一种单轴挤压双管嘴同时成形的装置及方法与流程

本发明涉及带管嘴厚壁管道制造领域，特别是指一种单轴挤压双管嘴同时成形的装置及方法。

背景技术：

大型双管嘴厚壁管道广泛应用于核电、火电等领域，但由于其体积尺寸较大，形状特征也较为复杂，管嘴与管道连接部位性能要求高，如何得到理想的大型双管嘴管道成了管道制造领域的一大难题。目前为止，制造大型双管嘴管道的方法大致有以下三种：一种是通过锻造的方法，将实心毛坯自由锻造成形得到带有实心凸台管道轮廓的实心毛坯，然后机械加工管道内孔以及管嘴内孔。这种方法加热火次多、工序繁琐导致生产效率低下、材料利用率低、能量消耗高管道组织性能差。第二种是基于拉拔工艺，通过挤压技术制造管坯，并在管坯上开有预制孔，对预制孔处加热后通过拉拔机拔模，在预制孔处拔出凸缘，后期加工成管嘴。这种方法仅适用于管嘴高度不高的管道，而且成形后产品性能不稳定，质量难以保证。第三种方法通过焊接工艺将已经成形的管嘴焊接到管坯上而成形。这种方法管嘴和管道连接处耐应力腐蚀性和强度低，导致使用寿命大大缩短。以上三种方法虽然都能够得到带有管嘴的管道，但是都存在一定的不足，不是制造大型双管嘴管道的理想技术。因而发明一种新的大型双管嘴管道的装置，并对其工艺进行设计具有重大意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种单轴挤压双管嘴同时成形的装置及方法，本发明基于挤压成形原理，提出了“单轴挤压，双管嘴同时成形”的挤压工艺方法。采用挤压成形工艺不仅可以提高坯料的变形能力，而且使得成形件具有尺寸精度高、表面质量好等优点，提高了零件的综合性能。在此基础上提出同时成形上下管嘴方法，保证了零件性能连续均匀。此发明可广泛应用于核电主管道领域。

该装置包括挤压机和挤压装置，挤压机带油缸，挤压装置包括上顶杆、挤压筒、挤压筒外套和下顶杆，挤压筒外部由挤压筒外套紧箍固定，上顶杆上端通过固定板与挤压机上梁相连，下顶杆下端通过固定板与挤压机下平台相连，上顶杆下部连接上顶杆芯棒，坯料位于上顶杆芯棒和挤压筒之间，挤压筒上开有两个互成角度的筒孔，沿筒孔分割成前挤压筒和后挤压筒两部分，上管嘴芯棒通过筒孔中心与上顶杆芯棒接触，下管嘴芯棒通过另一个筒孔中心与上顶杆芯棒接触，油缸带动挤压筒外套在竖直方向运动。

