一種直徑大于1米筒體的校形方法
【專利摘要】一種直徑大于1米筒體的校形方法，通過確定筒體校形時的加熱溫度T和筒體的直徑脹大量，并控制筒體內(nèi)表面與校形芯模之間間隙，利用脹形芯模的材料膨脹系數(shù)比筒體材料的膨脹系數(shù)大，在加熱后的冷卻過程中由于脹形芯模厚度和體積遠(yuǎn)大于筒體，因此筒體的降溫速率大于脹形芯模，在冷卻過程中，筒體產(chǎn)生冷縮產(chǎn)生變形，而筒體的變形由于受到脹形芯模的限制，達(dá)到控制變形和校正作用。
【專利說明】一種直徑大于1米筒體的校形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，具體是一種直徑大于I米的筒體的校形方法。
技術(shù)背景
[0002]大型筒體類零件成形方法主要有鈑金卷焊成形法和旋壓成形法。其中鈑金卷焊成形法的成形精度無論是尺寸精度還是形狀精度都較差，一般應(yīng)用在低壓容器厚板或?qū)Τ尚尉纫蟛桓叩漠a(chǎn)品上；旋壓成形法比鈑金卷焊成形法的成形精度高，一般被廣泛應(yīng)用在航天固體火箭發(fā)動機(jī)金屬殼體的制造及軍工產(chǎn)品的生產(chǎn)。在航天固體火箭發(fā)動機(jī)金屬殼體及軍工產(chǎn)品中，都采用高強(qiáng)度鋼旋壓或卷焊筒體組焊而成，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:壁薄、強(qiáng)度高、尺寸精度和形狀精度要求嚴(yán)。由于傳統(tǒng)的筒體成形方法成形精度差，在殼體組焊中，會產(chǎn)生較大的錯邊量影響殼體的強(qiáng)度，一般采取的工藝措施是選配，即選用尺寸相同或接近的筒體來組焊以減少錯邊量。而隨著現(xiàn)代航天產(chǎn)品更精更高的要求，對產(chǎn)品的制造精度要求不斷提高，因此現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿足產(chǎn)品的最終質(zhì)量要求。傳統(tǒng)的筒體校形方法主要是采用三軸或多軸卷板機(jī)等設(shè)備進(jìn)行冷校形，但該方法精度差，難以滿足產(chǎn)品高精度要求。專利《薄壁筒體直徑及形狀精度控制方法及其專用工具》(申請?zhí)?01210246565.9)提供了一種通過專用熱脹形芯模對薄壁筒體進(jìn)行適量塑性拉伸的定量熱脹形方法，其主要特征是:先將定位安裝在專用吊具底座上的薄壁筒體吊裝到井式爐中預(yù)熱，打開井式爐門，將專用熱脹形芯模吊裝放置到薄壁筒體的內(nèi)孔中，然后關(guān)閉井式爐門，將專用熱脹形芯模、薄壁筒體和專用吊具一起加熱到設(shè)定溫度保溫后，打開井式爐門，將專用熱脹形芯模、薄壁筒體和專用吊具一起吊出井式爐，空冷至室溫后吊出專用熱脹形芯模。該方法存在的主要問題是操作不便、成本高。特別是將專用熱脹形芯模吊裝放置到已預(yù)熱的薄壁筒體的內(nèi)孔中，觀察和調(diào)整困難，只適合于長度較短的直徑為0.Sm的小直徑筒體；對于長度較長的大直徑筒體，由于筒體尺寸大、剛性差，大型校形工裝重量大、難調(diào)整，易于碰傷筒體甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不適于直徑大于I米的筒體校形的不足，本發(fā)明提出了一種直徑大于I米筒體的校形方法。
[0004]本發(fā)明的具體過程是:
[0005]步驟1，確定筒體校形時的加熱溫度T。所述筒體脹大量根據(jù)公式(I)確定:
[0006]Ad= a Td(I)
