CN105478641B - 智能塑性成形工艺方法及其所用的智能塑性成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能塑性成形工艺方法及其所用的智能塑性成形设备，其工艺方法依次为三维建模并进行塑性变形数字模拟、采用具有机器学***或沿竖直方向的轴线旋转，智能压头上擀具挤压面与锻件表面形成大于0°的锲入角，支撑装置能带动锻件旋转和移动，传感***能够获得锻件温度、擀具对锻件的压力和锻件金属流动位移数据并传信于控制***，控制***控制各部件动作，本发明锻造精度高、节省材料、无需专用模具、锻造柔性高、成本低。

Description

智能塑性成形工艺方法及其所用的智能塑性成形设备

技术领域

本发明涉及一种金属成形工艺及其所用的成型设备，特别涉及一种智能塑性成形工艺方法及其所用的智能塑性成形设备。

背景技术

任何大规模能量转换，均需高可靠性、大型和超大型压力容器，如核电、火电；海洋油气储、运***中的超大型压力容器；导弹、火箭的钛合金压力壳体；潜艇高压舱壁、鱼雷发射管和各种导弹射发射装置以及大、中、小天然气气瓶等等都是重要的压力壳壳体部件，不胜枚举。壳体(或称压力壳)，是指壁厚与半径之比小于10％的，承受内、外压的非铸、限焊(允许少量焊缝)的大型锻造结构件，其制造能力是国家科技、经济和国防实力和水平的标志，世界各工业强国无不重视发展壳体成形的高、新技术。面临超大型壳体在可靠性和生产效率方面的强劲需求，传统成形制造技术，越来越显得力不从心。中、小型壳体的成形，材料浪费严重。超大型壳体如果允许焊接，则制造的困难就谈不上了，然而各种触目惊心的大量的(如美国三厘岛、前苏联切尔诺贝尼、以及日本福岛)核工程事故，促使世界工程界对大型壳体成形是否限制焊接的问题重新思考，必需严格限制各种焊缝最终成为共识，大量限焊的一体化成形国际标准相继出台。如美国西屋公司AP1000、我国CAP1000/CAP1400、法国EPR核锅炉标准。大型、超大型压力壳，大量限焊的一体化成形国际和国家标准，引发了成形制造的难题。与核电结构件类似，潜艇、导弹等军工产品，海工、石油等领域的各种超大型壳体，均存在相同的成形制造难题。

进入21世纪，随着环境污染问题，促使核电在我国能源结构中地位的进一部上升，国际形势促使军工和海工对大型、超大型压力壳的需求与生产能力之矛盾日益严峻。传统自由锻核电锻造工艺，由于锻造精度低，形成很大加工余量；成形能力差，大量的结构无法成形，需靠“敷料”来简化锻件，因而增加了锻件重量；更为重要的是，为保正“锻透”，保证各种自由锻工艺规范的执行，必件采用数倍于锻件重量的钢锭，材料浪费十分严重(锻件重量与所需钢锭单重之比很小，均小于30％，见下表，表中数据由中广核和上重提供)：

可见传统的重型自由锻因精度不够、材料浪费严重、制造周期太长、产品率低而对于大型和超大型壳体的成形制造困难重重；模锻精度好可以满足要求，但无法完成大型锻件，又需设计制造模具，成本过高，难以实现单件、小批制造。

我们的时代已在强烈呼唤新的塑性成形工艺和设备：全世界都需要一种既能像自由锻那样高柔性(无需专用模具)的重型锻造(数十吨至上百吨锻造锻件)；又能节能、节耗低成本地达到模锻和挤压的精度和效率。本专利正是针对大型和超大型壳体成形制造的世界性难题，提出一种智能成形技术方法，无需模具、节材、节能、高效、环境友好地完成壳体成形，以促进我国各涉壳行业和部门之发展。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种智能塑性成形工艺方法及其所用的智能塑性成形设备，它是将塑性成形技术与人工智能技术的技术集成形成的创新的成形方法，它摒弃模锻以型腔控制和保证锻件的结构和精度的传统方法，而在人工智能的帮助下，通过改变施力特征，从而控制金属的流向，完成锻造成形，本工艺能够完成结构复杂、精度要求高的大型和超大型壳体，其成型效率高，成本低，材料利用率高，节能环保。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能塑性成形工艺方法，具体步骤如下：

