专利名称：：高温高压无缝三通垂直轴向挤压工艺及装置的制作方法
技术领域：
：用本技术方案所制造的三通是用管材通过热挤压成型的用于电力，石油石化及化工行业的高压及高温高压无缝三通。
背景技术：
：现有我国大部分管件制造厂高温高压三通制造方法为径向补偿法(管材经多火次径向热挤压)，其缺点是在压制过程中使肩部内壁受拉应力作用使肩部厚度有减薄趋势，肩部内壁成型不能满足设计厚度，这样为了得到足够的支管高度和肩部厚度只能通过增大原料管的管径及厚度来补偿，并且无法限制主管增厚使主支管壁厚过大，加工余量大且两端切口余量大。即使这样大部分三通肩部内壁也需补焊来增厚，此部位无损检测难以实施只能靠焊工的技术，安全隐患无法消除。这样造成如下缺点1.材料利用率低(材料利用率60%)，由于大部分为昂贵的进口材料造成成本高浪费大。2.火次多造成效率低(厚壁三通需7-8个火次)。3.肩部成型不满足设计要求，安全性差(有的补焊金属厚度达IOOmm以上)。这种工艺本身固有的缺陷(材料流动不合理)使得要在此基础上通过简单的改进来克服，长期的实践证明已不可能(无法对用料进一步优化)。另外还有小部分制造厂的制造方法类似美国CE公司的轴向挤压法，CE公司是三向分步加载法。这种方法成型质量可满足设计要求(肩部厚度不成问题)，但他们都是在立式通用压力机两侧设置两横向挤压缸(儿千吨级)，设备复杂，投资大，周期长，成本高。尤其国内这一小部分制造厂缺乏整体优化技术(材料与工艺)，使材料利用率提高幅度不大。而对于我国大部分径向补偿法的制造厂要想过渡到此种轴向挤压法一是缺乏应有的技术与经验，二是要通过长期的试验与实践摸索由于材料昂贵将付出极大的成本代价，而且长期应用径向补偿法使所有模具和辅具都是针对这种方法而制造的，这种现实造成长期以来技术工艺没有突破。
发明内容本技术方案目的是针对现有技术存在的缺陷用整体优化技术(材料，工艺，装置)来克服，采用简单可行的实现方案及装置使现有管件制造厂能用低成本(利用径向补偿法的模具及压机)，快速过渡(1至2个月)，迅速产生效益(通过计算机模拟最优化时较径向补偿法节省材料28%31%，另外特殊情况三通主管与支管壁厚相同或相近的可节省材料20%24%)，肩部成型又能满足设计要求，整个成型过程降低至3个火次以提高效率。对不具备此条件的厂家也很顺畅(还可同时将模具针对本技术方案进行优化设计)。本技术方案的核心是1.采用按材料流动规律优化的原料管规格、合理的工艺顺序组合以及为此工艺组合专门设计的实现装置在成型过程中控制材料合理流动，使成型符合国内外标准的三通形状特点(按照三通设计要求在成型过程中该增厚的部位增厚不该增厚的部位少增厚)及强度性能要求，减少加工余量提高材料利用率，杜绝肩部焊接修补提高安全性。2.根据现有管件厂技术及装备条件为实现过程设计合理的装置结构，使其简单过渡减少投资成本提高效率。技术方案的详细阐述(结合附图按从原料到成品的制造工艺过程顺序阐述)—.原料管材的尺寸优化。经2000多机时计算机模拟发现其碳钢及合金钢原料管规格(管径、厚度、长度)与挤压过程材料流动及成品三通尺寸之间的关系并同时与压制工艺相配合选取所需原料管材规格。其初选规律为(尺寸符号见图1、图2。图1标注的是三通的规格，其中δ1与δ2为设计最小壁厚。图2标注的是三通(图1)所选用原料管材的规格。)1(δ1/δ2)彡1·351·45S=0.93δ2;L=1*(δ1/S+0.05)；D=H+0.42dl。