劉敬杰 劉凱泉

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

錐形筒體鍛件是容器中的關(guān)鍵部件，其技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)均有著很高的標(biāo)準(zhǔn)，鍛造成形難度極大，現(xiàn)主要采用兩種成形方式：一是將錐形筒體直接鍛造成“喇叭口形”；二是將錐形筒體鍛造成“米斗形”。兩種成形方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，還要根據(jù)錐形筒體的具體形狀尺寸選擇成形方式。

某容器錐形筒體形狀及尺寸如圖1所示。與一般錐形筒體不同，此件錐形筒體小頭端直段與斜段相交位置處存在兩個(gè)對(duì)稱180°的接管孔，正因這兩個(gè)接管孔的存在，導(dǎo)致此錐形筒體屬于非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但無論采用哪種方式進(jìn)行成形，成形后的錐形筒體鍛件均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且等壁厚(即各截面處壁厚相同)。

圖1 錐形筒體Figure 1 Conical shell

1 鍛件兩種成形方式對(duì)比分析

根據(jù)軸對(duì)稱、等壁厚且最小處余量相同的原則，分別采用“喇叭口形”方式與“米斗形”方式設(shè)計(jì)鍛件，見圖2、圖3。

圖2 喇叭口形鍛件Figure 2 Forging piece of horn shape

圖3 米斗形鍛件Figure 3 Forging piece of funnel shape

通過計(jì)算測(cè)量得出，喇叭口形鍛件重為94.2 t，米斗形鍛件重為95.23 t?？梢姡m然“米斗形”方式鍛造成形的錐形筒體能夠?qū)啥酥倍五懗?，輪廓外形更接近其零件的輪廓外形，但因?yàn)槠湫☆^端直段與斜段相交位置處存在兩個(gè)對(duì)稱180°的接管孔，此種成形方式并沒有減小其加工余量，且此種成形方式需要投制專用輔具，火次相對(duì)較多，鍛造成形難度更大，因此，此件錐形筒體選擇“喇叭口形”鍛造成形方式。

2 “喇叭口形”成形方式工藝

“喇叭口形”錐形筒體鍛造工藝過程為：鐓粗，沖孔→預(yù)擴(kuò)孔→專用芯棒拔長→專用馬杠擴(kuò)孔出成品，其關(guān)鍵火次為擴(kuò)孔出成品前的芯棒拔長火次，關(guān)鍵點(diǎn)在于芯棒拔長坯料外輪廓形狀尺寸。

芯棒拔長后坯料的外圓輪廓應(yīng)是由一段二次拋物線繞軸線旋轉(zhuǎn)一周而圍成的回轉(zhuǎn)體，但這種回轉(zhuǎn)體的拋物線輪廓結(jié)構(gòu)給鍛制坯料帶來了很大困難，實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中，可以用階梯狀外形結(jié)構(gòu)坯料代替拋物線輪廓坯料，階梯坯料的臺(tái)階數(shù)量和尺寸跟據(jù)實(shí)際鍛件尺寸確定[1]。

2.1 階梯坯料計(jì)算

階梯坯料尺寸的計(jì)算，考慮筒體鍛件擴(kuò)孔時(shí)的展寬量很小，擴(kuò)孔前與擴(kuò)孔后的高度變化可忽略不計(jì)，根據(jù)擴(kuò)孔前與擴(kuò)孔后同一高度處橫截面近似相同原理能夠計(jì)算出擴(kuò)孔前預(yù)制坯料兩端半徑尺寸[1]，其中臺(tái)階高度根據(jù)計(jì)算出的大小端半徑差以及臺(tái)階數(shù)量確定。輪廓尺寸分析圖如圖4所示。

圖4 輪廓尺寸分析圖Figure 4 Boundary dimension analysis

根據(jù)大小端橫截面近似相同，得出如下計(jì)算公式：

成品壁厚、成品小端外圓半徑、成品大端外圓半徑、成品高度已確定，預(yù)制坯料兩端直徑尺寸主要跟芯棒半徑相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果預(yù)制坯料兩端直徑越小，最后擴(kuò)孔出成品時(shí)尺寸越難保證，在保證最后一火次鍛比的前提下，盡可能增大預(yù)制坯料直徑尺寸，根據(jù)核電筒節(jié)制造經(jīng)驗(yàn)，最后一火次擴(kuò)孔鍛比滿足1.4及以上便能保證后續(xù)檢測(cè)及性能要求，選擇?2100 mm進(jìn)行預(yù)制坯料拔長。

計(jì)算得出坯料大端半徑為1740 mm，坯料小端半徑為1590 mm，因?yàn)橐陨嫌?jì)算沒有考慮火耗，而實(shí)際制造過程中存在一定火耗，最終坯料大端外徑定為3510 mm，坯料小端外徑定為3200 mm。

2.2 鍛造工藝過程

錐形筒體鍛造工藝過程見表1。

表1 鍛造工藝過程Table 1 Forging process

3 生產(chǎn)試制

根據(jù)表1中鍛造工藝，對(duì)此錐形筒體進(jìn)行鍛造試制，根據(jù)上述分析，對(duì)專用芯棒拔長火次嚴(yán)格控制，拔長后坯料外輪廓符合工藝要求。擴(kuò)孔成形時(shí)存在大小端變形不同步問題，通過對(duì)擴(kuò)孔工序進(jìn)行精細(xì)控制，成功鍛造此錐形筒體。

4 結(jié)語

根據(jù)上述錐形筒體的試制結(jié)果，可得出如下結(jié)論：“喇叭口形”錐形筒體鍛造成形方式關(guān)鍵點(diǎn)在于擴(kuò)孔前坯料的輪廓外形尺寸，通過擴(kuò)孔前與擴(kuò)孔后同一高度處橫截面近似相同原理計(jì)算得出此工藝參數(shù)，根據(jù)此參數(shù)制定合理的鍛造工藝，通過實(shí)際生產(chǎn)，證明此階梯坯料尺寸參數(shù)以及根據(jù)此階梯坯料尺寸制定的鍛造工藝過程是合理的，能夠滿足生產(chǎn)要求。