大型板制单焊缝三通成形工艺方法及成形装置与流程

背景技术：
大型三通主要用于油气输送管道中主干线与支线的连接处。按照支管直径D₂和主管直径D₁的关系，可将其分为小异径比(D₂/D₁≤2/3)三通和大异径比(2/3<D₂/D₁≤1)三通。特殊的，当D₂/D₁＝1时，主管与支管直径相等，即等径三通。大型三通的成形方法主要有铸造、焊接、液压成形和挤压成形等。铸造三通的内部缺陷较严重；焊接三通焊缝区域的冲击韧性较差；液压成形三通的最大成形三通管径较小；挤压三通的壁厚减薄较严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种壁厚均匀、焊缝数量少、成形质量稳定的大型板制单焊缝三通成形工艺方法及成形装置。

本发明的方法主要是：以板坯作为原材料，精确下料；依次经过胀形(或拉深)和反拉深成形得到宽法兰筒形件，其中直筒部分作为三通支管；经U型截面成形和O型截面成形，将法兰部分成形为三通主管，同时对支管圆角部分进行整形；将主管焊合；切除支管的圆角及底部区域；切除主管两端多余材料，即可得到合格的单焊缝等径三通管件。为实现上述方法又设计出与其配套的装置。

一、对于小异径比(支管直径D₂和主管直径D₁的比值D₂/D₁≤2/3)大型板制单焊缝三通：

(一)本发明的方法之一具体如下：

1.下料

(1)确定坯料形状：坯料形状为矩形，长L＝π(D₁-t)+(10～20)mm，宽D＝C+(100～200)mm。其中，D₁为主管直径，t为三通壁厚，C为主管长度。

(2)下料：选取与产品三通管件材质和壁厚相同的板坯作为原材料，按照计算所得矩形板料尺寸进行切割机下料。

2.加工坡口

将下好的坯料装卡在机床上，通过刀具与坯料的相对运动加工出坯料两短边段横截面要求的坡口尺寸。

3.支管成形

(1)胀形：

将坯料放在凹模Ⅰ上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凸模Ⅰ与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。胀形过程中，首先由压边圈施加力将坯料压住，随后凸模Ⅰ将坯料压入凹模Ⅰ，待凸模球冠完全进入凹模，即胀形高度为H₁时，停止成形，获得支管预成形坯。

(2)反拉深

将支管预成形坯放在凹模Ⅱ上，通过球头定位杆定位，使球冠中心线与凹模中心线对齐。凸模Ⅱ与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。反拉深成形过程中，凸模Ⅱ将坯料压入凹模Ⅱ，拉深高度达到H₂＝M-D₁/2+r_d2时，停止成形，获得支管成形坯。

4.主管成形

(1)U型截面成形：

将支管成形坯放在凹模III上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模III与下模板通过螺钉联接，下模板上设有与现有技术相同的与压机工作台相连的机构。该成形步骤与反拉深成形共用凸模Ⅱ。凸模Ⅱ压下，将支管成形坯压入凹模III，平面凸缘部分形成U型主管坯。

(2)O型截面成形

将凹模III内的两块垫块卸下，将U型主管坯置于凹模内。凸模III与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。滑块带动凸模III压下，将U型主管坯压制成O型主管坯，制得三通管坯。

5.焊接

将三通管坯的主管背部开口处用焊机焊合，焊缝为位于主管底部的一条纵向焊缝。

5.切除余料

将三通管坯主管两端以及支管端部多余的坯料用切割机切除，并按三通规格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

(二)成形模具

1、支管成形模具

(1)胀形模具：

凸模I为底板下面设有与其垂直相连的圆头柱体，该圆头柱体的自由端为球冠，球冠直径为

D_p1＝D₂/m-2z (1)

