特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形方法及成形装置与流程

本发明涉及封头类锻件制造工艺，尤其是一种特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形方法及成形装置。

背景技术：

随着核电工业、石油化工的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，容器尺寸设计越来越大，性能要求不断提高，形状更为复杂。特大型厚壁封头一般指直径大于3m以上，壁厚达到150mm的封头。为了保证安全，满足更高的技术要求，许多大型封头的制造技术改为整体锻造，代替原先的焊接、铸造成形。通常封头的成形方式有整体旋压成形和板坯拉深成形。整体旋压成型仅适合形状简单、薄壁，且无管嘴、凸台等形状规则的封头。板坯拉深成形的方法可以用于锻制壁厚较大，形状简单且对称的封头。但对于直径、壁厚特大，且带有管嘴、凸台、法兰等特殊结构的特大异形厚壁类封头，往往受结构和尺寸的制约，所需载荷也超过现有装备极限，已不能使用上述两种方法进行制造。通常采用局部上模旋转成形法制造特大异形厚壁类封头。该制造方法首先将钢锭开坯，再将钢锭放入设计好的模具中，然后通过局部上模进行循环旋转辗压的方式锻制成形，最后利用机加工获得成品锻件。虽然有部分壁厚较厚，形状不太复杂的封头可以采用板坯拉深成形的方式锻制，但是局部上模旋转辗压的方法省略了制备板坯这一工序，因此生产效率大为提高。

特大异形厚壁类封头锻件的工艺流程一般为：钢锭制坯→模内镦粗→模内旋转辗压→出成品。整个过程的难点在于模内旋转辗压工序。在该工序中，锻件置于模具中，属于受限变形，所需载荷非常大。按照现有的设备能力，只能采用条形砧局部少量下压，再旋转一定角度，以相同的压下量下压，完成一圈后加大压下量，开始新的旋转下压循环周期，直到产品成形。此操作方法即为旋转辗压成形法。

一般的上模旋转辗压成形法布砧如图1和2所示。旋转辗压用的上模一般为条形，工作面主要依据产品轮廓随形设计为宽度适宜的局部砧。上模按照顺时针或逆时针旋转一定的角度后下压，即按照图2所示的A、B、C……X的顺序碾压，每一次旋转的弧长与上模宽度基本一致，以确保整个内表面都能够均匀辗压。上模两侧平直，与工作面衔接部位倒圆。但由于这种技术固有的局限性，在旋转辗压过程中，封头内表面会形成大量折伤。经多道次的旋转下压后，折伤夹带着氧化皮，陷入锻件本体，甚至影响工件本体尺寸，存在较大质量隐患。为提高锻件质量，传统的成形方式需将内壁余量加大，以便加工去除折伤部分，这就导致后续加工周期长，成本随之上升。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效避免锻件内表面折伤的特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形方法及成形装置。

本发明公开的特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形方法，

将锻件放置于下模中，分周期进行旋转辗压成形操作，每一旋转辗压周期分为两圈，两圈上模下压位置互相错开，第一圈上模两次相邻下压的夹角为γ，且θ＜γ≤2θ，第二圈两次相邻下压的夹角同样为γ，将第一圈未碾压区域碾压完成，一个周期旋压成形完成后再进行下一个周期的旋转辗压，直至出成品；

所述上模为条形砧，所述θ表示上模工作面两侧边所对上模中心旋转轴的夹角。

优选地，每一旋转辗压周期中，第一圈上模两次相邻下压的夹角γ＝2θ，第二圈第一次下压与第一圈最后一次下压错开，错砧角度为θ，再按照2θ的旋转角度进行第二圈的旋转辗压，直到完成一个周期的旋转辗压。

优选地，上模每一次下压量控制在100㎜以内。

本发明公开的特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形装置，包括上模、上模旋转座、下模和底座，所述下模设置于底座上，所述上模旋转座设置于底座上方，所述上模连接于上模旋转座底部，所述上模包括顶面、工作面和两侧面，所述工作面与两侧面采用倒角过渡，两侧倒角角度分别为20°≤α≤70°，20°≤β≤70°，倒角两边边长间于100㎜～200㎜。

优选地，所述工作面两侧的倒角按中心轴对称布置，对称中心为上模中心旋转轴，在旋转辗压前进方向的倒角部分大于背向前进方向的倒角部分。

优选地，所述上模的宽度为L，且600㎜≤L≤900㎜。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中的旋转辗压装置无需改变上模以外的工装，新设计的上模形状简单，容易制造，投入成本低；

