本發(fā)明屬于鍛件鍛造技術(shù)領(lǐng)域，適用于核電設(shè)備大型壓力容器帶多個凸出管嘴封頭鍛件的熱沖壓整體成形工藝和生產(chǎn)制造過程，具體為核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形方法。

背景技術(shù)：

核電作為一種穩(wěn)定、潔凈、高能量密度的能源，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境和降低碳排放有著重要的作用。核電站核島大型壓力容器封頭是核電站主設(shè)備中最重要的承壓部件，具有形狀復(fù)雜、輪廓尺寸大、重量大和結(jié)構(gòu)一體化等特點，核電機組對大型壓力容器的技術(shù)要求很高并且其執(zhí)行標準十分嚴格，除需要具備高性能和長運轉(zhuǎn)周期外，還要求便于檢驗和機組設(shè)備維護。該類核電機組設(shè)備中帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件是非能動大型先進壓水堆核電機組的關(guān)鍵性承壓與抗輻射零部件之一，當前該型的核電設(shè)備技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究已成為核電技術(shù)研究的主要趨勢。

大型封頭的制造過程屬于典型的大構(gòu)件極端熱制造成形過程，該類壓力容器封頭熱成形后鍛件尺寸端口外徑通常大于4500m，壁厚超過350mm,整體高度大于3500mm；其不僅體積龐大、重量達到百余噸，而且成形工藝需要整體鍛造出凸出球面接出、入水管的三個外接管嘴。由于實驗條件極為困難且生產(chǎn)制備技術(shù)難度很大，大型壓力容器的制造成形成為重大裝備制造業(yè)的主要技術(shù)瓶頸之一。到目前為止，核電站大型的壓力殼、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器鍛件等關(guān)鍵性部件，在國際上也只有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)制造。

傳統(tǒng)生產(chǎn)帶多個凸出管嘴大型壓力容器時，一種方法是采用多焊縫方式后期拼裝與焊接制備。由于大型壓力容器體型及尺寸大、單件產(chǎn)品的質(zhì)量大和整體形狀十分復(fù)雜，在堆焊過程中需要對鍛件反復(fù)進行預(yù)熱和焊后熱處理，如果局部位置過多的采用焊接方法會導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生層狀撕裂裂紋。為了提高新一代核反應(yīng)堆壓力容器的安全性，傳統(tǒng)多焊縫壓力容器制造方法已不能滿足核電裝備運行的性能要求和檢查的周期。

傳統(tǒng)整體鍛造成形方法是采用凸模小變形分區(qū)逐次旋轉(zhuǎn)碾壓鍛造方法成形，而該方法存在諸多難以克服的問題：坯料加熱時是圓柱形大塊體，要實現(xiàn)心部也達到鍛造均勻溫度，其需要長時間高溫加熱，這會導(dǎo)致初始晶粒粗大，同時熱鍛成形也容易出現(xiàn)開裂等問題。終鍛成形的材料轉(zhuǎn)移量非常大，溫度場與應(yīng)變場都極不均勻，要實現(xiàn)材料均勻流動極其困難，導(dǎo)致水嘴部位難以填充，易形成流線紊亂、材料折疊等缺陷，且變形后組織也不均，混晶嚴重。因此，采用分區(qū)鍛造方法成形時間長、熱量損失嚴重，因溫度下降導(dǎo)致后期變形困難，需要進行多火次熱成形；同時，由于熱鍛造獲得的毛坯鍛件與實際機加工件形狀相差甚遠，機械加工余量大，費時長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對上述問題，提供一種制造外徑大帶多個凸出管嘴核電設(shè)備壓力容器的封頭鍛件整體成形方法，該方法解決了傳統(tǒng)帶管嘴壓力容器封頭焊接成形時易開裂和采用小凸模分區(qū)碾壓時的成形困難、材料流動不合理、產(chǎn)品性能及質(zhì)量難以保證以及機械加工余量大等技術(shù)問題。該技術(shù)發(fā)明將傳統(tǒng)的終鍛成形難度所存在的技術(shù)難點進行有效分解，提供了一種包括核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形關(guān)鍵性中間預(yù)制坯料設(shè)計、中間預(yù)制板坯胎模具鍛造成形和大型壓力容器封頭鍛件熱沖壓成形方法。從制備方法上改變了傳統(tǒng)的拼焊制備為整體成形；從成形方法上將傳統(tǒng)圓柱坯料的多火次凸模小變形量碾壓成形工藝分解為兩步，先將圓柱坯料采用胎模具作為下模具鍛造制備中間預(yù)制板坯，再將中間預(yù)制板坯采用熱沖壓方法成形為要求的封頭鍛件。該技術(shù)發(fā)明能夠很好的控制帶多個凸出管嘴封頭鍛件成形質(zhì)量和組織性能，從而為后續(xù)的熱處理提供良好的初始組織狀態(tài)，并且大大減少終鍛成形后鍛件的機加工余量，縮短該類鍛件的生產(chǎn)周期。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形方法，包括中間預(yù)制板坯鍛造成形工藝和封頭鍛件熱沖壓成形工藝。

