的主设备，由于长期受中子辐照，这就要求核电压力容器必须具有超强的稳定性。目前的核电压力容器由超大型锻件焊接而成，核电锻件的质量及焊缝质量和数量对核电压力容器的可靠性定性的意义，必须定期对在役压力容器焊缝进行在役检查，以确保压力容器的稳定运行。近年来，随着对核安全问题的日益重视以及冶炼、锻造技术的不断发展，核岛装置中的主要大型设备不再采用焊合的结构，转而使用一体化大型锻件组合。因此，为了推动我国核电能源的进一步发展，掌握大型锻件的关键制造技术，提升重大型关键装备制造水平刻不容缓。

对于超大型带锥口厚壁筒体的成形其难点在于锻件体积巨大，成形所需设备要求高，且无法通过普通扩孔成形的方式制造出锥口的形状，需考虑其他工艺成形的可能性。收口锻造是指将筒形等空心锻件部分直径缩小的一种锻造工艺。这一工艺符合此类带锥口厚壁筒体的成形特点，即锥口部分的直径小于筒体部分。在收口锻造时常常使用平砧、V形砧、锥形砧或弧形砧等进行成形，采用一道次或多道次加热进行锻造。收口锻造的一般工序为：原始钢锭-圆柱形坯料-镦粗-冲孔-马杠扩孔-收口锻造。针对此类带锥口的厚壁筒体的一体化成形，一方面要考虑成形工艺最终锻件能否完全包络所需零件，是否在各个部位都符合零件形状尺寸要求，另一方面还要考虑成形工艺设备需求要符合现有成形设备的制造水平。

发明内容

带锥口厚壁筒体的一体化成形制造是目前核电用超大型锻件的制造中需要解决的问题。为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法，即利用多工步收口锻造工艺，用以制造生产超大型带锥口厚壁筒体。对带锥口厚壁筒体进行多道次收口自由锻，完成带锥口厚壁筒体的收口成形；能够在现有成形设备的条件下完成超大型带锥口厚壁筒体的一体化成形制造。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法，对带锥口厚壁筒体进行多道次收口自由锻，完成带锥口厚壁筒体的收口成形；

具体方法包括以下步骤：

(1)根据超大型带锥口厚壁筒体零件锥口部分直径与筒体直径相比缩小的比例，设计每一道次收口锻造的目标尺寸；

(2)每一道次的锻造压下量的设计，根据有限元数值模拟多次优化，配合后续道次的收口锻造，在考虑现有成形设备负荷和坯料成形过程中的是否失稳的条件下，设计每一道次压下量；

(3)将多道次收口锻造成形结果与零件进行外形轮廓、尺寸对比。若锻件符合要求，则给出上述工艺方案；若锻件不符合要求，重新设计工艺方案；

(4)根据多道次收口锻造成形结果，给出该工艺具体成形方案。

在本发明的一个实施方式中，任一道次收口自由锻造要考虑现有成形设备负荷和坯料成形过程中的是否失稳。

在本发明的一个实施方式中，带锥口厚壁筒体经过任一道次收口锻造后回炉加热，使其达到始锻温度，再开始下一道次收口锻造。

在本发明的一个实施方式中，回炉加热温度为始锻温度，并保温一段时间使其温度分布均匀；其中温度保持为始锻温度以保证材料的变形能力。

在本发明的一个实施方式中，始锻温度为1200℃。

在本发明的一个实施方式中，带锥口厚壁筒体的制备方法具体包括以下步骤：

(S1)预制带锥口厚壁筒体的制备：将坯料依次进行镦粗冲孔、芯棒拔长、马杠扩孔和机械加工，得到预制带锥口厚壁筒体；

(S2)带锥口厚壁筒体的制备：将步骤(S1)制备得到的预制带锥口厚壁筒体进行回炉加热，得到带锥口厚壁筒体。

在本发明的一个实施方式中，步骤(S1)中，所述坯料为基于带锥口厚壁筒体零件，经过尺寸、形状设计的坯料；设计坯料外形与尺寸时，根据带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化坯料形状；其设计过程具体如下：

(a1)根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，初步设计坯料形状及尺寸；

(b1)将步骤(a1)获得的坯料设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复S101，重新设计坯料形状；

(c1)根据模拟和优化结果，给出坯料形状。

在本发明的一个实施方式中，基于带锥口厚壁筒体零件，设计各道次的上模具形状以及下模具形状；设计上、下模具外形与尺寸时，根据带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化上、下模具形状；其设计过程具体如下：

(a2)根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，依次分别设计第三道次、第二道次、第一道次上模具形状以及下模具形状；

(b2)将步骤(a2)获得的上、下模具设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复S201，重新设计上、下模具形状；