2(δ1/δ2)彡1·251·35S=0.93δ2;L=1*(δ1/S+0.08)；D=H+0.44dl。3(δ1/δ2)彡1·151·25S=0.93δ2;L=1*(δ1/S+0.11)；D=H+0.46dl。4(δ1/δ2)彡1·001·15S=0·93δ2;L=1*(δ1/S+0.14)；D=H+0.48dl。公式应用方法说明第一步按上面的公式初选规格，先计算D，靠最接近的标准的管径(GB或ASME)或锻管的管径，D确定后再计算S取整，然后再用取整后的S计算L，然后取整。第二步根据初选的规格，通过计算机精确模拟最终确定原料规格，如不进行模拟直接利用通过公式初选的材料规格只能较现有的径向补偿挤压法节省材料16%28%，若通过计算机模拟优化则可节省材料28%31%(另外特殊情况三通主管与支管壁厚相同或相近的可节省材料20%24%)。模拟方法是在第二火次的轴向挤压工序中三通模具支管孔设置一个底(这个底的中心高DH=H+2S/3，即图4中的件7圆形垫板，将在第二火次轴向挤压工序中进一步说明)，以使轴向挤压最后阶段支管的圆弧顶部受到挤压使主支管同时增厚且支管弧顶部压出小平台，这个小平台在第三火次的冲扩支管时非常重要会进一步使支管和肩部增厚，这三个火次工序的无缝配合可使支管与主管各自达到要求的厚度且加工余量均勻合理。当P91钢原料管的壁厚较大时模拟过程中通过微调底部的中心高(DH=H+2S/3见图4)可使轴向挤压力不超出压力机的压力范围。二.热挤压成型(需一套立式模具，可利用径向补偿法的终压模具，无需换模。)1.第一火次(径向挤压)包括加热-压扁-径向挤压(鼓包)_打磨毛刺。压扁一次到位，压扁高度=dl-2(dl=三通主管外径)，径向压制一次完成。通过计算机模拟可知压扁后直段长度与其壁厚之比不大于5(LH/δ<5见图3)时径向挤压不会失稳。由于第2火次是轴向挤压所以第一火次径向挤压LH/δ—般不超过3。这也是与现有的径向补偿法的不同，现有的径向补偿法是每次压扁51mm多火次完成。2.第二火次(轴向挤压)第二火次包括表面清理(酸洗磷化)_外表面涂膏状玻璃润滑剂-加热-工件出炉入模合模-入锁模套-翻转(使三通主管轴心由水平变垂直)_预紧-调整顶出缸(挤压下冲头接触工件)_轴向挤压(主缸工作)_退套-翻转成水平_出套-开模取出工件_下一个工件出炉。轴向挤压装置见图4、图5、图6。图5是工件出炉后入模合模，图6是轴向挤压装置在合模后进入锁模套时的状态，图4是轴向挤压装置在轴向垂直挤压开始时的状态。图5小车右边的压机及装置省略(图中未画出)同图6。图4、图5、图6是轴向垂直挤压装置三个不同的工作状态，零件及标记完全统一，其中压力机零部件皆为示意。下面按工步顺序详细说明。(1).装置准备工件出炉前模具及装置的准备，参照图5三通上下模(与第一火次径向挤压使用同一套模具，如长度不足可先加长修磨达到要求)各与三块斜垫板(见图4中件9、件16、件35、件36)通过凸凹结构扣合，然后用沉头螺栓固定(沉头螺栓图中未画出，轴向挤压时模与垫板之间依靠磨檫自锁，不靠螺栓固定只起到出套与入套时不相对滑动)。上下模之间同样通过侧斜垫板上的凸凹结构扣合(图中未画出)，使出套与入套时不相对滑动。另外锁模套与斜垫板皆为通用件，除快换冲头外其余皆为通用件。