CN107808064B - 高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，通过将紫铜圆筒坯料经过一次热反挤压和一次扩孔即可得到前端帽体成品，具体包括以下步骤：(1)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺设计；(2)高炉风口前端帽体的扩孔工艺设计；(3)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺优化与模具设计；(4)高炉风口前端帽体的分瓣扩孔模具设计；(5)将紫铜空心圆筒坯料加热至热成形温度，放入反挤压模具中，一次反挤压得到半成品；(6)利用所设计的分瓣扩孔模具，对其中心孔挤压扩孔。该工艺优化设计方法针对性强，使得具有高度差内外锥度筒类的高炉风口用前端帽体成型工艺简单、流程短、成品质量有保障、使用寿命长。

Description

高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法

技术领域

本发明属于高炉风口用前端帽体的成型工艺的技术领域，尤其涉及一种高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法。

背景技术

高炉风口用前端帽体，是保证高炉正常生产的关键部件(一般采用紫铜制造,价格较昂贵)，是高炉内鼓风的必经之道，其使用环境极端恶劣,不但要承受约1000℃以上的高温热风，还要承受高温铁流的冲刷和炉料的磨损，因此经常被烧坏，一旦烧坏需要休风更换。这不仅需要大量的备件，也极大的增加工艺成本，并且一旦休风时间过长，会直接影响高炉的的正常工作和生产量。

目前，高炉风口用前端帽体的成型工艺有两种：铸造与挤压。虽然铸造的工艺简单，但是成品有诸多缺陷、质量无法保证、使用寿命短等缺点。目前对于高炉风口用前端帽体的挤压工艺，没有具体的工艺设计方法；也没有利用有限元软件进行数值模拟分析；都是需要要经过2-3次挤压得到半成品，工艺流程冗长；然后采用传统的扩孔方法使得成品尺寸无法保证、成型载荷过大；没有提供一种可靠、短流程的成型工艺及通用的设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，只需要一次反挤压和一次扩孔即可得到前端帽体成品。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺设计，确定挤压件的形状及尺寸参数，得出圆筒坯料的尺寸参数；

S2)高炉风口前端帽体的扩孔工艺设计，对扩孔变形程度进行校核，并计算扩孔变形力的大小；

S3)高炉风口前端帽体的热反挤压模具设计，用有限元软件对高炉风口前端帽体的挤压成型过程进行数值模拟，根据挤压件的形状及尺寸、数值模拟中所确定的模具结构设计热反挤压模具；

S4)高炉风口前端帽体的分瓣扩孔模具设计，根据高炉风口前端帽体成品设计分瓣扩孔模具。

按上述方案，所述步骤S1)中包括如下内容：

S11)挤压件形状的设计，根据高炉风口前端帽体成品的形状，确定挤压件为双层套筒，外层为锥形套筒与帽体成品一致，内层为内孔为圆锥孔的圆柱套筒结构，壁厚从底端到顶端逐渐增加，其高度满足条件：h₁≥h+20，其中，h₁为挤压件内层套筒高度，h为帽体成品内层套筒高度；

S12)挤压件尺寸的计算，挤压件外层锥形套筒尺寸与帽体成品外层套筒一致，内层套筒高度由体积相等原则求得：

D_min＝D_1max，t₀＝t_min

h₁＝y₁-y₀，y₁＝kx₁+b

其中，V表示帽体成品内层圆锥套筒的体积，t₀为帽体成品内层套筒壁厚，D_max表示帽体成品内层圆锥套筒的最大内径，D_min表示帽体成品内层圆锥套筒的最小内径，y、b、k分别表示挤压件内层圆柱套筒内壁在所建直角坐标中直线方程的纵坐标、截距、斜率，x₁，y₁分别表示挤压件内层圆柱形套筒内侧顶点横、纵坐标，D_1max表示挤压件内层圆柱套筒的最大内径，t_min表示挤压件内层圆柱套筒的最小壁厚；

S13)圆筒坯料尺寸计算，根据所确定挤压件形状及尺寸，利用proe软件建立该模型，计算出挤压件体积V₁，选取圆筒坯料内径d₂＝D_min＝D_1max，根据体积相等原则，求得圆筒坯料高度h₂为：

