CN104368724A - 带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够实现封头、支承、管嘴一次性整体锻造成形的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺。该成形工艺首先根据需要生产的带支承与管嘴的大型厚壁封头的外形尺寸制造仿形下模以及锻造上凸模；然后将坯料锻透压实，锻成倒角的方坯，将方坯置入仿形下模中，通过胎模锻使金属填充型腔形成支撑和长管嘴；然后通过上凸模热旋压成形封头。采用该成形工艺能够提高生产效率，并降低生产周期及制造成本。同时由于通过锻造一次性成形，因此成形获得的带支承与管嘴的大型厚壁封头金属纤维连续；封头内部应力集中处较少；从而提高了带支承与管嘴的大型厚壁封头支承处、管嘴、封头的综合力学性能性能。

Description

带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺

技术领域

本发明涉及大型厚壁封头锻件的整体制造方法；尤其是一种带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺。

背景技术

公知的：随着核电和石油化工工业的发展,所需压力容器尺寸愈来愈大，性能要求愈来愈高，且需要在本体上带较多的见证件试板。见证件是指为了验证产品母材及焊缝质量与工艺评定所确定的操作工艺的一致性，生产过程需要对其进行必要的物理、化学、力学实验，为避免对产品进行破坏性实验，往往采用和产品相同的化学成分、工艺过程、工艺制度，工艺方法而制备的试件。核电见证件包括母材见证件、焊接见证件、辐照监督试料等。多焊缝压力容器已不能满足其运行的性能要求和检查的周期要求，其封头和筒体必须整体锻造。然而对于封头上同时带十字支承块与长管嘴大型厚壁封头，由于几何形状复杂，已不能采用传统的冲压成型、最后焊接上十字支撑方法获得所需尺寸的锻件。

此类带支承与管嘴的大型厚壁封头主要制造技术路线，一是设计出复杂的成型模具和锻造工艺实施仿形锻造，二是将异型封头包含在一个尺寸较大的实心圆柱体中，然后使用机械加工方法成型。

上述两种方法各有利弊，现有仿形锻造的方法是，在成形封头前先预制(锻造后加工)出带支承块凸起的板坯，然后利用普通的成形模具进行拉深成形，虽然该方法可解决带局部支承块封头的制造难题，但拉深成形时，管嘴处变形抗力很大，很难解决长管嘴成形问题。同时实施锻造前需要设计、制造复杂、昂贵的专用成型模具，技术风险较大。

加工成型方法需要更大的钢锭，钢锭利用率较仿形方案至少降低一倍，后续热处理周期长、机械加工量大，更突出的是，锻造而成的圆柱形锻件毛坯由于厚度大，其中心很难压实，如何满足严格的无损检测要求，是设计锻造工艺时需要解决的重要课题。另外，这种方法在封头成形后，采用切削加工的方法加工出支承块，造成支承块处金属纤维的不连续性，直接影响到产品该处的机械性能指标，同时使周边可能存在的缺陷暴露，降低了安全系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现封头、支承、管嘴一次性整体锻造成形的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,包括以下步骤：

1)根据封头的设计尺寸，制造对应的仿形下模以及锻造上凸模；根据封头的设计尺寸通过计算机模拟确定充填模具所需方坯的尺寸；

2)将坯料进行加热，加热到锻造温度，加热后通过自由锻造进行压实；

3)将压实的坯料锻制成正四边形截面的方坯，且所述方坯满足步骤1)中确定的充填模具所需方坯的尺寸要求；

4)将方坯加热至奥氏体转变温度以上，将方坯装入下模内，且使得方坯的轴线O₃O₄与下模的型腔的中心线O₁O₂重合；然后对方坯进行镦粗，直到方坯的坯料填充下模的型腔形成支撑凸台和管嘴；

5)将方坯半成品从模具中取出，再次放入在加热炉中加热至奥氏体转变温度以上，采用上凸模多道次热旋压成形使得方坯成形为带支承与管嘴的大型厚壁封头。

进一步的，所述上凸模为条形，所述上凸模具有上表面、下表面以及四个侧面；其中两个相对的侧面为平面，剩下两个相对的侧面为一定角度的锥面且与下表面交接处通过曲面平滑过渡；所述上凸模上垂直于曲面和上表面的截面为碗形；