在中間預(yù)制板坯鍛造成形工藝進行之前，需要對核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯設(shè)計；根據(jù)關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯的輪廓形狀及尺寸參數(shù)，封頭鍛件的管嘴部位為中間預(yù)制板坯的凸出部分，其凸出部分通過胎模具鍛造成形方法制備，后中間預(yù)制板毛坯再進行機械加工處理得到熱沖成形所需的中間預(yù)制板坯，再進行預(yù)制板坯料的熱沖壓成形。

核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形的關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯設(shè)計原則及要求如下：

步驟一、采用解析方法計算獲得由中間預(yù)制板坯到最終熱沖壓成形鍛件時所需要的預(yù)制板坯設(shè)計的各部分尺寸公式；

步驟二、采用有限元模擬技術(shù)對上述解析方法獲得的中間預(yù)制板坯設(shè)計尺寸及參數(shù)進行校核與優(yōu)化，獲得了設(shè)計中間預(yù)制板坯的關(guān)鍵性尺寸及參數(shù)。

所述步驟一中，中間預(yù)制板坯的外伸出凸出位置管嘴坯料尺寸遵循包含原則，其凸出部位坯料體積設(shè)計時為實際鍛件水嘴體積的1.1～1.2倍，并且設(shè)計輪廓形狀完全包含熱沖鍛件的輪廓。

所述步驟二中，采用有限元技術(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化預(yù)制坯料時，先對解析法確定的初始中間預(yù)制板坯進行熱成形模擬并得到成形結(jié)束時工件形狀，再追蹤需要優(yōu)化的局部位置坯料尺寸，當追蹤點返回到初始狀態(tài)時即可得到局部位置坯料的優(yōu)化形狀尺寸。

所述步驟二中，采用有限元技術(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化中間預(yù)制板坯形狀尺寸，在滿足成形零件的形狀及尺寸要求情況下，切除掉在中間預(yù)制板坯成形時的多余材料，使最終成形時坯料接觸上沖頭模具后外輪廓自由成表；同時，保證設(shè)計的中間預(yù)制板毛坯帶管嘴位置易于加工。

熱沖壓成形上模具沖頭尺寸與成形封頭尺寸關(guān)系為：sr1為上模具沖頭球面半徑尺寸；該尺寸等同于封頭熱沖成形后內(nèi)球面形狀尺寸；sr2為倒角后與沖頭倒圓角形成的球面，該尺寸等同于封頭熱沖成形后形成的光滑內(nèi)球面；sr3為熱沖成形后自由形狀的球面。h2為上模具沖頭過封頭開口端面的深度，h3為熱沖成形后中徑截面管嘴的斜中心線上的高度，h4為熱沖成形后的封頭端面到管嘴端面的高度。a為成形封頭管嘴中心線與上模具沖頭中心線形成的夾角。dc為熱成形上沖頭模具直徑，hc為熱成形上模具沖頭整體加工高度。c1為熱成形上模具沖頭加工的脫模錐度，取值為5～10°。

