礦機筒體制造過程中的尺寸控制及校正

肖 川

隨著現(xiàn)代工業(yè)對生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的要求越來越高，所需的裝備規(guī)格越來越大，制造中的難度也大幅度增加。如我公司制造的礦機筒體，筒體壁厚65 mm，內(nèi)徑?10.37 m，高5.5 m，整個筒體分為三瓣，每瓣重約30 t，兩端有縱法蘭，上下有圓法蘭（見圖1）。

為保證組合后上下圓法蘭的同軸度，焊后毛坯件圓法蘭內(nèi)圓半徑跳動要求小于3 mm，內(nèi)壁垂直度波動小于3 mm；為保證法蘭強度，要求圓法蘭加工后厚度減薄量小于7 mm。但是，對于如此大尺寸的分瓣筒體，在制造中的各個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生不同程度的變形，要保證工件尺寸精度，就必須對生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)嚴格控制。

1 生產(chǎn)流程

筒體制造流程為筒體裝配-焊接支撐-筒體環(huán)焊縫焊接-筒體與圓法蘭組焊-筒體與縱法蘭組焊-UT及MT探傷-消應力熱處理-UT及MT探傷-去除支撐-尺寸檢測-尺寸矯正-鉆把合孔-安裝產(chǎn)品支撐-噴砂-單瓣機加工-合攏筒體-安裝產(chǎn)品支撐-整體加工-分瓣包裝及發(fā)運。

圖1 單瓣筒體示意圖

焊接時將三瓣筒體組成整圓后再在托輥上焊接，待環(huán)焊縫焊完后不需要在托輥上轉(zhuǎn)動時，氣割出裝配縱法蘭的位置。環(huán)焊縫采用CO2氣保焊打底，埋弧自動焊填充和蓋面。縱法蘭焊縫采用CO2氣保焊焊接。焊后將筒體三瓣分開，消應力熱處理后對尺寸進行檢測并校正。在制造過程中對筒體尺寸產(chǎn)生影響的主要因素有焊接變形和翻轉(zhuǎn)吊運過程產(chǎn)生的變形等。

2 預防變形的措施

（1）筒體內(nèi)部裝焊支撐和拉筋，支撐物主要采用槽鋼和鋼板；通過支撐提高筒體的剛性，減小由于焊接和自重產(chǎn)生的變形（見圖2）。但是在工件剛性提高的同時，筒體焊接變形將受到強制限制，使得工件焊后產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，需要焊后熱處理予以消除。因此，在進行支撐與筒體焊接時應采用分段焊的方法，由兩名焊工同時對稱施焊。

圖2 焊接支撐和拉筋示意圖

（2）圓法蘭焊接前應預留足夠的反變形量。因圓法蘭焊后的垂直度要求嚴格，焊前采取合適的反變形是保證焊后形位公差的關(guān)鍵。經(jīng)現(xiàn)場實際操作，當反變形量為25～30 mm時，焊后垂直度公差可滿足要求。為控制焊接時熱輸入，必須保證層間溫度小于250℃，焊完一圈時如果溫度過高，須等溫度降低后再焊下一層焊道。

（3）控制焊接質(zhì)量，減少焊縫返修次數(shù)。因為每一次焊接都會引起工件變形，焊縫返修次數(shù)過多，必然增大焊接變形，使焊后尺寸發(fā)生不均勻變化。由于工件尺寸大，在焊接環(huán)焊縫時工件圓度將發(fā)生變化，因此埋弧焊前應在尺寸有差別的地方做好標記，以便焊至標記位置時進行適當調(diào)整。由于筒體尺寸較大，為了方便工人操作，提高焊接質(zhì)量，應采用專用的焊接平臺，使環(huán)焊縫外側(cè)的埋弧焊操作能在平臺上完成。

（4）焊后去應力熱處理是為消除焊接件的殘余內(nèi)應力，提高工件的尺寸穩(wěn)定性，對防止變形十分必要。由于筒體材質(zhì)為普通低碳鋼，焊后熱處理溫度為600℃左右，保溫2～3 h（見圖3）。將筒體和拉筋一起進爐熱處理，考慮到筒體尺寸太大，為了進爐方便，將一瓣筒體反扣，每兩瓣之間用拉筋焊接牢固，裝爐時保證筒體與墊鐵之間沒有懸空，以減小熱處理變形（見圖4）。對于分四瓣制造的筒體，可將每兩瓣相對連接，并用拉筋焊接牢固。

（5）熱處理后將三瓣筒體分開，對每瓣筒體進行尺寸檢查和矯正，尺寸檢測在圓周方向至少每1m測量1點，對不合格的尺寸進行矯正。尺寸合格后，鉆孔并用螺栓把合，把合時必須保證筒體處于自由狀態(tài)，并用墊片將縫隙塞實，螺栓擰緊，在支撐安裝前后分別測量上下圓法蘭端頭弦長，以確保安裝支撐后筒體尺寸不發(fā)生變化。這些把合的支撐將在后序機加工、翻轉(zhuǎn)和運輸中對筒體起剛性固定的作用，所以必須將螺栓擰緊（見圖5）。