所有规格三通模具分成两组，大于Φ457为一组，小于等于Φ457为一组，分别共用两个大小不同的锁模套，方法是在斜垫板与三通模具之间用平垫板调整(用凹凸结构扣合)，轴向挤压时依靠摩擦自锁。另外一组平垫板也可以通用(及实施方式中有介绍)。原有的三通模具合模装入锁模套后主管轴心线与锁模套底平面要有较高的垂直度。锁模套底平面涂普通润滑剂。工件出炉前装置的调整工件出炉前用钢垫圈调整上下冲头高度正好为轴向挤压所需要的行程，并将上下冲头(图4件15、件26)与锁模套对中固定好。提前计算轴向挤压时活动平台(图4件25)及其上的所有零部件的重量，调整压机顶出缸压力扫稍大于这个重量，目的是用顶出缸通过顶杆推动活动平台(图4件31)平衡掉压在活动平台上的锁模套、模具、垫板及翻转机构的重量使两端的挤压力接近相等。再将小车(部件34)置压机正前方合适位置固定(轴线与锁模套轴线接近重合见图6)，三通下模置于其上，此时锁模套位置见图6。(2).工件加热前的准备工件酸洗磷化，目的是将表面的浮锈，油污，污物清理干净提高润滑效果.外表面涂膏状玻璃润滑剂(根据工件材料的加热温度范围有不同的玻璃润滑剂)。另外如果三通主管两端出现棱角或两端形状不对称，为避免侧向力及扭矩太大可对两端修磨出小平面使两端对称。然后置炉中加热。(3).工件出炉入模合模(60秒钟，与出炉前的准备情况有关)，参照图5、图6工件出炉置于三通下模内(三通下模已提前放置于固定好的小车上，并且根据DH=H+2S/3三通下模支管孔底部已放置了合适的圆形垫板，参照图4中的件7圆形垫板)，将三通上模合上(可用专用吊装工具吊装上模以节省时间)。(4).入锁模套(30秒钟)，见图6将扣合后的三通及模具通过固定滑轮用天车(工件出炉前应准备好)拉入锁模套内。(5).翻转(30秒钟)，翻转装置液压缸工作使三通主管轴心由水平变垂直(见图4)，去掉活动平台下面的临时垫块。调整顶出缸使挤压下冲头接触工件(刚刚接触为好，应提前计算好活动平台(图4件25)的调整高度。(6).预紧，当轴向挤压力达到5000吨时胀型力可达6000吨6500吨，这时由于锁模套两个方向的弹性变形2.Omm2.5mm(已考虑温度的影响)，三通模具主管内径增大2.Omm2.5mm,可作为三通外径余量不考虑预紧。当胀型力达7000吨以上时三通模具主管内径增大3mm，这时可考虑预紧。预紧方法是在活动平台下方加临时垫块(图4件1)，在斜垫板上方加临时垫块(图4件42)压力机压下20mm，预紧力可达6000吨以上，然后迅速移走临时垫块。可用机械机构实现临时垫块迅速移位和复位(此机构本方案未进行具体设计)(7).轴向挤压(30秒钟60秒钟)，压机主缸工作压机动横梁压下。锁模套转动轴与轴座之间用大间隙配合以使锁模套与活动平台之间可作微小(2mm)的滑动(锁模套底平面涂普通润滑剂)。减轻顶出杆受到的侧向力。(8).退套，轴向挤压结束后将压机动横梁上升20mm30mm，在锁模套上方加临时垫块(图4件41)压机再压下20mm(轴向挤压行程结束时下冲头第二个台阶正好顶住三通模具)，再将压机动横梁上升足够的高度，退套完成。(9).翻转，先用顶出缸向上调整活动平台高出下冲头，翻转液压缸工作使锁模套转动90°(参考图6)用入锁模套相同的方法将模具拉到小车上，取出工件轴向挤压结束。3.第三火次(冲扩支管)冲扩支管的目的是使支管肩部以下充满模具，同时又能使支管及肩部增厚。