熱沖壓成形下模圈尺寸與成形封頭尺寸關(guān)系為：d0為熱成形時下模圈內(nèi)直徑尺寸，該尺寸等同于熱沖成形后封頭端面開口尺寸；h1為封頭零件要求取環(huán)件試樣的直壁高度。c2為熱沖壓成形時下模具的加工的錐度，取值為8～13°，r5為下模圈內(nèi)壁端面的加工的錐面與模圈內(nèi)壁相接面形成的倒圓角；r6為下模圈內(nèi)直壁面與錐面c2相接面形成的倒圓角。dm為熱沖壓成形時下模圈的外徑直徑，滿足設(shè)計公式:dm＝d0+1300～1500mm。

按上述方案要求，熱沖壓成形時中間預(yù)制板坯與成形封頭形狀關(guān)鍵性尺寸關(guān)系，具體滿足如下設(shè)計原則和公式：

步驟一、采用解析方法獲得其關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯到最終成形鍛件所需尺寸，中間預(yù)制板坯的展開中面圓板直徑采用等面積法計算確定，具體計算公式描述為：

球形封頭中性層面積:

球形封頭毛坯表面積:

中間預(yù)制板坯的展開中面圓板毛坯直徑計算公式為：

上述公式中，球形封頭中性層直徑為dp為展開中面圓板的毛坯直徑；fs1表示球形封頭中性層面積，fs2球形封頭毛坯表面積，h1為封頭直壁高度。

熱沖壓成形所需的中間預(yù)制板坯料厚度與成形封頭形狀尺寸關(guān)系為：h＝0.5(d0-d1)。

步驟二、凸出管嘴尺寸關(guān)系確定，h5為球面外凸出管嘴6和7的高度，其尺寸上滿足關(guān)系式：h5＝h4-h2+50～80mm，h為中間預(yù)制板坯厚度。d4為球面外凸出管嘴6和7坯料的直徑。c3、c4分別為坯料上、下面加工的錐度，取值為8～12°。c5為中間預(yù)制板坯對應(yīng)封頭鍛件的球面外凸出管嘴6和7中心分別封頭中心線的夾角。d2為與上模具沖頭接觸時的直徑，d3為球面外凸出管嘴5坯料的直徑。r0、r1和r2分別為球面外凸出管嘴與中間預(yù)制板坯主體相接面倒圓角；l1為成形封頭球面外凸出管嘴1下端面的中心與封頭中心線的距離，該尺寸設(shè)計為中間預(yù)制板坯的球面外凸出管嘴5下端面的中心與中間預(yù)制板坯中心線距離。l0為成形封頭球面外凸出管嘴2和3的下端面中心與封頭中心線的距離，該尺寸設(shè)計為中間坯料的球面外凸出管嘴6和7的下端面中心與坯料中心線的距離。

步驟三、鍛制中間預(yù)制板毛坯的胎模具尺寸設(shè)計，凸出管嘴尺寸關(guān)系確定，胎模具的外圓直徑dn，胎模具的外圓直徑與板坯料的關(guān)系：dn＝dp+200～300mm，胎模具的整體高度為hm。鍛件毛坯料的厚度尺寸與中間預(yù)制板坯厚度關(guān)系：hp＝h+50～80mm。

關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯制備工藝，基于設(shè)計所得關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯輪廓形狀及尺寸參數(shù)，其封頭鍛件管嘴部位為預(yù)制坯的凸出設(shè)計，其凸出部分通過胎模具鍛造成形方法制備，后中間預(yù)制板毛坯再進行機械加工處理得到熱沖成形所需的中間預(yù)制板坯。

中間預(yù)制板毛坯鍛造成形工藝，包括以下具體制造過程：

步驟一、圓柱坯料下料，選用鋼錠的直徑為3800mm，高度大于4870mm,質(zhì)量達520噸。將鋼錠在400℃以下裝入加熱爐中，以≤100℃/h加熱速率加熱至720℃～800℃，保溫4.5～6h，再以100～150℃/h加熱速率加熱至1100±20℃，保溫4～6h；再以50～100℃/h加熱速率加熱至1240±20℃，保溫15～20小時；取出加熱鋼錠，切除鋼錠的冒口端和尾端分別約為10％～15％和8％～10％的鋼錠重量。針對切除得到的主體鋼錠采用鐓粗和拔長變形方式鍛制開鋼坯，其鐓粗、拔長比均大于3.0，其鐓粗、拔長的終鍛溫度控制在850℃以上。第二次鐓粗后將鍛鋼坯拔長、滾圓預(yù)制成直徑為的圓柱狀坯料，并下料為的圓柱坯料。

步驟二、中間預(yù)制板毛坯鐓粗階段變形，將下料為的圓柱坯料，回爐加熱均勻溫度到1250℃±10℃。在水壓機工作臺面上安裝下胎模具，其下胎模具中的三個型腔為預(yù)制板坯料設(shè)計時所對應(yīng)的核反應(yīng)堆大型封頭鍛件的進水管嘴和出水管嘴。將加熱均溫的圓柱坯料垂直放置在胎模具上，盡量將兩者的中心線進行對中，在圓柱坯料上放置尺寸為的鐓粗平板，鐓粗平板亦需要盡量對準上述的中心線。然后，采用重型水壓機進行鐓粗變形，圓柱坯料在胎模具上鐓粗壓下變形量約36％，總壓下行程為△h＝1500mm時停止。

步驟三、分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造預(yù)制中間毛坯板，將鐓粗平板從坯料上吊離，采用砧寬為900～1200mm的平砧錘頭繼續(xù)對坯料進行分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造，控制終鍛溫度在850℃以上。當坯料上端面距下胎模具的上端面高度為hp＝600～700mm，坯料的外圓直徑大于6750mm，其上平砧錘頭最大行程控制在2000mm內(nèi)，停止旋轉(zhuǎn)鍛造，測量坯料尺寸。

步驟四、將中間預(yù)制毛坯板料空冷至室溫，檢查鍛造成形后的中間預(yù)制板毛坯質(zhì)量，采用機加工方法制備成設(shè)計的中間預(yù)制板坯形狀及尺寸。

按上述要求，將中間預(yù)制板坯加熱后在重載液壓機載荷作用下熱沖壓成形為帶凸出管嘴的整體封頭鍛件。具體熱沖壓成形過程描述為：

步驟一、安裝成形模具；上沖頭模具為上端部位為直徑與大封頭的內(nèi)部球半徑的圓柱，在半球狀的沖頭方向加工有5～10°脫模錐度；下端為沖頭，其球半徑小于大封頭的內(nèi)部球半徑。下模具為模圈其內(nèi)徑大于大封頭的外部端面球徑的最大直徑30～50mm，其模圈壁厚大于650mm。

步驟二、中間預(yù)制板坯加熱工藝；將中間預(yù)制板坯在400℃以下裝入加熱爐，并使坯料凸出部位的方向朝下，以≤100℃/h的加熱速率加熱至720℃～800℃，保溫1.5～3.5h，再以100～150℃/h的加熱速率加熱至1000～1100℃，保溫2.5～4.5h，使預(yù)制板坯的加熱溫度均勻。

步驟三、熱沖壓成形；將均溫后的中間預(yù)制板坯放置到成型模具的模圈上，盡量保證上模具沖頭、中間預(yù)制板坯及下模圈三者的中心線重合。重型水壓機加載將中間預(yù)制板坯在壓力作用下熱沖壓成形。

步驟四、熱沖壓成形過程中，重型水壓機熱沖壓成形時上模具沖頭速率控制在10～25mm/s，壓速率是先20～25mm/s壓下總壓下量約1/2，再采用10～15mm/s壓下速率緩慢壓下達到總壓下量穩(wěn)定成形以減少表面起皺，坯料中心區(qū)域部位及壁厚方向緩慢拉薄，并使坯料凸出部位金屬充分自由流動，熱沖壓成形結(jié)束后將鍛件從下模圈取出。上模具沖頭與成形坯料接觸后，上模具沖頭向下壓下總行程控制在圓球底部到模具開口水平距離尺寸減去成形封頭機械加工前毛坯設(shè)計的厚度尺寸，終鍛溫度控制在850℃以上。

本發(fā)明的積極效果體現(xiàn)在：

(一)本發(fā)明基于鍛件熱沖成形質(zhì)量需要遵循的設(shè)計原則，采用幾何解析方法和數(shù)值模擬技術(shù)設(shè)計出關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯形狀，重點研究了大型封頭鍛件整體鍛制終鍛成形時從關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯熱沖壓成形過程中鍛件形狀尺寸的關(guān)系；開發(fā)了核反應(yīng)堆帶多管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形過程的中間預(yù)制板坯和最終熱沖壓帶多個凸出管嘴的封頭鍛件。

(二)本發(fā)明的第一道工序采用的胎模具成形分區(qū)逐次旋轉(zhuǎn)碾壓鍛造方法，使中間預(yù)制板坯的管嘴形狀借助胎模具以自由鍛造方法充填成形，該方法不僅使鍛造輪廓形狀及尺寸得到有效控制，還能合理分散預(yù)制板坯的金屬，實現(xiàn)內(nèi)部組織均勻、成形流線清晰以及良好的纖維組織。第二道工序采用熱沖壓整體成形，所需壓力機載荷力小，成形過程中熱量損耗小，坯料加熱溫度低、加熱時間短，從而控制終鍛成形的晶粒長大；熱沖壓成形后的大封頭鍛件能有效地控制產(chǎn)品形狀，壁厚尺寸均勻，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

(三)本發(fā)明基于傳統(tǒng)工藝存在的不足，該發(fā)明結(jié)合產(chǎn)品形狀特點及生產(chǎn)可行性，采用兩道成形工序分解傳統(tǒng)凸模小變形分區(qū)逐次旋轉(zhuǎn)碾壓多火次成形難度。第一道工序通過解析方法和計算機模擬設(shè)計優(yōu)化反求中間預(yù)制板坯料的形狀，采用胎模具成形分區(qū)逐次旋轉(zhuǎn)碾壓鍛造方法制備中間預(yù)制板毛坯，經(jīng)機加工處理獲得熱沖壓成形所需的關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯。第二道工序?qū)⒅虚g預(yù)制板坯采用重型壓機進行熱沖壓成形為封頭鍛件。該發(fā)明的顯著特點是：第一道工序采用的胎模具成形分區(qū)逐次旋轉(zhuǎn)碾壓鍛造方法，使中間預(yù)制板坯的管嘴形狀借助胎模具以自由鍛造成形方法更容易充填成形，而且板坯的金屬材料能得以有效分散，毛坯板面鍛造形狀及尺寸均易控制。鍛制結(jié)束后獲得的中間預(yù)制板坯具有均勻內(nèi)部組織、清晰成形流線和趨于一致的纖維組織和輪廓形狀。第二道工序采用熱沖壓整體成形，該成形工藝屬于大位移、小應(yīng)變工藝方案，所需壓力機載荷力小。由于坯料厚度小，熱沖壓成形前坯料加熱時容易實現(xiàn)坯料溫度均勻，與傳統(tǒng)整體鍛造成形圓柱坯料相比，可顯著縮短加熱時間；而且熱沖壓成形時間很短，成形過程中熱量損耗小，能夠有效降低熱沖壓成形坯料的加熱溫度，從而利于控制終鍛成形晶粒長大，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

附圖說明

圖1為核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件的結(jié)構(gòu)剖示圖；

圖2為核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件的管嘴位置示意圖；

圖3為中間預(yù)制板坯a進水管嘴形狀剖示圖；

圖4為中間預(yù)制板坯f出水管嘴形狀剖示圖；

圖5為中間預(yù)制板坯多個凸出管嘴位置示意圖；

圖6為采用重型水壓機預(yù)制坯料鐓粗、拔長及下料過程示意圖；

圖7為采用重型水壓機平板鐓粗初始狀態(tài)示意圖；

圖8為平砧錘頭分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造中間預(yù)制板坯示意圖；

圖9為平砧錘頭分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造中間預(yù)制板坯俯視圖；

圖10為熱沖壓成形上模具球形沖頭示意圖

圖11為熱沖壓成形下模圈示意圖

圖12為具有凸出管嘴1特征熱沖初始狀態(tài)中切剖示截面

圖13為具有凸出管嘴2特征熱沖初始狀態(tài)中切剖示截面

圖14為具有管嘴1和3特征熱沖壓成形結(jié)束后鍛件中切剖示截面

其中，1—進水管嘴，2—中心距為l夾角(90+b)角度位置的出水管嘴，3—中心距為l夾角(270-b)角度位置的出水管嘴，4—熱沖壓成形的中間預(yù)制板坯，5—中間預(yù)制板坯上對應(yīng)封頭管嘴1的成形坯料，6—中間預(yù)制板坯上對應(yīng)封頭管嘴2的成形坯料，7—中間預(yù)制板坯上對應(yīng)封頭管嘴3的成形坯料，8—鋼錠切頭尾；9—切頭、尾鋼錠開坯第一次拔長方坯；10—第一次拔長后方坯第一次鐓粗；11—第一次鐓粗后鋼坯第二次拔長；12—鋼坯第二次拔長后第二次鐓粗；13—第二次鐓粗后鋼坯第三次拔長、滾圓和下料，14—模鍛前鐓粗用圓平板，15—鍛制中間預(yù)制板毛坯用圓柱鋼坯，16—關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯上管嘴對應(yīng)位置特征的胎模具，17—分區(qū)鍛造用上模具平砧，18—分區(qū)鍛造后中間預(yù)制板毛坯，19—熱沖壓成形上模具沖頭，20—熱沖壓成形下模圈，21—熱沖壓成形結(jié)束后封頭鍛件

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和比較例進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解為，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解為，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所限定的范圍。

一種核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形方法，包括胎模鍛成形中間預(yù)制板毛坯工藝和封頭鍛件熱沖壓成形工藝。在進行胎模具鍛造成形中間預(yù)制板毛坯工藝前，先進行核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件整體鍛造成形關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯設(shè)計。

下面具體描述本發(fā)明核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件21整體鍛造成形關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯4設(shè)計、胎模具16鍛造成形預(yù)制板毛坯18和封頭鍛件21熱沖壓成形實施方案。

一種核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件21整體鍛造成形關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯4設(shè)計，采用解析方法計算獲得由中間預(yù)制板坯4到最終熱沖壓成形結(jié)束時的封頭鍛件21時所需要的中間預(yù)制板坯4設(shè)計的各部分公式的關(guān)鍵性形狀參數(shù)。

熱沖壓成形上模具沖頭19尺寸與成形結(jié)束時的封頭鍛件21尺寸關(guān)系為：

sr1為上模具沖頭19球面半徑尺寸；該尺寸等同于封頭鍛件21熱沖成形后內(nèi)球面形狀尺寸。sr2為倒角后與沖頭19倒圓角形成的球面，該尺寸等同于封頭鍛件21熱沖成形后形成的光滑內(nèi)球面；sr3為熱沖成形封頭鍛件21的自由形狀的球面。h2為上模具沖頭19過封頭開口端面的深度，h3為熱沖成形封頭鍛件21中徑截面凸出管嘴1的斜中心線上的高度，h4為熱沖成形封頭鍛件21的端面到凸出管嘴端面的高度。a為成形封頭鍛件21管嘴中心線與上模具沖頭19中心線形成的夾角。dc為熱成形上沖頭模具19直徑，hc為熱成形上模具沖頭19整體加工高度。c1為熱成形上模具沖頭19加工的脫模錐度，取值為5～10°。

熱沖壓成形下模圈20尺寸與成形封頭鍛件21尺寸關(guān)系為：

d0為熱成形時下模圈20內(nèi)直徑尺寸，該尺寸等同于熱沖成形后封頭鍛件21端面開口尺寸；h1為成形封頭鍛件21要求取環(huán)件試樣的直壁高度。c2為熱沖壓成形時下模圈20放置熱沖壓主體坯料4內(nèi)壁端面的加工的錐度，取值為8～13°，r5為下模圈20內(nèi)壁端面的加工的錐面與下模圈20內(nèi)壁相接面形成的倒圓角；r6為下模圈20內(nèi)直壁面與錐面c2相接面形成的倒圓角。dm為熱沖壓成形時下模圈20的外徑直徑，并且滿足設(shè)計公式:dm＝d0+1500mm。

熱沖壓成形時中間預(yù)制板坯4與成形封頭鍛件21關(guān)鍵性尺寸關(guān)系具體滿足如下設(shè)計原則和公式：

步驟一、采用解析方法獲得其關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯4到最終成形封頭鍛件21所需尺寸，中間預(yù)制板坯4的展開中面圓板直徑采用等面積法計算確定，其計算公式為：

球形封頭鍛件21中性層面積:

球形封頭鍛件21毛坯表面積:

中間預(yù)制板坯4展開中面圓板的毛坯直徑為，其計算公式為：

上述公式中，球形封頭鍛件21中性層直徑為dp為展開中面圓板的毛坯直徑；fs1表示球形封頭鍛件21中性層面積，fs2球形封頭鍛件21毛坯表面積，h1為球形封頭鍛件的直壁高度。

熱沖壓成形中間預(yù)制板坯4厚度與成形封頭鍛件21端面開口尺寸關(guān)系為：h＝0.5(d0-d1)。

步驟二、凸出管嘴尺寸確定，h5為球面外凸出管嘴6和7的高度，其尺寸上滿足關(guān)系式：h5＝h4-h2+50～80mm，h為中間預(yù)制板坯厚度。d4為球面外凸出的管嘴6和7坯料的直徑。c3、c4分別為坯料上、下面加工的錐度，取值為8～12°。c5為中間預(yù)制板坯對應(yīng)封頭鍛件的球面外凸出管嘴6或7中心線與坯料中心線的夾角。d2為與上模具沖頭接觸時的直徑，d3為球面外凸出管嘴5坯料的直徑。r0、r1和r2分別為球面外凸出管嘴與中間預(yù)制板坯主體相接面倒圓角；l1為成形封頭球面外凸出管嘴1下端面的中心與封頭中心線的距離，該尺寸設(shè)計為中間預(yù)制板坯的球面外凸出管嘴5下端面的中心與坯料中心線距離。l0為成形封頭球面外凸出管嘴2和3的下端面中心與封頭中心線的距離，該尺寸設(shè)計為中間坯料的球面外凸出管嘴6和7的下端面中心與坯料中心線的距離。

步驟三、鍛制中間預(yù)制板毛坯的胎模具尺寸關(guān)系及凸出管嘴尺寸關(guān)系確定，胎模具的外圓直徑dn，胎模具的外圓直徑與中間預(yù)制板毛坯直徑的關(guān)系：dn＝dp+200～300mm，胎模具的整體高度為hm。鍛件毛坯料的厚度尺寸與中間預(yù)制板坯的厚度關(guān)系：hp＝h+50～80mm。

基于設(shè)計所得關(guān)鍵性中間預(yù)制板坯4輪廓形狀及尺寸參數(shù)，其封頭鍛件21管嘴部位為中間預(yù)制板坯4的凸出設(shè)計，其凸出部分通過胎模具16自由鍛造方法制備，后中間預(yù)制板毛坯18再進行機械加工處理得到熱沖成形所需的中間預(yù)制板坯4。

具體制造過程描述為：

步驟一、圓柱坯料15下料工藝，選用鋼錠8的直徑為3800mm，高度大于4870mm,質(zhì)量達520噸。將鋼錠在400℃以下裝入加熱爐中，以≤100℃/h加熱速率加熱至720℃～800℃，保溫4.5～6h，再以100～150℃/h加熱速率加熱至1100±20℃，保溫4～6h；再以50～100℃/h加熱速率加熱至1240±20℃，保溫15～20小時；取出加熱鋼錠8，切除鋼錠的冒口端和尾端分別約為10％～15％和8％～10％的鋼錠重量。針對切除得到的主體鋼錠8采用鐓粗和拔長變形方式鍛制開鋼坯，鐓粗、拔長比均大于3.0，鐓粗、拔長的終鍛溫度需要控制在850℃以上。第二次鐓粗后將鍛鋼坯12拔長、滾圓預(yù)制成直徑為的圓柱狀坯料13，并下料為的圓柱坯料15。

步驟二、中間預(yù)制板坯的鐓粗變形，將預(yù)制成形的圓柱坯料15在加熱爐溫度1250℃±10℃加熱。在重型水壓機工作臺面上安裝下胎模具16，其下胎模具16中的三個型腔為中間預(yù)制板坯4設(shè)計時所對應(yīng)的核反應(yīng)堆大型封頭鍛件21的進水管嘴1和出水管嘴2和3。將加熱均溫的圓柱坯料15垂直放置在胎模具16上，盡量將兩者的中心線進行對中，在圓柱坯料15上放置尺寸為的鐓粗平板14，鐓粗平板14亦需要盡量對準上述的中心線。然后，采用重型水壓機進行鐓粗變形，圓柱坯料15在胎模具16上鐓粗壓下變形量約36％，總壓下行程為△h＝1500mm時停止。

