CN105057987B - 一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，针对大直径椭球形封头、小直径管嘴的结构特点和封头内表面无明显褶皱等缺陷的要求，设计了“斜线拉锥”、“圆弧封底”和“椭球收口”三组多道次正旋组合轨迹，并确定旋压速度和温度，使管嘴增厚明显，封头、管嘴满足加工要求、封头肩部与筒体过渡圆滑、封头内表面无明显褶皱；此外，在第三组曲线采用补偿设计，使内衬管嘴R角处增厚明显，提高复合气瓶水压自紧试验、疲劳和爆破性能的可靠性；同时，通过旋压前对管坯退火处理、旋压后对内衬R角附近内表面利用特制工装打磨，控制了管嘴R附近内表面的褶皱、裂纹等缺陷风险。

Description

一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法

技术领域

本发明属于航天用复合材料气瓶制造技术领域，具体涉及一种大直径柱形复合材料气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压成形及过程缺陷控制方法。

背景技术

航天用复合材料气瓶由金属内衬和外层复合材料缠绕层组成，无焊缝金属内衬重量要求苛刻(选用轻质高性能铝合金)，且容积大、直径大，尺寸精度要求高、收口旋压后内表面要求无褶皱、裂纹等缺陷，对收口旋压工艺要求大大提高。目前，国外已掌握了高精度无缝铝合金内衬收口旋压技术，美国结构复合材料工业公司早在1986年采用旋压工艺制备出了厚度为2.44mm无缝铝内衬，2011年旋压无缝铝内衬厚度可达0.8mm，直径范围为70～500mm量级(于斌等，国内外空问复合材料压力容器研究进展及发展趋势分析，压力容器，2012,29(3),30-41)，采用单组椭球形曲线进行收口旋压；国内，目前已公开的民用及航空航天等领域应用的大直径(范围一般为300～400mm量级)无焊缝铝合金内衬制造工艺是利用数控收口旋压设备，多选用单组多道次正旋、反旋或正反旋结合的椭球形曲线工艺轨迹(中国专利，申请号：CN201010295347.5；中国专利，CN：11-1942/TG；中国专利，申请号CN201010224138.1)。针对大直径铝合金内衬收口旋压，其筒形管坯壁厚一般为6～10mm，收口旋压变形大的特点，单组曲线收口旋压后管嘴部位易被旋薄或增厚不明显，管嘴车加工厚度余量不足而易导致产品报废；此外，单组曲线收口时管嘴根部R角处增厚余量不足，复合气瓶金属内衬管嘴根部R角处为应力集中处，且气瓶外层复合材料对R角处没有轴向承力作用，R角处增厚效果不明显易导致复合材料气瓶在水压自紧、疲劳或爆破试验时R角处发生泄漏；另外，目前采用的收口旋压工艺使内衬封头内表面(特别是R角附近区域)不可避免地会产生褶皱、裂纹等缺陷，这些缺陷的存在可能致使后续复合材料气瓶在水压自紧、疲劳和爆破试验发生泄漏，成为裂纹起源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述问题，提供一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，采用三组多道次正旋组合工艺进行铝合金管材收口旋压，使内衬管嘴部位及R角处明显增厚，旋压后封头、管嘴尺寸满足加工要求。

本发明进一步解决的技术问题是：同时通过旋压前对管坯退火处理、旋压后对内衬R角附近内表面利用特制工装打磨，控制了管嘴R附近内表面的褶皱、裂纹等缺陷风险。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，包括如下步骤：

步骤(一)、将铝合金筒形管材坯料即管坯装卡于数控收口旋压设备上，并伸出装卡端面一定长度待收口旋压，待旋管坯圆度跳动控制＜0.5mm；

步骤(二)、预热管坯内、外表面至180-220℃；

步骤(三)、旋压筒形管坯至小管嘴、椭球形封头的预设形状；旋压过程中依次进行三组正旋，分别为“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”；其中，第一组“斜线拉锥”中第一道次是从管坯起旋位置开始，沿斜向下方约3-5°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续道次直线旋压的角度依次均匀增大，管坯端面最终旋压成圆锥形，口部直径为50～60mm；第二组“圆弧封底”是从圆锥口部边缘处起旋，沿圆弧轨迹旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形；第三组“椭球收口”中第一道次从管坯起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至管嘴位置停止，后续道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小，旋压出满足加工要求的管嘴长度及椭球封头尺寸结束；

步骤(四)、在管嘴根部增加垂直管嘴的旋压，在保证管嘴不失稳下，旋压至管嘴根部，并在管嘴根部的椭球面上旋出一个平台；

步骤(五)、将铝合金管材从数控收口旋压设备上卸下，掉转铝合金管材对未成形端重复步骤(一)～(四)。

在步骤(五)后增加步骤(六)、在内衬旋压件两端管嘴的中心位置打孔，其直径小于图纸管嘴内径，利用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔，分别对两端管嘴R角内表面打磨20～30min。

