面向制造與熱壓工藝的半弦管模具設(shè)計

郭 忠，侯志剛，應(yīng) 華，于 濤

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺264005)

面向制造與熱壓工藝的半弦管模具設(shè)計

郭 忠，侯志剛，應(yīng) 華，于 濤

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺264005)

針對自升式海洋石油鉆井平臺支撐樁腿熱壓工藝及模具制造過程的特點，設(shè)計了分段組合式半弦管熱壓模具，避免了采用超大鍛件以及數(shù)控加工等方面的難題.通過模具行走系統(tǒng)和壓力機外的頂升機構(gòu)，解決了高溫板材的上料和在壓力機內(nèi)取件困難的問題.

半弦管;熱壓;工藝;模具

自升式鉆井平臺，又稱為樁腳式鉆井平臺，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的鉆井平臺.此類平臺帶有能夠自由升降的樁腿，作業(yè)時樁腿下伸到海底，站立在海床上，利用樁腿托起船殼，并使船殼底部離開海面一定的距離.拖航時樁腿收回，船殼處于漂浮狀態(tài).樁腿是自升式海洋石油平臺的關(guān)鍵部件，通常由3組樁腿支撐整個平臺系統(tǒng)的重量.每組樁腿采用三弦桿式，即由水平腹桿和斜桿采用K型或X型桁架將正三角形排列的3根樁腿弦管連接起來，如圖1所示.樁腿長度隨平臺型號而不同，最長可達150 m，由多段短樁腿焊接而成.每段短樁腿由2根截面為半圓形、厚度38～120 mm、長度為8 m左右的半弦管中間夾厚齒條焊接而成［1］，如圖2所示.

圖1 自升式平臺樁腿結(jié)構(gòu)Fig.1 Supporting structure of jack up platform

圖2 樁腿弦管實物圖Fig.2 Actual picture of the spud leg

半弦管有多種制造方式，其中熱壓成型的產(chǎn)品質(zhì)量最好，但對熱壓模具和熱壓工藝的要求很高.目前國際上僅有美國、奧地利等少數(shù)幾個國家能夠獨立生產(chǎn)熱壓樁腿弦管.我國在這方面的研究起步較晚，設(shè)備也比較落后，尤其是半弦管模具的設(shè)計和制造方面，急需重要的技術(shù)突破.本文針對用戶的籠式壓力機，充分考慮了模具制造過程和產(chǎn)品熱壓工藝的要求，對半弦管熱壓模具進行了優(yōu)化設(shè)計，在模具結(jié)構(gòu)、上下料方式等方面進行了革新.采用本研究成果后，煙臺來福士海洋工程有限公司成為世界上少數(shù)幾個能夠獨立生產(chǎn)樁腿弦管的廠家之一.

1 半弦管熱壓模具的制造及熱壓工藝要求

1.1 半弦管及其技術(shù)參數(shù)

以JU2000E型平臺半弦管為例，圖3為其截面圖，長度為7.6 m.所用材料為ASTM A-514，內(nèi)側(cè)倒角在壓制前加工，外側(cè)焊接坡口在熱壓成型后，經(jīng)熱處理、整型，由機加工完成.

圖3 JU2000E型半弦管截面尺寸Fig.3 Section of JU2000E type half chord

1.2 模具制造的要求

1.2.1 模具強度模具在熱壓過程中承受很大的鍛壓力，需要足夠的強度.

根據(jù)鍛壓手冊，半弦管熱壓的鍛壓力公式如下［2］

1.2.2 加工與運輸根據(jù)半弦管的尺寸，估算模具的總長度約為8 m，總重量達50 t以上.如果按照傳統(tǒng)的整體式模具設(shè)計，僅下模單重就超過40 t，這將給制造和運輸帶來很大困難，因此要求在模具設(shè)計過程中必須加以考慮，采用便于加工和運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu).

1.2.3 裝配模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計還必須同時考慮裝配的要求，既要實現(xiàn)安裝、調(diào)試和維護保養(yǎng)方便，又要保證模具有足夠的精度和整體強度［3］.

1.3 熱壓工藝的要求

1.3.1 工件結(jié)構(gòu)與精度半弦管是細長結(jié)構(gòu)，在熱壓過程中既要保證截面形狀準確，又要保證長度方向的直線度要求.因此在模具設(shè)計過程中，首先要精確考慮材料收縮率，得到正確的截面形狀，其次要采用適當?shù)捻敵鼋Y(jié)構(gòu)，減少工件在長度方向的彎曲、扭曲等變形［4］.