方法与过程参考图7，在三通支管狐顶部的小平台(轴向挤压时压出的小平台)上割一个孔料厚S)。将图7中的件1、件2、件3、件4、件5安装调整好。活动平台(活动平台图7件5)下面的装置共用图4中的装置，方法是将图4中活动平台及上面的装置移走换上图7中的活动平台(图7件5)。工件(三通)出炉入模(参考图7)，压力机压下将图7件4(锥形斜度大于13)直段刚刚压进三通支管既可，图7件4直段长度ra=1.1*S(S为原料管的壁厚)，直径为Φ(W-10),CtW是三通支管最大内径。然后三通上模上升，顶出缸顶出活动平台上升使图7件4退出支管。取出工件。另外调整顶出缸压力至500吨以上以生成合模力防止主管变形。三.外表面喷砂此过程包括喷砂(去除外表面的玻璃润滑剂)_割除支管多余部分(主管不需割口)，检测各部位是否有足够的余量。四.热处理五·机加工此过程包括划线-机加工(按图纸车削主支管内圆及坡口)_打磨(外表面及肩部内壁成圆滑)_表面无损检测(要求内外表面无裂纹等缺陷)。(一)图1标注的是三通的规格。(二)图2标注的是三通(图1)所选原料管材的规格。(三)图3是径向挤压状态。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>细表。(五)图5是工件装入。(六)图6是三通轴向垂直挤压装置(三通工件装入后合模入锁模套时的状态)。图4、图5、图6是轴向垂直挤压装置三个不同的工作状态，零件及标记完全统一，其中压力机零部件皆为示意。图4视图CC其余零件省略只画出锁模套、模具、垫板、工件、锁模套轴及轴座，其余零件省略。图4视图E向(1)和视图E向(2)是翻转装置在轴向垂直挤压时各轴的位置关系及三通合模后入锁模套时各轴的位置关系。(七)图7是支管冲扩装置。件1三通上模，件2是三通工件，件3是三通下模，件4是锥型冲头，件5是活动平台。与图4是共用同一套装置，只是将活动平台及以上的部分移走再装上另一个活动平台。(八)图4三通轴向垂直挤压装置主要零部件分析及设计要点除快换冲头(件15)外其余零件皆为通用件(包括锁模套，所有规格三通共用两个锁模套见实施方式中的说明)。1.锁模套(件6)在图4中所给的尺寸是按Φ711(最小壁厚128mm)Ρ91三通设计的，其装入的三通模具侧边缘厚度BH=100(BH见图3和图5)。经弹性分析轴向挤压时承受6000吨的胀型力(已考虑温度影响)弹性变形2mm，胀型力8000吨时局部屈服弹性变形3mm，所以将6000吨的胀型力作为最大承载。外形尺寸根据模具尺寸可以加大但壁厚及斜面角度不变。锁模套转动轴与轴座之间用大间隙配合以使锁模套与活动平台之间可作微小(2mm)的滑动减轻顶出杆受到的侧向力。2.快换冲头是每个三通规格制造两件(分上下)。设计要点是冲头座比快换冲头直径小可以通用，快换冲头插入后通过锥形销连结。快换冲头直径比三通模具内径小2mm为宜，避免与模具轴线不重合时过度摩擦损坏模具。3.翻转液压缸(图4件21)为双向缓冲液压缸活塞杆行程905mm，压力15Mpa，活塞杆直径Φ70ιπιΦ80ιπι，缸体内径Φ120mmΦ160mm。4.翻转转动杆(图4件22)选用模量210Gpa的材料。具体实施例方式方式一对具备径向挤压法三通制造能力的管件厂，原有的三通模具可对其外形进行粗铣加工，有的需加长。然后所有规格三通模具分成两组(大于Φ457为第一组，小于等于Φ457为第二组)用说明书中的方法制备两个锁模套作为通用件。