本发明属于磁约束受控热核聚变真空设备制造领域，具体涉及一种夹层真空容器的成环制造工装。
背景技术：
为了开发未来新能源，各发达国家都在积极开展以托卡马克为主要途径的磁约束核聚变研究。真空室是磁约束热核聚变研究装置中最主要的部件之一，
真空室共由20个扇形段组成，每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、流道槽钢、外壳、套管、端面筋板和窗口组件焊接而成，主体材料为镍基合金。真空室中每个扇形段均布置有不同类型窗口，真空室不仅内部装有大量内部件，而且外侧装有支撑结构和大尺寸线圈装置。线圈安装位置与隔断的窗口间隙有限，既要保证成环后总体尺寸，又要保证各窗口位置、支撑耳轴位置的安装准确，真空室成环尺寸及形位公差要求非常高，20个扇形段制造完成后的总体成环是其成功制造的关键。
因此，亟需研制一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工装及工艺方法，从而顺利完成20个扇形段制造完成后的总体成环。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工装及工艺方法，以解决20个扇形段整体成环及其成环后真空室各窗口位置、支撑耳轴的安装位置及其总体尺寸满足要求的问题。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工装，真空室共由20个扇形段 组成，每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，包括下部底盘部件、中部连接部件、上部定位部件、整体连接部件；
(1)下部底盘部件
下部底盘部件由上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ、工字钢ⅰ、工字钢ⅱ、下底板、筋板ⅰ、环板ⅰ、环板ⅱ、筋板ⅱ、吊耳、筋板ⅲ、筋板ⅵ组成；
(1.1)下底板和工字钢
下底板是内径为1880mm，外径为4000mm，厚度为36mm的环板；
下底板中心轴与下底板所在平面相垂直并穿过下底板的几何中心，沿下底板中心轴焊接设置16块工字钢ⅰ和4块工字钢ⅱ，每块工字钢ⅰ和工字钢ⅱ对应的圆周角都为18°，其中每块工字钢ⅱ和相邻的两块工字钢ⅱ之间分别设置3块和5块工字钢ⅰ；4块工字钢ⅱ对应4个吊耳的位置；
工字钢ⅰ是长度为1061mm，规格为25b的工字钢；工字钢ⅱ是长度为940mm，规格为25b的工字钢；
(1.2)上底板
上底板设置在下底板上部，包括上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ，三者沿下底板中心轴由内向外依次与工字钢ⅰ和工字钢ⅱ焊接，上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ是与下底板平行、同轴，厚度为36mm的同心圆环状结构，三者在同一平面上；
其中上底板ⅰ的内径为3450mm，外径为4000mm；在上底板ⅰ的周向设置15个直径为80mm的窗口定位孔，15个窗口定位孔的圆心在直径为3560mm的同一个圆上，具体位置根据真空室中窗口的位置对应设置；其中一个窗口定位孔对应真空室扇形段上选取设定的一个对穿窗口的位置；
上底板ⅱ的内径为2810mm，外径为3210mm；
上底板ⅲ的内径为1880mm，外径为2280mm；沿上底板ⅲ周向设置20个直径为26mm的螺栓连接孔和一圈定位扣环，螺栓连接孔位于φ1940的圆周上，定位扣环位于上底板ⅲ上表面内圆和φ1900mm的圆周之间，扣环台阶深10mm；
(1.3)环板、筋板和吊耳
