锥形塔筒模具结构制造工艺探讨

杜银星+陈忠斌+王金祥

摘要：随着我国风能利用与开发步伐的加快，制造大高度风能塔筒正逐步成为热门需求。风能塔筒一般是内衬钢筋骨架的混凝土浇筑而成。在批量生产模式下，砼塔筒钢模具成为必然选择。文章通过介绍公司承揽制造的120m高塔筒钢模具的成功案例，结合实际工作经验，针对砼钢模具结构制造工艺和制造要点作以介绍。

关键词：内模；外模；模具结构；制造工艺；锥形塔筒；风能 文献标识码：A

中图分类号：TG76 文章编号：1009-2374（2017）06-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.046

1 概述

风能塔筒混凝土模具多呈锥形结构，筒径由下而上逐节渐变缩少。下部大直径模具为便于运输与安装多做成180°的C型结构。其浇筑制造钢模也要做C型结构形式。为便于安装、拆模和运输，C型钢模具还要分解成3～4瓣，做成3*60°或4*45°的分体结构。整体外形尺寸可达7500*4500*4400mm（L*W*H）。C型塔筒钢模一般由底模、内模、外模、端模和上盖组成。内模为平台框架结构，起基础支撑作用。内外摸成弧形锥度布置，利用开合端模和上盖的密闭形式，整体构成C型腔体结构。具体结构形式如图1所示：

2 整体金属结构工艺分析

按照相关要求，钢模具尺寸公差要达到ISO2768-1要求。模具外形整体关键尺寸要控制在±4mm，倾斜角度±0.08，关键表面平面度±1mm的公差范围之内。对如此大尺寸的砼钢模具而言，必须严格控制各个工艺节点，在下料、组对、焊接、修整、拼装的每道工序都严格把关，控制关键尺寸的形位公差，最终才能达到图纸规范要求。

内模和外模均成锥形C环结构，制造难点是锥度控制和面板平面度控制。底模主要起支撑作用，制造难点在于底板平面度≤1mm公差范围内。端模可以开合，与内外模装配形成内部密闭结构，端模的表面要求具有凹凸隼型结构，控制其尺寸公差是工艺要点。上盖主要起密封、固定内部支撑附件作用，上盖制造关键在于控制上盖孔和底模预埋件固定孔的相对位置关系，以及和内外模上部法兰的顺利装配连接。

3 底模制造工艺要点分析

底模由底模框架和面板构成。具体结构形式见图2底模结构。

四周有吊耳，便于吊装。面板平面度要求控制在±1mm尺寸范围内，面板上有安装连接孔群，孔群和内外模底法兰连接，固定内模和外模。毫无疑问，底模的孔位精度和平面度是制造关键控制点。就此，底模的最佳工艺方案为板前预处理—结构组对—尺寸修整控制—焊接—二次修整控制—整体机加。面板焊前预处理包括非工作面打砂除锈，达到Sa2.5级要求和整板赶平。整板赶平，可以采用校平机完成，利用校平机赶平有两个主要作用：一是控制原板平面度，二是消除部分原始应力，避免焊接变形。底部框架结构整体组对时应严格控制整体平面度在±1mm范围内，面板组对装配后确保和底部框架严格密贴。吊耳焊接时应注意开坡口焊接，焊后24h磁粉探伤，焊接质量按ISO13920：B级执行。面板孔群应整体利用数控机床钻孔成型。机械加工时注意应利用数控加工机床，整体精准划出十字中心线，孔群位置严格按中心线找正。整体中心线需要保留到整体使用环节，作为整体拼装的找正基准和依据。

4 内外模结构制作工艺分析

内外模结构形式基本相同，内模的工作面为外凸C型，内模工作面的内凹的C型。内外模组拼后形成和需要风能塔筒一致的C型腔体结构。内外模是砼钢模的核心关键结构，其制造质量直接影响到整体质量和精度。内模结构如图3所示：

内外模由上部法兰、下部法兰、拼接连接法兰、支持组件和工作面板组成。内外模一般由均布的4瓣或3瓣拼装而成。每瓣夹角45°或60°。组拼后要求拼装间隙<0.5mm下部法兰板要求和底模孔群对应连接，上部法兰和顶模孔对应连接。工作面板整体呈锥形布置，具有一定倾斜角度。工作面板是混凝土塔筒的成型表面，要求表面平整，不得有凹凸缺陷。而且面板幅面宽度近4000mm，市场上常见的钢材供应规格，很难满足使用要求，故可采取板面接料成型的方案执行。面板备料方案为整体展开后按1/2分体下料，下料时注意要预留二次切头长度50～100mm，以便整体组对后整体修整。面板弧形要利用数控卷板机精准卷制，为确保板面接料后整体尺寸要求，应制作一整体胎具。胎具应具有整体组对、安装、成型的功能。C型钢模在胎具上完成全部的组焊工序，直至制作检验完毕，再从整体模具上下胎拼装。实践证明，制作和砼风能C模外形一致的胎具方案可以大大提高生产效率，确保产品精度和质量要求。面板接料焊接时注意要确保焊接质量符合ISO13920标准要求，焊后UT探伤检验，焊缝余高磨平处理。

