矿机筒体制造过程中的尺寸控制及校正

2012-12-11肖川

一重技术 2012年2期

肖川

随着现代工业对生产效率和产量的要求越来越高，所需的装备规格越来越大，制造中的难度也大幅度增加。如我公司制造的矿机筒体，筒体壁厚65 mm，内径Ø10.37 m，高5.5 m，整个筒体分为三瓣，每瓣重约30 t，两端有纵法兰，上下有圆法兰（见图1）。

为保证组合后上下圆法兰的同轴度，焊后毛坯件圆法兰内圆半径跳动要求小于3 mm，内壁垂直度波动小于3 mm；为保证法兰强度，要求圆法兰加工后厚度减薄量小于7 mm。但是，对于如此大尺寸的分瓣筒体，在制造中的各个环节都可能产生不同程度的变形，要保证工件尺寸精度，就必须对生产中的各个环节严格控制。

1 生产流程

筒体制造流程为筒体装配-焊接支撑-筒体环焊缝焊接-筒体与圆法兰组焊-筒体与纵法兰组焊-UT及MT探伤-消应力热处理-UT及MT探伤-去除支撑-尺寸检测-尺寸矫正-钻把合孔-安装产品支撑-喷砂-单瓣机加工-合拢筒体-安装产品支撑-整体加工-分瓣包装及发运。

图1 单瓣筒体示意图

焊接时将三瓣筒体组成整圆后再在托辊上焊接，待环焊缝焊完后不需要在托辊上转动时，气割出装配纵法兰的位置。环焊缝采用CO2气保焊打底，埋弧自动焊填充和盖面。纵法兰焊缝采用CO2气保焊焊接。焊后将筒体三瓣分开，消应力热处理后对尺寸进行检测并校正。在制造过程中对筒体尺寸产生影响的主要因素有焊接变形和翻转吊运过程产生的变形等。

2 预防变形的措施

（1）筒体内部装焊支撑和拉筋，支撑物主要采用槽钢和钢板；通过支撑提高筒体的刚性，减小由于焊接和自重产生的变形（见图2）。但是在工件刚性提高的同时，筒体焊接变形将受到强制限制，使得工件焊后产生很大的内应力，需要焊后热处理予以消除。因此，在进行支撑与筒体焊接时应采用分段焊的方法，由两名焊工同时对称施焊。

图2 焊接支撑和拉筋示意图

（2）圆法兰焊接前应预留足够的反变形量。因圆法兰焊后的垂直度要求严格，焊前采取合适的反变形是保证焊后形位公差的关键。经现场实际操作，当反变形量为25～30 mm时，焊后垂直度公差可满足要求。为控制焊接时热输入，必须保证层间温度小于250℃，焊完一圈时如果温度过高，须等温度降低后再焊下一层焊道。

（3）控制焊接质量，减少焊缝返修次数。因为每一次焊接都会引起工件变形，焊缝返修次数过多，必然增大焊接变形，使焊后尺寸发生不均匀变化。由于工件尺寸大，在焊接环焊缝时工件圆度将发生变化，因此埋弧焊前应在尺寸有差别的地方做好标记，以便焊至标记位置时进行适当调整。由于筒体尺寸较大，为了方便工人操作，提高焊接质量，应采用专用的焊接平台，使环焊缝外侧的埋弧焊操作能在平台上完成。

（4）焊后去应力热处理是为消除焊接件的残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，对防止变形十分必要。由于筒体材质为普通低碳钢，焊后热处理温度为600℃左右，保温2～3 h（见图3）。将筒体和拉筋一起进炉热处理，考虑到筒体尺寸太大，为了进炉方便，将一瓣筒体反扣，每两瓣之间用拉筋焊接牢固，装炉时保证筒体与垫铁之间没有悬空，以减小热处理变形（见图4）。对于分四瓣制造的筒体，可将每两瓣相对连接，并用拉筋焊接牢固。

（5）热处理后将三瓣筒体分开，对每瓣筒体进行尺寸检查和矫正，尺寸检测在圆周方向至少每1m测量1点，对不合格的尺寸进行矫正。尺寸合格后，钻孔并用螺栓把合，把合时必须保证筒体处于自由状态，并用垫片将缝隙塞实，螺栓拧紧，在支撑安装前后分别测量上下圆法兰端头弦长，以确保安装支撑后筒体尺寸不发生变化。这些把合的支撑将在后序机加工、翻转和运输中对筒体起刚性固定的作用，所以必须将螺栓拧紧（见图5）。