所述的管嘴R角内表面打磨工装为直径小于管嘴孔的杆件，杆件一端固定条状打磨沙带，沙粒面朝杆件方向安装，另一端与气动风砂轮手柄相连。

所述步骤(一)中铝合金管坯为退火状态，制度为330～370℃，1～3h，空冷。

所述步骤(一)中装卡长度值为数控收口旋压设备的旋轮与装卡面之间最小安全距离和管坯旋压长度相加。

所述步骤(三)中，管坯起旋位置在伸出的管坯上，即管坯端面到起旋点的距离，该距离值由旋压成形后整个封头体积除以管坯壁厚估算，试旋后确定。

所述步骤(三)中，第一组“斜线拉锥”的斜线轨迹与管坯筒段之间为椭圆圆弧过渡。

所述步骤(三)，在第一、三组旋压过程中，旋轮轴心平行于管坯，在第二组旋压过程中，旋轮轴心与管坯成50～70°角。

所述步骤(三)，旋压过程中旋轮厚度为80～100mm，圆角半径为R12～18。

所述步骤(三)，旋压过程中数控收口旋压设备的主轴转速为150～200r/min；旋轮速度为600～800mm/min。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明针对内衬旋压件管嘴部位增厚问题，采用三组多道次正旋组合工艺收口旋压，第一组将管坯旋压成圆锥形，第二组将管口完全封毕后，进一步增加预设管嘴位置附近区域厚度，从而保证在第三组旋压管嘴时，管嘴壁厚明显增加，且封头曲面形状满足设计加工要求，提高了内衬产品的成品率；

(2)本发明针对内衬管嘴R角处增厚问题，在第三组最后几道次中增加管嘴R角处的补偿旋压，使加工后的内衬管嘴R角处增厚明显，增加了复合材料气瓶水压自紧、疲劳和爆破试验的可靠性；

(3)本发明针对收口旋压后封头管嘴内表面褶皱控制问题，通过旋压前对管坯退火处理、旋压后对内衬R角附近内表面利用特制工装打磨，控制了管嘴R附近内表面的褶皱、裂纹等缺陷风险，进一步提高气瓶产品可靠性。

附图说明

图1为本发明三组正旋曲线示意图；

图2为本发明第三组管嘴R角增厚补偿设计示意图；

图3为本发明R角内表面专用打磨工装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

步骤(一)、将铝合金筒形管坯装卡于收口旋压设备的卡具上，并伸出装卡端面一定长度待收口旋压，待旋管坯圆度跳动控制＜0.5mm。为控制收口旋压变形后封头管嘴内表面褶皱、裂纹等缺陷风险，旋压前对管坯退火处理，退火后管坯内应力得到释放，在热旋变形过程中产生褶皱甚至裂纹的趋势进一步减少，所述铝合金管坯为退火状态，制度为330～370℃，1～3h，空冷。所述卡具分为六爪，锁紧后其柱形内腔与筒形管坯贴合，材料为铜合金。所述装卡长度包括旋轮与卡盘之间最小安全距离100mm和管坯旋压长度。

步骤(二)、利用设备自动火焰喷枪预热管坯内、外表面至180-220℃。火焰用气体为氧气、乙炔。

步骤(三)、旋压筒形管坯至小管嘴、椭球形封头的预设形状。为增加内衬收口旋压后管嘴部位的厚度，采用三组正旋曲线进行旋压，正旋为旋轮运动方向与管坯变形方向一致，如图1所示，依次为“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”三组曲线。旋压过程中旋轮厚度为80～100mm，圆角半径为R12～18，主轴转速为150～200r/min，旋轮速度为600～800mm/min。

其中，第一组“斜线拉锥”旋轮轴心平行于管坯，该组第一道次是从管坯起旋位置开始，沿斜向下方约3-5°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续道次直线旋压的角度依次均匀以3-5°角度的步幅增大，管坯端面最终旋压成圆锥形，口部直径为50～60mm。第一组“斜线拉锥”曲线设计目的是为了旋压过程中料向口部及附近区域流动，避免直接“圆弧封底”带来椭球封头中间厚、口部薄的现象，保证内衬管嘴及附近区域封头有足够的厚度。此外，第一组“斜线拉锥”的斜线与管坯的直筒段采用椭圆圆弧过渡，避免拉锥后造成的封头环向旋压痕迹。另外，起旋位置在伸出的管坯上，即管坯端面到起旋点的距离，其值由旋压成形后整个封头体积除以管坯壁厚估算，试旋后确定。

其中，第二组“圆弧封底”旋轮轴心与管坯成50～70°角，该组第一道次从圆锥口部边缘处起旋，沿圆弧轨迹经3～5道次旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形。第二组“圆弧封底”的目的是进一步在预设管嘴位置及附近区域堆积足够的厚度，保证内衬封头管嘴有足够的厚度余量。

其中，第三组“椭球收口”旋轮轴心平行于管坯，该组第一道次从起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至管嘴位置停止，后续道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小，管嘴和椭球封头形状逐渐旋出，至满足加工要求的管嘴长度及椭球封头尺寸结束，由于第一、二组轨迹在预设管嘴位置的堆料，保证了管嘴的增厚。