(2)本发明的旋转辗压操作方式，操作过程简单，能够有效减少折伤的大面积出现，并能减小锻件余量，提高钢锭利用率；

(3)采用本发明相比一般的旋转辗压成形法生产的锻件，后续机械加工余量更少，总体生产效率更高；

附图说明

图1是上模旋转成形法的装置示意图；

图2是传统的上模旋转成形法的布砧示意图；

图3是本发明的布砧示意图；

图4是本发明的上模的主视图；

图5是本发明的上模的俯视图；

图6是本发明的上模的侧视图。

附图标记：上模1，下模2，底座3。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

采用本发明的方法制造特大型厚壁封头类锻件的工艺流程与传统工艺大致相同：钢锭制坯→模内镦粗→模内旋转辗压→出成品，本发明主要是针对模内旋转辗压这一工艺步骤进行了改进，该方法是将锻件放置于下模2中，分周期进行旋转辗压成形操作，每一旋转辗压周期分为两圈，两圈上模1下压位置互相错开，当第一圈碾压完成后，会留下多个呈三角形的未碾压区域，由于这些未碾压区域的间隔，此圈不会有折伤部分被碾压入锻件本体，第一圈上模1两次相邻下压的夹角为γ，且θ＜γ≤2θ，在第二圈碾压过程中，各三角形的未碾压区域就能够完全被上模1一次性地覆盖，在第二次碾压过程中，第二圈两次相邻下压的夹角同样为γ，未碾压部分就会碾压，由于未碾压区域两侧是已碾压区域，被碾压的物质可以朝两侧流动，因此同样不会有折伤部分被碾压入锻件本体，第二圈两次相邻下压的夹角同样为γ，如此，第二圈将第一圈未碾压区域碾压完成，即如图3所示，第一圈按图中A、A、A……X进行碾压，第二圈按图中B、B、B……Y进行碾压，确保两圈下压位置互相错开，一个周期旋压成形完成后再进行下一个周期的旋转辗压，直至出成品，所述上模1为条形砧，所述θ表示上模1工作面两侧边所对上模1中心旋转轴的夹角。此方法可以避免出现传统工艺中出现的大面积折伤，折伤被限制在底部增厚区，不会对产品本体造成影响。此旋转辗压控制方法有效地减少锻件余量，提高了钢锭利用率，后续加工余量也大为减少，生产成本随之降低。

为最大限度的提高碾压效率，每一旋转辗压周期中，第一圈上模1两次相邻下压的夹角γ＝2θ，第二圈第一次下压与第一圈最后一次下压错开，错砧角度为θ，再按照2θ的旋转角度进行第二圈的旋转辗压，直到完成一个周期的旋转辗压。如此，第一圈后剩余的未碾压区域正好可以被第二圈完全碾压。下压量过大也容易产生折伤，因此上模1每一次下压量宜控制在100㎜以内。

为了进一步防止采用上述碾压方法使锻件形成折伤，本发明还专门为此设计了一种特大型厚壁封头类锻件旋转辗压成形装置，该装置包括上模1、上模1旋转座、下模2和底座3，所述下模2设置于底座3上，所述上模1旋转座设置于底座3上方，所述上模1连接于上模1旋转座底部，所述上模1包括顶面、工作面和两侧面，顶面具有燕尾设计，用于与上模1旋转座相连。工作面两侧为锥面或球面，端面直径为φ。上模1宽度为L，通常600㎜≤L≤900㎜。所述工作面与两侧面采用倒角过渡，倒角角度(即倒角与竖直平面的夹角)分别为20°≤α≤70°，20°≤β≤70°，倒角两边边长间于100㎜～200㎜。其中，上模1的工作面相较于传统的上模1具有更大的倒角，可以有效防止在第二圈碾压第一圈未碾压区域时产生折伤。两侧倒角角度可以相等也可以不相等，但须按中心轴对称布置，对称中心为上模1中心旋转轴，底部倒角根据两边倒角逐渐过渡。在第一圈碾压过程中，上模相邻两次下压之间会留有三角形未碾压区域，而其截面为三角形或者梯形的，该截面最理想的形状是等腰三角形或者等腰梯形，如此，在第二圈碾压过程中最不容易形成折伤。但是若上模两侧的倒角相同，在第一圈相邻的两次碾压过程中，后一次的碾压会将坯料往前一次碾压的方向挤压，使得两次碾压之间的未碾压区域截面变为偏向前一次碾压区域的非等腰三角形，因此，作为优选方式，在旋转辗压前进方向的倒角部分大于背向前进方向的倒角部分。如此，第一圈后形成的未碾压区域截面更为接近等腰三角形或者等腰梯形，可防止第二圈碾压过程中造成折伤。