环板包括筒状结构的环板ⅰ与环板ⅱ；筋板包括筋板ⅰ、筋板ⅱ、筋板ⅲ、筋板ⅵ；
环板ⅰ与上底板ⅰ同轴，通过筋板ⅰ焊接在上底板ⅰ上面，环板ⅰ的内径为3770mm，外径为3790mm，厚度为20mm，高度为267.7mm；
环板ⅱ与上底板ⅱ同轴，通过筋板ⅱ焊接在上底板ⅱ上面，环板ⅱ的内径为3000mm，外径为3020mm，厚度为20mm，高度为179.9mm；
环板ⅰ与环板ⅱ的高度差根据真空室扇形段的尺寸设定；
4个吊耳设置在下底板与上底板ⅲ之间，分别与下底板、上底板ⅲ焊接；在每个吊耳的根部焊接1个筋板ⅲ，2个筋板ⅵ；
筋板ⅲ、筋板ⅵ与工字钢ⅰ和工字钢ⅱ等高，筋板ⅲ垂直于下底板并沿下底板圆周切线方向从下底板的周向对吊耳进行加强固定；筋板ⅵ同时垂直于下底板和筋板ⅲ，沿下底板径向方向对吊耳进行加强固定；
(2)中部连接部件
中部连接部件由槽钢ⅰ、槽钢ⅱ、环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ、垫块、定位中心轴、槽钢ⅲ、紧定螺钉组成；
(2.1)环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ
一条环ⅰ、三条环ⅱ、一条环ⅲ都是与下底板同轴的圆筒状结构，其内径都是1880mm，外径都是2000mm，高度都是50mm；环ⅰ、三条环ⅱ、环ⅲ沿同一中心轴依次从下往上排列，间距分别为885mm、820mm、820mm、820mm；
沿环ⅰ周向设置26个直径为26mm的螺栓连接孔和一圈定位扣环，螺栓连接孔位于φ1940mm的圆周上，定位扣环位于环ⅰ下表面外圆和φ1900mm的圆周之间，扣环台阶深10mm；
在每条环ⅱ的外侧沿周向均布设有20个深度为6mm、宽36mm的型槽和20个直径为16mm的紧定螺钉孔，紧定螺钉孔沿环ⅱ径向穿透环宽度，相邻型槽或相邻紧定螺钉孔对应圆周角为18°，每个型槽和紧定螺钉孔对应圆周角为9°；
在环ⅲ外侧设置20个深度为6mm、宽36mm的型槽和12个螺栓连接孔，相邻型槽对应圆周角为18°，螺栓连接孔均布位于环ⅲφ1940mm的圆周上；
(2.2)槽钢、垫块和定位中心轴
在环ⅰ底部和环ⅲ顶部之间设置沿圆周方向均匀分布的槽钢ⅲ，槽钢ⅲ与环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ焊接固定；槽钢ⅲ的规格是22号槽钢；
槽钢ⅰ和槽钢ⅱ与槽钢ⅲ的顶端焊接固定，二者焊接成十字支撑结构并与环ⅲ处于相同的高度位置上；槽钢ⅰ和槽钢ⅱ的规格是20号槽钢；
在槽钢ⅰ中心部位开设直径为60mm的中心孔，长度为100mm，宽度为100mm的垫块焊接在槽钢ⅰ中心孔底部并且开设与槽钢ⅰ中心孔一致的通孔；通过槽钢ⅰ中心孔和垫块的通孔穿如定位中心轴；
(3)上部定位部件
上部定位部件由上部环板ⅰ、上部环板ⅱ和角钢组成；
处于同一平面的上部环板ⅰ和上部环板ⅱ是与下底板同轴的同心圆环状结构。其中，上部环板ⅰ内径为3410mm，外径为3710mm，厚度为36mm；上部环板ⅱ内径为1880mm，外径为2080mm，厚度为36mm；在上部环板ⅰ的内圆与上部板ⅱ的外圆之间通过角钢连接；
在上部环板ⅰ上沿周向均布有窗口定位孔，上部环板ⅰ中窗口定位孔的孔 位和上底板ⅰ中窗口定位孔的孔位位置相对应且同轴；
在上部环板ⅱ上沿周向均布有定位螺栓孔，上部环板ⅱ中定位螺栓孔的孔位和环ⅲ中螺栓连接孔的孔位位置相对应且同轴；
(4)整体连接部件
通过双头螺柱、螺母将上底板ⅲ和环ⅰ连接，从而组装下部底盘部件和中部连接部件；
通过螺柱、螺母将环ⅲ和上部环板ⅱ连接，从而组装中部连接部件和上部定位部件；
