偶看新闻岩石应变强化:大型法兰加工制造工艺的研究--中国管道工程网
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/28 01:36:47
大型法兰加工制造工艺的研究 7/3/2007 摘要：本文提出了一种大型法兰成形的新工艺，即采用分段精密弯曲、组焊、现场精加工的方法。新工艺免去了大型立车的粗加工，取而代之的是精密弯曲成形工艺，最后在施工现场进行组焊并采用多功能机床进行精加工，此工艺已成功地应用于空间环境模拟器KM6中直径F12m法兰及某风洞中大型法兰的加工制造，并且加工制造精度完全满足设计要求。由于此法不需立车，为特大直径法兰的制造开辟了新途径。
关键词：法兰；精密弯曲；多功能机床；现场精加工
1 引言
大型法兰作为密封和紧固连接件在航天航空及石油、化工等领域的大型容器中有着广泛的应用。尽管不考虑加工能力的问题，对于大型法兰，由于其尺寸过于庞大，仅由于运输上的原因，就使得大型法兰的整体加工是不可能的，必须分瓣加工。通常情况下，总是将大法兰分成若干弧段进行加工。首先，将毛坯锻成方坯，然后冷弯成弧段，退火去应力热处理后，拼成整圆在立车上加工到设计的形状和尺寸，最后运至施工现场，再将若干弧段组焊成完整的法兰并与压力容器组焊。
对于一些大型压力容器上使用的与封头相连的法兰，为了保证法兰密封面的平面度和加工精度，在采取了上述的法兰加工工艺完成法兰本体加工，将法兰与封头焊接在一起之后，还应在大型立式车床上再进行法兰密封面的精加工。
图1为我国KM4空间模拟器的大法兰的结构示意图[1]。整个法兰是由五段拼焊成圆形，为了加工封头上的法兰平面，将大封头装夹在直径为8m的立式车床上。由于真空密封的需要，粗糙度要求达到。由于大型立式车床的精度限制，不可能达到这一要求，因此，又采用了特别抛光轮，抛光了密封槽和密封面。
图1 KM4空间模拟器大法兰的结构形式图
1—下法兰 2—橡胶垫圈 3—冷却水管 4—上法兰5—真空抽气口
Fig. 1 The flange structure of KM4 vacuum vessel
1-lower flange 2-sealing Teflon ring 3-cooling tube 4-upper flange 5-air exhauster tube
2 大型法兰的精密弯曲成形与加工工艺
图2为载人航天空间环境模拟器KM6的照片，在该容器直径12米的法兰盘制造中，采用以下工艺路线：锻坯→压弯→拼接成整圆半精车加工→运至工地→组焊成完整的法兰→与容器焊接→现场精加工[2]。
图2 载人航天空间环境模拟器KM6
Fig.2Main vessel of aerospace simulator KM6
图3为F12米法兰截面图，该法兰的粗加工采用的是传统的加工工艺，由于锻坯需经过弯曲、粗车，然后再精加工，弯曲时截面尺寸略有畸变，但不影响粗车加工，由于粗车加工后内外径及长颈法兰尺寸均已到位，精车时仅在施工工地加工密封槽和密封面，故只在该方向上留了20mm的精加工余量，以补偿由于焊接面外变形。沿法兰径向取单边15mm，沿高度方向单边取10mm作为锻造余量。为了减少现场的焊接工作量和由于两端的直边造成的材料损失，对于F12米的法兰，分8段锻成坯料后，再进行冷弯。
图3 F12米法兰截面图
Fig. 3 The sectional drawing of theF12m flange
图4和图5分别为F12米法兰毛坯在冷弯曲加工中和在16m立车上进行粗加工
图 4 F12米法兰毛坯在冷弯曲加工中 图 5 F12米法兰在立车上粗加工
Fig.4 The flange of F12m under bending Fig.5. Preliminary machining of F12m flange on vertical lathe
在某大型风洞制造项目中，有直径F8.5米的大型法兰，同样遇到大件无法运输的难题，此时法兰精加工仍沿用KM6的作法，在现场精加工，但粗加工工艺已有重大变化。新工艺的技术路线是：分段锻成方坯→加工基准面→机加工各个侧面及型面→精密弯曲→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆法兰→与容器焊接→现场精加工[3,4]。
首先据法兰尺寸大小，每个法兰由四段、六段或若干段组成，在钢厂直接锻成方坯，法兰锻件在粗加工前需经超声波探伤检测，尔后锻坯可以在龙门刨上完成工件的粗加工，包括各个型面及密封槽，并预留一定的精加工余量，然后通过精密弯曲来成形法兰段，精密弯曲成形过程中，为防止弯曲过程中可能产生的扭曲现象，采用了两个法兰段成对进行弯曲的工艺方案。法兰段运至现场后需通过合理的焊接工艺措施，选择适当的焊接顺序和方向来控制焊接变形。组焊后的整个法兰经焊缝热处理后，与筒体进行焊接装配，最后通过现场的精加工来保证加工精度，这样可以免去大型立车所需的昂贵的加工费用，同时，加工周期也大为降低。图6为法兰加工工艺流程图。
(a) (b)
(d)
(e) (f)
图6 法兰加工工艺流程图
