一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置的制作方法

(一)技术领域

本设计是一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置，它用于均化大型环轧零件在轧制过程中产生的残余应力。该残余应力均化装置可以通过液压系统的加载和检测装置的反馈控制胀形力，以液压胀形的方式实现大型环轧零件的残余应力均化。本设计属于大型环轧零件的残余应力均化技术领域。

(二)背景

在现代工业中，大型环件的应用非常广泛，如航空发动机、火箭发动机、航天飞机等用的环件与轴承内外圈，石油、化工设备上的法兰，坦克、舰炮上用的座圈和转圈，核电站用的大型环件，风力发电机组塔用的大型法兰等。随着我国航空航天、造船、核电、风电等方面技术水平的不断提高，对环形件的尺寸、性能等的要求也越来越高，高强度、直径超过5m的大型和超大型优质环件的需求与日俱增。

大型环件在机械加工过程中出现的过大变形和使用过程中出现的裂纹破坏等问题，都极大的影响了生产效益，由于大型环件应用场合特殊，其尺寸要求和性能要求都较高，成本昂贵，若因变形而出现报废，则损失巨大。环件出现这些问题都与残余应力有关。在金属轧制过程中，轧件内、外表面直接与轧辊接触，并受轧辊的作用力而产生塑性变形，轧件心部则是受内、外表面的挤压而产生塑性变形，故轧件不可避免的会产生残余应力。鉴于残余应力对工件的强度、疲劳寿命、抗应力腐蚀性能和结构尺寸稳定性都有很大影响，在机械制造中不可忽视对残余应力调控的工艺流程，达到将残余应力控制在合理范围内的目的。

针对对大型环轧零件实现残余应力均化问题，提出了以液压胀形技术对大型环轧零件加以胀形以实现残余应力均化的方案，并依据此方案设计了大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置，用以实现对大型环轧零件的残余应力均化。

(三)设计内容

1、目的：本设计的目的是为了实现对大型环轧零件的残余应力均化，提供了一种液压胀形残余应力均化装置，它提供了一种新的大型环轧零件的残余应力均化方法，克服了现有技术的不足，能实现大型环扎零件的残余应力均化。

2、技术方案：本设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置，它是由装置下模、待应力均化环轧零件、装置上模、上下模与环件间动密封件、上下模间静密封件、上下模固接件、液压站、激光位移传感器、数据采集软件及电脑系统组成；

它们之间的位置连接关系是：装置下模固定于地面上，待应力均化环轧零件通过吊装放置在装置下模上，通过下模与环件间动密封件与装置下模相接触，与装置下模保持同心；装置上模通过吊装放置在待应力均化环轧零件上，通过上模与环件间动密封件与待应力均化环轧零件相接触，与装置下模保持同心；两个上下模固接件通过吊装以左右合模的形式包覆装置上模与装置下模，上下模固接件与装置上模、装置下模均接触，并与装置下模保持同心；上下模与环件间动密封件分别在装置上模、装置下模相应的与环件间动密封件密封槽内填充固定，与装置上模、装置下模和待应力均化环轧零件相接触；上下模间静密封件在上下模静密封件密封槽内填充固定，与装置上模、装置下模相接触；激光位移传感器的传感探头通过所配支架和螺钉固定在装置下模相应位置，传感器的数据线通过装置下模中的传感器线道与装置中心的传感器放大器单元相连接，传感器放大器单元与数据采集软件和电脑系统相连接；液压站控制系统与电脑系统相连接，液压站出油口通过液压管道、液压管接头与装置下模的相应充液口相连接，液压站回油口通过液压管道、液压管接头与装置下模的相应出液口相连接。具体的连接接触情况可以参考图1、图2所示。