其中，D₂为支管直径；m为拉深系数，查阅设计手册确定；z为凸模Ⅰ与凹模Ⅰ的间隙z＝(1-1.1)t。球冠高度为

$H_1=4t+\sqrt{2.24t^2+D_{2}M-0.5D_1{D}_2+0.56D_{2}t-2.28D_{2}t/m}---\left(2\right)$

其中，M为支管高度。

与凸模对应的凹模Ⅰ为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d1＝D₂/m，该凹模Ⅰ的中心通孔与顶面设圆角，该圆角半径为r_d1＝(3-5)t。

(2)反拉深模具：

凸模II为底板下面设有与其垂直相连的U型体，该U型体是由立方体与半圆柱体相连组成的几何体，该U型型面半径r＝D₁/2,宽b₁＝D₂-2z；圆角半径为r_p2＝(3-5)t。U型体下端中部设有与其连为一体的平头圆柱体，其直径为D_p2＝D₂-2z。

与凸模II对应的凹模Ⅱ为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为为D_d2＝D₂，该凹模Ⅱ的中心通孔与顶面设圆角，该圆角半径为r_d2＝(3-5)t。

2、主管成形模具

(1)U型截面成形模具：

主管成形U型截面成形模具的凸模结构与凸模II相同，共用。

凹模III为型面尺寸与三通外壁型面尺寸相同两端敞开且开口向上的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面中部设与支管对应的通孔，U型槽体的两个竖直壁内设与其平行的开口槽，开口槽内设有与其对应的垫块，垫块通过螺钉与凹模III联接，两垫块间距b₂＝D₁。

(2)O型截面成形模具：

凸模III为两端敞开且开口向下的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面即型面尺寸与三通主管外壁型面尺寸相同。

与凸模III对应的凹模与U型截面成形凹模III结构相同，但不加垫块。

二、对于大异径比(支管直径D₂和主管直径D₁的比值2/3<D₂/D₁≤1)大型板制单焊缝三通：

(一)本发明的方法之二具体如下：

1.下料

(1)确定坯料形状：以宽法兰筒形件作为反算模型，利用DYNAFORM软件自带的BSE(板料尺寸计算)功能将其展开，得到合理的坯料尺寸。宽法兰筒形件的特征在于法兰长度为L＝π(D₁-t)+(10～20)mm，宽度为D＝C+(100～200)mm,直壁筒的直径为d＝D₂/m，高度H₂＝M-D₁/2+r_d。其中，D₁为主管直径；t为三通壁厚；C为主管长度；D₂为支管直径；m为拉深系数，查阅设计手册确定；M为支管高度，r_d为圆角半径，r_d＝(3-5)t。

(2)下料：选取与产品三通管件材质和壁厚相同的板坯作为原材料，按照反算坯料形状及尺寸进行切割机下料。

2.加工坡口

将下好的坯料装卡在机床上，通过刀具与坯料的相对运动加工出坯料两短边段横截面要求的坡口尺寸。

3.支管成形

(1)拉深：

将坯料放在凹模Ⅳ上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凸模Ⅳ与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。拉深过程中，首先由压边圈施加力将坯料压住，随后凸模Ⅳ将坯料压入凹模Ⅳ，拉深高度达到H＝M-D₁/2+r_d时，停止成形，获得支管预成形坯。

(2)反拉深

将支管预成形坯放在凹模Ⅴ上，通过定位杆定位，使预制支管中心线与凹模中心线对齐。凸模Ⅴ与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。反拉深成形过程中，凸模Ⅴ将坯料压入凹模Ⅴ，拉深高度达到H时，停止成形，获得支管成形坯。

4.主管成形

(1)U型截面成形：

将支管成形坯放在凹模Ⅵ上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模Ⅵ与下模板通过螺钉联接，下模板上设有与现有技术相同的与压机工作台相连的机构。该成形步骤与反拉深成形共用凸模Ⅴ。凸模Ⅴ压下，将支管成形坯平面凸缘部分压制成形U型主管坯。