(a) 锻坯 (b)龙门刨粗加工 精密弯曲
(d) 两端头、加工焊接坡口 (e)装配、组焊 (f)与筒体焊接
Fig.6 Main process of manufacturing large flange
(a) Forging square billet, (b)machining on closed planer, Precision bending,
(d)cutting end and machining weld groove, (e)assembly and weld,
(f)flange assembling with the cylinder
3 大型法兰的现场精加工
控制法兰的平面度与密封槽底部的平面度是大型法兰加工工艺的主要目标。根据以往经验，由于道路、车辆以及运输过程振动引起的变形等问题。整体加工后运至现场安装往往很难实现。例如：用大立车进行整体加工，其机床的尺寸加工精度是可行的，但其装夹变形误差远大于机床误差。整体工件的运输过程中车辆的振动使工件发生很大的变形。如Φ5米整体法兰（与整体封头焊后）可达4mm～5mm之多。因此，必然需考虑合适的加工方案来进行大型法兰的现场精加工。现场的精加工用装备在需满足高精度的同时，必须减少现场加工量，如大直径法兰在现场仅精加工密封槽及密封面。
KM6法兰与某风洞法兰制造上已得到证实，在现场用小机床在大型零件上加工本身。实践证明是行之有效、既好又快又省的。在KM6法兰与某风洞法兰上已得到证实，F12米法兰平面度达0.5～0.9mm，风洞中F8.5米法兰达0.51－0.9mm。
多功能机床的本体通过横梁和滚轮直接安装并夹紧在工件上，铣削平面时，机床本体处于夹紧状态，铣刀沿工件径向完成一次铣削后，松开夹紧轮，将机床沿工件圆周方向移动70mm，再次夹紧机床本体于工件上，重复前述加工工艺。切削深度靠测量装置测量结果加以调整，以保证整个法兰盘的平面度要求。
由于法兰密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，机床不仅要能进行铣削精加工，还应该能够完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。精加工时，机床本体可通过滚轮带动，沿工件圆周方向绕工件圆心做连续回转运动，从而可以完成连续磨削和抛光加工，以达到要求的平面度和粗糙度。机床的结构简图如图7所示，将图7中的测量装置换成铣削装置或者其他精整装置，便可以进行相应的精加工或精整加工。
图 7 大法兰精加工多功能机床原理图
1—球面支撑 2—可调支撑架 3—横梁 4—电子水平仪
5—水平导轨副 6—精密滚动支撑 7—千分表 8—配重
Fig. 7. Principal diagram of multifunction machine tool
1- ball supporting 2-adjustable supporting frame 3-crossbeam 4-electronic instrument for measuring level
5-horizontal slide 6-precision slide supporting 7-dial gauge 8-balance weight
加工密封槽时，先使立铣刀沿大法兰径向进行一定深度的铣削，然后，使机床再沿工件圆周方向运动，对大法兰进行环向连续铣削，机床沿大法兰运动一周，即完成一次加宽密封槽的铣削加工，分别对大法兰密封槽的内外圆柱面进行切削，直至达到设计要求。
图8为法兰的现场精加工照片。
图8 现场精加工
Fig.8 Finishing machining on construction site
4 结论
1) 采用精密弯曲来完成的大型法兰的粗加工，在实际工程中有较大的应用价值。该工艺可以免去大型立车的加工，从而缩短加工周期，极大地降低制造成本。且法兰直径不受立车加工能力的限制，因而可以加工特大直径法兰。
2) 法兰精密弯曲时，由于截面不对称，为防止弯曲过程中产生扭曲，两个法兰段成对弯曲是必要的工艺措施。
3) 法兰组焊过程中需通过合理的焊接工艺措施来控制焊接变形。
4) 采用多功能机床在现场精加工大型法兰可以获得较高的加工精度，机床不仅能进行铣削精加工，还应该能够完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。
References
[1] 黄本诚空间模拟器设计北京：宇航出版社，
[2] 职玉山，王仲仁，王志行特大型真空容器密封法兰加工工艺研究. 压力容器(543-47
[3] Z. R. Wang, S. J. Yuan, New Forming Technologies Used in Manufacturing Large Vessels, in: Proc. of the 1st International Conference on New Forming Technology, Harbin Institute Of Technology Press, 2004, 29-39.
[4] S. J. Yuan, B. G. Teng, X. Y. Dong, R. W. Wang, Progress in large vessel forming: introduction of some innovations of Prof. Z .R. Wang, J. Mater. Process. Technol.151 (2004) 12-17.
on manufacturing process for large flange Teng Bu-gang Yuan Shi-jian Wang Zhong-ren
(Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001)
Abstract：A new technology used for manufacturing large flange is presented in this paper, i.e., precision bending combined with welding and finishing machining on construction site. The main character of this method is that the preliminary turning with vertical lathe is instead by precision bending in a hydraulic press. Using a special multifunction machine tool to realizing the final machining on construction site is the key measure of this new technology; this technology was successfully used for manufacturing the large flange of space environment simulator KM-6 and a large wind tunnel, and the machining accuracy meet the requirement of design. A new way of manufacturing large flange is developed by using the method mentioned above because the capacity limitation of vertical lathe size need not be considered.
Keywords: flange;precision bending; multifunctional machine tool; finishing machining atsite
作者简介：滕步刚，男，1969年生，讲师，工学博士，主要研究方向板材液力成形、柔性多点成形、精密弯曲。
联系电话：0451-86417917（办）
通讯地址：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院435信箱 邮编：150001。
E-mail:bgteng@hit.edu.cn
关键词：法兰；精密弯曲；多功能机床；现场精加工
1 引言
大型法兰作为密封和紧固连接件在航天航空及石油、化工等领域的大型容器中有着广泛的应用。尽管不考虑加工能力的问题，对于大型法兰，由于其尺寸过于庞大，仅由于运输上的原因，就使得大型法兰的整体加工是不可能的，必须分瓣加工。通常情况下，总是将大法兰分成若干弧段进行加工。首先，将毛坯锻成方坯，然后冷弯成弧段，退火去应力热处理后，拼成整圆在立车上加工到设计的形状和尺寸，最后运至施工现场，再将若干弧段组焊成完整的法兰并与压力容器组焊。
对于一些大型压力容器上使用的与封头相连的法兰，为了保证法兰密封面的平面度和加工精度，在采取了上述的法兰加工工艺完成法兰本体加工，将法兰与封头焊接在一起之后，还应在大型立式车床上再进行法兰密封面的精加工。
图1为我国KM4空间模拟器的大法兰的结构示意图[1]。整个法兰是由五段拼焊成圆形，为了加工封头上的法兰平面，将大封头装夹在直径为8m的立式车床上。由于真空密封的需要，粗糙度要求达到。由于大型立式车床的精度限制，不可能达到这一要求，因此，又采用了特别抛光轮，抛光了密封槽和密封面。
图1 KM4空间模拟器大法兰的结构形式图
1—下法兰 2—橡胶垫圈 3—冷却水管 4—上法兰5—真空抽气口
Fig. 1 The flange structure of KM4 vacuum vessel
1-lower flange 2-sealing Teflon ring 3-cooling tube 4-upper flange 5-air exhauster tube
2 大型法兰的精密弯曲成形与加工工艺
图2为载人航天空间环境模拟器KM6的照片，在该容器直径12米的法兰盘制造中，采用以下工艺路线：锻坯→压弯→拼接成整圆半精车加工→运至工地→组焊成完整的法兰→与容器焊接→现场精加工[2]。
图2 载人航天空间环境模拟器KM6
Fig.2Main vessel of aerospace simulator KM6
图3为F12米法兰截面图，该法兰的粗加工采用的是传统的加工工艺，由于锻坯需经过弯曲、粗车，然后再精加工，弯曲时截面尺寸略有畸变，但不影响粗车加工，由于粗车加工后内外径及长颈法兰尺寸均已到位，精车时仅在施工工地加工密封槽和密封面，故只在该方向上留了20mm的精加工余量，以补偿由于焊接面外变形。沿法兰径向取单边15mm，沿高度方向单边取10mm作为锻造余量。为了减少现场的焊接工作量和由于两端的直边造成的材料损失，对于F12米的法兰，分8段锻成坯料后，再进行冷弯。
图3 F12米法兰截面图
Fig. 3 The sectional drawing of theF12m flange
图4和图5分别为F12米法兰毛坯在冷弯曲加工中和在16m立车上进行粗加工
图 4 F12米法兰毛坯在冷弯曲加工中 图 5 F12米法兰在立车上粗加工
Fig.4 The flange of F12m under bending Fig.5. Preliminary machining of F12m flange on vertical lathe
在某大型风洞制造项目中，有直径F8.5米的大型法兰，同样遇到大件无法运输的难题，此时法兰精加工仍沿用KM6的作法，在现场精加工，但粗加工工艺已有重大变化。新工艺的技术路线是：分段锻成方坯→加工基准面→机加工各个侧面及型面→精密弯曲→画线去端头→加工焊接坡口→拼焊成圆法兰→与容器焊接→现场精加工[3,4]。
首先据法兰尺寸大小，每个法兰由四段、六段或若干段组成，在钢厂直接锻成方坯，法兰锻件在粗加工前需经超声波探伤检测，尔后锻坯可以在龙门刨上完成工件的粗加工，包括各个型面及密封槽，并预留一定的精加工余量，然后通过精密弯曲来成形法兰段，精密弯曲成形过程中，为防止弯曲过程中可能产生的扭曲现象，采用了两个法兰段成对进行弯曲的工艺方案。法兰段运至现场后需通过合理的焊接工艺措施，选择适当的焊接顺序和方向来控制焊接变形。组焊后的整个法兰经焊缝热处理后，与筒体进行焊接装配，最后通过现场的精加工来保证加工精度，这样可以免去大型立车所需的昂贵的加工费用，同时，加工周期也大为降低。图6为法兰加工工艺流程图。
(a) (b)
(d)
(e) (f)
图6 法兰加工工艺流程图
(a) 锻坯 (b)龙门刨粗加工 精密弯曲
(d) 两端头、加工焊接坡口 (e)装配、组焊 (f)与筒体焊接
Fig.6 Main process of manufacturing large flange
(a) Forging square billet, (b)machining on closed planer, Precision bending,
(d)cutting end and machining weld groove, (e)assembly and weld,
(f)flange assembling with the cylinder
3 大型法兰的现场精加工
控制法兰的平面度与密封槽底部的平面度是大型法兰加工工艺的主要目标。根据以往经验，由于道路、车辆以及运输过程振动引起的变形等问题。整体加工后运至现场安装往往很难实现。例如：用大立车进行整体加工，其机床的尺寸加工精度是可行的，但其装夹变形误差远大于机床误差。整体工件的运输过程中车辆的振动使工件发生很大的变形。如Φ5米整体法兰（与整体封头焊后）可达4mm～5mm之多。因此，必然需考虑合适的加工方案来进行大型法兰的现场精加工。现场的精加工用装备在需满足高精度的同时，必须减少现场加工量，如大直径法兰在现场仅精加工密封槽及密封面。
KM6法兰与某风洞法兰制造上已得到证实，在现场用小机床在大型零件上加工本身。实践证明是行之有效、既好又快又省的。在KM6法兰与某风洞法兰上已得到证实，F12米法兰平面度达0.5～0.9mm，风洞中F8.5米法兰达0.51－0.9mm。
多功能机床的本体通过横梁和滚轮直接安装并夹紧在工件上，铣削平面时，机床本体处于夹紧状态，铣刀沿工件径向完成一次铣削后，松开夹紧轮，将机床沿工件圆周方向移动70mm，再次夹紧机床本体于工件上，重复前述加工工艺。切削深度靠测量装置测量结果加以调整，以保证整个法兰盘的平面度要求。
由于法兰密封面的平面度和表面粗糙度要求很高，因此，机床不仅要能进行铣削精加工，还应该能够完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。精加工时，机床本体可通过滚轮带动，沿工件圆周方向绕工件圆心做连续回转运动，从而可以完成连续磨削和抛光加工，以达到要求的平面度和粗糙度。机床的结构简图如图7所示，将图7中的测量装置换成铣削装置或者其他精整装置，便可以进行相应的精加工或精整加工。
图 7 大法兰精加工多功能机床原理图
1—球面支撑 2—可调支撑架 3—横梁 4—电子水平仪
5—水平导轨副 6—精密滚动支撑 7—千分表 8—配重
Fig. 7. Principal diagram of multifunction machine tool
1- ball supporting 2-adjustable supporting frame 3-crossbeam 4-electronic instrument for measuring level
5-horizontal slide 6-precision slide supporting 7-dial gauge 8-balance weight
加工密封槽时，先使立铣刀沿大法兰径向进行一定深度的铣削，然后，使机床再沿工件圆周方向运动，对大法兰进行环向连续铣削，机床沿大法兰运动一周，即完成一次加宽密封槽的铣削加工，分别对大法兰密封槽的内外圆柱面进行切削，直至达到设计要求。
图8为法兰的现场精加工照片。
图8 现场精加工
Fig.8 Finishing machining on construction site
4 结论
1) 采用精密弯曲来完成的大型法兰的粗加工，在实际工程中有较大的应用价值。该工艺可以免去大型立车的加工，从而缩短加工周期，极大地降低制造成本。且法兰直径不受立车加工能力的限制，因而可以加工特大直径法兰。
2) 法兰精密弯曲时，由于截面不对称，为防止弯曲过程中产生扭曲，两个法兰段成对弯曲是必要的工艺措施。
3) 法兰组焊过程中需通过合理的焊接工艺措施来控制焊接变形。
4) 采用多功能机床在现场精加工大型法兰可以获得较高的加工精度，机床不仅能进行铣削精加工，还应该能够完成磨削、珩磨、抛光等精整加工。
References
[1] 黄本诚空间模拟器设计北京：宇航出版社，
[2] 职玉山，王仲仁，王志行特大型真空容器密封法兰加工工艺研究. 压力容器(543-47
[3] Z. R. Wang, S. J. Yuan, New Forming Technologies Used in Manufacturing Large Vessels, in: Proc. of the 1st International Conference on New Forming Technology, Harbin Institute Of Technology Press, 2004, 29-39.
[4] S. J. Yuan, B. G. Teng, X. Y. Dong, R. W. Wang, Progress in large vessel forming: introduction of some innovations of Prof. Z .R. Wang, J. Mater. Process. Technol.151 (2004) 12-17.
on manufacturing process for large flange Teng Bu-gang Yuan Shi-jian Wang Zhong-ren
(Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001)
Abstract：A new technology used for manufacturing large flange is presented in this paper, i.e., precision bending combined with welding and finishing machining on construction site. The main character of this method is that the preliminary turning with vertical lathe is instead by precision bending in a hydraulic press. Using a special multifunction machine tool to realizing the final machining on construction site is the key measure of this new technology; this technology was successfully used for manufacturing the large flange of space environment simulator KM-6 and a large wind tunnel, and the machining accuracy meet the requirement of design. A new way of manufacturing large flange is developed by using the method mentioned above because the capacity limitation of vertical lathe size need not be considered.
Keywords: flange;precision bending; multifunctional machine tool; finishing machining atsite
作者简介：滕步刚，男，1969年生，讲师，工学博士，主要研究方向板材液力成形、柔性多点成形、精密弯曲。
联系电话：0451-86417917（办）
通讯地址：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院435信箱 邮编：150001。
E-mail:bgteng@hit.edu.cn