其中，D_out为帽体成品外层锥形套筒最小外径。

按上述方案，所述步骤S2)中包括如下内容：

S21)扩孔变形程度校核，根据前端帽体成品内层套筒的最大内径D_max，挤压件内层圆柱套筒的最小直径D_1min计算出扩孔系数m_c＝D_max/D_1min，使其满足m_c≤m_ec，其中极限扩孔系数m_ec的大小取决于材料性能；

S22)扩孔变形力的计算，根据挤压件形状及帽体成品形状可知，采用锥形分瓣刚性凸模扩孔，其单位扩孔力p按下式计算：

其中，σ表示材料单位变形抗力，

u表示摩擦因数，α表示锥形分瓣刚性凸模半锥角，R表示挤压件内层套筒顶端内侧半径。

按上述方案，所述步骤S3)中包括如下内容：

S31)热反挤压工艺优化，用有限元软件对帽体的挤压成型过程进行数值模拟，在保证每次下压量恒定、坯料体积恒定、始锻温度恒定的情况下，利用控制变量法分别对不同的摩擦系数、不同的模具结构进行数值模拟，总结成型规律、成型最大载荷以及内外套筒高度差等，确定热挤压成型过程中，最佳的润滑条件、最佳模具工作部分结构尺寸；

S32)热反挤压模具设计，根据挤压件的形状及尺寸、数值模拟中所确定的模具结构设计热反挤压凸模和热反挤压凹模：

热反挤压凸模为中空的圆柱筒体，下部的外径从上往下递减，形成圆锥体结构，下部的外曲面与帽体成品外层锥形套筒的内曲面相配置；

热反挤压凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有竖直向上的中心柱，中心柱的外径与热反挤压凸模的内径相同，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置。

按上述方案，所述步骤S4)中包括如下内容：根据帽体成品设计分瓣扩孔凸模、分瓣扩孔凹模和分瓣扩孔瓣模：

分瓣扩孔凸模为圆锥柱体结构，分瓣扩孔凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有通孔，通孔与分瓣扩孔凸模的底部相配置，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置，分瓣扩孔瓣模为圆锥套筒结构，外曲面与帽体成品内层锥形套筒的内曲面相配置，内曲面与分瓣扩孔凸模的外曲面相配置。

按上述方案，所述圆筒坯料的材质为紫铜。

本发明的有益效果是：1、提出一种高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，通过由成品到半成品挤压件，再到坯料的尺寸计算，可以保证成品质量及尺寸的可靠性，节约紫铜坯料和成本；2、通过对反挤压工艺优化，保证一次反挤压达到零件所要求的高度及壁厚，克服以往需要2～3次的挤压工序，极大缩短成型工艺流程；3、利用所设计的分瓣模具，对半成品进行扩孔，可以大幅度降低所需要的载荷，并且提高成品的尺寸精度和质量；4、通过该短流程成型工艺及设计方法，为高炉前端帽体的成型提供了一种短流程、节约成本、通用性强、成品质量及尺寸有保障等可靠的成型工艺设计方法。

附图说明

图1为本发明一个实施例的高炉前端帽体成品剖视图；

图2为本发明一个实施例的挤压件剖视图；

图3为本发明一个实施例的挤压件热反挤压模具装配图；

图4为本发明一个实施例的前端帽体成品分瓣扩孔模具装配图。

其中：1.帽体成品，2.挤压件，3.热反挤压凸模，4.热反挤压凹模，5.分瓣扩孔凸模，6.分瓣扩孔凹模，7.分瓣扩孔瓣模。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，在本发明中，最关键的步骤在于设计半成品挤压件的具体形状及尺寸、利用有限元软件(DEFORM)对成型过程的数值模拟、以及对高炉前端帽体挤压成型工艺优化和模具设计。在确定半成品的具体尺寸中，由于外层圆锥形套筒的形状与成品一致，所以最关键在于确定内层圆锥形套筒的竖直高度，在直角坐标系中，通过选取不同的倾斜角度(内层套筒内壁所在直线)，通过对上述对旋转体的积分公式可以计算出不同内层圆锥形套筒的竖直高度(随角度增大，竖直高度减小)，通过利用有限元软件(DEFORM)对成型过程的数值模拟，根据成型效果可以确定适当的倾斜角度。