图3 焊后热处理曲线

图4 筒体进炉示意图

图5 单瓣支撑示意图

（6）粗加工后，将每两瓣同体之间的纵法兰用螺栓把合在一起，拧紧螺栓，在立车上整体加工上下圆法兰。由于已经完成粗加工，各个加工面的加工量只剩几毫米，且当上法兰加工完，需要将筒体整体翻转后再加工下法兰，必须保证筒体在翻转及吊放到立车上的过程中不产生变形。按照前面把合单瓣支撑的方法，借用筒身上安装耐磨衬板的把合孔，在每两瓣之间加上支撑（见图6）。为了保证把合支撑前后筒体尺寸不发生变化，先将与筒体内壁接触的弧板把合到筒体上，再将钢管支撑焊接到弧板上，注意焊接时应采用对称焊的方法，以防焊接应力引起筒体变形。为了进一步固定三瓣筒体之间的位置关系，应在相接触的两瓣纵法兰的基准块上焊接连接块若干，保证筒体纵法兰不会发生错边。

图6 筒体把合支撑

（7）随着制造工序进行，筒体发生变形的风险也越来越大。因此必须对工件后序吊运过程严格控制。而送机加工前因为有加工量，所以吊运单瓣筒体不用特别注意。三瓣组合成整圆后的吊运方法有两种，一种是单钩钢丝绳十字交叉起吊；另一种方法是同安装把合支撑类似，借用筒体外侧耐磨衬板把合孔的位置，用螺栓把合弧板，并在弧板上焊接吊耳，采用双钩用钢丝绳通过吊耳将筒体吊起。前种方法工序简单，但是实际吊运中发现上法兰与钢丝绳接触的地方会产生变形，法兰受力点的直径将变小。而后一种方法减小向心分力，可保证圆法兰不产生变形。筒体三瓣拆开后，由于各自带着把合支撑，在转运过程中不会发生大的变形。

3 矫正方法

尽管采取一系列预防变形的措施，但由于筒体壁薄且焊接量大，变形终究无法彻底消除，必须对焊后毛坯进行矫正才能满足机加工前的尺寸要求。为此，在实际生产中总结出了一套实用性强的矫正方法。

该方法以火焰矫正为主，即以火焰为热源对焊件局部加热，使局部筒体受热伸展，然后停止加热待冷却后收缩变形，从而达到矫正变形的目的。火焰烘烤程度根据矫正的尺寸大小来判断，选经验丰富的铆工进行矫正工作。

首先将工件立放在平台上，平台水平度在1.5 mm以内。将工件立放在均布的三个垫墩上（见图1）。

测量上下圆法兰端头的弦长，如果弦长偏大，则对圆法兰内壁进行火焰烘烤；如果弦长偏小，则对圆法兰外壁进行火焰烘烤。

测量上下圆法兰的内壁垂直度，测量方法可采用线坠法，有两种方法可根据现场情况灵活选择。第一种方法是从上法兰内壁吊线坠，测量内壁各点到线坠的距离，和平台上放样画的圆配合判断垂直度；第二种方法是在中心位置放一支架，通过线坠确定中心线，从中心线分别测量到各点处半径的方法来判断垂直度。由于筒体是圆弧形，采用在垫墩和工件之间塞垫片的方法可以大幅度调整垂直度。相对而言，垂直方向变形在两边的情况较容易通过火焰矫正的方法调节，因此先用“垫”的方法将工件中间位置的垂直度调到符合尺寸要求。然后通过对工件四个角沿斜线调节局部垂直度，如图1中1号线所示。

测量上下圆法兰的减薄量。法兰减薄量在焊前装配时就应控制好，圆法兰之间的距离应略小于名义尺寸，但焊接变形可能导致法兰端面发生倾斜，造成局部减薄量加大。如发生这种情况，可在距法兰稍远的焊道处进行烘烤，如图1中2号线所示，可有效矫正圆法兰端面的倾斜变形。

以上所述只是基本的矫正顺序和方法，待筒体初调后，需要综合考虑各个方向的尺寸以确定相应的矫正方法。比如调节图1中的1号线，在改变垂直度的同时，也将使弦长发生改变。

安装支撑后，在后序吊运和翻转时也可能会再次发生变形，对此可通过在筒体内壁和支撑之间增减垫片的方法来调节。支撑垫片调节和火焰矫正的区别在于前者是以弹性变形为主，后者以塑性变形为主。支撑的垫片调节只适合于局部微调。