所述下模设置有与带支承与长管嘴的大型厚壁封头匹配的型腔，所述型腔下部设置有通孔。

进一步的，在步骤2)中对方坯进行倒角为45°的锻压倒角。

进一步的，在步骤5)完成之后还包括以下步骤：对带支承与管嘴的大型厚壁封头进行锻后正回火热处理。

进一步的，所述正回火热处理的正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃。

本发明的有益效果是：本发明提供的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺，该成形工艺首先根据需要生产的带支承与管嘴的大型厚壁封头的外形尺寸制造仿形下模以及锻造上凸模；然后将坯料锻透压实，锻成倒角的方坯，将方坯置入仿形下模中，通过胎模锻使金属填充型腔，形成十字支撑凸台和长管嘴；然后通过上凸模热旋压成形封头；实现了带支承与管嘴的大型厚壁封头一次性成形。从而提高了生产效率，并降低了生产周期及制造成本。同时由于通过锻造一次性成形，因此成形获得的带支承与管嘴的大型厚壁封头金属纤维连续；封头内部应力集中处较少，应力小；从而提高了带支承与管嘴的大型厚壁封头支承处、管嘴、封头的综合力学性能性能。

附图说明

图1是本发明实施例中带支承与管嘴的大型厚壁封头的设计结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明实施例中锻造上凸模的结构示意图；

图4是本发明实施例中仿形下模的结构示意图；

图5是图5的B-B剖视图；

图6是本发明实施例中方坯放入下模进行镦粗的结构示意图；

图7是本发明实施例中上凸模进行热旋压成形的结构示意图；

图中标示：1-上凸模；11-上表面，12-下表面，13-连接体，2-下模，21-型腔，22-通孔，3-方坯，4-带支承与管嘴的大型厚壁封头，41-管嘴，42-支承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，带支承与管嘴的大型厚壁封头4具有支承42以及管嘴41，所述支承42为十字形。

本发明所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,包括以下步骤：

1)根据封头的设计尺寸，制造对应的仿形下模2以及锻造上凸模1；根据封头的设计尺寸通过计算机模拟确定充填模具所需方坯3的尺寸；

2)将坯料进行加热，加热后通过自由锻造进行压实；

3)将压实的坯料锻制成正四边形截面的方坯3，且所述方坯3满足步骤1)中确定的充填模具方坯3的尺寸要求；

4)将方坯3加热至奥氏体转变温度以上，将方坯3装入下模2内，且使得方坯3的轴线O₃O₄与下模2的型腔21的中心线O₁O₂重合；然后对方坯3进行镦粗，直到方坯3的坯料填充下模2的型腔21形成支撑凸台和管嘴；

5)将方坯3从模具中取出，再次放入在加热炉中加热至奥氏体转变温度以上，采用上凸模1多道次热旋压成形使得方坯3成形为带支承与管嘴的大型厚壁封头。

在步骤1)中首先根据封头的设计尺寸，制造对应的仿形下模2以及锻造上凸模1；根据封头的设计尺寸通过计算机软件DEFORM进行模拟,确定充填模具所需方坯3的尺寸；因此确定了封头制造过程中的模具以及坯料的用量。在生产的过程中原始坯料采用铸造得到的钢锭。

在步骤2)中将坯料进行加热，加热后通过自由锻造进行压实；对坯料进行压实可以采取多种方式，生产厂家可以根据自身生产工艺通过实施“专用的压实方法和压下量”，实现对坯料的压实。如WFH(宽砧强压)、JTS(中心压实)等，并在后续的探伤检验后对工件无冶金缺陷进行确认；目前验证方法有物理模拟、数值模拟以及后续探伤结果。通过对坯料进行压实，消除铸态坯料内部缺陷，如空洞、疏松，细化铸态晶粒。通过自有锻造能够细化坯料的晶粒，同时能够压实铸件中的孔洞以及疏松的部位；消除铸件坯料的铸造缺陷。