其具体实现步骤如下：

(1)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺设计

1)挤压件的形状设计

根据高炉风口前端帽体成品的形状，确定挤压件为双层套筒，外层为锥形套筒与帽体成品一致，内层为内孔为圆锥孔的圆柱套筒结构，壁厚从底端到顶端逐渐增加，其高度满足条件：h₁≥h+20，其中，h₁为挤压件内层套筒高度，h为帽体成品内层套筒高度，h的取值为470mm。

2)挤压件的尺寸计算

利用体积相等原则及对旋转体体积的积公式计算挤压件内层套筒高度h₁。即：

D_min＝D_1max，t₀＝t_min

h₁＝y₁-y₀，y₁＝kx₁+b

其中，V表示帽体成品内层圆锥套筒的体积，t₀为帽体成品内层套筒壁厚，D_max表示帽体成品内层圆锥套筒的最大内径，D_min表示帽体成品内层圆锥套筒的最小内径，y、b、k分别表示挤压件内层圆柱套筒内壁在所建直角坐标中直线方程的纵坐标、截距、斜率，D_1max表示挤压件内层圆柱套筒的最大内径，x₁，y₁分别表示挤压件内层圆柱形套筒内侧顶点横、纵坐标，t_min表示挤压件内层圆柱套筒的最小壁厚；

在所建的直角坐标系中，根据该挤压件内壁所在直线倾角为90.5°，经过点(65，40)，可以知道k＝-114.589、b＝7342.1，其中R为挤压件内层套筒外壁到纵坐标的距离，内层圆锥形套筒最小壁厚为t_min＝15mm，可以确定R＝80mm，V为帽体成品内层圆锥形套筒的体积，利用proe软件建模可以计算出V＝3.374848×10⁶mm。

代入数据计算可得：y₁＝484.89mm，则x₁＝62mm。取挤压件内层圆锥形套筒高度h₁为490mm。

3)圆筒坯料尺寸计算

根据所确定挤压件形状及尺寸，利用proe软件建立该模型，计算出挤压件体积V₁，选取圆筒坯料内径d₂＝D_min＝D_1max，根据体积相等原则，求得圆筒坯料高度h₂为：

其中，D_out为帽体成品外层锥形套筒最小外径，

圆筒坯料内径为130mm、外径为280mm，可计算出坯料高度为187mm。

(2)高炉风口前端帽体的扩孔工艺设计

1)扩孔变形程度

取前端帽体成品内层套筒的最大内径D_max为171.1mm，挤压件的内层圆柱套筒的最小直径D_1min为124.2mm，可以计算出扩孔变形程度m_c＝D_max/D_min＝1.38，极限扩孔系数m_ec＝1.6。满足m_c＝1.38≤m_ec＝1.6。

2)扩孔变形力的计算

采用锥形刚性凸模扩孔，其单位扩孔力按下式计算：

其中，σ表示材料单位变形抗力，u表示摩擦因数，α表示锥形分瓣刚性凸模半锥角，R表示挤压件内层套筒顶端半径。

σ取值为39Mpa；u取值为0.5；ɑ取值为3°；m_c为1.38；t₀为15mm；R的值等于x₁为62mm。

扩孔变形力p＝2.6×10⁵pa

(3)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺优化与模具设计

1)热反挤压工艺优化；

利用有限元软件(DEFORM)对帽体的挤压成型过程进行数值模拟，采用控制变量法，在温度为850℃(紫铜的熔点为1084℃)、热反挤压凸模每次下压量恒定为157mm、坯料体积恒定(为内径为130mm、外径为280mm、高度为187mm)的情况下，用不同的摩擦系数(范围摩擦系数：0.2-0.6)，进行数值模拟，根据成型效果可以知道，随着摩擦系数的增大，有利于模具左边型腔的填充(即有利于挤压件的内层圆锥形圆筒高度增加)，但是当摩擦系数增大到0.5以后，有利于右边型腔的填充(即有利于挤压件的外层圆锥形圆筒高度增加)；此外，随着摩擦系数的增大，成型载荷不断增大。最在保证内外层圆锥形套筒高度都保证的情提，结合实际工艺参数，成型过程中确选择摩擦为0.5。