[0007]公式(I)中，α為材料的線膨脹系數(shù)，d是筒體的內(nèi)徑。
[0008]考慮筒體冷卻后的回彈量，熱校形時的加熱溫度T應(yīng)按公式(2)確定，
[0009]T = (d「D) /(Da -(I1 a ^ +T0+ Δ T(2)
[0010]其中屯為校形后筒體的內(nèi)徑，a i為在校形加熱溫度時筒體的線膨脹系數(shù)；D為校形芯模的外徑，a為在校形加熱溫度時校形芯模的線膨脹系數(shù)；Ttl為環(huán)境溫度，為5?300C ;Λ T為溫度修正量，所述修正量為±50°C。
[0011]得到加熱溫度T = 500?950 °C。
[0012]所述芯模的線膨脹系數(shù)比筒體的線膨脹系數(shù)大5?7X 10_6/°C。所述校形芯模的壁厚為30?60mm ;校形芯模采用不銹鋼或耐熱不銹鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為15X 10_6?17Χ1(Γ6/。。。
[0013]所述筒體采用碳鋼或合金鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為10Χ10_6?12X10 _6/°C。
[0014]步驟2，確定筒體的直徑脹大量。當(dāng)筒體在井式爐內(nèi)加熱至溫度T時，筒體脹大量通過公式(3)確定，
[0015]Ad=Ci1XdciX(T-Tci)(3)
[0016]其中dQ為校形前筒體的內(nèi)徑。
[0017]步驟3，筒體與校形芯模配合。將待校形的筒體套裝在校形芯模的外表面上，使筒體與芯模同軸。筒體內(nèi)表面與校形芯模之間間隙配合，使筒體內(nèi)徑比表面與校形芯模外表面之間有4?20mm的間隙。
[0018]步驟4，裝爐校形。將井式爐預(yù)熱至200°C。將裝配好的校形芯模與筒體整體吊裝入井式爐內(nèi)，繼續(xù)對所述井式爐加熱至加熱溫度T后，保溫60?240min,利用校形芯模對筒體進(jìn)行校形。所述加熱溫度T為500?950°C。保溫結(jié)束后，出爐冷卻。將校形芯模和筒體整體吊出井式爐后水平放置，空冷至室溫后，將校形后的筒體從校形芯模上卸出，得到校形后的筒體。
[0019]步驟5，筒體檢測。對校形后的筒體采用常規(guī)方法進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容包括筒體的外圓平均直徑、壁厚、圓跳動和直線度。若筒體檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求，則校形結(jié)束；若筒體檢測結(jié)果不滿足設(shè)計要求，則繼續(xù)步驟6。
[0020]檢測時沿筒體軸向選取截面測量；所選取測量截面的間距為100?150mm。測量筒體的圓跳動和平均外徑，沿周向均布4?16條母線測筒體的直線度。
[0021]步驟6，重復(fù)校形。對校形后筒體的外圓平均直徑、圓跳動和直線度檢測不滿足設(shè)計要求的筒體重復(fù)校形。在重復(fù)校形時，調(diào)整加熱溫度T，將加熱溫度T在步驟4的基礎(chǔ)上增加10°C。重復(fù)步驟4?步驟5，直至該筒體的檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。
