基于Q345R的大型壓力容器旋壓工藝研究

盛培真，方 婧，李連春

（蘭石集團能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730314）

金屬旋壓成型工藝是通過對金屬材料拉伸，表面擠壓等多種工藝有機結合的一種無切削的加工工藝，這種加工工藝在壓力容器封頭的加工成型中有著廣泛的應用，具體操作是通過旋壓機的上下加緊缸，將金屬待加工坯料進行加緊調整，并進行旋轉，之后選用相適應的成型工藝參數，旋壓模具進行金屬旋壓作業，可以通過多次給進作業，使得大型厚壁封頭的成型過程較為平穩，成型參數參數符合相關標準，無明顯成型缺陷。

1 金屬旋壓成形的特點及工藝

1.1 旋壓成形的特點

在金屬旋壓成型的過程中，壓力輪逐漸向金屬坯料的起旋點靠近，由于壓力輪的接觸面積較小，在高速旋轉的情況下，單位面積內的壓力可以達到3~5Mpa，這樣可以使得材料內部的金屬顆粒在旋轉可擠壓的作用下，沿著運動軌跡在內部產生金屬流動，通過這樣的流動可以使得金屬保持七原有的連續性和完整性，同時可以利用金屬材料硬化等特點，提高成品的屈服強度、抗拉強度、金屬硬度[1]。

旋壓的過程同時還可以使得金屬材料的表面光潔度有所提高，由于在工作的時候壓力輪和成型輪共同的作用，金屬內外表面都能達到較高的光潔度。

對于大型封頭在旋壓過程中，由于采用多道次的旋壓，因此在材料中出現的缺陷（裂紋、夾層、夾渣）等問題可以通過目測進行觀察，這對后續的成型檢驗起到了一定的簡化作用，只需通過超聲波對金屬材料的成型厚度和內部存在的裂紋進行檢測即可，降低了后期的檢測費用。

1.2 旋壓工藝的分類

旋壓工藝根據旋壓變形的特點被分為強力旋壓（變薄旋壓）和普通旋壓，簡稱強旋和普旋。強力旋壓屬于材料的厚度變化，普通旋壓則屬于材料形狀改變[2]。

旋壓工藝主要可以分為兩種，一種是強力旋壓，這種旋壓方式使得金屬材料的厚度出現減薄，而普通旋壓，改變的只是材料的形狀，并不會改變坯料的厚度，普通材料僅僅通過改變材料的尺寸來使得工件成型，屬于無切削成型工藝過程。

而強力旋壓的過程不僅改變了金屬的形狀，同時還改變了金屬的厚度、金屬的體積和毛坯的形狀，這是強力旋壓區別于普通旋壓的地方，這種成型工藝決定了在操作的時候要對于減薄進行控制，來提高旋壓成型的精度。

旋壓工藝的選擇，還要根據所選材料進行熱處理，將金屬坯料加熱到一定的溫度，再進行旋壓操作，這種方法通常同于在常溫旋壓下金屬塑性較差的材料，以及金屬材料形變較為明顯的情況。

1.3 旋壓理論基礎

在旋壓之前，要對板料進行壓鼓預彎，使板料曲面接近封頭R大小。先制作樣板，封頭EHA4600樣板R=0.866Di（Di為封頭內徑）=3983.6（mm），封頭EHA3020樣板R=0.866Di=2615.32（mm）。壓鼓模具選擇R=0.6Di，取靠近計算值的模具即可。壓鼓時控制好合適的壓力，只要造成板料彎曲即可，以免壓力過大造成減薄甚至報廢。壓鼓后要用樣板檢驗，合格后方可完工。壓鼓機主缸活塞桿采用冷硬球鐵、缸筒采用35#鍛件和16Mn熱卷板，行程保證直徑8500mm橢圓封頭及直徑10000碟形封頭制作。壓 鼓 模11套R900、R1100、R1300、R1450、R1600、R1800、R2100、R2500、R2800、R3200、R3500，材料采用優質球墨鑄鐵。壓鼓機如圖1所示。