步驟三、分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造預(yù)制中間毛坯板料18，將鐓粗平板14從坯料上吊離，采用砧寬為900～1200mm的平砧17錘頭繼續(xù)對坯料進行分區(qū)旋轉(zhuǎn)鍛造，控制終鍛溫度在850℃以上。當坯料18上端面距下胎模具16的上端面高度為hp＝600～700mm，坯料18的外圓直徑大于6750mm，其上平砧錘頭最大行程控制在2000mm內(nèi)，停止旋轉(zhuǎn)鍛造，測量坯料尺寸。

步驟四、將中間預(yù)制毛坯板料18空冷至室溫，檢查鍛造成形后的中間預(yù)制板毛坯18質(zhì)量，采用機加工方法制備成設(shè)計的中間預(yù)制板坯4形狀及尺寸。

將所述的中間預(yù)制板坯4加熱后在重載液壓機載荷作用下熱沖壓成形為帶凸出管嘴的整體封頭鍛件21。

具體實施步驟描述為：

步驟一、安裝成形模具；上沖頭模具19為上端部位為直徑與大封頭的內(nèi)部球半徑的圓柱，在半球狀的沖頭方向加工有5～10°脫模錐度；下端為沖頭，其球半徑小于大封頭的內(nèi)部球半徑。熱沖壓成形所用的下模圈20為內(nèi)徑大于大封頭的外部端面球的最大直徑30～50mm，其模圈壁厚大于650mm。

步驟二、中間預(yù)制板坯4加熱工藝；將中間預(yù)制板坯4在400℃以下裝入加熱爐，并使中間預(yù)制板坯4凸出部位的方向朝下，以≤100℃/h的加熱速率加熱至720℃～800℃，保溫1.5～3.5h，再以100～150℃/h的加熱速率加熱至1000～1100℃，保溫2.5～4.5h，使中間預(yù)制板坯4的加熱溫度均勻。

步驟三、熱沖壓成形；將均溫后的中間預(yù)制板坯4放置到成型模具的模圈上，盡量保證上模具沖頭19、中間預(yù)制板坯4及下模圈20三者的中心線重合。重載液壓機加載將中間預(yù)制板坯4在壓力作用下熱沖壓成形封頭鍛件21。

步驟四、熱沖壓成形過程中，重型水壓機熱沖壓成形時上模具沖頭19速率控制在10～25mm/s，壓速率是先20～25mm/s壓下總壓下量約1/2，再采用10～15mm/s壓下速率緩慢壓下達到總壓下量穩(wěn)定成形以減少表面起皺，中間預(yù)制板坯4中心區(qū)域部位及壁厚方向緩慢拉薄，并使中間預(yù)制板坯4凸出部位金屬充分自由流動，熱沖壓成形結(jié)束后將封頭鍛件21從下模圈20取出，上模具沖頭19向下壓下總行程控制在圓球底部到模具開口水平距離尺寸減去成形封頭機械加工前毛坯設(shè)計的厚度尺寸，終鍛溫度控制在850℃以上。

本發(fā)明解決了核電設(shè)備壓力容器封頭直徑大，帶多個位置凸出管嘴整體鍛造的關(guān)鍵技術(shù)難點，同時有效減少熱沖壓時鍛件起皺和拉裂等問題，使制件性能更加均勻。

本發(fā)明用于生產(chǎn)制造核反應(yīng)堆帶多個凸出管嘴大型封頭鍛件，成形后封頭鍛件21尺寸滿足機械加工時所需形狀要求及檢測截面和零件剖示截面。

以上所述實例僅是本專利的優(yōu)選實施方式，但本專利的保護范圍并不局限于此。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本專利原理的前提下，根據(jù)本專利的技術(shù)方案及其專利構(gòu)思，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本專利的保護范圍。