[0022]本發(fā)明是在卷焊成形或旋壓成形的基礎(chǔ)上采用成形芯模經(jīng)熱處理后來形成筒體的最終尺寸和形狀，即把卷焊或旋壓的筒體尺寸比要求的筒體尺寸小I?5mm，而最終的尺寸是由成形芯模和熱處理參數(shù)決定。其原理是:卷焊或旋壓的筒體套裝在成形芯模上，經(jīng)過加熱來把筒體尺寸脹大和脹圓來形成筒體的最終尺寸和形狀。這里，成形芯模制造所選的材料線脹系數(shù)要比筒體材料的線脹系數(shù)大，一般采用不銹鋼或耐熱不銹鋼，它的尺寸按照需成形筒體的尺寸來計算確定；熱處理的加熱溫度和工藝參數(shù)由最終尺寸的和需脹大量來確定，一般控制在650°C?950°C以內(nèi)。
[0023]在本發(fā)明中，需成形的筒體材料為各種碳鋼和各種合金鋼，常溫下，一般的線膨脹系數(shù)在10X10_6?12X10 _6/°C，而成形模具的材料采用不銹鋼和耐熱不銹鋼，它的線膨脹系數(shù)在15 X 10_6?17 X 10 -6/°C，在加熱過程中，兩者的線膨脹系數(shù)隨著溫度的增加而增大，但兩者之間線膨脹系數(shù)的差值變化不大，基本上在5X 10_6?7X 10 _6/°C以內(nèi)，具體可通過試驗(yàn)來確定。以直徑100mm計算，其筒體脹大量Λ d = a Td = ( 5 X 1(Γ6?7 X 10 ) X
(650?950 ) X 1000 = 3.25?6.65mm。當(dāng)成形過程中，溫度誤差I(lǐng)°C。度時，尺寸誤差為0.005?0.007mm, 一般熱處理溫度誤差為土 10，則尺寸誤差為0.05?0.07mm，這比傳統(tǒng)成形方法精度提高了 20?100倍。上述計算的值未考慮筒體冷卻后的回彈量，即得到筒體的實(shí)際尺寸要小于計算值，具體回彈量按照筒體的尺寸試驗(yàn)確定，并通過工藝參數(shù)進(jìn)行修正。
[0024]本發(fā)明能夠成形各種各種低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、低合金鋼和高合金鋼材質(zhì)的高精度筒體產(chǎn)品，適用于航空、航天和壓力容器鑄造領(lǐng)域。本發(fā)明主要是利用了脹形芯模的材料膨脹系數(shù)比筒體材料的膨脹系數(shù)大，在加熱后的冷卻過程中由于脹形芯模厚度和體積遠(yuǎn)大于筒體，因此筒體的降溫速率大于脹形芯模，在冷卻過程中，筒體產(chǎn)生冷縮產(chǎn)生變形，而筒體的變形由于受到脹形芯模的限制，達(dá)到控制變形和校正作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明中筒體熱脹形的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:
[0026]1.筒體；2.成形芯模。

【具體實(shí)施方式】
[0027]本實(shí)施例是一種提高大型筒形工件精度成形方法，所成形工件的材質(zhì)為各種碳鋼和各種合金鋼，筒體的外徑為Φ 1000?Φ 3000mm，壁厚為3?15mm。脹形芯模的材質(zhì)采用不銹鋼和耐熱不銹鋼，要求其線膨脹系數(shù)必須大于筒體材質(zhì)線膨脹系數(shù)。該方法所用的設(shè)備采用大型的立式熱處理爐或退火爐，要求其內(nèi)徑比筒體的外徑大100mm以上。
[0028]本實(shí)施例的具體過程是:
[0029]步驟1，確定筒體校形時的加熱溫度T。所述筒體脹大量根據(jù)公式(I)確定:
[0030]Ad= a Td(I)
[0031]公式⑴中，α為材料的線膨脹系數(shù)，d是筒體的內(nèi)徑。
[0032]本實(shí)施例中，Λd = 5 X 1(Γ6?7 X 1(Γ6 X 650 ?950 X 1000 = 3.25 ?6.65mm。
[0033]本實(shí)施例的成形過程中，當(dāng)加熱溫度T每變化1°C時，筒體直徑的變化為0.005?