所述装置下模呈圆环形状，中截面为“l”形，其结构轮廓可参考图3；其上表面需加工螺纹孔16×m64×150用以安装与装置上模相固接的沉头螺钉，其上表面在φ9600-φ10300间需加工下模与环件间动密封件密封槽，其上表面需加工螺纹孔8×m4.5×10用以安装固定激光位移传感器传感探头的螺钉，其侧面在φ9300-φ9500间需加工与装置上模间的迷宫密封阶梯，其侧面需加工密封螺纹孔16×m100用以安装液压管接头，其下部需加工激光传感器线道；装置下模主要用以放置待应力均化环轧零件，固定与支撑其他各装置，与装置上模和待应力均化环轧零件共同形成胀形液容纳腔以容纳胀形液，与装置上模一同限制待应力均化环轧零件的胀形方向；

所述待应力均化环轧零件呈圆环形状，圆环外径、内径、高分别是：φ10000×φ9600×200，材料为7075铝合金，是液压胀形残余应力均化装置的加工对象；

所述装置上模呈圆环形状，中截面为形，其结构轮廓可参考图4；其上表面需加工沉头螺纹孔16×m64×90用以安装与装置下模相固接的沉头螺钉，其下表面在φ9600-φ10300间需加工上模与环件间动密封件密封槽，其外侧面需焊接4个焊接吊耳，其内侧面在φ9300-φ9500间需加工上模与下模间静密封件密封槽和与装置下模间的迷宫密封阶梯；装置上模主要用以与装置下模和待应力均化环轧零件共同形成胀形液容纳腔，与装置下模一同限制待应力均化环轧零件的胀形方向；

所述上下模固接件呈圆环形状，中截面为“]”形，其结构轮廓可参考图5；其外侧面需焊接3个焊接吊耳；主要用以抵消待应力均化环轧零件胀形时胀形液与装置上模相接触所产生的纵向压力，实现装置上模与装置下模纵向与径向的相对固定；

所述上下模与环件间动密封件呈圆环形状，公称直径为φ9600-φ10300间的一系列值；主要用以实现液压胀形过程中胀形中的环轧零件与装置上模和装置下模之间的动密封；

所述上下模间静密封件呈圆环形状，公称直径为φ9300；主要用以实现液压胀形过程中装置上模与装置下模之间的静密封；

所述激光位移传感器呈长方形，其长、宽、高为26.2×49.7×66；主要用以测量液压胀形时待应力均化环轧零件的胀形量；

所述液压站大致呈长方形，其轮廓长、宽、高为3800×2700×1800；主要用以按液压胀形所需的流量和油液压力进行供油；

其中，上下模固接件的数量是2个，上下模与环件间动密封件的数量是70个，上下模间静密封件的数量是32个，激光位移传感器的数量是4个；

其中，装置下模为非标零件，其材料为铸铁，按需要尺寸定做；

其中，装置上模为非标零件，其材料为铸铁，按需要尺寸定做；

其中，上下模与环件间动密封件采用yg6金属分瓣环，按需要尺寸定做；

其中，上下模间静密封件采用yg6金属分瓣环，按需要尺寸定做；

其中，上下模固接件为非标零件，其材料为20crmns5，按需要尺寸定做；

其中，激光位移传感器的型号是il-300；

其中，液压站为非标设备，按工作压力500mpa，流量150l/min，工作点数16个，配置plc系统与通讯模块的要求定做。

本应力均化装置的工作原理：

大型环轧零件经过轧制后其内部存在一定的残余应力，由液压站供油充液进入上下模与环件围成的充液腔，由液压站控制液体压力，当液体压力与环件中的残余应力叠加提升至环件的屈服强度时，环件将发生塑性变形，发生塑性变形后的环件内应力达到新的平衡值且低于原残余应力值，由此实现对大型环轧零件的残余应力均化。

3、优点及功效

本设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置。它的优点是可以在不使环轧零件材料发生热软化、不影响环轧零件的表面质量的条件下实现对大型环轧零件的残余应力均化；通过对胀形比的检测反馈控制胀形压力，可以精确控制液压胀形进程。