圖3 焊后熱處理曲線

圖4 筒體進爐示意圖

圖5 單瓣支撐示意圖

（6）粗加工后，將每兩瓣同體之間的縱法蘭用螺栓把合在一起，擰緊螺栓，在立車上整體加工上下圓法蘭。由于已經(jīng)完成粗加工，各個加工面的加工量只剩幾毫米，且當上法蘭加工完，需要將筒體整體翻轉(zhuǎn)后再加工下法蘭，必須保證筒體在翻轉(zhuǎn)及吊放到立車上的過程中不產(chǎn)生變形。按照前面把合單瓣支撐的方法，借用筒身上安裝耐磨襯板的把合孔，在每兩瓣之間加上支撐（見圖6）。為了保證把合支撐前后筒體尺寸不發(fā)生變化，先將與筒體內(nèi)壁接觸的弧板把合到筒體上，再將鋼管支撐焊接到弧板上，注意焊接時應采用對稱焊的方法，以防焊接應力引起筒體變形。為了進一步固定三瓣筒體之間的位置關(guān)系，應在相接觸的兩瓣縱法蘭的基準塊上焊接連接塊若干，保證筒體縱法蘭不會發(fā)生錯邊。

圖6 筒體把合支撐

（7）隨著制造工序進行，筒體發(fā)生變形的風險也越來越大。因此必須對工件后序吊運過程嚴格控制。而送機加工前因為有加工量，所以吊運單瓣筒體不用特別注意。三瓣組合成整圓后的吊運方法有兩種，一種是單鉤鋼絲繩十字交叉起吊；另一種方法是同安裝把合支撐類似，借用筒體外側(cè)耐磨襯板把合孔的位置，用螺栓把合弧板，并在弧板上焊接吊耳，采用雙鉤用鋼絲繩通過吊耳將筒體吊起。前種方法工序簡單，但是實際吊運中發(fā)現(xiàn)上法蘭與鋼絲繩接觸的地方會產(chǎn)生變形，法蘭受力點的直徑將變小。而后一種方法減小向心分力，可保證圓法蘭不產(chǎn)生變形。筒體三瓣拆開后，由于各自帶著把合支撐，在轉(zhuǎn)運過程中不會發(fā)生大的變形。

3 矯正方法

盡管采取一系列預防變形的措施，但由于筒體壁薄且焊接量大，變形終究無法徹底消除，必須對焊后毛坯進行矯正才能滿足機加工前的尺寸要求。為此，在實際生產(chǎn)中總結(jié)出了一套實用性強的矯正方法。

該方法以火焰矯正為主，即以火焰為熱源對焊件局部加熱，使局部筒體受熱伸展，然后停止加熱待冷卻后收縮變形，從而達到矯正變形的目的。火焰烘烤程度根據(jù)矯正的尺寸大小來判斷，選經(jīng)驗豐富的鉚工進行矯正工作。

首先將工件立放在平臺上，平臺水平度在1.5 mm以內(nèi)。將工件立放在均布的三個墊墩上（見圖1）。

測量上下圓法蘭端頭的弦長，如果弦長偏大，則對圓法蘭內(nèi)壁進行火焰烘烤；如果弦長偏小，則對圓法蘭外壁進行火焰烘烤。

測量上下圓法蘭的內(nèi)壁垂直度，測量方法可采用線墜法，有兩種方法可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇。第一種方法是從上法蘭內(nèi)壁吊線墜，測量內(nèi)壁各點到線墜的距離，和平臺上放樣畫的圓配合判斷垂直度；第二種方法是在中心位置放一支架，通過線墜確定中心線，從中心線分別測量到各點處半徑的方法來判斷垂直度。由于筒體是圓弧形，采用在墊墩和工件之間塞墊片的方法可以大幅度調(diào)整垂直度。相對而言，垂直方向變形在兩邊的情況較容易通過火焰矯正的方法調(diào)節(jié)，因此先用“墊”的方法將工件中間位置的垂直度調(diào)到符合尺寸要求。然后通過對工件四個角沿斜線調(diào)節(jié)局部垂直度，如圖1中1號線所示。

測量上下圓法蘭的減薄量。法蘭減薄量在焊前裝配時就應控制好，圓法蘭之間的距離應略小于名義尺寸，但焊接變形可能導致法蘭端面發(fā)生傾斜，造成局部減薄量加大。如發(fā)生這種情況，可在距法蘭稍遠的焊道處進行烘烤，如圖1中2號線所示，可有效矯正圓法蘭端面的傾斜變形。

以上所述只是基本的矯正順序和方法，待筒體初調(diào)后，需要綜合考慮各個方向的尺寸以確定相應的矯正方法。比如調(diào)節(jié)圖1中的1號線，在改變垂直度的同時，也將使弦長發(fā)生改變。

安裝支撐后，在后序吊運和翻轉(zhuǎn)時也可能會再次發(fā)生變形，對此可通過在筒體內(nèi)壁和支撐之間增減墊片的方法來調(diào)節(jié)。支撐墊片調(diào)節(jié)和火焰矯正的區(qū)別在于前者是以彈性變形為主，后者以塑性變形為主。支撐的墊片調(diào)節(jié)只適合于局部微調(diào)。

4 結(jié)語

通過對制造中會產(chǎn)生變形的各個環(huán)節(jié)進行預防，以及焊后矯正，可對此類分瓣筒體制造時的尺寸及形位公差進行有效控制。可以保證大尺寸筒體制造的精度要求。

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊第三卷-焊接結(jié)構(gòu) [M].北京.機械工業(yè)出版社.2001年.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊 [M].北京.機械工業(yè)出版社.2002年.

[3]賈安東.焊接結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)第2版 [M].北京.機械工業(yè)出版社.2007年.