步骤一：对锻件进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟；

步骤二：根据模拟结果采用具有机器学习功能的自动程序设计***完成对该锻件成形工步的分析和编程；

步骤三：钢锭加热；

步骤四：闭式镦粗：将加热后的钢锭放入镦粗筒内，在智能塑性成形液压机上对钢锭进行闭式镦粗形成毛坯；

步骤五：智能塑性成形：将毛坯定位在支撑装置上，智能塑性成形液压机启动进而带动智能压头上的擀具挤压毛坯进行塑性锻造成形，在锻造过程中，传感***直接或间接实时反馈毛坯温度、擀具挤压力大小和毛坯金属流动位移数据给由自动程序设计***形成的控制***，控制***根据传感***反馈的数据控制智能塑性成形液压机施力，同时控制机械手带动智能压头绕轴线转动来改变擀具的施力特征，所述施力特征包括擀具压入高温金属毛坯形成的分布作用力的分布形态、大小总值、施加方位和擀具的锲入角，其中擀具的锲入角为擀具的挤压面与毛坯表面形成的夹角。

作为发明的进一步改进，所述锻件为一火或数火锻造成形。

一种智能塑性成形设备，包括智能塑性成形液压机、智能机械手、智能压头、传感***、支撑装置和控制***，所述智能机械手固定安装于智能塑性成形液压机的动力输出装置上，若干智能压头分布于支撑装置上的锻件周围，各个智能压头的轴线分别沿水平方向延伸或沿竖直方向延伸，各智能压头分别与智能机械手动力输出端固定连接，智能机械手能够带动智能压头绕其自身轴线转动，智能压头上设有用于挤压锻件表面的擀具，该擀具的挤压面与锻件表面形成夹角大于0°的锲入角，用于定位锻件的支撑装置能够带动锻件做旋转和移动动作中的至少一种，传感***能够获得锻件温度、擀具对锻件的压力和锻件金属流动位移数据并传信于控制***，控制***控制智能塑性成形液压机、智能机械手和支撑装置动作。

作为发明的进一步改进，所述擀具挤压面为相邻边长度不同的矩形结构，擀具的短边或长边与锻件表面形成锲入角。

作为发明的进一步改进，所述擀具挤压面为外凸弧面、内凹弧面和倾斜平面中的一种。

作为发明的进一步改进，所述至少两个智能压头相向排布形成智能压头对，至少一个压头对形成一组智能压头组。

作为发明的进一步改进，所述至少两个水平方向相对排列的智能压头形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头形成竖直智能压头对，呈垂直正交状态的水平智能压头对和竖直智能压头对形成用于超大型厚壁压力壳的智能压头组。

作为发明的进一步改进，所述由三个智能压头相对排列形成用于具有奇数管台的厚壁高压管道的智能压头组。

作为发明的进一步改进，所述由两个水平方向相对排列的智能压头形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头形成竖直智能压头对，至少两个沿圆周方向均匀间隔排列水平智能压头对和与之呈垂直正交状态的竖直智能压头对形成用于潜艇部件的智能压头组。

作为发明的进一步改进，所述智能压头为单压头、同轴双动压头和并列双动压头中的一种，其中同轴双动压头包括内外套设的外压头和内压头，并列双动压头包括平行排列的第一、二压头。

作为发明的进一步改进，所述支撑装置为支撑平台、支撑芯轴和定位壳台中的至少一种。

作为发明的进一步改进，还设有内衬压头，内衬压头上设有擀具，内衬压头上的擀具紧抵于毛坯内部表面并与毛坯外部的各个智能压头的擀具位置一一对应。

作为发明的进一步改进，所述传感***包括温度传感器、压力传感器和位移传感器。

本发明的有益技术效果是：本发明根据塑性成形原理，将液压机液压传动与人工智能技术进行结合，形成了一种创新性金属塑性成形方法，本发明将机器学***是可行的，必要的，本发明的工艺“柔性”强，以特殊的通用模具—智能压头实现高精度地积累变形，达到精密锻件对尺寸形状的要求，本专利无需专用模具，仅采用通用的智能压头实现精确积累变形，创新性地解决了重型锻造工艺的“柔性”和“精度”的矛盾，无需模具即可生产高端精密锻件，本专利锻造精度高，余量材料和敷料材料均很少，再加上大吨位的闭式镦粗过程，无需增加钢锭的重量，即可锻透，保证内部质量，本工艺材料利用率可达70％～80％，节省材料，由于本专利具有锻造精度高、节省材料、无需专用模具、锻造柔性高、加工成本低等特点，适用于核电、火电和海洋油气储、运***中的超大型压力容器、各种导弹的弹体、弹头、火箭推进器的钛合金顶盖、筒体、潜艇高压舱壁、鱼雷发射管和各种导弹射发射装置等大型和超大型壳体(压力壳)以及天然气高压气瓶的基础制造、军工制造、重型制造领域，本专利还可用于石油、重化工的腔体和航空领域的实体高端锻件的人工智能塑性成形。