上下连接法兰连接螺栓孔分别和顶模、底模相对应。利用数控机床加工，可以将下法兰的连接孔利用数控机床加工出孔，而上法兰连接孔因为要求和上盖连接，为便于装配可以采用拼装时配钻的工艺完成。为确保顺利连接，法兰组焊也要利用整体胎具完成。内外模制作时有两种工艺方案：一种方案是下法兰预留活头，暂不和内外模焊接，待整体拼装时焊接成型；另一种方案是全部法兰利用整体胎具焊接成型，胎具要求具有一定精度和一定强度。根据实际加工制作经验，利用整体胎具一次成型方案可以提高生产效率，但对整体胎具的制造质量要求较高，在批量制作情况下较经济实用。

支持组件有各种矩形管和弧形筋板组成，支撑模具整体结构。整体结构制作时可以一次制作完毕。工艺制作要点在于控制焊接变形。支持组件和面板的焊接结构设计是关键。根据实际使用工况分析，框架结构起到支撑作用，而且实际使用工况为静载荷工况。故应重点控制支撑组件四周和面板焊缝宜采用连续焊接，焊角控制在7mm左右，内部格栅焊缝可以采用交错断续焊接，焊50mm隔150mm较适宜。

分瓣拼接連接法兰位于分瓣模具面板接缝处，连接法兰把合效果直接影响模具拼装缝隙。组焊时要严格控制连接法兰拼装角度。拼装法兰连接后为确保面板装配间隙在0.5mm范围内，拼接连接法兰的组队间隙要控制在>0.5mm范围内，以补偿装配后的面板间隙。分瓣法兰的连接螺栓孔可以采用两两配钻出孔的方案，以便顺利连接。内模和外模的制作工艺基本相同，其整体胎具基本形式和要求也基本一致。

5 端模和上盖工艺分析

端模、上盖和内外模配合形成封闭的C型腔体结构。为适用砼塔筒的需要，端模内表面具有凹凸隼型结构。结构制作时可以采用整体机加面板成型工艺。对应较小尺寸的独立凹凸隼块，可以采用分体加工，整体焊接成型的工艺。工艺控制要点是焊接要求牢固，而且焊接变形要小，避免大的焊接热输入量。就此，可以设计成塞焊孔氩弧焊接填充的工艺完成。端模的开合耳板在整体拼装时样焊成型即可。顶模作为模具的上盖，需要在最后拼装阶段控制孔位。顶模的预埋件及过穿孔和底模相对应。故顶模的整拼工序可以利用底模作为模板，利用底模为工作平台，各孔位对正后直接组焊成型，整体拼装时整体吊装安装成型。内外模的上法兰连接孔再根据顶模的连接孔配钻出孔。

6 整体拼装工艺分析

整体拼装成型是模具制造的最终环节。拼装质量直接影响着模具整体质量和精度。模具拼装前要做好工艺准备工作，必要时要准备各种检验专用工装和专用检具。制定详细的方案，对拼装操作者做好详细的工艺交底工作。整体拼装前对模具各分体结构要复检重要尺寸，尤其是底模的平面度，内外模的面板行为公差和定点弧长公差，都要做好原始标记和档案记录。对分体结构件要整体编号，避免混淆。整体拼装检验可以采用线坠投线法检查。拼装场地要求在开阔的厂房内进行，厂房内起升能力要符合整体模具吨位要求。经评审，具体拼装工艺及方案为：

先行拼装底模。底模要用500mm左右高度的垫墩整体支撑，以便操作。垫墩支撑底模后要用水准仪超点检查，控制整体水平度。底模拼装后要根据原始十字中线，利用地样划规划出内外模面板的位置线，以便内外模顺利位置摆放。

限于操作空间和测量方便，底模拼装完毕需要单独分别拼装内外模。内外模单独拼装调整后再整体合拢拼装成型。可以先行拼装内模，在利用整体胎具制作的内模工艺时，内模组立后要复检锥度尺寸和关键点弧长尺寸。对超差之处要用螺纹紧线器涨拉的方式微调，既要确保面板组队间隙，又要确保锥度公差。内模拼装组立合格后整体拆卸，拼装外模。

外模拼装调整方法基本和内模相同，内外幕拼装检验锥度可以采用线坠投线法检查。外模拼装时可以将顶模同时拼装，同样用线坠投线法，使用专用的定心检查工装调整检查上盖孔和底模相对孔的位置关系，后确定上盖和外模顶部法兰连接螺栓孔位，配钻完成。外模拼装合格后再二次组拼内模，严格控制相对位置尺寸后利用上盖螺栓孔投钻全部内模顶部法兰螺栓孔。

最后再组拼端模及其他附件，样焊开合耳板。

7 结语

风能塔筒模具不同于普通產品，其要求精度高，结构形式独特，在国内制作尚属首次。笔者所在公司经过不断创新，不断摸索总结上述工艺经验，通过实践证明，工艺合理，完全满足使用要求和纳期要求。风能塔筒模具的制造经验对以后同类产品的制作积累了经验，成熟的工艺方案为确保产品质量和产品使用性能提供坚实可靠的工艺基础。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册（第四版）（第一卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁路出版社，2001.

作者简介：杜银星，男，河北秦皇岛人，秦皇岛天业通联重工科技有限公司技术工艺部工程师，研究方向：工程机械。

（责任编辑：蒋建华）