定位管ⅰ从上部环板ⅰ对应真空室扇形段选取设定的对穿窗口位置的窗口定位孔顶部穿入真空室内腔，对真空室扇形段上部的对穿窗口进行定位；
定位管ⅱ从扇形段内腔穿入上底板ⅰ中对应真空室扇形段选取设定的对穿窗口位置的窗口定位孔进行定位。
进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工装，在环ⅱ外侧设置的60个紧定螺钉孔与真空室之间设置铜垫防止真空室成环后与工装锁死，铜垫的尺寸为80mm×30mm×1mm。
一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工艺方法，包括以下步骤：
1)将成环工装放置于回转工作台上，对工装下部组件环板、中部组件环与回转工作台进行找正；
2)在成环工装中心用钼丝吊铅垂线，使铅垂顶点与回转工作台同心。将成环工装在回转工作台上进行旋转，用经纬仪复检调整使铅垂线处于轴中心位置，作为后续组对各个扇形段向心的中心基准；
3)单个扇形段焊接后在自由状态下尺寸满足要求后，制作十字支撑工装塞入扇形段内部与内壳接触，使其整体具有足够的刚性；
4)将扇形段置于成环工装上，以内壳为基准组对各扇形段，检测底部扇形段分度线，并用经纬仪检测单个扇形段中间经线和两侧边端面筋板垂直度；
利用回转工作台旋转测量单个扇形段夹角及相邻扇形段中径夹角、各窗口间形位尺寸；采用其它工具辅助测量窗口端面垂直度、型面尺寸、中平面平面度、上下窗口对称度、窗口位置精度；
5)设备中平面上有5个沿环向均分的支撑焊接块，各支撑块沿中心轴旋转角度为72°，每个支撑块之间有4个扇形段。为了保证成环质量，先将带支撑块的扇形段组件在成环工装上进行组对，相邻支撑块之间留一个扇形段配加工两侧成环，降低了成环过程累积的误差，确保了各扇形段窗口位置精度；
6)按系统设定的各扇形段焊接顺序依次进行各相邻扇形段内侧连续焊缝和外侧断续焊缝的点焊和焊接，通过对称跳焊的方式减小焊接变形和应力，点焊及焊接过程实施监控测量变形情况；
8)整体焊接成环后对焊接支撑块中心进行检测、分度、划线并加工端面、螺栓孔和中心耳轴孔，保证5个支撑块间分度的准确和耳轴中心孔向心的要求。
本发明技术方案的有益效果在于：通过制作成环专用工装，既保证了成环后总体尺寸，又保证了各窗口位置、支撑耳轴位置的安装准确，可以满足真空室成环尺寸及形位公差要求，解决了真空室各扇形段成环组对基准及固定问题。
附图说明
图1是成环专用工装主视图；
图2是成环专用工装俯视图；
图3是下部底盘部件主视图；
图4是下部底盘部件俯视图；
图5是中部连接部件主视图；
图6是中部连接部件顶端放大图；
图7是中部连接部件俯视图；
图8是上部定位部件俯视图。
图中：1下部底盘部件，2中部连接部件,3上部定位部件,4定位管ⅰ,5定位管ⅱ，6铜垫，7下底板，8筋板ⅰ,9环板ⅰ,10环板ⅱ,11筋板ⅱ，12上底板ⅰ,13上底板ⅱ,14上底板ⅲ,15工字钢ⅰ,16工字钢ⅱ，17吊耳,18筋板ⅲ,19筋板ⅵ，20槽钢ⅰ,21槽钢ⅱ,22环ⅰ,23环ⅱ,24环ⅲ,25垫块，26定位中心轴,27槽钢ⅲ,28紧定螺钉，29上部环板ⅰ,30上部环板ⅱ,31角钢。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本发明一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工装，真空室共由20个扇形段组成，每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，如图1和图2所示，包括下部底盘部件、中部连接部件、上部定位部件、整体连接部件；
(1)下部底盘部件
