球环过渡异型筒体锻件的制造方法与流程

本发明涉及锻件制造，具体的是一种球环过渡异型筒体锻件的制造方法。

背景技术：

球环过渡异型筒体是用于容器装备的锻件，其形状如图1所示，是由连接成一体的球环段11和直筒段12形成。其直筒段12即是内外壁平行的圆直筒状，通常会与一段直筒焊接；球环段11外壁为球弧形且与直筒段12外壁相切，通常会与球形封头焊接。这里所谓球弧形即是一个球面被平行的两个平面切割，位于两个平面之间的部分弧面。球环段11内壁也为球弧形，且球环段11壁厚小于或等于所述直筒段12壁厚。

上述异形锻件若采用自由锻工艺，实现难度非常大，目前可行的方法主要有两种：

一种方法是先根据异型筒形状锻造出大壁厚的圆直筒件，然后通过切削加工，去除多余金属得到球环过渡异型筒体形状，这种工艺切削量大，造成材料浪费严重，而且大大提高机加工成本，同时由于切断了球环段与直筒段的金属锻造流线，对锻件性能影响非常大。

另一种方法是先锻造出圆直筒件，然后利用专用工装伸入圆直筒件的通孔内，该专用工装为柱型，柱型的周面设置有凸起，与球环段内壁形状适配，利用该工装进行锻件扩孔，得到球环过渡异型筒体的内壁形状，然后用切削加工得到球环过渡异型筒体的外壁形状。采用本方法，球环段与直筒段的金属流线破坏相对少一些，但锻件性能依然会下降，而且需要根据不同的异型筒制造不同形状的工装，制造成本显著提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种球环过渡异型筒体锻件的制造方法，几乎能完整保留锻件的本体锻造流线，提高锻件性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

球环过渡异型筒体锻件的制造方法，所述球环过渡异型筒体包括连接的球环段和直筒段，所述球环段外壁为球弧形且与直筒段外壁相切，球环段内壁也为球弧形，且球环段壁厚小于或等于所述直筒段壁厚，球环段的端部为异型筒小端，直筒段的端部为异型筒大端，球环过渡异型筒体的轴向高度为h；

包括顺序进行的以下步骤：

A、设计中间坯模型：所述中间坯模型形状为锥形筒，锥形筒的大端端面外径、壁厚分别与所述异型筒大端尺寸适配，锥形筒轴向高度为h+a，锥形筒外壁母线与轴线的锐夹角为t；

B、在有限元模拟软件中，建立所述中间坯模型，在模拟软件中对中间坯模型的上下端面进行轴向挤压，设置轴向压下量为a，在模拟软件中模拟计算出锻造变形后的坯料形状，得到变形坯模型，中间坯模型的小直径段变形后的部分为模拟球环段，中间坯模型的大直径段变形后的部分为模拟直筒段；

C、对比变形坯模型和球环过渡异型筒体的形状，并修正中间坯模型形状：当模拟球环段的外壁尺寸小于所述球环段的相应位置尺寸，减小t，当模拟球环段的内壁尺寸大于所述球环段的相应位置尺寸，增大t，直到球环段内、外壁尺寸分别位于模拟球环段的相应位置尺寸范围内；

当模拟直筒段与模拟球环段结合处的内壁尺寸，或者模拟直筒段的内壁尺寸大于球环过渡异型筒体的相应位置尺寸，减小a，当模拟直筒段与模拟球环段结合处的外壁尺寸，或者模拟直筒段的外壁尺寸小于球环过渡异型筒体的相应位置尺寸，增大a；直到球环过渡异型筒体所有位置的内、外壁尺寸均位于变形坯模型相应位置尺寸范围内，得到确定好的中间坯模型尺寸；否则重复所述调整t和调整a的步骤进行修正；

D、以确定好的中间坯模型尺寸锻造出中间坯实体，以确定好的a为压下量，用压机对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体锻件。

球环过渡异型筒体锻件的制造方法，所述球环过渡异型筒体包括连接的球环段和直筒段，所述球环段外壁为球弧形且与直筒段外壁相切，球环段内壁也为球弧形，且球环段壁厚小于或等于所述直筒段，球环段的端部为异型筒小端，直筒段的端部为异型筒大端，球环过渡异型筒体的轴向高度为h；所述直筒段外径为4100mm，壁厚为460mm，h＝2100mm，球环段与直筒段的轴向长度比值为0.7：1；

