基于Q345R的大型壓力容器旋壓工藝研究

盛培真，方 婧，李連春

（蘭石集團(tuán)能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730314）

金屬旋壓成型工藝是通過對金屬材料拉伸，表面擠壓等多種工藝有機(jī)結(jié)合的一種無切削的加工工藝，這種加工工藝在壓力容器封頭的加工成型中有著廣泛的應(yīng)用，具體操作是通過旋壓機(jī)的上下加緊缸，將金屬待加工坯料進(jìn)行加緊調(diào)整，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，之后選用相適應(yīng)的成型工藝參數(shù)，旋壓模具進(jìn)行金屬旋壓作業(yè)，可以通過多次給進(jìn)作業(yè)，使得大型厚壁封頭的成型過程較為平穩(wěn)，成型參數(shù)參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無明顯成型缺陷。

1 金屬旋壓成形的特點及工藝

1.1 旋壓成形的特點

在金屬旋壓成型的過程中，壓力輪逐漸向金屬坯料的起旋點靠近，由于壓力輪的接觸面積較小，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，單位面積內(nèi)的壓力可以達(dá)到3~5Mpa，這樣可以使得材料內(nèi)部的金屬顆粒在旋轉(zhuǎn)可擠壓的作用下，沿著運動軌跡在內(nèi)部產(chǎn)生金屬流動，通過這樣的流動可以使得金屬保持七原有的連續(xù)性和完整性，同時可以利用金屬材料硬化等特點，提高成品的屈服強度、抗拉強度、金屬硬度[1]。

旋壓的過程同時還可以使得金屬材料的表面光潔度有所提高，由于在工作的時候壓力輪和成型輪共同的作用，金屬內(nèi)外表面都能達(dá)到較高的光潔度。

對于大型封頭在旋壓過程中，由于采用多道次的旋壓，因此在材料中出現(xiàn)的缺陷（裂紋、夾層、夾渣）等問題可以通過目測進(jìn)行觀察，這對后續(xù)的成型檢驗起到了一定的簡化作用，只需通過超聲波對金屬材料的成型厚度和內(nèi)部存在的裂紋進(jìn)行檢測即可，降低了后期的檢測費用。

1.2 旋壓工藝的分類

旋壓工藝根據(jù)旋壓變形的特點被分為強力旋壓（變薄旋壓）和普通旋壓，簡稱強旋和普旋。強力旋壓屬于材料的厚度變化，普通旋壓則屬于材料形狀改變[2]。

旋壓工藝主要可以分為兩種，一種是強力旋壓，這種旋壓方式使得金屬材料的厚度出現(xiàn)減薄，而普通旋壓，改變的只是材料的形狀，并不會改變坯料的厚度，普通材料僅僅通過改變材料的尺寸來使得工件成型，屬于無切削成型工藝過程。

而強力旋壓的過程不僅改變了金屬的形狀，同時還改變了金屬的厚度、金屬的體積和毛坯的形狀，這是強力旋壓區(qū)別于普通旋壓的地方，這種成型工藝決定了在操作的時候要對于減薄進(jìn)行控制，來提高旋壓成型的精度。

旋壓工藝的選擇，還要根據(jù)所選材料進(jìn)行熱處理，將金屬坯料加熱到一定的溫度，再進(jìn)行旋壓操作，這種方法通常同于在常溫旋壓下金屬塑性較差的材料，以及金屬材料形變較為明顯的情況。

1.3 旋壓理論基礎(chǔ)

在旋壓之前，要對板料進(jìn)行壓鼓預(yù)彎，使板料曲面接近封頭R大小。先制作樣板，封頭EHA4600樣板R=0.866Di（Di為封頭內(nèi)徑）=3983.6（mm），封頭EHA3020樣板R=0.866Di=2615.32（mm）。壓鼓模具選擇R=0.6Di，取靠近計算值的模具即可。壓鼓時控制好合適的壓力，只要造成板料彎曲即可，以免壓力過大造成減薄甚至報廢。壓鼓后要用樣板檢驗，合格后方可完工。壓鼓機(jī)主缸活塞桿采用冷硬球鐵、缸筒采用35#鍛件和16Mn熱卷板，行程保證直徑8500mm橢圓封頭及直徑10000碟形封頭制作。壓 鼓 模11套R900、R1100、R1300、R1450、R1600、R1800、R2100、R2500、R2800、R3200、R3500，材料采用優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵。壓鼓機(jī)如圖1所示。