其中，上顶杆芯棒长度略大于所需成形管道长度。

挤压筒的两个筒孔处均设有圆角。

下顶杆中心处开一半径等于上顶杆芯棒(2)半径的通孔，用于上顶杆向下进行挤压进给。

上顶杆、上顶杆芯棒、下顶杆、下顶杆所开通孔、坯料以及挤压筒的轴线重合。

采用该单轴挤压双管嘴同时成形的装置进行成形的方法，包括如下步骤：

(一)将整个装置装配好后吊放到挤压机下平台上，由下平台运送到挤压机开口空间中；

(二)油缸带动挤压筒外套下行，并从外围箍紧挤压筒；

(三)紧箍好后，挤压筒外套上行，并将整个装置提升到靠近挤压机上平台处，开始预热装置，并准备送入坯料；

(四)坯料加热完成后，吊送到下平台，送入挤压机开口中；

(五)整个装置上行，直到装置上表面与上顶杆下表面接触；同时，下顶杆推动坯料到预定位置；

(六)设置好上顶杆速度v₁及油缸带动挤压筒外套的速度v₂；

(七)挤压过程开始，在T时刻挤压停止，此时上、下管嘴同时成形完成；

(八)挤压筒外套下行并松开装置；

(九)下平台将装置和挤压管坯同时送出；

(十)装置拆卸并取出管坯。

其中，步骤(七)中T时刻满足下式：

其中，v₁为上顶杆速度；v₂为挤压筒外套速度；r₁为上管嘴端部内径；r₂为上管嘴端部外径；r₃为上管嘴底部下端面半径；r₄为下管嘴端部内径；r₅为下管嘴端部外径；r₆为下管嘴底部下端面半径；l₁为上管嘴端部长度；l₂为下管嘴端部长度；L₁为上管嘴长度；L₂为下管嘴长度。

本发明原理为：通过上、下顶杆对坯料的挤压来实现坯料中金属的流动。欲使得上管嘴和下管嘴中金属以同样的速度填充成形，则需满足流入上管嘴中的金属速度和流入下管嘴中的金属速度大小相同。挤压开始时金属优先填充满型腔并且墩粗坯料，靠摩擦力使得坯料、挤压筒装置、挤压筒外套一起运动。当充胀完成时，上管嘴上方金属流向上管嘴，下管嘴下方金属流向下管嘴，上下管嘴之间的金属，相对于坯料速度为零。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)生产效率高，空心轴、空心管嘴均通过挤压一次成形。避免了之前工艺实心成形再进行机加工的繁琐工序，减少了火次。

(2)材料利用率高，毛坯锻件主轴空心，管嘴空心，节省了大量材料。避免了之前实心毛坯成形后再进行冲孔工艺造成的材料浪费。

(3)上、下管嘴同时成形，在相同工况下加速了成形的速度，使得上下管嘴具有相同的应力状态，避免由于时间长而导致晶粒生长。

(4)提高了力学和组织性能，加热次数少有利于改善金属内部组织，同时在挤压成形过程中，材料处于三向压应力，材料组织更致密。

(5)通用性好，本发明通过公式推导得出了实现同时成形所需满足的一般关系式，针对不同管道长度和内外径、管嘴高度和内外径的管道，都可以按相应的关系式来设置速度。

(6)装置结构简单易于拆装，并考虑到取模方便的问题将挤压筒设计成阶梯状。

(7)解决了单轴挤压机上不能实现双管嘴同时挤压成形的难题。

(8)制造成本低，装置材料使用装置钢，价格低，易获取。

附图说明

图1为本发明的单轴挤压双管嘴同时成形的装置结构示意图；

图2为本发明的挤压筒结构示意图，其中，图2a为前挤压筒结构示意图，图2b为后挤压筒结构示意图；

图3为本发明双管嘴管道成形后尺寸图；

图4为本发明的管嘴尺寸图，其中，图4a为管嘴实际尺寸图，图4b为管嘴粗略尺寸图；

图5为本发明的锻件毛坯尺寸图；

图6为本发明的挤压过程示意图。

其中：1-上顶杆；2-上顶杆芯棒；3-坯料；4-上管嘴芯棒；5-油缸；6-下管嘴芯棒；7-挤压筒外套；8-挤压筒；9-下顶杆。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种单轴挤压双管嘴同时成形的装置及方法。

如图1和图2(图2a和图2b)所示，该装置中挤压机带油缸5，挤压装置包括上顶杆1、挤压筒8、挤压筒外套7和下顶杆9，挤压筒8外部由挤压筒外套7紧箍固定，上顶杆1上端通过固定板与挤压机上梁相连，下顶杆9下端通过固定板与挤压机下平台相连，上顶杆1下部连接上顶杆芯棒2，坯料3位于上顶杆芯棒2和挤压筒8之间，挤压筒8上开有两个筒孔，沿筒孔分割成前挤压筒和后挤压筒两部分，上管嘴芯棒4通过筒孔中心与上顶杆芯棒2接触，下管嘴芯棒6通过另一个筒孔中心与上顶杆芯棒2接触，油缸5带动挤压筒外套7在竖直方向运动。

如图6所示，在使用过程中的具体步骤如下：

(一)将整个装置装配好后吊放到挤压机下平台上，由下平台运送到挤压机开口空间中；

(二)油缸5带动挤压筒外套7下行，并从外围箍紧挤压筒8；

(三)紧箍好后，挤压筒外套7上行，并将整个装置提升到靠近挤压机上平台处，开始预热装置，并准备送入坯料3；

(四)坯料3加热完成后，吊送到下平台，送入挤压机开口中；

(五)整个装置上行，直到装置上表面与上顶杆1下表面接触；同时，下顶杆9推动坯料3到预定位置；

(六)设置好上顶杆1速度v₁及油缸5带动挤压筒外套7的速度v₂；

(七)挤压过程开始，在T时刻挤压停止，此时上、下管嘴同时成形完成；

(八)挤压筒外套7下行并松开装置；

(九)下平台将装置和挤压管坯同时送出；

(十)装置拆卸并取出管坯。

其中，T时刻的具体确定过程如下：

设上顶杆速度v₁，方向向下，则在时间t时，上顶杆行程v₁t。

设挤压筒外套速度v₂(挤压筒、坯料由于挤压胀形，与挤压筒外套同一速度)，方向向下，则时间t时上顶杆相对坯料行程(v₁-v₂)t。

设上顶杆所带芯棒半径坯料半径如图3所示。则在时间t时，上顶杆对坯料挤压量为(v₁-v₂)t。

在时间t时，坯料相对下顶杆向下走了v₂t的行程，也即相当于下顶杆相对坯料向上走了v₂t的行程，此时下顶杆对坯料挤压量为

设上管嘴端部为内径外径长度为l₁的近似圆筒，底部可近似视作一个上端面半径为r₂，下端面半径为高度为(L₁-l₁)的近似圆，如图4b所示，图4a为实际尺寸。则上管嘴体积为

类似地，设下管嘴端部为内径外径长度为l₂的近似圆筒，底部近似视作一个上端面半径为r₅，下端面半径为r₆高度为(L₂-l₂)的近似圆台，如图3所示。则下管嘴体积为

设在时间T时上下管嘴同时填充完成，则每秒流入上管嘴的体积为(v₁-v₂)，每秒流入下管嘴体积为

因为坯料相对上顶杆的运动用于成形上管嘴，坯料相对下顶杆的速度用于成形下管嘴。欲在T时刻同时成形，则满足如下等式：

即可实现上下管嘴同时成形。

考虑加工余量因素，应使得原始坯料内径尺寸小于实际零件尺寸，最后得到锻件尺寸图如图5所示。

综上所述，锻件毛坯尺寸如图5所示。

其中：l₁-的上管嘴端部长度；d₁-上管嘴端部为内径；d₂-上管嘴端部外径d₃-上管嘴下端面直径；l₂-的下管嘴端部长度；d₄-下管嘴端部为内径；d₅-下管嘴端部外径；d₆-下管嘴下端面直径；L₁-上管嘴长度；L₂-下管嘴长度；L₃-上管嘴中心到管道顶部距离；L₄-上、下管嘴中心距离；L₅-下管嘴中心到管道底部距离；D₁-上顶杆所带芯棒直径；D₂-坯料直径；(r₁-Δr₁)-锻件上管嘴内孔径尺寸；(r₂-Δr₂)-下管嘴内孔径尺寸；(R₁-ΔR₁)-管身内径尺寸；(R₂+ΔR₂)-管身外径尺寸；(h₁+Δh₁)-锻件顶部到管道顶部距离；L₃-上管嘴中心到管道顶部距离；L₄-上、下管嘴中心距离；L₅-下管嘴中心到管道底部距离；(h₂+Δh₂)-锻件底部到管道底部距离。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。