熔覆-鍛造一體成形工藝及其所用的熔覆-鍛造設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種重型高端結構件成形制造工藝及其成形裝備，特別涉及一種熔覆-鍛造一體成形工藝及其所用的熔覆-鍛造設備。
【背景技術】
[0002]現如今，全球核電工業已進入了一個高速發展時期，為了改善能源結構，各工業發達國家和發展中國家都在積極致力于核電的發展。目前的核電產業已經發展到第三代核電技術，即采用AP1000核能電站。該核電站的裝備中，其關鍵部件(包括壓力容器、蒸汽發生器等)全部采用鍛件制造。傳統自由鍛核電鍛造工藝，由于鍛造精度低，形成很大加工余量；成形能力差，大量的結構無法成形，需靠“敷料”來簡化鍛件，因而增加了鍛件重量；更為重要的是，為保正“鍛透”，保證各種自由鍛工藝規范的執行，必件采用數倍于鍛件重量的鋼錠，材料浪費十分嚴重。這些關鍵部件不僅尺寸巨大，而且外形也較為復雜，因此這種大型鍛件的制造是核電站制造中的一大難題。蒸汽發生器中的水室整體頂蓋(如圖1所示)，由于其尺寸巨大，外形復雜，品質要求高，現有技術制造周期長，加工成本高，效率低下。
【發明內容】
[0003]為了彌補以上不足，本發明提供了一種熔覆-鍛造一體成形工藝及其所用的熔覆-鍛造設備，該熔覆-鍛造一體成形工藝及其所用的熔覆-鍛造設備能夠完成重型高端結構件成形制造，其成形件的質量高，制造周期短，材料利用率高。
[0004]本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是:一種熔覆-鍛造一體成形工藝，具體步驟如下:
[0005]步驟一:對鍛件進行建模、模擬分析后將模型進行分層處理，將鍛件自下而上分成η層(η大于等于I)；
[0006]步驟二:對進行分層處理后處于最下面的第一層采用3D熔覆成形工藝進行成形，獲得第一層熔覆成形坯件；
[0007]步驟三:對已經成形的第一層熔覆成形坯件進行鍛造處理，使其達到設計要求，進而獲得第一層半成品；
[0008]步驟四:在第一層半成品上采用3D熔覆成形工藝進行成形形成第二層熔覆成形坯件；
[0009]步驟五:對已經成形的第二層熔覆成形坯件進行鍛造處理，使其達到設計要求，進而獲得第一、二層半成品；
[0010]步驟六:將上述步驟循環進行，經歷η次3D熔覆成形和η+1次鍛造處理后獲得鍛件成品。
[0011]作為發明的進一步改進，3D熔覆成形工藝以激光束、電子束、電弧、熱噴射和冷噴射中的一種或多種的組合能源作為使能技術(Enable Technologies) ο
[0012]一種熔覆-鍛造設備，包括垂直承載機架、垂直主油缸、垂直智能壓頭、水平智能壓頭、旋轉工作臺、水平承載機架、水平油缸、水平承載機架提升油缸、下模具、活動橫梁、垂向加壓裝置、3D熔覆成形裝置、傳感系統和控制系統，所述垂直承載機架固定安裝于地面，垂直主油缸的缸體固定安裝于垂直承載機架下半圓梁上，其活塞桿能夠縱向伸縮，活動橫梁能夠沿縱向滑動設于垂直承載機架內，活動橫梁與垂直主油缸的活塞桿相連接，旋轉工作臺能夠繞豎直的軸轉動定位于活動橫梁上，下模具能夠固定安裝于旋轉工作臺上，水平承載機架縱向能夠滑動套設于垂直承載機架上，水平承載機架提升油缸的缸體與垂直承載機架固連，水平承載機架提升油缸的活塞桿與水平承載機架固連，至少一個水平油缸和至少一個3D熔覆成形裝置分別固定安裝于水平承載機架上，水平承載機架中心形成與旋轉工作臺正對的鏤空部，各個3D熔覆成形裝置的噴頭能夠經該鏤空部在旋轉工作臺上的下模具內進行工件的3D熔覆成形，垂直智能壓頭縱向能夠伸縮固定定位于垂直承載機架的上半圓梁上，至少一個水平智能壓頭沿水平方向能夠伸縮固定定位垂直承載機架的上半圓梁上，且各個水平智能壓頭恰能夠與水平承載機架上各個水平油缸的活塞桿一一對應，垂向加壓裝置與垂直承載機架上半圓梁固連，垂直加壓裝置的的活塞桿恰能夠緊抵下模具內工件上端表面，各個傳感系統分別安裝于垂直智能壓頭、水平智能壓頭和3D熔覆成形裝置上并能感應到鍛件溫度、壓頭對鍛件的壓力、鍛件金屬流動位移數據和3D熔覆成形裝置的噴頭與工件的位置關系并傳信于控制系統，控制系統控制旋轉工作臺、垂直主油缸、水平油缸、水平承載機架提升油缸、垂直智能壓頭和水平智能壓頭、垂向加壓裝置和3D熔覆成形裝置動作。