同理，在保证其他参数不变的情况下，取不同的倾斜角度为90.5°～91.5°(挤压件内壁所在直线)。进行数值模拟，根据成型效果可以知道，随着角度增大，不利于右边型腔的填充(即不利于半成品的外层圆锥形圆筒高度增加)使之达不到零件所要求的高度，最后选择为90.5°。

2)热反挤压模具设计

根据挤压件的形状及尺寸、数值模拟中所确定的模具结构设计热反挤压凸模3和热反挤压凹模4：

热反挤压凸模为中空的圆柱筒体，下部的外径从上往下递减，形成圆锥体结构，下部的外曲面与帽体成品外层锥形套筒的内曲面相配置；

热反挤压凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有竖直向上的中心柱，中心柱的外径与热反挤压凸模的内径相同，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置。

如附图3所示，热反挤压凹模通过凹模垫板与下模座定位，热反挤压凹模与凹模压紧圈采用锥面配合，用内六角螺钉与下模座紧紧连接，顶杆和顶料块组成顶出机构，卸料板和带凸肩螺钉组成卸料机构，用于将箍在热反挤压凸模上的挤压件脱下，热反挤压凸模与凸模压紧圈采用锥面配合,凸模压紧圈与凸模垫板通过螺钉紧固在上模座上。

(4)高炉风口前端帽体的分瓣扩孔模具设计

根据帽体成品设计分瓣扩孔凸模5、分瓣扩孔凹模6和分瓣扩孔瓣模7：

分瓣扩孔凸模为圆锥柱体结构，分瓣扩孔凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有通孔，通孔与分瓣扩孔凸模的底部相配置，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置，分瓣扩孔瓣模为圆锥套筒结构，外曲面与帽体成品内层锥形套筒的内曲面相配置，内曲面与分瓣扩孔凸模的外曲面相配置。

如附图4所示，分瓣扩孔凹模通过凹模垫板与下模座定位，分瓣扩孔凹模与凹模压紧圈采用锥面配合，用内六角螺栓与下模座紧紧连接，分瓣扩孔凸模与凸模压紧圈采用锥面配合，凸模压紧圈与凸模垫板通过螺钉紧固在上模座上。

(5)一次热反挤压得到挤压件

将所设计的紫铜圆筒坯料加热至热成形温度，利用所设计的热反挤压模具一次反挤压得到挤压件。

(6)利用所设计的分瓣扩孔模具，对其中心孔挤压扩孔

将上述经过热挤压的挤压件利用所设计分瓣扩孔模具，对其中心孔挤压扩孔，便可得到高炉风口前端帽体成品。

Claims (6)

1.高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)高炉风口前端帽体的热反挤压工艺设计，确定挤压件的形状及尺寸参数，得出圆筒坯料的尺寸参数；

S2)高炉风口前端帽体的扩孔工艺设计，对扩孔变形程度进行校核，并计算扩孔变形力的大小；

S3)高炉风口前端帽体的热反挤压模具设计，用有限元软件对高炉风口前端帽体的挤压成型过程进行数值模拟，根据挤压件的形状及尺寸、数值模拟中所确定的模具结构设计热反挤压模具；

S4)高炉风口前端帽体的分瓣扩孔模具设计，根据高炉风口前端帽体成品设计分瓣扩孔模具；

S5)将所设计的圆筒坯料加热至热成形温度，利用所设计的热反挤压模具一次反挤压得到挤压件；

S6)将上述经过热挤压的挤压件利用所设计分瓣扩孔模具，对其中心孔挤压扩孔，便可得到高炉风口前端帽体成品。

2.根据权利要求1所述的高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1)中包括如下内容：

S11)挤压件形状的设计，根据高炉风口前端帽体成品的形状，确定挤压件为双层套筒，外层为锥形套筒与帽体成品一致，内层为内孔为圆锥孔的圆柱套筒结构，壁厚从底端到顶端逐渐增加，其高度满足条件：h₁≥h+20，其中，h₁为挤压件内层套筒高度，h为帽体成品内层套筒高度；