附图说明

图1为本发明智能压头立体图；

图2为本发明智能压头上擀具第一旋转状态图；

图3为本发明智能压头上擀具第二旋转状态图；

图4为本发明智能压头上擀具长边具有锲入角的结构图；

图5为本发明智能压头上擀具短边具有锲入角的结构图；

图6为本发明智能压头上擀具挤压面为内凹弧面结构图；

图7为本发明智能压头上擀具挤压面为外凸弧面结构图；

图8为本发明由两个智能压头形成的双压头对结构图；

图9为本发明中两组双压头对形成的双压头组结构图；

图10为本发明由三个智能压头形成的三压头对结构图；

图11为本发明中两组三压头对形成的三压头组结构图；

图12为本发明中同轴双动压头结构图；

图13为本发明中并列双动压头结构图；

图14为本发明中具有偶数环台环件的智能成形图；

图15为本发明中具有奇数环台环件的智能成形图；

图16为本发明中核电水室封头的智能成形图；

图17为本发明中核电主管道智能成形图；

图18为本发明中潜艇高压舱壁智能成形图。

具体实施方式

实施例：一种智能塑性成形工艺方法，，具体步骤如下：

步骤一：对锻件11进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟，其中三维软件可以为CAD软件；

步骤二：根据模拟结果采用具有机器学习功能的自动程序设计***(基于机器学习的智能概念设计***)完成对该锻件11成形工步的分析和编程(可联机或脱机进行)；

步骤三：钢锭加热：根据设计要求进行加热；

步骤四：闭式镦粗：将加热后的钢锭放入镦粗筒内，在智能塑性成形液压机上(而不是在自由锻液压机上)对钢锭进行闭式镦粗形成毛坯，该步骤旨在通过锻造的热、力过程消除材料内部缺陷，提高内部质量，闭式镦粗的镦粗筒是通用工装，根据产品结构和形状选取来适用于不同的钢锭，闭式镦粗使钢锭内部形成强大的球应力，进而保证锻件内部质量。

步骤五：智能塑性成形：将毛坯定位在支撑装置4上，智能塑性成形液压机启动进而带动智能压头3上的擀具5挤压毛坯进行塑性锻造成形，在锻造过程中，传感***直接或间接实时反馈毛坯温度、擀具5挤压力大小和毛坯金属流动位移数据给由自动程序设计***形成的控制***，控制***根据传感***反馈的数据控制智能塑性成形液压机施力，同时控制机械手带动智能压头3绕轴线转动来改变擀具5的施力特征，所述施力特征包括擀具5压入高温金属毛坯形成的分布作用力的分布形态、大小总值(分布力的和)、施加方位和擀具5的锲入角，其中擀具5的锲入角为擀具5的挤压面与毛坯表面形成的夹角，在压头上擀具5挤压毛坯时，通过智能机械手2带动擀具5旋转，以保证金属主要沿着垂直擀具5宽边的方向流动，以此调整金属流动方向，而擀具5挤压面与毛坯被成形金属表面可不平行，其夹角称为锲入角。锲入角的采用进一步帮助控制金属流动方向，擀具5是推动高温金属塑性流动的通用工具，它可传递来自液压机的千吨级压力；同时又受智能机械手2的程序控制。与传统模具的型腔成形相比，擀具5的擀成形，动作简单、易于规范化和程序化，本发明通过智能压头3，改变施力特征，对金属连续施压，迫使金属流动坯料变形，正确积累此种材料流动与变形，即可获得良好的锻造精度，完成锻造成形。