(2)O型截面成形

将凹模Ⅵ内的两块垫块卸下，将U型主管坯置于凹模内。凸模Ⅵ与上模板通过螺钉联接，上模板通过现有技术与压机横梁相连。滑块带动凸模Ⅵ压下，将U型主管坯压制成O型主管坯，制得三通管坯。

5.焊接

将三通管坯的主管背部开口处用焊机焊合，焊缝为位于主管底部的一条纵向焊缝。

5.切除余料

将三通管坯主管两端以及支管端部多余的坯料用切割机切除，并按三通规格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

(二)成形模具

1、支管成形模具

⑴胀形模具：

凸模IV为底板下面设有与其垂直相连的平头圆柱体，其直径为D_p4＝D₂/m-2z，其中，z为凸模Ⅳ与凹模Ⅳ的间隙z＝(1-1.1)t；平头与圆柱体间的圆角半径为r_p4＝(3-5)t。

与凸模对应的凹模Ⅳ为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d4＝D₂/m，该凹模Ⅳ的中心通孔与顶面设圆角，圆角半径为r_d4＝(3-5)t。

(2)反拉深模具：

凸模V为底板下面设有与其垂直相连的U型体，该U型体是由立方体与半圆柱体相连组成的几何体，上部U型型面半径r＝D₁/2-z,宽b₁＝2r，U型体下端中部设有与其连为一体的平头圆柱体，其直径为D_p5＝D₂-2z。

与凸模V对应的凹模V为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d5＝D₂，该凹模V的中心通孔与顶面设圆角，圆角半径为r_d5＝(3-5)t。

3、主管成形模具

(1)U型截面成形模具：

主管成形U型截面成形模具的凸模结构与凸模V相同，共用。

凹模VI为型面尺寸与三通外壁型面尺寸相同两端敞开且开口向上的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面中部设与支管对应的通孔，U型槽体的两个竖直壁内设与其平行的开口槽，开口槽内设有与其对应的垫块，垫块通过螺钉与凹模III联接，两垫块的间距b₂＝D₁。

(2)O型截面成形模具：

凸模VI为两端敞开且开口向下的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面即型面尺寸与三通主管外壁型面尺寸相同。

与凸模VI对应的凹模与U型截面成形凹模VI结构相同，但不加垫块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.采用本发明获得的三通产品仅在主管背部存在一条焊缝，主管与支管过渡圆滑，改善了介质的流通性。