在步骤3)中将坯料锻制成符合尺寸要求的方坯3，能够保证坯料在仿形下模2内进行锻造时，填充下模2的型腔。坯料也可以被锻制成截面圆形的圆柱坯；但是在锻造圆柱坯的过程中工艺复杂，需要进行对称锻压和拔长，不易控制坯料锻制后最终成品的尺寸。因此将坯料锻制成方坯3能够简化工艺，提高工作效率。

在步骤4中将方坯3加热至奥氏体转变温度以上，从而保证方坯3能够实现塑性变形；使得方坯3在后续步骤中方坯3的晶粒能够流动，形成连续的金属纤维。将方坯3装入下模2内，且使得方坯3的轴线O₃O₄与下模2的型腔21的中心线O₁O₂重合；然后对方坯3进行镦粗。从而保证了方坯3在进行镦粗的过程中，均匀扩散，向各个方向进行扩散的体积相同，避免了出现应力集中以及由于过度变形造成裂纹。

在步骤5中，采用上凸模1多道次热旋压成形使得方坯3成形为带支承与管嘴的大型厚壁封头。旋压成形是一种使毛坯连续局部塑性累积成形为空心回转件的先进的成形工艺方法。通过热旋压成形能够使得坯料充分填充下模2的型腔21，同时能够在封头的成品件内形成空心。

本发明所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺，通过首先通过计算机模拟封头成形过程，从而确定坯料的用量。避免了材料的浪费，提高了材料的利用率，节约成本。然后将封头成型坯料进行自由锻然后锻造成符合尺寸要求的方坯3，通过自由锻能够消除坯料中由于铸造形成的质量缺陷。通过自由锻细化了坯料的晶粒，消除了坯料内部的孔洞和疏松部分。将方坯3放置到仿形下模2中进行镦粗，通过镦粗使得方坯3产生塑性变形，填充下模2的型腔21，形成支承以及管嘴。然后再通过上凸模1对下模2内的方坯3进行多道次热旋压成形工艺，从而得到带支承和管嘴的大型厚壁封头。通过上述工艺能够一次性成形封头，同时由于在成形的过程中通过自由段和胎模锻的方式成形封头，使得封头金属纤维连续，组织细腻。从而提高其支承处、管嘴、封头的综合力学性能性能，并大大降低了生产周期及制造成本。

为了保证方坯3在下模2内成形过程中能够填充型腔21，同时方坯金属组织细腻，金属纤维连续。可以通过对成形模具的结构设计以及工艺的改变实现，一种优选的方式为，所述上凸模1为条形，所述上凸模1具有上表面11、下表面12以及四个侧面；其中两个相对的侧面为平面，剩下两个相对的侧面为曲面；所述上凸模1上垂直于曲面和上表面的的截面为碗形。所述上凸模1设置为条形，减少了材料高温下屈服强度、设备能力、模具与坯料的接触面积对旋转成型的影响，减少了封头成型的变形抗力，有力于拔模旋转成型。

如图4和图5所示，所述下模2设置有与带支承与长管嘴的大型厚壁封头匹配的型腔21，所述型腔21下部设置有通孔22。所述下模2设置有与带支承与长管嘴的大型厚壁封头匹配的型腔21是指型腔21的能够包络带支承与长管嘴的大型厚壁封头的外形；通过填充型腔能够形成外形尺寸与带支承与长管嘴的大型厚壁封头外形尺寸相同的封头。

为了避免方坯3在成形时棱柱处的应力过大，在步骤2)中对方坯3进行倒角为45°的锻压倒角。消除了矩形钢锭棱柱上的应力集中；避免了在后续进行镦粗的过程中出现裂纹。

为细化晶粒，改善锻件显微组织，防止冷却后在封头内部产生白点缺陷；在步骤5)完成之后还包括以下步骤：对带支承与管嘴的大型厚壁封头进行锻后正回火热处理。所述正回火热处理的正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃。

实施例一

一次成形带十字支承与长管嘴的大型厚壁封头；如图1所示，所述带十字支承与长管嘴的大型厚壁封头的内腔内球半径SR为1350mm，壁厚158mm，管嘴长约670mm，封头端口直段高度达330mm的大型封头锻件整体制造过程中，其外球面带十字支承的制造。其具体制造步骤如下：