如图3和图4所示，下部底盘部件由上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ、工字钢ⅰ、工字钢ⅱ、下底板、筋板ⅰ、环板ⅰ、环板ⅱ、筋板ⅱ、吊耳、筋板ⅲ、筋板ⅵ组成；
(1.1)下底板和工字钢
下底板是内径为1880mm，外径为4000mm，厚度为36mm的环板；
下底板中心轴与下底板所在平面相垂直并穿过下底板的几何中心，沿下底板中心轴焊接设置16块工字钢ⅰ和4块工字钢ⅱ，每块工字钢ⅰ和工字钢ⅱ对应的圆周角都为18°，其中每块工字钢ⅱ和相邻的两块工字钢ⅱ之间分别设置3块和5块工字钢ⅰ；4块工字钢ⅱ对应4个吊耳的位置；
工字钢ⅰ是长度为1061mm，规格为25b的工字钢；工字钢ⅱ是长度为940mm，规格为25b的工字钢；
(1.2)上底板
上底板设置在下底板上部，包括上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ，三者沿下底板中心轴由内向外依次与工字钢ⅰ和工字钢ⅱ焊接，上底板ⅰ、上底板ⅱ、上底板ⅲ是与下底板平行、同轴，厚度为36mm的同心圆环状结构，三者在同一平面上；
其中上底板ⅰ的内径为3450mm，外径为4000mm；在上底板ⅰ的周向设置15个直径为80mm的窗口定位孔，15个窗口定位孔的圆心在直径为3560mm的同一个圆上，具体位置根据真空室中窗口的位置对应设置；其中一个窗口定位孔对应真空室扇形段上选取设定的一个对穿窗口的位置；
上底板ⅱ的内径为2810mm，外径为3210mm；
上底板ⅲ的内径为1880mm，外径为2280mm；沿上底板ⅲ周向设置20个直径为26mm的螺栓连接孔和一圈定位扣环，螺栓连接孔位于φ1940的圆周上，定位扣环位于上底板ⅲ上表面内圆和φ1900mm的圆周之间，扣环台阶深10mm；
(1.3)环板、筋板和吊耳
环板包括筒状结构的环板ⅰ与环板ⅱ；筋板包括筋板ⅰ、筋板ⅱ、筋板ⅲ、筋板ⅵ；
环板ⅰ与上底板ⅰ同轴，通过筋板ⅰ焊接在上底板ⅰ上面，环板ⅰ的内径为3770mm，外径为3790mm，厚度为20mm，高度为267.7mm；
环板ⅱ与上底板ⅱ同轴，通过筋板ⅱ焊接在上底板ⅱ上面，环板ⅱ的内径为3000mm，外径为3020mm，厚度为20mm，高度为179.9mm；
环板ⅰ与环板ⅱ的高度差根据真空室扇形段的尺寸设定；
4个吊耳设置在下底板与上底板ⅲ之间，分别与下底板、上底板ⅲ焊接；在每个吊耳的根部焊接1个筋板ⅲ，2个筋板ⅵ；
筋板ⅲ、筋板ⅵ与工字钢ⅰ和工字钢ⅱ等高，筋板ⅲ垂直于下底板并沿下底板圆周切线方向从下底板的周向对吊耳进行加强固定；筋板ⅵ同时垂直于下底板和筋板ⅲ，沿下底板径向方向对吊耳进行加强固定；
(2)中部连接部件
如图5～7所示，中部连接部件由槽钢ⅰ、槽钢ⅱ、环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ、垫块、定位中心轴、槽钢ⅲ、紧定螺钉组成；
(2.1)环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ
一条环ⅰ、三条环ⅱ、一条环ⅲ都是与下底板同轴的圆筒状结构，其内径都是1880mm，外径都是2000mm，高度都是50mm；环ⅰ、三条环ⅱ、环ⅲ沿同一中心轴依次从下往上排列，间距分别为885mm、820mm、820mm、820mm；
沿环ⅰ周向设置26个直径为26mm的螺栓连接孔和一圈定位扣环，螺栓连接孔位于φ1940mm的圆周上，定位扣环位于环ⅰ下表面外圆和φ1900mm的圆周之间，扣环台阶深10mm；
在每条环ⅱ的外侧沿周向均布设有20个深度为6mm、宽36mm的型槽和20个直径为16mm的紧定螺钉孔，紧定螺钉孔沿环ⅱ径向穿透环宽度，相邻型槽或相邻紧定螺钉孔对应圆周角为18°，每个型槽和紧定螺钉孔对应圆周角为9°；