2.本发明所用坯料为板料，模具简单，成形设备要求低，因此可成形大型三通件。

3.支管肩台部分会出现增厚现象，提高三通管件薄弱部分的强度，提高使用寿命。

4.无需加热，管坯组织均匀，能源消耗少，材料利用率高，降低了产品成本。

附图说明

图1为本发明成形三通主视示意简图。

图2为本发明成形三通左视示意简图。

图3为本发明例1胀形成形装置主视示意简图。

图4为本发明例1胀形成形装置三维示意简图。

图5为本发明例1反拉深成形装置主视示意简图。

图6为本发明例1反拉深成形装置左视示意简图。

图7为本发明例1反拉深成形装置三维示意简图。

图8为本发明例1U型截面成形装置主视示意简图。

图9为本发明例1U型截面成形装置左视示意简图。

图10为本发明例1U型截面成形装置三维示意简图。

图11为本发明例1O型截面成形装置主视示意简图。

图12为本发明例1O型截面成形装置左视示意简图。

图13为本发明例1O型截面成形装置三维示意简图。

图14为本发明例2坯料反算模型示意简图。

图15为本发明例2反算坯料示意简图。

图16为本发明例2拉深成形装置主视示意简图。

图17为本发明例2拉深成形装置三维示意简图。

图18为本发明例2反拉深成形装置主视示意简图。

图19为本发明例2反拉深成形装置左视示意简图。

图20为本发明例2反拉深成形装置三维示意简图。

图21为本发明例2U型截面成形装置主视示意简图。

图22为本发明例2U型截面成形装置左视示意简图。

图23为本发明例2U型截面成形装置三维示意简图。

图24为本发明例2O型截面成形装置主视示意简图。

图25为本发明例2O型截面成形装置左视示意简图。

图26为本发明例2O型截面成形装置三维示意简图。

图中：1.三通主体；2.焊缝；3.上模板；4.凸模Ⅰ；5.压边圈Ⅰ；6.坯料；7.凹模Ⅰ；8.下模板；9.凸模Ⅱ；10.凹模Ⅱ；11.垫块；12.凹模Ⅲ；13.凸模Ⅲ；14.反算模型；15.反算坯料；16.凸模Ⅳ；17.压边圈Ⅱ；18.凹模Ⅳ；19.凸模Ⅴ；20.凹模Ⅴ；21.垫块；22.凹模Ⅵ；23.凸模Ⅵ。

具体实施方式

例1

以生产材料Q235，主管直径D₁＝800mm、支管直径D₂＝400mm、支管高度M＝500mm、主管长度C＝1200mm、厚度t＝20mm焊缝2在背部的三通1为例，如图1和图2所示，对本发明进行说明。

选取厚度为20mm的Q235板料作为原材料，矩形坯料6的长L＝2464mm，宽D＝1300mm，用切割机下料。将下好的坯料装卡在机床上，通过刀具与坯料的相对运动加工出坯料短边横截面要求的坡口，坡口为Y型坡口，尺寸为10×15mm。

将坯料坡口朝下放置在凹模Ⅰ7上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模Ⅰ中心通孔的直径为D_d1＝534mm，圆角半径为r_d1＝100mm，通过下模板8固定在压机工作台上。凸模I4为底板下面设有与其垂直相连的圆头柱体，该圆头柱体的自由端为球冠，球冠直径为为D_p1＝494mm，高度为H₁＝225mm，通过上模板3安装在压力机滑块上。如图3和图4所示，胀形过程中，首先由压边圈Ⅰ5施加力将坯料压住，随后凸模Ⅰ将坯料压入凹模Ⅰ，胀形高度为H₁＝225mm时，停止成形，获得支管预成形坯。

将支管预成形坯放在凹模Ⅱ10上，球冠底部向上，通过球头定位杆定位，使球冠中心线与凹模中心线对齐。凸模II9为底板下面设有与其垂直相连的U型体，该U型体是由立方体与半圆柱体相连组成的几何体，该U型型面半径r＝380mm，宽b₁＝760mm，圆角半径为r_p2＝80mm。U型体下端中部设有与其连为一体的平头圆柱体，其直径为D_p2＝360mm，通过上模板安装在压力机滑块上。凹模Ⅱ10为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d2＝400mm，圆角半径为r_d2＝80mm，通过下模板固定与压机工作台上，如图5、图6和图7所示，反拉深成形过程中，凸模Ⅱ将坯料压入凹模Ⅱ，拉深高度达到H₂＝180mm时，停止成形，获得支管成形坯。

将支管成形坯放在凹模III12上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模III通过下模板固定在压机工作台上，凹模III为型面尺寸与三通外壁型面尺寸相同两端敞开且开口向上的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面中部设与支管对应的通孔，U型槽体的两个竖直壁内设与其平行的开口槽，开口槽内设有与其对应的垫块11，垫块通过螺钉与凹模III联接，两垫块间距b₂＝800mm。该成形步骤与反拉深成形共用凸模Ⅱ，如图8、图9和图10所示，凸模Ⅱ压下，将支管成形坯平面凸缘部分压制成形U型主管坯。

将凹模III内的两块垫块卸下，将U型主管坯置于凹模III内。凸模III13为两端敞开且开口向下的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面即型面尺寸与三通主管外壁型面尺寸相同，通过上模板通与压机横梁相连，如图11、图12和图13所示，滑块带动凸模Ⅲ压下，将U型主管坯压制成O型主管坯，制得三通管坯。