0.007mm。當(dāng)熱處理爐的溫度誤差為± 10°C，則筒體直徑的誤差為0.05?0.07mm。與傳統(tǒng)成形方法比較，本實(shí)施例的成形過程中的精度提高了 20?100倍。
[0034]所述得到的筒體脹大量Ad未考慮筒體冷卻后的回彈量。為了有效地控制筒體的校形精度，熱校形時的加熱溫度T應(yīng)按公式(2)確定，
[0035]T = (d「D) /(Da -(I1 a ^ +T0+ Δ T(2)
[0036]其中屯為校形后筒體的內(nèi)徑，a i為在校形加熱溫度時筒體的線膨脹系數(shù)；D為校形芯模的外徑，α為在校形加熱溫度時校形芯模的線膨脹系數(shù)；Ttl為環(huán)境溫度，為5?300C ;Λ T為溫度修正量，所述修正量為±50°C。
[0037]得到加熱溫度T = 500?950 °C
[0038]本實(shí)施例中，校形后筒體的內(nèi)徑(I1= 1000mm，校形芯模的外徑D = 995mm ;在校形加熱溫度時，筒體的線膨脹系數(shù)Q1= 14.6X10 _6/°C，校形芯模的線膨脹系數(shù)a =6.4X 1(T7°C ;環(huán)境溫度Ttl= 20°C。通過公式⑵得到T = 650°C。
[0039]步驟2，確定筒體的直徑脹大量。當(dāng)筒體在井式爐內(nèi)加熱至溫度T時，筒體脹大量通過公式(3)確定，
[0040]Ad= a j.d0.(T-T0)(3)
[0041]其中Cltl為校形前筒體的內(nèi)徑。
[0042]本實(shí)施例中，校形前筒體的內(nèi)徑Cltl= 998mm，筒體的線膨脹系數(shù)α 1 =14.6X10-6/°C，加熱溫度T = 650°C;環(huán)境溫度TQ=20°C。通過公式(3)得到Ad = 9.17mm。
[0043]步驟3，筒體與校形芯模配合。將待校形的筒體套裝在校形芯模的外表面上，使筒體與芯模同軸。筒體內(nèi)表面與校形芯模之間間隙配合，使筒體內(nèi)徑比表面與校形芯模外表面之間有4?20mm的間隙。
[0044]所述校形芯模為筒體狀，該校形芯模的外徑與待校形筒體的內(nèi)徑相同。在所述校形芯模的下端有法蘭，該法蘭的上端面形成了工件筒體的安放面。在所述校形芯模上端有吊裝用的吊環(huán)。所述校形芯模的壁厚為30?60mm，校形芯模采用不銹鋼或耐熱不銹鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為15X10_6?17X10_6/°C。筒體采用各種碳鋼或各種合金鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為10X10_6?12X10 _6/°C。芯模的線膨脹系數(shù)比筒體的線膨脹系數(shù)大5Χ1(Γ6 ?7Χ1(Γ6/。。。
[0045]步驟4，裝爐校形。將井式爐預(yù)熱至200°C。將裝配好的校形芯模與筒體整體吊裝入井式爐內(nèi)，繼續(xù)對所述井式爐加熱至加熱溫度T后，保溫60?240min,利用校形芯模對筒體進(jìn)行校形。所述加熱溫度T為500?950°C。保溫結(jié)束后，出爐冷卻。將校形芯模和筒體整體吊出井式爐后水平放置，空冷至室溫后，將校形后的筒體從校形芯模上卸出，得到校形后的筒體。本實(shí)施例中，加熱溫度T為650°C，保溫時間為120min。
[0046]步驟5，筒體檢測。對校形后的筒體采用常規(guī)方法進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容包括筒體的外圓平均直徑、壁厚、圓跳動和直線度。檢測時沿筒體軸向選取截面測量；所選取測量截面的間距為100?150mm。
[0047]測量筒體的圓跳動和平均外徑，沿周向均布4?16條母線測筒體的直線度。若筒體檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求，則校形結(jié)束；若筒體檢測結(jié)果不滿足設(shè)計要求，則繼續(xù)步驟6。