(c2)根据模拟和优化结果，给出上、下模具形状。

在本发明的一个实施方式中，预制带锥口厚壁筒体的制备方法具体包括以下步骤：

(S101)镦粗冲孔：将坯料进行镦粗后对中冲孔，形成通孔；

(S102)芯棒拔长：步骤(S101)完成后，将芯棒插入坯料的通孔中进行拔长锻压；

(S103)马杠扩孔：步骤(S102)完成后，将扩孔芯棒插入通孔内均匀扩孔，并镦粗形成端面平齐的筒形坯料；

(S104)机械加工：步骤(S102)完成后，对筒形坯料进行外侧机械加工，减小部分区域筒体厚度，得到预制带锥口厚壁筒体。

在本发明的一个实施方式中，回炉加热温度为始锻温度。

在本发明的一个实施方式中，始锻温度为1200℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过多工步收口锻造工艺，能够实现超大型带锥口厚壁筒体的一体化成形，相较于传统的筒体和锥口段焊合的方式，大大地提升了锻件的强度，使其能够更好地在艰苦的环境中服役，保障了设备使用过程中的安全性能。

(2)本发明采用多道次的收口锻造工艺，在尽可能少的道次中成形，能够减少坯料锻造过程中的回炉次数，大大提升生产效率，降低回炉加热所带来人力、物力资源的消耗。

(3)本发明通过不断地优化和改进，能够有效控制各道次成形过程中的成形载荷，使其完全符合现有自由锻造成形设备的锻造水平。

附图说明

图1为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法的工艺流程图；

图2为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法中第一道次收口自由锻中上模具的截面图；

图3为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法中第二道次收口自由锻中上模具的截面图；

图4为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法中第三道次收口自由锻中上模具的截面图；

图5为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法中预制带锥口厚壁筒体制备过程的工艺流程图；

图6为实施例1的一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法中预制带锥口厚壁筒体和带锥口厚壁筒体制备时的结构变化示意图；

图7为实施例1制备得到的超大型带锥口厚壁筒体的收口成形锻件的截面图；

图8为实施例1中超大型带锥口厚壁筒体形状包络结果示意图；

图中标号：1、超大型带锥口厚壁筒体零件；2、超大型带锥口厚壁筒体的收口成形锻件。

具体实施方式

本发明提供一种超大型带锥口厚壁筒体的收口成形方法，对带锥口厚壁筒体进行多道次收口自由锻，完成带锥口厚壁筒体的收口成形；

具体方法包括以下步骤：

(1)根据超大型带锥口厚壁筒体零件锥口部分直径与筒体直径相比缩小的比例，设计每一道次收口锻造的目标尺寸；

(2)每一道次的锻造压下量的设计，根据有限元数值模拟多次优化，配合后续道次的收口锻造，在考虑现有成形设备负荷和坯料成形过程中的是否失稳的条件下，设计每一道次压下量；

(3)将多道次收口锻造成形结果与零件进行外形轮廓、尺寸对比。若锻件符合要求，则给出上述工艺方案；若锻件不符合要求，重新设计工艺方案；

(4)根据多道次收口锻造成形结果，给出该工艺具体成形方案。

在本发明的一个实施方式中，任一道次收口自由锻造要考虑现有成形设备负荷和坯料成形过程中的是否失稳。

在本发明的一个实施方式中，带锥口厚壁筒体经过任一道次收口锻造后回炉加热，使其达到始锻温度，再开始下一道次收口锻造。

在本发明的一个实施方式中，回炉加热温度为始锻温度，并保温一段时间使其温度分布均匀；其中温度保持为始锻温度以保证材料的变形能力。

在本发明的一个实施方式中，始锻温度为1200℃。

在本发明的一个实施方式中，带锥口厚壁筒体的制备方法具体包括以下步骤：

(S1)预制带锥口厚壁筒体的制备：将坯料依次进行镦粗冲孔、芯棒拔长、马杠扩孔和机械加工，得到预制带锥口厚壁筒体；

(S2)带锥口厚壁筒体的制备：将步骤(S1)制备得到的预制带锥口厚壁筒体进行回炉加热，得到带锥口厚壁筒体。

在本发明的一个实施方式中，步骤(S1)中，所述坯料为基于带锥口厚壁筒体零件，经过尺寸、形状设计的坯料；设计坯料外形与尺寸时，根据带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化坯料形状；其设计过程具体如下：

(a1)根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，初步设计坯料形状及尺寸；

(b1)将步骤(a1)获得的坯料设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复S101，重新设计坯料形状；