将三通管坯的主管背部开口处用焊机焊合，焊缝为位于主管底部的一条纵向焊缝。将三通管坯主管两端以及支管端部多余的坯料用切割机切除，并按三通规格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。

例2

以生产材料X80，主管直径D₁＝800mm、支管直径D₂＝600mm、支管高度M＝500mm、主管长度C＝1200mm、厚度t＝20mm的三通为例对本发明进行说明。

以宽法兰筒形件作为反算模型14，如图14所示，其法兰长度为L＝2464mm，宽度为D＝1300mm,直壁筒的直径为d＝800mm，高度H₂＝200mm。圆角半径r_d＝100mm。利用DYNAFORM软件自带的BSE(板料尺寸计算)功能将其展开，得到反算坯料15形状及尺寸，如图15所示。选取厚度为20mm的X80板料作为原材料，按照反算坯料形状用切割机下料。将下好的坯料装卡在机床上，通过刀具与坯料的相对运动加工出坯料短边横截面要求的坡口，坡口为Y型坡口，尺寸为10×15mm。

将坯料坡口朝下放置在凹模Ⅳ18上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模Ⅳ为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d4＝800mm，圆角半径为r_d4＝100mm，通过下模板固定在压机工作台上。凸模IV16为底板下面设有与其垂直相连的平头圆柱体，其直径为D_p4＝760mm，圆角半径为r_p4＝100mm，通过上模板安装在压力机滑块上，如图16和图17所示，拉深过程中，首先由压边圈17施加力将坯料压住，随后凸模Ⅳ将坯料压入凹模Ⅳ，拉深高度为H₂＝200mm时，停止成形，获得支管预成形坯。

将支管预成形坯放在凹模Ⅴ20上，筒底向上，通过定位杆定位，将预制支管中心线与凹模中心线对齐。凹模Ⅴ为设有中心通孔的矩形板块，中心通孔的直径为D_d5＝600mm，圆角半径为r_d5＝80mm，通过下模板固定与压机工作台上。凸模Ⅴ19为底板下面设有与其垂直相连的U型体，该U型体是由立方体与半圆柱体相连组成的几何体，上部U型型面的半径r＝380mm，宽b₁＝760mm，圆角半径为r_p5＝80mm，U型体下端中部设有与其连为一体的平头圆柱体，其直径为D_p5＝560mm，通过上模板安装在压力机滑块上。如图18、图19和图20所示，反拉深成形过程中，凸模Ⅴ将坯料压入凹模Ⅴ，拉深高度达到H₂＝200mm时，停止成形，获得支管成形坯。

将支管成形坯放在凹模Ⅵ22上，通过定位销定位，使坯料中心线与凹模中心线对齐。凹模Ⅵ通过下模板固定在压机工作台上，凹模VI为型面尺寸与三通外壁型面尺寸相同两端敞开且开口向上的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面中部设与支管对应的通孔，U型槽体的两个竖直壁内设与其平行的开口槽，开口槽内设有与其对应的垫块21，垫块通过螺钉与凹模III联接，两垫块的间距b₂＝800mm。该成形步骤与反拉深成形共用凸模Ⅴ，如图21、图22和图23所示，凸模Ⅴ压下，将支管成形坯平面凸缘部分压制成形U型主管坯。

将凹模Ⅵ内的两块垫块21卸下，将U型主管坯置于凹模Ⅵ内。凸模Ⅵ23为两端敞开且开口向下的U型槽体，该U型槽体的半圆柱形底面即型面尺寸与三通主管外壁型面尺寸相同，通过上模板通与压机横梁相连，如图24、图25和图26所示，滑块带动凸模Ⅵ压下，将U型主管坯压制成O型主管坯，制得三通管坯。

将三通管坯的主管背部开口处用焊机焊合，焊缝为位于主管底部的一条纵向焊缝。将三通管坯主管两端以及支管端部多余的坯料用切割机切除，并按三通规格要求加工端面后即可得到合格的三通零件。