在环ⅲ外侧设置20个深度为6mm、宽36mm的型槽和12个螺栓连接孔，相邻型槽对应圆周角为18°，螺栓连接孔均布位于环ⅲφ1940mm的圆周上；
(2.2)槽钢、垫块和定位中心轴
在环ⅰ底部和环ⅲ顶部之间设置沿圆周方向均匀分布的槽钢ⅲ，槽钢ⅲ与环ⅰ、环ⅱ、环ⅲ焊接固定；槽钢ⅲ的规格是22号槽钢；
槽钢ⅰ和槽钢ⅱ与槽钢ⅲ的顶端焊接固定，二者焊接成十字支撑结构并与环ⅲ处于相同的高度位置上；槽钢ⅰ和槽钢ⅱ的规格是20号槽钢；
在槽钢ⅰ中心部位开设直径为60mm的中心孔，长度为100mm，宽度为100mm的垫块焊接在槽钢ⅰ中心孔底部并且开设与槽钢ⅰ中心孔一致的通孔；通过槽钢ⅰ中心孔和垫块的通孔穿如定位中心轴；
(3)上部定位部件
如图8所示，上部定位部件由上部环板ⅰ、上部环板ⅱ和角钢组成；
处于同一平面的上部环板ⅰ和上部环板ⅱ是与下底板同轴的同心圆环状结构。其中，上部环板ⅰ内径为3410mm，外径为3710mm，厚度为36mm；上部环板ⅱ内径为1880mm，外径为2080mm，厚度为36mm；在上部环板ⅰ的内圆与上部板ⅱ的外圆之间通过角钢连接；
在上部环板ⅰ上沿周向均布有窗口定位孔，上部环板ⅰ中窗口定位孔的孔位和上底板ⅰ中窗口定位孔的孔位位置相对应且同轴；
在上部环板ⅱ上沿周向均布有定位螺栓孔，上部环板ⅱ中定位螺栓孔的孔位和环ⅲ中螺栓连接孔的孔位位置相对应且同轴；
(4)整体连接部件
通过双头螺柱、螺母将上底板ⅲ和环ⅰ连接，从而组装下部底盘部件和中部连接部件；
通过螺柱、螺母将环ⅲ和上部环板ⅱ连接，从而组装中部连接部件和上部定位部件；
定位管ⅰ从上部环板ⅰ对应真空室扇形段选取设定的对穿窗口位置的窗口定位孔顶部穿入真空室内腔，对真空室扇形段上部的对穿窗口进行定位；
定位管ⅱ从扇形段内腔穿入上底板ⅰ中对应真空室扇形段选取设定的对穿 窗口位置的窗口定位孔进行定位。
在本实施例中，在环ⅱ外侧设置的60个紧定螺钉孔与真空室之间设置铜垫防止真空室成环后与工装锁死，铜垫的尺寸为80mm×30mm×1mm。
基于上述工装的一种大型双层薄壁d型截面真空室整体成环工艺方法包括以下步骤：
1)将成环工装放置于回转工作台上，对工装下部组件环板、中部组件环与回转工作台进行找正；
2)在成环工装中心用钼丝吊铅垂线，使铅垂顶点与回转工作台同心。将成环工装在回转工作台上进行旋转，用经纬仪复检调整使铅垂线处于轴中心位置，作为后续组对各个扇形段向心的中心基准；
3)单个扇形段焊接后在自由状态下尺寸满足要求后，制作十字支撑工装塞入扇形段内部与内壳接触，使其整体具有足够的刚性；
4)将扇形段置于成环工装上，以内壳为基准组对各扇形段，检测底部扇形段分度线，并用经纬仪检测单个扇形段中间经线和两侧边端面筋板垂直度；
利用回转工作台旋转测量单个扇形段夹角及相邻扇形段中径夹角、各窗口间形位尺寸；采用其它工具辅助测量窗口端面垂直度、型面尺寸、中平面平面度、上下窗口对称度、窗口位置精度；
5)设备中平面上有5个沿环向均分的支撑焊接块，各支撑块沿中心轴旋转角度为72°，每个支撑块之间有4个扇形段。为了保证成环质量，先将带支撑块的扇形段组件在成环工装上进行组对，相邻支撑块之间留一个扇形段配加工两侧成环，降低了成环过程累积的误差，确保了各扇形段窗口位置精度；
6)按系统设定的各扇形段焊接顺序依次进行各相邻扇形段内侧连续焊缝和外侧断续焊缝的点焊和焊接，通过对称跳焊的方式减小焊接变形和应力，点焊 及焊接过程实施监控测量变形情况；
8)整体焊接成环后对焊接支撑块中心进行检测、分度、划线并加工端面、螺栓孔和中心耳轴孔，保证5个支撑块间分度的准确和耳轴中心孔向心的要求。