包括顺序进行的以下步骤：

锻造出中间坯实体，所述中间坯实体形状为锥形筒，锥形筒的大端端面外径为4100mm，壁厚为465mm，锥形筒轴向高度为2300mm，锥形筒母线与轴线夹角为4°，用压机以压下量为200mm对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体锻件。

进一步的，所述中间坯实体的材质为20钢、35钢、16Mn钢、20Mn钢、16MND5钢、18MND5钢、SA508系列钢、20MnMo钢、20MnNiMo钢、20MnMoNb钢、2.25Cr-1Mo钢、14Cr1Mo钢、35CrMo钢、15CrMo钢或2.25Cr-1Mo-0.25V钢。

本发明的有益效果是：上述球环过渡异型筒体锻件的制造方法，先在软件中设计出中间坯模型，中间坯模型为锥形筒状，然后在有限元模拟软件中模拟对中间坯上下端面挤压变形，并根据变形结果修正中间坯模型的高度、锥度和压下量，直到变形结果与需要的球环过渡异型筒体形状一致。则以最终确定的中间坯模型尺寸锻造出中间坯实体，随后进行镦粗加工，经少量切削修正后得到需要的球环过渡异型筒体锻件。上述锻件制造方法几乎能完整保留锻件的本体锻造流线，大大提高锻件性能，而且切削加工少，能降低材料和加工费用，也无需制造专用工装，能显著降低制造成本。

附图说明

图1是球环过渡异型筒体锻件的剖面示意图；

图2是中间坯模型的剖面示意图；

图3是在有限元模拟软件中进行中间坯模型轴向挤压的变形示意图，为变形结果一；

图4是在有限元模拟软件中进行中间坯模型轴向挤压的变形示意图，为变形结果二；

图5是在有限元模拟软件中进行中间坯模型轴向挤压的变形示意图，为变形结果三；

图6是在有限元模拟软件中进行中间坯模型轴向挤压的变形示意图，为变形结果四；

图7是在有限元模拟软件中进行中间坯模型轴向挤压的变形示意图，为变形结果五；

图中附图标记为：球环过渡异型筒体1、球环段11、直筒段12、异型筒小端13、异型筒大端14、中间坯模型2、变形坯模型3、模拟球环段31、模拟直筒段32、压板5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

球环过渡异型筒体锻件的制造方法，所述球环过渡异型筒体1包括连接的球环段11和直筒段12，所述球环段11外壁为球弧形且与直筒段12外壁相切，球环段11内壁也为球弧形，且球环段11壁厚小于或等于所述直筒段12壁厚，球环段11的端部为异型筒小端13，直筒段12的端部为异型筒大端14，球环过渡异型筒体1的轴向高度为h；

包括顺序进行的以下步骤：

A、设计中间坯模型2：所述中间坯模型2形状为锥形筒，锥形筒的大端端面外径、壁厚分别与所述异型筒大端14尺寸适配，锥形筒轴向高度为h+a，锥形筒外壁母线与轴线的锐夹角为t；

B、在有限元模拟软件中，建立所述中间坯模型2，在模拟软件中对中间坯模型2的上下端面进行轴向挤压，设置轴向压下量为a，在模拟软件中模拟计算出锻造变形后的坯料形状，得到变形坯模型3，中间坯模型2的小直径段变形后的部分为模拟球环段31，中间坯模型2的大直径段变形后的部分为模拟直筒段32；

C、对比变形坯模型3和球环过渡异型筒体1的形状，并修正中间坯模型2形状：当模拟球环段31的外壁尺寸小于所述球环段11的相应位置尺寸，减小t，当模拟球环段31的内壁尺寸大于所述球环段11的相应位置尺寸，增大t，直到球环段11内、外壁尺寸分别位于模拟球环段31的相应位置尺寸范围内；