S12)挤压件尺寸的计算，挤压件外层锥形套筒尺寸与帽体成品外层套筒一致，内层套筒高度由体积相等原则求得：

D_min＝D_1max，t₀＝t_min

h₁＝y₁-y₀，y₁＝kx₁+b

其中，V表示帽体成品内层圆锥套筒的体积，t₀为帽体成品内层套筒壁厚，D_max表示帽体成品内层圆锥套筒的最大内径，D_min表示帽体成品内层圆锥套筒的最小内径，y、b、k分别表示挤压件内层圆柱套筒内壁在所建直角坐标中直线方程的纵坐标、截距、斜率，x₁，y₁分别表示挤压件内层圆柱形套筒内侧顶点横、纵坐标，D_1max表示挤压件内层圆柱套筒的最大内径，t_min表示挤压件内层圆柱套筒的最小壁厚；

S13)圆筒坯料尺寸计算，根据所确定挤压件形状及尺寸，利用proe软件建立计算挤压件模型，计算出挤压件体积V₁，选取圆筒坯料内径d₂＝D_min＝D_1max，根据体积相等原则，求得圆筒坯料高度h₂为：

其中，D_out为帽体成品外层锥形套筒最小外径。

3.根据权利要求2所述的高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2)中包括如下内容：

S21)扩孔变形程度校核，根据前端帽体成品内层套筒的最大内径D_max，挤压件内层圆柱套筒的最小直径D_1min计算出扩孔系数m_c＝D_max/D_1min，使其满足m_c≤m_ec，其中极限扩孔系数m_ec的大小取决于材料性能；

S22)扩孔变形力的计算，根据挤压件形状及帽体成品形状可知，采用锥形分瓣刚性凸模扩孔，其单位扩孔力p按下式计算：

其中，σ表示材料单位变形抗力，u表示摩擦因数，α表示锥形分瓣刚性凸模半锥角，R表示挤压件内层套筒顶端内侧半径。

4.根据权利要求3所述的高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3)中包括如下内容：

S31)热反挤压工艺优化，用有限元软件对帽体的挤压成型过程进行数值模拟，在保证每次下压量恒定、坯料体积恒定、始锻温度恒定的情况下，利用控制变量法分别对不同的摩擦系数、不同的模具结构进行数值模拟，总结成型规律、成型最大载荷以及内外套筒高度差等，确定热挤压成型过程中，最佳的润滑条件、最佳模具工作部分结构尺寸；

S32)热反挤压模具设计，根据挤压件的形状及尺寸、数值模拟中所确定的模具结构设计热反挤压凸模和热反挤压凹模：

热反挤压凸模为中空的圆柱筒体，下部的外径从上往下递减，形成圆锥体结构，下部的外曲面与帽体成品外层锥形套筒的内曲面相配置；

热反挤压凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有竖直向上的中心柱，中心柱的外径与热反挤压凸模的内径相同，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置。

5.根据权利要求4所述的高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4)中包括如下内容：根据帽体成品设计分瓣扩孔凸模、分瓣扩孔凹模和分瓣扩孔瓣模：

分瓣扩孔凸模为圆锥柱体结构，分瓣扩孔凹模为顶部中心设有圆锥形凹槽的圆柱体结构，圆锥形凹槽的底部中心设有通孔，通孔与分瓣扩孔凸模的底部相配置，圆锥形凹槽的内曲面与帽体成品外层锥形套筒的外曲面相配置，分瓣扩孔瓣模为圆锥套筒结构，外曲面与帽体成品内层锥形套筒的内曲面相配置，内曲面与分瓣扩孔凸模的外曲面相配置。

6.根据权利要求5所述的高炉风口前端帽体的短流程挤压成型工艺的优化设计方法，其特征在于，所述圆筒坯料的材质为紫铜。

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