(c1)根据模拟和优化结果，给出坯料形状。

在本发明的一个实施方式中，基于带锥口厚壁筒体零件，设计各道次的上模具形状以及下模具形状；设计上、下模具外形与尺寸时，根据带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化上、下模具形状；其设计过程具体如下：

(a2)根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，依次分别设计第三道次、第二道次、第一道次上模具形状以及下模具形状；

(b2)将步骤(a2)获得的上、下模具设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复S201，重新设计上、下模具形状；

(c2)根据模拟和优化结果，给出上、下模具形状。

在本发明的一个实施方式中，预制带锥口厚壁筒体的制备方法具体包括以下步骤：

(S101)镦粗冲孔：将坯料进行镦粗后对中冲孔，形成通孔；

(S102)芯棒拔长：步骤(S101)完成后，将芯棒插入坯料的通孔中进行拔长锻压；

(S103)马杠扩孔：步骤(S102)完成后，将扩孔芯棒插入通孔内均匀扩孔，并镦粗形成端面平齐的筒形坯料；

(S104)机械加工：步骤(S102)完成后，对筒形坯料进行外侧机械加工，减小部分区域筒体厚度，得到预制带锥口厚壁筒体。

在本发明的一个实施方式中，回炉加热温度为始锻温度。

在本发明的一个实施方式中，始锻温度为1200℃。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或功能结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构；如无特别说明的处理技术，则也表明均为本领域的常规处理技术。

实施例1

本实施例提供一种SA508 Gr.3钢超大型带锥口厚壁筒体的收口成形技术，过程如图1所示，包括以下步骤：

(S1)设计坯料：设计坯料外形与尺寸时，根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化坯料形状；具体的，其设计过程如下：

(S101)：根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，初步设计坯料形状及尺寸。

(S102)：将步骤(S101)获得的坯料设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复步骤(S101)，重新设计坯料形状。

(S103)：根据模拟和优化结果，给出坯料形状。

(S2)设计上、下模具：设计上、下模具外形与尺寸时，根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形及尺寸，并结合收口锻造过程，使用有限元数值模拟改进、优化上、下模具形状；具体的，其设计过程如下：

(S201)：根据超大型带锥口厚壁筒体零件外形轮廓及尺寸要求，结合零件机械加工余量要求，依次分别设计第三道次、第二道次、第一道次上模具形状(如图2-4所示)以及下模具形状。

(S202)：将步骤(S201)获得的上、下模具设计结果导入有限元软件，进行收口锻造过程的模拟，判断模拟结果中锻件形状是否符合带锥口厚壁筒体外形轮廓、尺寸及后续机械加工要求；若锻件形状符合要求，则在此基础上提取收口锻造过程中锻件整体应变、温度分布；若锻件形状不符合要求，则重复步骤(S201)，重新设计上、下模具形状；

(S203)：根据模拟和优化结果，给出上、下模具形状。

(S3)坯料准备(预制带锥口厚壁筒体的制备方法，如图5-6所示)：

(S301)镦粗冲孔：将坯料进行镦粗后对中冲孔，形成通孔；

(S302)芯棒拔长：将芯棒插入冲孔后的坯料通孔中进行拔长锻压；

(S303)马杠扩孔：将扩孔芯棒插入通孔内均匀扩孔，并镦粗形成端面平齐的筒形坯料；

(S304)机械加工：基于所设计完成的坯料外形将扩孔后的坯料进行外侧机械加工，减小部分区域筒体厚度，得到预制带锥口厚壁筒体；

(S4)坯料加热保温(带锥口厚壁筒体的制备方法)：将预制带锥口厚壁筒体放入加热炉中加热至始锻温度1200℃，保温一定时间使其温度分布均匀，得到带锥口厚壁筒体；

(S5)三道次收口自由锻造：将带锥口厚壁筒体采用自由锻造，对带锥口厚壁筒体进行三道次收口成形锻造；

具体的，对带锥口厚壁筒体进行第一道次收口锻造(压下量为1700mm)，完成后将其放入加热炉中并加热至始锻温度1200℃；然后进行第二道次收口锻造(压下量为210mm)，完成后将其放入加热炉中并加热至始锻温度1200℃；最后进行第三道次收口锻造(压下量为1350mm)，完成超大型带锥口厚壁筒体的收口成形，得到超大型带锥口厚壁筒体的收口成形锻件(如图7所示)。

本实例中，数值模拟所得超大型带锥口厚壁筒体形状包络结果如图8所示(超大型带锥口厚壁筒体零件1和超大型带锥口厚壁筒体的收口成形锻件2)。超大型带锥口厚壁筒体的收口成形锻件2能够完全包络超大型带锥口厚壁筒体零件1，达到其形状、尺寸要求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的解释，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。