然后制备两组通用斜垫板。通过统计各种规格制备两组通用平垫板。第一组通用的锁模套高度为2600mm时可满足最大规格三通的制造。制备两个活动平台。购进原料时规格需满足本方案中给出的优化准则(四组公式)。这样按说明书中的内容就能顺利实施本技术方案。方式二对原来不具备高温高压三通制造条件的厂家，也可实施本方案。在制备模具时可一步到位，另外需4500吨以上，开口高度大于5米的压机。其它同方式一。权利要求一套高温高压无缝三通挤压成型的技术方案，其特征是顺序执行下面的工艺(1)原料选用按下面的公式优化的碳钢及合金钢管材1)(δ1/δ2)≥1.35～1.45时，S＝0.93δ2，L＝l×(δ1/S+0.05)，D＝H+0.42d1；2)(δ1/δ2)≥1.25～1.35时，S＝0.93δ2，L＝l×(δ1/S+0.08)，D＝H+0.44d1；3)(δ1/δ2)≥1.15～1.25时，S＝0.93δ2，L＝l×(δ1/S+0.11)，D＝H+0.4δd1；4)(δ1/δ2)≥1.00～1.15时，S＝0.93δ2，L＝l×(δ1/S+0.14)，D＝H+0.48d1；以上四组公式中l为三通主管长度，δ1、δ2是三通主管与支管的最小设计壁厚，d1为三通主管外径，H为三通支管中心高；S、L、D分别为所选管材的壁厚、长度、外径；先计算D，靠最接近的标准的管径(GB或ASME)或锻管的管径，D确定后再计算S取整，然后再用取整后的S计算L，然后取整；(2)加热——径向挤压(鼓包)；(3)磷化——涂膏状玻璃润滑挤——加热——入模合模锁模——垂直轴向挤压(增厚肩部并通过圆垫板与主管轴线的距离(DH)控制主支管增厚比例及支管长度)；(4)支管端部割孔(φC)≤料厚(S)——加热——冲扩支管(增长支管进一步增厚肩部)；(5)喷砂清除玻璃润滑挤——支管割口；(6)热处理；(7)划线机加工内径及坡口——打磨。2.根据权利1要求规定的方法，其特征在于在通用立式压机上实现的由固定在固定底座上的带肩和直段锥形冲头、通过顶出缸推动的顶杆及活动平台组成的并通过顶出缸生成合模力和退模力的用来冲扩三通支管的装置。3.根据权利1要求规定的方法，其特征在于运用在立式压机上实现的一套垂直轴向模内挤压装置，这套装置由锁摸套、斜垫板、翻转机构、顶杆、活动平台、带两个台阶的上下冲头组成。4.根据权利3要求规定的装置，其特征在于运用了通过调整顶出缸经顶杆推动活动平台对模具施加的压力来平衡单缸垂直挤压两端的压力实现双向等位移模内垂直挤压的方法。全文摘要一套用管材通过热挤压成型无缝三通的技术方案及装置，用于制造电力，石油石化行业管道用高压及高温高压无缝三通。主要特征是整体优化原料规格及工艺，通过径向挤压、轴向垂直挤压、支管冲扩三个火次工艺组合以及为此设计的实现装置(在通用立式压力机上实现的轴向垂直挤压及支管冲扩装置)，在成型过程中实现材料合理流动，解决了现有的径向挤压法成型过程中肩部减薄的缺陷，比现有的径向挤压法节省原材料20％～30％，杜绝肩部内壁的焊接修补提高安全性。现有管件制造厂利用原有的压机和模具不设置横向液压缸在通用压力机上实现垂直轴向模内挤压以减少投资、提高生产效率。文档编号B21C23/21GK101797593SQ20091000733公开日2010年8月11日申请日期2009年2月11日优先权日2009年2月11日发明者崔卫新申请人:崔卫新