(四)附图说明

图1为本设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置整体结构示意图；

图2为本设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置整体结构爆炸示意图；

图3为本设计装置下模中截面结构轮廓示意图；

图4为本设计装置上模中截面结构轮廓示意图；

图5为本设计上下模固接件结构轮廓示意图；

图6为本设计液压胀形过程流程图。

图中符号说明如下：

1装置下模；2待应力均化环轧零件；3装置上模；4上下模间静密封件；5上下模与环件间动密封件；6上下模固接件；7液压站；8激光位移传感器；9数据采集软件及电脑系统。

(五)具体实施方式

以下结合附图详细说明本设计的实施方案。

见图2，本设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置，它是由装置下模1、待应力均化环轧零件2、装置上模3、上下模间静密封件4、上下模与环件间动密封件5、上下模固接件6、液压站7、激光位移传感器8、数据采集软件及电脑系统9组成。

它们之间的位置连接关系是：装置下模1固定于地面上，待应力均化环轧零件2通过吊装放置在装置下模1上，通过下模与环件间动密封件5与装置下模1相接触，与装置下模1保持同心；装置上模3通过吊装放置在待应力均化环轧零件2上，通过上模与环件间动密封件5与待应力均化环轧零件2相接触，与装置下模1保持同心；两个上下模固接件6通过吊装以左右合模的形式包覆装置上模3与装置下模1，上下模固接件6与装置上模3、装置下模1均接触，并与装置下模1保持同心；上下模与环件间动密封件5分别在装置上模3、装置下模1相应的与环件间动密封件密封槽内填充固定，与装置上模3、装置下模1和待应力均化环轧零件2相接触；上下模间静密封件4在上下模静密封件密封槽内填充固定，与装置上模3、装置下模1相接触；激光位移传感器8的传感探头通过所配支架和螺钉固定在装置下模1相应位置，传感器的数据线通过装置下模1中的传感器线道与装置中心的传感器放大器单元相连接，传感器放大器单元与数据采集软件和电脑系统9相连接；液压站7控制系统与电脑系统9相连接，液压站9出油口通过液压管道、液压管接头与装置下模1的相应充液口相连接，液压站9回油口通过液压管道、液压管接头与装置下模1的相应出液口相连接。

所述装置下模1呈圆环形状，中截面为“l”形，其结构轮廓可参考图3，装置下模1为非标零件，其材料为铸铁，需按需要尺寸定做；其上表面需加工螺纹孔16×m64×150用以安装与装置上模3相固接的沉头螺钉，其上表面在φ9600-φ10300间需加工下模与环件间动密封件5密封槽，其上表面需加工螺纹孔8×m4.5×10用以安装固定激光位移传感器8传感探头的螺钉，其侧面在φ9300-φ9500间需加工与装置上模3间的迷宫密封阶梯，其侧面需加工密封螺纹孔16×m100用以安装液压管接头，其下部需加工激光传感器线道；装置下模1主要用以放置待应力均化环轧零件2，固定与支撑其他各装置，与装置上模3和待应力均化环轧零件2共同形成胀形液容纳腔以容纳胀形液，与装置上模3一同限制待应力均化环轧零件2的胀形方向；

所述待应力均化环轧零件2呈圆环形状，圆环外径、内径、高分别是：φ10000×φ9600×200，材料为7075铝合金，是液压胀形残余应力均化装置的加工对象；

所述装置上模3呈圆环形状，中截面为形，其结构轮廓可参考图4，装置上模3为非标零件，其材料为铸铁，需按需要尺寸定做；其上表面需加工沉头螺纹孔16×m64×90用以安装与装置下模1相固接的沉头螺钉，其下表面在φ9600-φ10300间需加工上模与环件间动密封件5密封槽，其外侧面需焊接4个焊接吊耳，其内侧面在φ9300-φ9500间需加工上模与下模间静密封件4密封槽和与装置下模1间的迷宫密封阶梯；装置上模3主要用以与装置下模1和待应力均化环轧零件2共同形成胀形液容纳腔，与装置下模1一同限制待应力均化环轧零件2的胀形方向；