所述锻件11为一火或数火锻造成形。

一种智能塑性成形设备，包括智能塑性成形液压机、智能机械手2、智能压头3、传感***、支撑装置4和控制***，所述智能机械手2固定安装于智能塑性成形液压机的动力输出装置1上，若干智能压头3分布于支撑装置4上的锻件周围，各个智能压头3的轴线分别沿水平方向延伸或沿竖直方向延伸，各智能压头3分别与智能机械手2动力输出端固定连接，智能机械手2能够带动智能压头3绕其自身轴线转动，智能压头3上设有用于挤压锻件表面的擀具5，该擀具5的挤压面与锻件表面形成夹角大于0°的锲入角，用于定位锻件的支撑装置4能够带动锻件做旋转和移动动作中的至少一种，传感***能够获得锻件温度、擀具5对锻件的压力和锻件金属流动位移数据并传信于控制***，控制***控制智能塑性成形液压机、智能机械手2和支撑装置4动作，工作时，将加热并经过闭式镦粗的毛坯放在支撑装置4上，将智能机械手2安装在智能塑性成形液压机的动力输出装置1(机梁、活塞或活塞杆)上，智能压头3在智能塑性成形液压机的带动下挤压锻件进行塑形成形，在该过程中，传感***实时收集和反馈毛坯温度、擀具5挤压力大小和毛坯金属流动位移数据给控制***，控制***根据该信息调整智能塑性成形液压机施力大小同时通过智能机械手2带动智能压头3旋转改变擀具5的施力特征，进而精确控制金属流动使锻件精确成型。

所述擀具5挤压面为相邻边长度不同的矩形结构，擀具5的短边或长边与锻件表面形成锲入角，见图8、图9、图10和图11所示。

所述擀具5挤压面为外凸弧面、内凹弧面和倾斜平面中的一种。

所述至少两个智能压头3相向排布形成智能压头对，至少一个压头对形成一组智能压头组，如图8和图9所示可以由两个智能压头3形成一个智能压头对，也可由三个智能压头3形成一个智能压头对，可采用一对或两对智能压头对形成一组智能压头组，如图10和图11所述，具有偶数环台的环件采用两压头对形成的压头组进行智能塑性成形，见附图14；具有奇数环台的环件可采用三个压头对形成的压头组进行智能塑性成形，见附图15；大量的高端航空锻件上，设有环台，而环轧工艺则无法成形具有环台的环件。本专利的实施，免除了环台焊接，提高了可靠性。

所述至少两个水平方向相对排列的智能压头3形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头3形成竖直智能压头对，呈垂直正交状态的水平智能压头对和竖直智能压头对形成用于超大型厚壁压力壳(如核电水室封头)的智能压头组，该种分布结构的压头组用于完成核级超大型厚壁压力壳的成形，其塑性成形工艺流程为：508-Ⅲ钢钢锭加热，在智能塑性成形液压机上，通用的镦粗筒中，闭式镦粗并压窝(一次加热完成)，形成水室封头顶部(底部)壳台，同时核电水室封头的内腔和轮廓的雏形也一并完成。再采用水平的智能压头3和垂直的智能压头对上述毛坯进行减壁厚、扩径、轴向延伸，同时形成各个壳台，见图16。

所述由三个智能压头3相对排列形成用于具有奇数管台的厚壁高压管道的智能压头组，其用于核电主管道的智能塑性成形，工艺流程为：不锈钢钢锭加热，在智能塑性成形液压机上，采用通用的镦粗筒进行闭式镦粗并两端深度压窝(一次加热完成)，形成核电主管道智能成形所需的毛坯，再采用三压头对组成之压头，减壁厚、扩径、轴向延伸，同时形成各个管台，见图17。

所述由两个水平方向相对排列的智能压头3形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头3形成竖直智能压头对，至少两个沿圆周方向均匀间隔排列水平智能压头对和与之呈垂直正交状态的竖直智能压头对形成用于潜艇部件(潜艇如高压舱壁)的智能压头组，其用于潜艇部件的智能塑性成形(工艺流程为：980钢钢锭加热，在智能成形压机上，采用标准的镦粗筒，闭式镦粗两端深度压窝(一次加热完成)，形成舱壁智能塑性成形所需的毛坯。再采用水平智能压头3和垂直智能压头3减壁厚、扩径、轴向延伸，筒壁收口，同时形成舱壁的中性面，见图18。

所述智能压头3为单压头、同轴双动压头和并列双动压头中的一种，其中同轴双动压头包括内外套设的外压头6和内压头7(如图12所示)，并列双动压头包括平行排列的第一、二压头8、9，如图13所示，潜艇高压舱壁的智能塑性成形即可采用同轴双动压头，见图18。

所述支撑装置4为支撑平台、支撑芯轴和定位壳台中的至少一种，支撑装置4用于支撑、定位和驱动锻件配合擀具5动作，进而完成锻件整体成形。

还设有内衬压头10，内衬压头10上设有擀具5，内衬压头10上的擀具5紧抵于毛坯内部表面并与毛坯外部的各个智能压头3的擀具5位置一一对应，内衬压头10可以实现环壁的成形，如图14和图15所示。