圖1 壓鼓機

2 有限元模型的建立

成形三維模型的建立，包含模具和坯料兩部分，首先根據旋壓機相關設備資料建立各個零件模型，再根據工藝設計和要求建立合理的裝配關系，組合成能夠用于Simufact模擬用的三維裝配體。

2.1 坯料三維設計

經二維放樣可知，坯料經壓鼓完之后在R=3983.6時，展開圓心角為82.86°，厚23mm，由此可得坯料三維圖如圖2所示。

圖2 EHA4600×23mm封頭坯料三維圖

2.2 成形輪三維設計

封 頭EHA4600×23，r=0.16×4600=736，故 成 形 輪 選 擇r=750的一只。查詢相關資料得r=750的成形輪有下述尺寸：高H=930mm，最大處周長C=2513.3mm，又知r=750mm，由此可得成形輪三維如圖3所示。

圖3 成形輪三維圖

2.3 壓力輪三維設計

查詢相關資料得r=200的壓力輪有下述尺寸：高H=400mm，最大處周長C=2200mm，又知r=200mm，由此可得壓力輪三維如圖4所示。

圖4 壓力輪三維圖

2.4 上下壓緊缸、托盤及支撐輪的三維設計

上下壓緊缸簡化為柱狀模型，并且下夾緊缸與下托盤合為一體，在建模模擬EHA4600×23規格的封頭時，建立了Φ1500及Φ2300，曲面直徑均等于封頭外徑的兩種類型的下托盤，上夾緊缸在建模時附加了內徑1500mm的上托盤，并合為一體。

支撐輪根據現場測量，簡化為圓臺的幾何體，大口端頭Φ=240mm，小口端頭Φ=180mm，長（即高）H=280mm。具體幾何模型如圖5所示。

圖5 裝配體三維模圖

3 仿真模擬結果

3.1 壓力輪進給速度的確定

壓力輪的進給速度大小是影響封頭旋壓成形最重要的因素，為驗證壓力輪最合理的進給速度，對EHA4600×23mm封頭進行了不同進給壓力輪速度仿真數據對比。

3.2 EHA4600×23mm封頭

材質：Q345R，壓力輪進給速度分別設置為0.8 mm/s、1.2 mm/s、1.5 mm/s。

不同進給速度對幾何形狀結果對比：

當壓力輪進給速度v=0.8mm/s時，R與r處過渡圓滑，封頭旋壓成形幾何形狀相對較好，但由于壓力輪進給速度較小，單位時間內上移距離較小，導致壓力輪與坯料接觸持續時間較長，R處有變形（被輕微拉直）。如圖6所示。

圖6 壓力輪進給速度v=0.8mm/s幾何形狀

當壓力輪進給速度v=1.2mm/s時，封頭旋壓成形較好，R與r處過渡相對圓滑。如圖7所示。

圖7 壓力輪進給速度v=1.2mm/s幾何形狀

當壓力輪進給速度v=1.5mm/s時，由于壓力輪進給速度快，壓力輪與坯料接觸時間相對較短，旋壓封頭成形外觀質量亦相對較好，但整體成形圓度不夠。如圖8所示。

圖8 壓力輪進給速度v=1.5 mm/s幾何形狀

4 結論

通過對三種進給速度對比發現，當壓力輪進給速度相對較小時（v=0.8mm/s），由于與坯料接觸時間較多，坯料持續受力時間較長，會造成R段出現拉直顯現，當壓力輪進給速度相對較大時（v=1.5mm/s），坯料持續受力時間較短，R段被拉直顯現明顯緩解，但會造成坯料被壓力輪碾壓相對不均勻，成形幾何形狀不是最理想狀態。因此，從旋壓幾何形狀成形角度分析，壓力輪最理想的進給速度是在0.8 mm/s～1.2 mm/s之間。