当模拟直筒段32与模拟球环段31结合处的内壁尺寸，或者模拟直筒段32的内壁尺寸大于球环过渡异型筒体1的相应位置尺寸，减小a，当模拟直筒段32与模拟球环段31结合处的外壁尺寸，或者模拟直筒段32的外壁尺寸小于球环过渡异型筒体1的相应位置尺寸，增大a；直到球环过渡异型筒体1所有位置的内、外壁尺寸均位于变形坯模型3相应位置尺寸范围内，得到确定好的中间坯模型2尺寸；否则重复所述调整t和调整a的步骤进行修正；

D、以确定好的中间坯模型2尺寸锻造出中间坯实体，以确定好的a为压下量，用压机对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体1锻件。

本发明的球环过渡异型筒体锻件制造方法，是先设计中间坯模型，在有限元模拟软件中对中间坯模型进行模拟轴向挤压，根据其变形结果，修正中间坯模型形状，直到变形结果与需求锻件形状相符，则以此尺寸制作中间坯实体，随后镦粗、修整后得到需要的球环过渡异型筒体锻件。

具体的，球环过渡异型筒体1的形状如图1所示，包括连接的球环段11和直筒段12，球环段11的端部为异型筒小端13，直筒段12的端部为异型筒大端14，球环过渡异型筒体1的轴向高度为h。

为得到上述形状的锻件，需要先设计中间坯模型2，例如在软件中设计一个中间坯模型2，如图2所示，其形状为锥形筒，锥形筒的大端端面外径、壁厚分别与所述异型筒大端14尺寸适配，所谓的适配，即是要确保锥形筒镦粗后的大端比异型筒大端14的尺寸范围更大或相同，然后经过少量切削修整即可得到需要的锻件。

由于对锥形筒上下端面进行轴向镦粗时，其大端面的形状尺寸变化不大，因此可以是锥形筒的大端端面外径与异型筒大端14端面尺寸相同，且锥形筒的大端壁厚与所述异型筒大端14壁厚相同或略大；或者锥形筒的大端端面外径与异型筒大端14端面尺寸略大，且锥形筒的大端端面内径比异型筒大端14端面内径略小。

如图2所示，锥形筒轴向高度为h+a，距离a即是锻造时的轴向压下量，锥形筒外壁母线与轴线锐夹角为t。

随后，将设计好的中间坯模型2导入有限元模拟软件中，这里所谓的有限元模拟软件是指能够用于模拟锻件挤压受力变形的有限元分析模拟软件，例如，美国SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司的deform软件、美国ANSYS公司的ansys软件等。

如图3所示，在有限元模拟软件中，模拟的压板5对中间坯模型2的上下端面进行轴向挤压，在软件中设置轴向压下量为a，并输入锻件材料的力学参数。中间坯模型力学参数要与最终中间坯实体的材质相同，也就是与最终的锻件实体材质相同。

常见的中间坯实体的材质可以是20钢、35钢、16Mn钢、20Mn钢、16MND5钢、18MND5钢、SA508系列钢、20MnMo钢、20MnNiMo钢、20MnMoNb钢、2.25Cr-1Mo钢、14Cr1Mo钢、35CrMo钢、15CrMo钢或2.25Cr-1Mo-0.25V钢等。

有限元模拟软件可模拟计算出锻造变形后的坯料形状，中间坯模型2的小直径段即图2锥形筒的上段，变形后的部分为模拟球环段31；中间坯模型2的大直径段即图2锥形筒的下段，变形后的部分为模拟直筒段32，随后根据变形结果来修正中间坯模型2的形状。

例如，需要的球环过渡异型筒体锻件尺寸为，直筒段12外径为4100mm，壁厚为460mm，锻件轴向高度h＝2100mm，球环段11与直筒段12的轴向长度比值为0.7，即是球环段11与直筒段12外壁的轴向长度比例为0.7:1。

可以先设计中间坯模型2的尺寸为锥形筒的大端端面外径为4100mm，壁厚为465mm，锥形筒轴向高度为2600mm，即是轴向压下量a＝500mm，夹角t为6°。

模拟变形后，对比得到的变形坯模型3形状和需要的球环过渡异型筒体1形状，如图3所示。压板5之间的实线图形为锥形筒变形后得到的变形坯模型3，虚线且填充的图形为需要的球环过渡异型筒体1形状。