所述上下模固接件6呈圆环形状，中截面为“]”形，其结构轮廓可参考图5，上下模固接件6为非标零件，其材料为20crmns5，需按需要尺寸定做；其外侧面需焊接3个焊接吊耳；主要用以抵消待应力均化环轧零件2胀形时胀形液与装置上模3相接触所产生的纵向压力，实现装置上模3与装置下模1纵向与径向的相对固定；

所述上下模与环件间动密封件5呈圆环形状，公称直径为φ9600-φ10300间的一系列值，上下模与环件间动密封件5采用yg6金属分瓣环，需按需要尺寸定做；主要用以实现液压胀形过程中胀形中的待应力均化环轧零件2与装置上模3和装置下模1之间的动密封；

所述上下模间静密封件4呈圆环形状，公称直径为φ9300，上下模间静密封件4采用yg6金属分瓣环，需按需要尺寸定做；主要用以实现液压胀形过程中装置上模3与装置下模1之间的静密封；

所述激光位移传感器8呈长方形，其长、宽、高为26.2×49.7×66，型号是il-300；主要用以测量液压胀形时待应力均化环轧零件2的胀形量；

所述液压站7大致呈长方形，其轮廓长、宽、高为3800×2700×1800，液压站为非标设备，按工作压力500mpa，流量150l/min，工作点数16个，配置plc系统与通讯模块的要求定做；主要用以按液压胀形所需的流量和油液压力进行供油；

其中，上下模固接件6的数量是2个，上下模与环件间动密封件5的数量是70个，上下模间静密封件4的数量是32个，激光位移传感器8的数量是4个。

本应力均化装置的工作流程主要分为三个部分，具体如下：

(1)待应力均化环轧零件的装配流程

待应力均化环轧零件2装配前，上下模与环件间动密封件5、上下模间静密封件4需要分别在装置上模3和装置下模1上相应的密封槽内填充固定；液压站7的出油口与回油口需要分别通过液压管和液压管接头与装置下模1上的进油口和排油口相连接；激光位移传感器8探头需要通过所配支架和螺钉安装在装置下模1上，通过传感器数据线和装置下模1中的传感器线道与数据采集软件和电脑系统9相连接。待应力均化环轧零件2通过吊装放置在装置下模1上，调整与装置下模1保持同心。装置上模3通过吊装放置在待应力均化环轧零件2和装置下模1上，调整与装置下模1保持同心。上下模固接件6以左右合模的形式包覆装置上模3和装置下模1。装置上模3和装置下模1通过连接螺钉和上下模固接件相互固定连接。进行激光位移传感器8、液压站7、电脑系统9的初始设置。至此，装置可以进入应力均化流程。

(2)待应力均化环轧零件的应力均化流程

由电脑系统9控制液压站7对装置开始供油，充满由装置下模1、待应力均化环轧零件2和装置上模3围成的初始液腔。油液充满液腔后，进行加压至503mpa并保持，30s后开始卸载至初始压强，重复此过程；其间，由激光位移传感器8对待应力均化环轧零件2的胀形尺寸进行检测，并由数据采集软件和电脑系统9对胀形速度、胀形比进行计算并不断与设定值进行比较，不断控制修正液压站7的输出参数。待环轧零件2达到设定的胀形比后，装置停止胀形工作，开始卸载排油，油液排除结束后，装置可以进入取件流程。

(3)应力均化后的环轧零件的取件流程

装置停止工作后，对应力均化后的环轧零件2进行取件。通过吊装将上下模固接件6取下，拆卸上下模固接螺钉，通过吊装将装置上模3取下。至此，可以通过吊装将应力均化后的环轧零件2取下，取件流程结束，对待应力均化环轧零件2的应力均化过程结束。