1.3.2 熱壓溫度按照正常的工作循環(huán)，工件始鍛溫度為900℃，終鍛溫度為750℃.因此一方面要求模具能夠承受高溫，具有良好的高溫硬度、強度和精度.另一方面，要求模具結(jié)構(gòu)能夠保證實現(xiàn)正常的工作循環(huán)，杜絕因過程中斷或延時造成工件溫度過低引起質(zhì)量事故［5］.

1.3.3 壓力機結(jié)構(gòu)所用壓力機為籠式結(jié)構(gòu)，如圖4所示，主要技術(shù)參數(shù)，最大壓力:20 000 t;開模高度:900 mm;立柱間最大寬度:1.3 m;最小合模高度:700 mm.

模具設(shè)計中必須根據(jù)壓力機的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工件方便的上下料，以及模具自身的安裝過程.

式中:P為鍛壓力;b為工件長度，b=8 m;rn為工件內(nèi)半徑，rn=0.14 mm;t為工件厚度，t=0.082 3 m;為工件材料的高溫強度，ASTM A-514在900℃時，=78 MPa.

圖4 壓力機Fig.4 Press machine

將上述參數(shù)帶入公式可得P=2×8×0.14× ln(1+0.0823/0.14)×78×106=8.08×107(N)= 8 080 t.

上式所得為始壓溫度900℃時的鍛壓力.考慮到壓制過程中的熱量損失，溫度降低會導(dǎo)致所需鍛壓力顯著增加，根據(jù)常用鋼材的性能估算，在750℃終鍛時，鍛壓力將比900℃時增加60%以上，達到大約13 000 t.

1.3.4 工件上下料方式受壓力機的結(jié)構(gòu)限制，工件不能采用傳統(tǒng)的側(cè)面上下料方式.如果從壓力機端面上下料，則由于工件細長，難度很大.如果上料時間太長，工件冷卻，不能保證熱壓溫度，會給壓力機和模具造成損害，也不能保證工件的成型精度［6］.

2 半弦管熱壓模具設(shè)計

2.1 模具的總體結(jié)構(gòu)和熱壓工作循環(huán)

模具由下模(陰模)和上模(陽模)組成，模具陰、陽模均采用熱作模具鋼5CrNiMo［7］，有上下料、定位、頂出等幾大功能系統(tǒng).為了滿足前述模具制造和熱壓工藝的要求，模具在總體上采用了模塊化結(jié)構(gòu)［8］:沿長度方向?qū)⒛＞叻殖蓴?shù)段，分段加工，在工作現(xiàn)場組裝.這樣就解決了因毛坯尺寸太大鍛造困難以及數(shù)控加工和運輸困難等問題.

在壓力機外專門建有用導(dǎo)軌和壓力機連為一體的坑道，里面設(shè)置頂出油缸.模具上帶有輪子和驅(qū)動裝置，能夠沿導(dǎo)軌自動進出壓力機并且自動定位，這樣可以實現(xiàn)在壓力機外上料和頂出工件.

模具在到達鍛壓位置時，需要降落，底部和壓力機臺面接觸，同時輪子懸空，而在壓制完成后，需要將模具升起，使得模具底面抬離壓力機工作臺，同時輪子和導(dǎo)軌平齊.這些功能通過在導(dǎo)軌上設(shè)置液壓控制的活塊實現(xiàn).

模具工作循環(huán)如下.

(1)上料:下模在壓力機外固定位置，坑道內(nèi)的油缸將頂件器升起，上料叉車將加熱好的鋼板放在升起的頂件器上.

(2)鋼板定位:頂件器緩慢落下，鋼板在定位塊內(nèi)側(cè)斜面的導(dǎo)向下，落入定位塊所限定的位置，實現(xiàn)鋼板對中定位［9］.

(3)下模進入壓力機:驅(qū)動裝置帶動下模進入壓力機，到達工作位置后，壓力機工作臺導(dǎo)軌上設(shè)置的活塊在薄型油缸的控制下降落，使下模落在工作臺墊板上.同時，墊板上的V形定位凸臺與模具底部的定位槽配合，實現(xiàn)模具對中定位.

(4)熱壓:壓力機合模，經(jīng)過加壓、保壓，完成壓制成型.

(5)開模:上模升起，工件留在下模型腔內(nèi).

(6)頂出取件:軌道上的活塊升起與軌道平齊，托起下模，驅(qū)動裝置帶動下模到壓力機外固定位置，頂件器升起，將成型后的半弦管從下模型腔內(nèi)頂出，叉車完成取件，同時準備下一塊鋼板上料，至此完成一個工作循環(huán).