图3实施例可见，模拟球环段31的外壁尺寸小于所述球环段11的相应位置尺寸，因此可以减小t。如果修改中间坯模型2的尺寸，将t减少为3°，则软件模拟计算得到如图4，模拟球环段31的内壁尺寸大于所述球环段11的相应位置尺寸，因此可以增大t。

如果修改中间坯模型2的尺寸，将t增大为4°，则软件模拟计算得到如图5，球环段11内、外壁尺寸分别位于模拟球环段31的相应位置尺寸范围内，则表明t＝4°为较适宜的角度，否则继续按照上述修正方法调整中间坯模型2形状。

如图5所示，可以看见变形坯模型3下半段任然发生弯曲，下部内壁超出了球环过渡异型筒体1的尺寸，即是符合模拟直筒段32与模拟球环段31结合处的内壁尺寸，或者模拟直筒段32的内壁尺寸大于球环过渡异型筒体1的相应位置尺寸的情况，应该减小a，即是减小轴向压下量，例如修改中间坯模型2的尺寸，中间坯模型2轴向高度修改为2200mm，即是a＝100mm。

则软件模拟计算得到如图6，可见模拟直筒段32与模拟球环段31结合处的外壁尺寸，或者模拟直筒段32的外壁尺寸小于球环过渡异型筒体1的相应位置尺寸，应该增大a。

例如修改中间坯模型2的尺寸，中间坯模型2轴向高度修改为2300mm，即是a＝200mm,则软件模拟计算得到如图7。此实施例中，球环过渡异型筒体1所有位置的内、外壁尺寸均位于变形坯模型3相应位置尺寸范围内。这表明，中间坯模型2的尺寸为锥形筒大端端面外径4100mm，壁厚465mm，锥形筒轴向高度为2300mm，即是轴向压下量a＝200mm，锥形筒外壁母线与轴线夹角t为4°是较适宜的中间坯形状尺寸，否则还需要按照前述的调整t和a的方法进行调整。

随后根据确定好的中间坯模型2尺寸锻造出中间坯实体，其锻造方法可以沿用现有的锥形筒锻造技术，例如自由锻工艺、轧环工艺等。再以确定好的压下量a＝200mm，用压机对中间坯实体进行镦粗，镦粗后的锻件与有限元模拟软件的模拟变形结果基本相同，最后可以采用切削、打磨或其他方式对镦粗的锻件进行精确修整，得到需要的球环过渡异型筒体1锻件。

采用本发明的锻件制造方法，对中间坯的切削加工少，几乎可以完整保留球环过渡异型筒体锻件的本体流线，大大提高锻件性能，而且能节省加工费和材料费，也无需制造专用工装，能显著降低制造成本。

以下是采用本方法进行锻件制造的几种具体实施例：

例1：球环过渡异型筒体的直筒段12外径为3500mm，壁厚为350mm，h＝2200mm，球环段11与直筒段12的轴向长度比值为0.7:1，经有限元软件模拟后确定，中间坯实体尺寸为锥形筒的大端端面外径3500mm，壁厚351mm，锥形筒轴向高度为2400mm，锥形筒母线与轴线夹角为4.2°，以压下量为200mm对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体1锻件。

例2：球环过渡异型筒体的直筒段12外径为5000mm，壁厚为520mm，h＝2400mm，球环段11与直筒段12的轴向长度比值为1.4:1，经有限元软件模拟得出，中间坯实体尺寸为锥形筒的大端端面外径5000mm，壁厚525mm，锥形筒轴向高度为2900mm，锥形筒母线与轴线夹角为10°，以压下量为500mm对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体1锻件。

例3：球环过渡异型筒体的直筒段12外径为4600mm，壁厚为460mm，h＝2400mm，球环段11与直筒段12的轴向长度比值为1:1，经有限元软件模拟得出，中间坯实体尺寸为锥形筒的大端端面外径4600mm，壁厚465mm，锥形筒轴向高度为2900mm，锥形筒母线与轴线夹角为6°，以压下量为500mm对中间坯实体进行镦粗，对镦粗后的锻件多余部分进行切削修整，得到需要的球环过渡异型筒体1锻件。