[0048]步驟6，重復(fù)校形。對校形后筒體的外圓平均直徑、圓跳動和直線度檢測不滿足設(shè)計要求的筒體重復(fù)校形。在重復(fù)校形時，調(diào)整加熱溫度T，將加熱溫度T在步驟4的基礎(chǔ)上增加10°C，本實(shí)施例中，所述加熱溫度T為660°C。重復(fù)步驟4?步驟5，直至該筒體的檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。
【權(quán)利要求】
1.一種直徑大于I米筒體的校形方法，其特征在于，具體過程是: 步驟1，確定筒體校形時的加熱溫度T ;所述筒體脹大量根據(jù)公式(I)確定: Ad= a Td (I) 公式(I)中，α為材料的線膨脹系數(shù)，d是筒體的內(nèi)徑； 考慮筒體冷卻后的回彈量，熱校形時的加熱溫度T應(yīng)按公式(2)確定，
T = (Cl1-D) /(Da -Cl1 a J +T0+ Δ T (2) 其中屯為校形后筒體的內(nèi)徑，a i為在校形加熱溫度時筒體的線膨脹系數(shù)；D為校形芯模的外徑，a為在校形加熱溫度時校形芯模的線膨脹系數(shù)；Ttl為環(huán)境溫度，為5?30°C;AT為溫度修正量，所述修正量為±50°C ； 所述芯模的線膨脹系數(shù)比筒體的線膨脹系數(shù)大(5?7) X10_6/°C ; 得到加熱溫度T = 500?950 °C 步驟2，確定筒體的直徑脹大量；當(dāng)筒體在井式爐內(nèi)加熱至溫度T時，筒體脹大量通過公式⑶確定， Ad=a !Xd0X (T - T0) (3) 其中Cltl為校形前筒體的內(nèi)徑； 步驟3，筒體與校形芯模配合；將待校形的筒體套裝在校形芯模的外表面上，使筒體與芯模同軸；筒體內(nèi)表面與校形芯模之間間隙配合，使筒體內(nèi)徑比表面與校形芯模外表面之間有4?20mm的間隙； 步驟4，裝爐校形；將井式爐預(yù)熱至200°C ;將裝配好的校形芯模與筒體整體吊裝入井式爐內(nèi)，繼續(xù)對所述井式爐加熱至加熱溫度T后，保溫60?240min,利用校形芯模對筒體進(jìn)行校形；所述加熱溫度T為500?950°C;保溫結(jié)束后，出爐冷卻；將校形芯模和筒體整體吊出井式爐后水平放置，空冷至室溫后，將校形后的筒體從校形芯模上卸出，得到校形后的筒體； 步驟5，筒體檢測；對校形后的筒體采用常規(guī)方法進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容包括筒體的外圓平均直徑、壁厚、圓跳動和直線度；若筒體檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求，則校形結(jié)束；若筒體檢測結(jié)果不滿足設(shè)計要求，則繼續(xù)步驟6 ; 步驟6，重復(fù)校形；對校形后筒體的外圓平均直徑、圓跳動和直線度檢測不滿足設(shè)計要求的筒體重復(fù)校形；在重復(fù)校形時，調(diào)整加熱溫度T，將加熱溫度T在步驟4的基礎(chǔ)上增加10C ;重復(fù)步驟4?步驟5，直至該筒體的檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。
2.如權(quán)利要求1所述一種直徑大于I米筒體的校形方法，其特征在于，所述校形芯模的壁厚為30?60mm ;校形芯模采用不銹鋼或耐熱不銹鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為15X 10_6?17Χ1(Γ6/。。。
3.如權(quán)利要求1所述一種直徑大于I米筒體的校形方法，其特征在于，筒體采用碳鋼或合金鋼制成，常溫線膨脹系數(shù)為10Χ10—6?12X10_7°C。
4.如權(quán)利要求1所述一種直徑大于I米筒體的校形方法，其特征在于，檢測時沿筒體軸向選取截面測量；所選取測量截面的間距為100?150mm ;測量筒體的圓跳動和平均外徑，沿周向均布4?16條母線測筒體的直線度。
【文檔編號】B21D3/00GK104475495SQ201410802203
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】王浩剛, 任長潔, 張曉春, 周雪梅, 王曉燕, 馬延楓, 田忠鋒, 張英, 吳軍, 華小渝, 郭紅霞, 傅毅愷, 田珍珠 申請人:西安航天動力機(jī)械廠