2.2 面向模具制造的設(shè)計方案及實現(xiàn)

2.2.1 分段結(jié)構(gòu)根據(jù)工件的長度，模具總長度確定為8 m.通過有限元分析計算，結(jié)合壓力機的結(jié)構(gòu)尺寸，模具在合模狀態(tài)下的截面確定為1.0 m×0.9 m.模具總重量約56 t，其中下模約44 t.

模具沿長度方向分成4段，每段2 m.每段模具的結(jié)構(gòu)基本相同，減輕了設(shè)計的工作量.同時，加工也由單件變?yōu)椤俺山M”，工藝得以簡化，提高了加工效率和質(zhì)量［10］.

2.2.2 端面鍵與耳板結(jié)構(gòu)各段模具之間采用端面鍵進行定位，保證工件在長度方向的直線度要求，實現(xiàn)快速、準確的定位安裝.

為了使各段模具頂起和落下時同步動作，同時保證模具的整體強度，各段模具的兩端設(shè)計有L型連接板，通過螺栓進行連接(圖5).

圖5 段間定位和連接Fig.5 Positioning and connecting in parts

2.2.3 整體裝配各段模具裝配成整體如圖6所示.通過上述分段結(jié)構(gòu)及定位和連接方式，可以保證模具整體具有足夠的精度和連接強度.

圖6 模具整體示意圖Fig.6 Schematic diagram of the whole die

2.3 面向熱壓工藝的設(shè)計方案及實現(xiàn)

2.3.1 型腔及模具截面形狀根據(jù)圖3所示半弦管截面尺寸，取工件材料收縮率α=0.55%，計算得模具型腔截面理論尺寸為Rm=R×α=222.21× 0.005 5=223.43 mm.實際尺寸需要加2 mm左右的間隙，型腔截面實際尺寸確定為Rm=225.4 mm.以型腔尺寸為依據(jù)設(shè)計模具截面形狀如圖7所示.

2.3.2 毛坯的對中定位根據(jù)工件截面圖計算，毛坯鋼板的寬度為L=568.15 mm.加上適當?shù)挠嗔浚鲗挾榷?80 mm.經(jīng)計算，鋼板加熱后，寬度大約為600 mm.

在凹模頂面，設(shè)置適當數(shù)量對稱布置的定位塊.定位塊厚80 mm，內(nèi)側(cè)有一段斜面起導(dǎo)向作用，兩側(cè)定位塊之間的距離為600 mm.定位塊同時兼做限位器，如圖8所示.

圖7 模具截面示意圖Fig.7 Schematic diagram of the die section

圖8 毛坯定位和對中Fig.8 Structure for position and centering of plate

2.3.3 模具的牽引運動下模通過牽引機構(gòu)帶動，可將模具開出壓力機，實現(xiàn)在機外上料和頂出工件.牽引機構(gòu)如圖9所示，由2臺交流電機并聯(lián)驅(qū)動，做成小車形式與模具連接，外部坑道上部除了布置有導(dǎo)軌外，在內(nèi)側(cè)還布置有齒條，電機通過齒輪齒條，驅(qū)動模具運動.下模兩側(cè)安裝有輪子，整個下模在牽引小車的驅(qū)動下，可以做進出移動.

圖9 牽引小車Fig.9 Driving equipment

2.3.4 模具的升降和定位為了實現(xiàn)在壓力機外上料和頂出，需要下模在成型時落在壓力機底座，并能夠定位.在頂出及上料時，又能夠抬離工作臺，并通過導(dǎo)軌和輪子，由牽引機構(gòu)驅(qū)動，運行到工作臺外.模具的舉升和降落，由設(shè)置在工作臺導(dǎo)軌上的16個活塊來實現(xiàn)，活塊由超薄型油缸驅(qū)動，如圖10所示.

圖10 升降控制Fig.10 Lift control

輪子可以沿著其下方嵌在底板上的導(dǎo)軌滾動.模具在壓力機中的停靠位置處，每個輪子下的一小段導(dǎo)軌做成活塊，可以上下移動.模具需要移動時，通過下方薄型千斤頂頂起使模具抬起5 mm，活塊與導(dǎo)軌平齊，以保證模具順利移出.

模具在上料后，運行到工作位置時，千斤頂落下，活塊隨之落下，模具也落下定位，這時模具下模底面和底板面接觸，輪子處在懸空狀態(tài)，保證上下合模時不會使輪子受力而損壞.