(1)根据需要进行生产的带十字支承与长管嘴的大型厚壁封头的设计尺寸制造对应的仿形下模2以及锻造上凸模1；通过计算机模拟可充填模具坯料尺寸。

(2)将157吨重的钢锭加热至1200℃以上，保温后进行压实锻造，并锻制成边长为2200mm的正四边形截面的方坯3，进行45°锻压倒角。

(3)按图6中虚线的方式放置在下模2的型腔21内。

(4)将正四边形截面的倒角方坯3加热至1200℃温度以上，按图6虚线所述的方式装入下模2内，使得方坯3的轴线O₃O₄与下模2的型腔21的中心线O₁O₂重合；然后对方坯3进行镦粗，直到方坯3的坯料填充下模2的型腔21形成支撑凸台和管嘴。

(5)将坯料加热至1200℃温度以上，采用如图3所示的上凸模1，如图7所示，多道次热旋压成形封头，使十字支承进一步贴模，从而得到带十字支承与管嘴的大型厚壁封头。

(6)对带十字支承、长管嘴的大型厚壁封头毛坯进行第一次锻后正回火热处理；然后对毛坯进行机械切削加工，这样一次成形出带十字支承、长管嘴的大型厚壁封头。

在步骤(6)中正火温度分别设置为900℃、930℃、980℃，回火温度分别设置为600℃、650℃、700℃进行实施。最终均得到无组织缺陷、无白点缺陷的带十字支承、长管嘴的大型厚壁封头。

公知的当正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃时能够极大限定的改善正火、退火件的晶相组织，细化晶粒。当正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃时，最终得到的带十字支承、长管嘴的大型厚壁封头不会出现白点缺陷，有利于保证带十字支承、长管嘴的大型厚壁封头的质量。同时通过正火和回火处理能够细化晶粒，改善锻件显微组织。

综上所述通过本发明在实施例中的应用；实现了带十字支承与长管嘴的大型厚壁封头的一次性成形，同时由于采用自由锻和胎模锻的方式；使得成形后的封头组织晶粒较细、金属纤维连续，避免了封头采用传统生产方法进行生产时，在成品封头上形成应力集中的情况，有效的提高了成品封头的综合力学性能。同时一次性成形有利于提高生产效率，降低生产成本。

Claims (5)

1.带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,其特征在于，包括以下步骤：

1)根据封头的设计尺寸，制造对应的仿形下模(2)以及锻造上凸模(1)；根据封头的设计尺寸通过计算机模拟确定充填模具所需方坯(3)的尺寸；

2)将坯料进行加热，加热到锻造温度，加热后通过自由锻造进行压实；

3)将压实的坯料锻制成正四边形截面的方坯(3)，且所述方坯(3)满足步骤1)中确定的充填模具所需方坯(3)的尺寸要求；

4)将方坯(3)加热至奥氏体转变温度以上，将方坯(3)装入下模(2)内，且使得方坯(3)的轴线O₃O₄与下模(2)的型腔(21)的中心线O₁O₂重合；然后对方坯(3)进行镦粗，直到方坯(3)的坯料填充下模(2)的型腔(21)形成支撑凸台和管嘴；

5)将方坯(3)从模具中取出，再次放入在加热炉中加热至奥氏体转变温度以上，采用上凸模(1)多道次热旋压成形使得方坯(3)成形为带支承与管嘴的大型厚壁封头。

2.如权利要求1所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,其特征在于：所述上凸模(1)为条形，所述上凸模(1)具有上表面(11)、下表面(12)以及四个侧面；其中两个相对的侧面为平面，剩下两个相对的侧面为一定角度的锥面且与下表面交接处通过曲面平滑过渡；所述上凸模(1)上垂直于曲面和上表面(11)的截面为碗形；

所述下模(2)设置有与带支承与长管嘴的大型厚壁封头匹配的型腔(21)，所述型腔(21)下部设置有通孔(22)。

3.如权利要求2所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,其特征在于：在步骤2)中对方坯(3)进行倒角为45°的锻压倒角。

4.如权利要求3所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,其特征在于：在步骤5)完成之后还包括以下步骤：对带支承与管嘴的大型厚壁封头进行锻后正回火热处理。

5.如权利要求4所述的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺,其特征在于：所述正回火热处理的正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃。