基本信息
- 項目名稱：
- 高頸法蘭封閉軋制工藝及模具
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 高頸法蘭廣泛應用于鍋爐壓力容器、石油化工、造船、制藥、機械等行業(yè)。本作品開發(fā)了一套高頸法蘭封閉軋制模具及工藝系統(tǒng)。其軋制過程為法蘭毛坯在驅動輥的旋轉運動和壓緊輥的進給運動作用下，不斷地咬入驅動輥與壓緊輥構成的封閉孔型，產生連續(xù)局部塑性變形，上下壓板限制金屬的軸向流動，使毛坯壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形。通過該工藝軋制成形的高頸法蘭具有產品質量好、生產成本低等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 高頸法蘭又叫長頸法蘭，是一種盤狀零件，主要用來實現(xiàn)管與管之間的聯(lián)接。法蘭是管道連接中的核心部件，一旦其發(fā)生故障將會導致泄漏事故的發(fā)生。高頸法蘭由于是整體法蘭，且頸部的存在大大提高了其自身的剛性，目前已廣泛應用于石油化工、城市供水系統(tǒng)、以及電力公司等領域。 高頸法蘭由于頸部高而薄，且上下截面差異較大，給其成形帶來一定的難度。目前，生產高頸法蘭主要采用砂型鑄造法和鍛造法。砂型鑄造法是先獲得鑄鋼毛坯，再機加工成形。由于鑄態(tài)組織的法蘭，容易產生疏松等缺陷，難以保證其機械性能。此外，在投料時還需留出相當大的加工余量，致使產品的材料利用率僅為50%~60%，并耗費大量工時；鍛造法成形高頸法蘭，工序較為復雜，特別是直徑1000mm以上的高頸法蘭，需加熱七到八次法蘭坯料才能成形，且存在生產效率、加工余量大等缺點。盡管有些廠家采用徑軸向軋制方法成形高頸法蘭，但由于該設備成本高、控制難度大等缺點，目前也沒有得到推廣。綜上所述，以上工藝不符合當今資源節(jié)約型社會的發(fā)展需求，不是成形高頸法蘭的最佳工藝，開發(fā)高效節(jié)材的工藝成形高頸法蘭具有重大的應用價值和廣泛的市場前景。 本作品在上述背景下，采用封閉一次軋制成形方法生產高頸法蘭。該方法能夠軋制多種規(guī)格、不同形狀的高頸法蘭。目前最大可加工直徑2000mm，高度300mm的高頸法蘭。該方法成形的高頸法蘭截面形狀更接近成品，材料利用率可比鍛造法提高10%以上，且軋制成品內部組織致密、晶粒細小、力學強度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于其他加工方法生產的高頸法蘭，具有良好的市場前景及經濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明目的： 目前，生產高頸法蘭主要采用砂型鑄造法和鍛造法。鑄造法蘭容易產生疏松等缺陷，難以保證其機械性能且材料利用率低；鍛造法成形高頸法蘭，工序較為復雜且存在生產效率、加工余量大等缺點。綜上所述，以上工藝不符合當今資源節(jié)約型社會的發(fā)展需求，不是成形高頸法蘭的最佳工藝，開發(fā)高效節(jié)材的工藝成形高頸法蘭具有重大的應用價值和廣泛的市場前景。 基本思路： 高頸法蘭封閉軋制過程為法蘭毛坯在驅動輥的旋轉運動和壓緊輥的進給運動作用下，不斷地咬入驅動輥與壓緊輥構成的封閉孔型，產生連續(xù)局部塑性變形，上下壓板限制金屬的軸向流動，使毛坯壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形。 創(chuàng)新點： 1、實現(xiàn)了高頸法蘭封閉一次軋制成形 2、開發(fā)了一套高頸法蘭封閉軋制的模具系統(tǒng) 3、分析了坯料形狀對軋制過程的影響，得出了坯料形狀的設計方法 4、研究了工藝參數對軋制過程的影響規(guī)律，給出了工藝參數的優(yōu)化指標。 技術關鍵： 1、設計高頸法蘭封閉軋制的模具系統(tǒng)； 2、弄清軋制過程金屬軸向寬展流動規(guī)律，避免軋件端部成魚尾狀； 3、研究坯料形狀對軋制過程的影響規(guī)律，給出坯料的設計準則； 4、弄清工藝參數對軋制過程及力能參數的影響規(guī)律，合理確定設備力能參數。 主要技術指標： 1、軋制高頸法蘭的最大直徑：2000mm 2、軋制高頸法蘭的最大高度：300mm 3、壓緊輥最大行程：800mm 4、最大軋制力：120t 5、軋制溫度:1000-1100℃
科學性、先進性
- 與鑄造及鍛造工藝相比較，采用本作品工藝生產高頸法蘭具有以下優(yōu)點： （1）降低生產成本。由于軋制法蘭精確度高，軋制的工件截面形狀更接近成品，材料利用率比自由鍛提高10%以上。按10%計算，年產量2萬噸，年節(jié)約材料2000噸; （2）降低勞動強度和人工費。鍛造成形工序多，通常需要加熱7－8次。而軋制成形工序少，只需加熱一次，因此生產率高且人員少可大幅度的降低人工成本費用; （3）提高產品質量。軋制法蘭的金屬纖維沿圓周方向連續(xù)分布，與其使用中的受力和磨損相適應。其內部組織致密，晶粒細小，力學強度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于鑄造、鍛造方法生產的環(huán)件; （4）改善工作環(huán)境。法蘭軋制類似于靜壓軋制，具有無沖擊、振動以及低噪聲等優(yōu)點。 本作品與已有的徑軸向軋制方法相比較，大大簡化了設備和控制要求，降低了造價，易于實現(xiàn)高頸法蘭的經濟化生產。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利實施許可
作品可展示的形式
- 實物、圖紙、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：提供一種高頸法蘭封閉一次軋制成形方法，解決了徑軸向軋制法成形高頸法蘭設備龐大和投資大以及鑄造和鍛造方法生產效率低、材料利用率低等問題，可實現(xiàn)高頸法蘭的經濟化生產。 適用范圍：主要用于軋制各種高溫，高壓化工容器所需要的高頸法蘭，以及工業(yè)上其它用途的金屬法蘭。 市場分析：法蘭的生產目前全國只有安徽省馬鞍山、江蘇省張家港、山西定襄等地具有一定的規(guī)模和知名度。其中馬鞍山居首，產量高、批量大，而且原材料供應有保障。由于法蘭的需求量大，且其它地區(qū)生產廠家規(guī)模較小，原材料供應也有一定的困難，導致目前法蘭市場供不應求。 經濟效益預測： 1、降低材料成本，每噸材料可比自由鍛節(jié)約10%以上。 2、降低機械加工成本，軋制法蘭的加工余量只有3-5mm。 3、降低勞動強度和人工費。 4、提高產品質量。軋制法蘭內部組織致密，晶粒細小，力學強度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于其他加工方法生產的高頸法蘭。
同類課題研究水平概述
- W. Johnson（1968）等首先開展了環(huán)件軋制試驗研究。他們先在立式二輥軋環(huán)機上進行了基本參數的試驗研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)件軋制時徑向變形區(qū)的徑向對稱點存在塑性鉸。同年，Johnson等在實驗室建造了小型臥式環(huán)件軋機，其結構形式與工業(yè)生產軋機相同，在該軋機上，他們進行了軋制力、力矩及壓下量的連續(xù)測量，得到了力能參數及變形區(qū)形狀隨壓下量的變化規(guī)律。 徐鴻（1991）在分析高頸法蘭工作機理的基礎上， 針對過去法蘭設計中存在的不足，提出了一種新的論模型， 它更真實地考慮了接頭中各元件受力和變形的特性。根據此模型設計的法蘭分析專用程序， 操作簡單，適用性廣，可供法蘭接夾的結構優(yōu)化和設計時參考。 徐金平（1992）對大口徑高頸法蘭的制造進行了研究。他認為在管道法蘭制造中，大口徑的高頸法蘭由于尺寸過大，毛坯難以鍛造。對此，采用了分段鍛造的方法。鍛造后以一定的方式焊接加工成一整體。 龐國華（1995）等對高頸法蘭的新工藝做了研究，他們認為高頸法蘭的傳統(tǒng)主要方法是砂型鑄造法，這種方法易產生氣孔、瘤子和澆注不足等缺陷。而現(xiàn)在以熱軋代替鑄造是高頸法蘭成型新工藝，而新工藝具有高效率、低消耗、高效益等優(yōu)點，很值得在材料工程上推廣應用。 何芳（2003）等分析了高頸法蘭精密輾擴不同控制策略的特點, 建立了分析模型和毛坯外截面尺寸計算方法。他認為在獲得毛坯尺寸計算結果之后, 可設計出不同的輾擴控制策略。 周存龍（2004）研究了高頸法蘭盤的軋制成型技術，得出了該種法蘭盤雖難以軋制成型，但對鑄造成型與軋制成型相結合以提高法蘭盤質量提供了有力的依據。他認為將傳統(tǒng)的鑄造法蘭工藝改為鑄造與軋制相結合的工藝可提高法蘭的質量。 雖然國內外對高頸法蘭的成形技術有了一些研究，但是不少還是在制造過程中采用了鍛造的工藝。盡管有部分研究人員提出用軋制的方法生產高頸法蘭，但大多數都是采用開式（徑軸向）軋制工藝，對設備的控制系統(tǒng)要求較高，且并沒有對軋制過程中的工藝參數及坯料形狀設計與產品質量的關系做深入的研究。坯料形狀及工藝參數設計的是否合理不僅決定了高頸法蘭軋制成品的質量，而且對產品生產效率有著重要的影響。因此，對高頸法蘭軋制過程中工藝及模具的研究是十分有價值的。