2.3.5 工件頂出機構(gòu)對于長度達8 m的半弦管，為了能穩(wěn)定地將工件頂出，頂出桿設(shè)計成如圖11所示的U形結(jié)構(gòu).U形頂部適當?shù)爻龉ぜ庵睆揭欢尉嚯x，兩端頂面形成小平面.頂桿沿軸向均勻地設(shè)置4根，在頂出時同時升起，包絡(luò)工件外形，穩(wěn)定地將工件頂離下模型腔.在上料的時候，頂桿上升到一定高度，由頂桿頂端的小平面承接加熱的鋼板，然后緩慢地落下，由下模上的導(dǎo)向定位塊將鋼板導(dǎo)入定位槽中，實現(xiàn)毛坯的對中定位.

2.3.6 壓力機外上下料機構(gòu)前文述及，受籠式壓力機結(jié)構(gòu)限制，從一端送料和出件非常困難，而且由于開模高度的限制，在壓力機內(nèi)頂出也難以實現(xiàn).為了解決這些難題，采用在壓力機外部上料和頂出，在縮短了上料時間的同時保證了工件的壓制溫度，避免由于溫度過低造成回彈，影響最終成型尺寸，損傷模具和壓力機.

在壓力機進料端，筑水泥混凝土坑道，坑道上面兩側(cè)鋪設(shè)軌道，如圖12所示.該軌道與壓力機底板上的鐵軌相接，如圖13所示，形成完整的下模運行軌道.坑道里在與下模頂出桿相對應(yīng)的位置，設(shè)置頂出油缸，油缸的高度及行程既要不妨礙模具行走，又要頂出足夠行程.

圖11 模具頂桿Fig.11 Ejector bar

圖12 外部坑道Fig.12 External tunnel

圖13 外部坑道與壓力機銜接Fig.13 Connection of external tunnel and press machine

3 結(jié)論

海洋石油鉆井平臺樁腿半弦管，是生產(chǎn)鉆井平臺支撐樁腿的重要大型構(gòu)件.長期以來，受制于國外的技術(shù)壟斷，以及模具加工技術(shù)、熱壓設(shè)備和工藝的限制，我國一直不能實現(xiàn)完全獨立自主的生產(chǎn)，而不得不依賴于進口.在關(guān)鍵的熱壓模具方面，如果按照目前傳統(tǒng)的模具設(shè)計制造方法，無論從制造、運輸?shù)桨惭b調(diào)試以及精度都無法滿足使用要求，這就要求我們必須在模具的設(shè)計方法層面取得突破.

本研究根據(jù)我國企業(yè)的實際情況，充分利用企業(yè)現(xiàn)有的壓力機及相關(guān)設(shè)備，在不增加額外投資的基礎(chǔ)上，采用基于面向制造過程及熱壓工藝的設(shè)計方法，在模具的設(shè)計過程中，針對大型模具制造過程中的條件約束，以及半弦管熱壓工藝的技術(shù)要求進行總體設(shè)計，實現(xiàn)了模具制造并行工程的思想，降低了成本，提高了效率，保證了大型模具制造的成功率，這對于其他大型模具的設(shè)計制造也有重要的意義.

在具體的設(shè)計過程中，采用模塊化結(jié)構(gòu)，將模具分塊制造，在生產(chǎn)現(xiàn)場拼裝，解決了材料鑄鍛、機械加工以及運輸和安裝不便的難題.另外，采用可移動式下模，實現(xiàn)了在壓力機外上料和取件，徹底克服了籠式壓力機的結(jié)構(gòu)缺陷，提高了生產(chǎn)效率.該設(shè)計方案在相關(guān)企業(yè)得到實際應(yīng)用，取得了非常滿意的效果.

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Design of Semi-chord Mold for Manufacturing and Hot Pressing Process

GUO Zhong，HOU Zhi-gang，YING Hua，YU Tao
(School of Mechatronics and Automobile Engineering，Yantai University，Yantai 264006，China)

According to the mold manufacturing and hot pressing process in the manufacturing of supporting leg in jack up offshore platform，a special mold structure is designed.The troubles in CNC machining and forging of large parts are avoided successfully through a combination of segmented design.By adding a set of driving and lifting mechanism out of the press，the difficulties in feeding the high-temperature plate and removing the finished parts are solved effectively.

semi-chord;hot pressing;process;mold

TG305

A

(責(zé)任編輯 蘇曉東)

1004-8820(2015)02-0151-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.02.014

2014-11-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(11202179).

郭忠(1964-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，碩士，主要從事機械CAD/CAM/CAE技術(shù)研究.