所述传感***包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，各传感器用于采集锻件锻造过程的信息，便于实时控制智能塑性成形液压机和智能机械手2配合动作改变施力特征，进而精确完成锻件塑性成形。

Claims (13)

1.一种智能塑性成形工艺方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：对锻件进行三维建模并采用有限元分析软件对模型进行塑性变形的数字模拟；

步骤二：根据模拟结果采用具有机器学习功能的自动程序设计***完成对该锻件成形工步的分析和编程；

步骤三：钢锭加热；

步骤四：闭式镦粗：将加热后的钢锭放入镦粗筒内，在智能塑性成形液压机上对钢锭进行闭式镦粗形成毛坯；

步骤五：智能塑性成形：将毛坯定位在支撑装置上，智能塑性成形液压机启动进而带动智能压头上的擀具挤压毛坯进行塑性锻造成形，在锻造过程中，传感***直接或间接实时反馈毛坯温度、擀具挤压力大小和毛坯金属流动位移数据给由自动程序设计***形成的控制***，控制***根据传感***反馈的数据控制智能塑性成形液压机施力，同时控制机械手带动智能压头绕轴线转动来改变擀具的施力特征，所述施力特征包括擀具压入高温金属毛坯形成的分布作用力的分布形态、大小总值、施加方位和擀具的锲入角，其中擀具的锲入角为擀具的挤压面与毛坯表面形成的夹角。

2.如权利要求1所述的智能塑性成形工艺方法，其特征是：所述锻件(11)为一火或数火锻造成形。

3.一种权利要求1所述的智能塑性成形工艺方法中所用的智能塑性成形设备，其特征是：包括智能塑性成形液压机、智能机械手(2)、智能压头(3)、传感***、支撑装置(4)和控制***，所述智能机械手固定安装于智能塑性成形液压机的动力输出装置(1)上，若干智能压头分布于支撑装置上的锻件周围，各个智能压头的轴线分别沿水平方向延伸或沿竖直方向延伸，各智能压头分别与智能机械手动力输出端固定连接，智能机械手能够带动智能压头绕其自身轴线转动，智能压头上设有用于挤压锻件表面的擀具(5)，该擀具的挤压面与锻件表面形成夹角大于0°的锲入角，用于定位锻件的支撑装置能够带动锻件做旋转和移动动作中的至少一种，传感***能够获得锻件温度、擀具对锻件的压力和锻件金属流动位移数据并传信于控制***，控制***控制智能塑性成形液压机、智能机械手和支撑装置动作。

4.如权利要求3所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述擀具挤压面为相邻边长度不同的矩形结构，擀具的短边或长边与锻件表面形成锲入角。

5.如权利要求4所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述擀具挤压面为外凸弧面、内凹弧面和倾斜平面中的一种。

6.如权利要求5所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述至少两个智能压头相向排布形成智能压头对，至少一个压头对形成一组智能压头组。

7.如权利要求6所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述至少两个水平方向相对排列的智能压头形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头形成竖直智能压头对，呈垂直正交状态的水平智能压头对和竖直智能压头对形成用于超大型厚壁压力壳的智能压头组。

8.如权利要求6所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述由三个智能压头相对排列形成用于具有奇数管台的厚壁高压管道的智能压头组。

9.如权利要求6所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述由两个水平方向相对排列的智能压头形成水平智能压头对，两个沿竖直方向相对排列的智能压头形成竖直智能压头对，至少两个沿圆周方向均匀间隔排列水平智能压头对和与之呈垂直正交状态的竖直智能压头对形成用于潜艇部件的智能压头组。

10.如权利要求6所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述智能压头为单压头、同轴双动压头和并列双动压头中的一种，其中同轴双动压头包括内外套设的外压头(6)和内压头(7)，并列双动压头包括平行排列的第一、二压头(8、9)。

11.如权利要求3所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述支撑装置为支撑平台、支撑芯轴和定位壳台中的至少一种。

12.如权利要求3所述的智能塑性成形设备，其特征是：还设有内衬压头(10)，内衬压头上设有擀具，内衬压头上的擀具紧抵于毛坯内部表面并与毛坯外部的各个智能压头的擀具位置一一对应。

13.如权利要求3所述的智能塑性成形设备，其特征是：所述传感***包括温度传感器、压力传感器和位移传感器。