[0013]作為發明的進一步改進，3D熔覆成形裝置包括激光熔覆噴頭、熔覆機器人、激光器、送料器和冷水機，所述熔覆機器人包括沿水平承載機架徑向延伸的水平懸臂、沿縱向延伸的垂直懸臂和噴頭定位塊，所述垂直懸臂能夠沿水平懸臂延伸方向滑動定位于水平懸臂上，噴頭定位塊能夠沿縱向升降定位于垂直懸臂上，激光熔覆噴頭能夠繞與水平承載機架徑向垂直的水平軸旋轉擺動定位于噴頭定位塊上，激光器和送料器分別給激光熔覆噴頭提供激光和熔覆原料(粉末或絲材)，冷水機用于給激光器冷卻。
[0014]作為發明的進一步改進，還設有上砧子固定板和上砧子，所述上砧子固定板固定安裝于垂直承載機架上半圓梁上，上砧子能夠固定安裝于上砧子固定板上，垂直智能壓頭和水平智能壓頭分別固定安裝于上砧子上。
[0015]作為發明的進一步改進，所述水平油缸的活塞桿端部固定安裝有水平砧子。
[0016]作為發明的進一步改進，所述水平油缸和熔覆機器人的數量均為四個，水平油缸和熔覆機器人分別對應均勻分布于水平承載機架上，且各個水平油缸活塞桿能夠與各個水平智能壓頭聯動保持一一同軸正對的位置狀態，各個熔覆機器人的水平懸臂與對應的水平油缸軸向平行。
[0017]作為發明的進一步改進，所述下模具上設有加熱處理裝置。
[0018]作為發明的進一步改進，所述垂直承載機架水平承載機架均為預應力鋼絲纏繞機架，水平承載機架邊緣上能夠拆卸設有一圈活動護欄。
[0019]作為發明的進一步改進，所述旋轉工作臺由步進系統帶動在工件在垂直智能壓頭和水平智能壓頭4對擊的間隙進行步進旋轉。
[0020]本發明的有益技術效果是:本發明將金屬3D打印熔覆成形工藝(以及類似熔覆成形的3D打印工藝)和鍛造工藝通過技術集成，實現了邊熔覆、邊鍛造的新型工藝方法，其將工件分成若干份，然后逐步的在熔覆過程中實現鍛造或鍛造過程中實現熔覆，在一臺熔覆-鍛造設備上，通過熔覆-鍛造(CF——Cladding-Forge) 一體成形工藝，完成重型高端結構件成形制造，其成形件的質量達到并超過鍛件，而制造周期縮短20?80%，材料利用率提尚到70?80 %。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所述的正方形截面柱體的立體圖；
[0022]圖2為本發明所述的正方形截面柱體的η等分示意圖；
[0023]圖3為本發明所述的正方形截面柱體第一底層熔覆成形示意圖；
[0024]圖4為本發明所述的正方形截面柱體第一層鍛造示意圖；
[0025]圖5為本發明所述的正方形截面柱體第二層熔覆成形示意圖；
[0026]圖6為本發明所述的正方形截面柱體第二層鍛造示意圖；
[0027]圖7為本發明所述的正方形截面柱體頂層熔覆成形示意圖；
[0028]圖8為本發明所述的正方形截面柱體頂層鍛造示意圖；
[0029]圖9為本發明所述的熔覆-鍛造設備結構原理圖；
[0030]圖10為本發明的上砧子及其上的垂直和水平智能壓頭結構圖；
[0031]圖11為本發明的水平承載機架立體圖；
[0032]圖12為本發明所加工的核電深封頭截面圖；
[0033]圖13為本發明所加工的封頭底部熔覆成形過程示意圖；
[0034]圖14為本發明所加工的封頭底部鍛造過程主視圖；
[0035]圖15為本發明所加工的封頭底部鍛造過程立體圖；
[0036]圖16為本發明