圖1 壓鼓機(jī)

2 有限元模型的建立

成形三維模型的建立，包含模具和坯料兩部分，首先根據(jù)旋壓機(jī)相關(guān)設(shè)備資料建立各個零件模型，再根據(jù)工藝設(shè)計和要求建立合理的裝配關(guān)系，組合成能夠用于Simufact模擬用的三維裝配體。

2.1 坯料三維設(shè)計

經(jīng)二維放樣可知，坯料經(jīng)壓鼓完之后在R=3983.6時，展開圓心角為82.86°，厚23mm，由此可得坯料三維圖如圖2所示。

圖2 EHA4600×23mm封頭坯料三維圖

2.2 成形輪三維設(shè)計

封 頭EHA4600×23，r=0.16×4600=736，故 成 形 輪 選 擇r=750的一只。查詢相關(guān)資料得r=750的成形輪有下述尺寸：高H=930mm，最大處周長C=2513.3mm，又知r=750mm，由此可得成形輪三維如圖3所示。

圖3 成形輪三維圖

2.3 壓力輪三維設(shè)計

查詢相關(guān)資料得r=200的壓力輪有下述尺寸：高H=400mm，最大處周長C=2200mm，又知r=200mm，由此可得壓力輪三維如圖4所示。

圖4 壓力輪三維圖

2.4 上下壓緊缸、托盤及支撐輪的三維設(shè)計

上下壓緊缸簡化為柱狀模型，并且下夾緊缸與下托盤合為一體，在建模模擬EHA4600×23規(guī)格的封頭時，建立了Φ1500及Φ2300，曲面直徑均等于封頭外徑的兩種類型的下托盤，上夾緊缸在建模時附加了內(nèi)徑1500mm的上托盤，并合為一體。

支撐輪根據(jù)現(xiàn)場測量，簡化為圓臺的幾何體，大口端頭Φ=240mm，小口端頭Φ=180mm，長（即高）H=280mm。具體幾何模型如圖5所示。

圖5 裝配體三維模圖

3 仿真模擬結(jié)果

3.1 壓力輪進(jìn)給速度的確定

壓力輪的進(jìn)給速度大小是影響封頭旋壓成形最重要的因素，為驗證壓力輪最合理的進(jìn)給速度，對EHA4600×23mm封頭進(jìn)行了不同進(jìn)給壓力輪速度仿真數(shù)據(jù)對比。

3.2 EHA4600×23mm封頭

材質(zhì)：Q345R，壓力輪進(jìn)給速度分別設(shè)置為0.8 mm/s、1.2 mm/s、1.5 mm/s。

不同進(jìn)給速度對幾何形狀結(jié)果對比：

當(dāng)壓力輪進(jìn)給速度v=0.8mm/s時，R與r處過渡圓滑，封頭旋壓成形幾何形狀相對較好，但由于壓力輪進(jìn)給速度較小，單位時間內(nèi)上移距離較小，導(dǎo)致壓力輪與坯料接觸持續(xù)時間較長，R處有變形（被輕微拉直）。如圖6所示。

圖6 壓力輪進(jìn)給速度v=0.8mm/s幾何形狀

當(dāng)壓力輪進(jìn)給速度v=1.2mm/s時，封頭旋壓成形較好，R與r處過渡相對圓滑。如圖7所示。

圖7 壓力輪進(jìn)給速度v=1.2mm/s幾何形狀

當(dāng)壓力輪進(jìn)給速度v=1.5mm/s時，由于壓力輪進(jìn)給速度快，壓力輪與坯料接觸時間相對較短，旋壓封頭成形外觀質(zhì)量亦相對較好，但整體成形圓度不夠。如圖8所示。

圖8 壓力輪進(jìn)給速度v=1.5 mm/s幾何形狀

4 結(jié)論

通過對三種進(jìn)給速度對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力輪進(jìn)給速度相對較小時（v=0.8mm/s），由于與坯料接觸時間較多，坯料持續(xù)受力時間較長，會造成R段出現(xiàn)拉直顯現(xiàn)，當(dāng)壓力輪進(jìn)給速度相對較大時（v=1.5mm/s），坯料持續(xù)受力時間較短，R段被拉直顯現(xiàn)明顯緩解，但會造成坯料被壓力輪碾壓相對不均勻，成形幾何形狀不是最理想狀態(tài)。因此，從旋壓幾何形狀成形角度分析，壓力輪最理想的進(jìn)給速度是在0.8 mm/s～1.2 mm/s之間。