步骤(四)、在管嘴根部增加垂直管嘴的旋压，在保证管嘴不失稳前提下，旋压至管嘴根部，并在管嘴根部的椭球面上旋出一个平台。如图2所示，在第三组“椭球收口”后，在管嘴根部增加垂直管嘴方向的旋压，在管嘴根部以上5～7mm处结束，避免由于旋轮直接旋至管嘴根部，导致料集中堆积到根部而造成管嘴的失稳，并旋压至管嘴根部附近的椭球面上旋出平台结束，管嘴根部垂直旋压的目的在于使管嘴根部的料流向R角内侧，在车加工管嘴和封头的外形后，使管嘴R角内侧厚度增加。

步骤(五)、将铝合金管材从数控收口旋压设备上卸下，掉转铝合金管材对未成形端重复步骤(一)～(四)，成形出两端为带管嘴的椭球封头、中间为圆柱形直线段的内衬旋压件。

步骤(六)、在内衬旋压件两端管嘴的中心位置打孔，其直径小于图纸管嘴内径，将专用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔，分别对两端管嘴R角内表面打磨20～30min。专用打磨工装如图3所示，该专用管嘴R角内表面打磨工装由直径小于管嘴孔的杆件5和条状打磨沙带6组成，杆件5一端固定80～100#条状打磨沙带6，沙粒面7朝杆件方向安装，另一端与气动风砂轮手柄8相连。打磨时，将杆件5和沙带6伸入管嘴孔中，气动风砂轮手柄8带动细长杆件5和沙带6高速旋转，沙带6在离心力的作用下展开呈圆形，利用朝向手柄端的沙带粒面7对管嘴R角内表面进行打磨，打磨约20～30min，肉眼观察不到褶皱或裂纹停止，进一步控制管嘴R附近内表面的深度微米量级的褶皱、裂纹等缺陷风险。

实施例1

以下给出一个具体的实施例，本实施例中柱形内衬为6061铝合金，容积为130L，长度为1276mm，直筒段长度为862mm，内径404mm，壁厚2mm封头为椭球形，封头内形面长半轴为200mm，短半轴为143mm，封头外形面长半轴为202mm，短半轴为149mm，管嘴长度为46mm，管嘴外圆φ50mm，管嘴内孔为φ26mm，R角厚度～7mm；旋压用管坯长度为1305mm，内径为404mm，壁厚为7.6mm，收口旋压前管坯经退火处理，制度为350℃，1h，空冷。以下为精密收口旋压成形的具体过程：

步骤(一)、将6061铝合金筒形管坯装卡于专用收口旋压设备的卡具上，并伸出卡具端面290mm，端面和装卡端的圆度跳动控制均＜0.5mm。

步骤(二)、预热管坯内、外表面至200℃。

步骤(三)、旋压过程中主轴转速为200r/min，依次进行“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”三组正旋。

其中，第一组“斜线拉锥”旋轮轴心平行于管坯，旋轮速度为800mm/min。第一道次是从距管坯口部端面为190mm的起旋位置开始，沿斜向下方约3°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续进行17道次直线旋压的角度依次均匀增大3°，最终旋压成圆锥形，口部直径为～50mm。第一组斜线旋压与筒段为椭圆过渡，椭圆轨迹长半轴为208mm，短半轴长度为180mm；

其中，第二组“圆弧封底”旋轮轴心与管坯成70°角，旋轮速度为600mm/min。第一道次是从圆锥口部边缘处起旋向圆锥底部旋压，经圆弧轨迹3道次轴向旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续13道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形，至其短半轴长度190mm。每道次间距为3mm；

其中，第三组“椭球收口”旋轮轴心平行于管坯，旋轮速度为800mm/min。第一道次从起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至距旋压管坯轴心高度为43mm的预设管嘴位置停止，后续18道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小3mm，旋压出100mm管嘴长度及椭球封头内形面满足设计要求结束。

步骤(四)、在第三组后增加三道次旋压，第一道次从起旋位置开始，沿沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至预设管嘴位置高出10mm处，转向垂直管嘴的旋压，至预设管嘴位置高出5mm处结束，后续两道次垂直转向点位置沿轴向分别递减2mm，至管嘴根部附近的椭球面上旋出直径～φ100mm小平台。

步骤(五)、收口旋压结束后，将铝合金管材从收口旋压设备上卸下，掉转铝合金管材对未成形端重复步骤(一)～(四)。

步骤(六)、铝合金管材收口旋压后，在内衬旋压件两端管嘴的中心位置打φ20mm孔，利用专用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔内，分别对两端管嘴R角内表面打磨20～30min，打磨工装为直径φ8mm，一端与气动手柄相连，另一端固定80#条状打磨沙带，沙粒面朝向手柄安装。

通过对本实施例中旋压后的内衬刨切面图进行分析，管嘴厚度及内形面尺寸满足设计要求。通过对加工后管嘴R角处刨切图可以看出，R角内表面出现明显小平台，R角处厚度达到～14mm，较设计要求的～7mm厚度明显增加。通过退火管坯收口旋压后管嘴R角可知，在退火处理后旋压内表面已无明显褶皱。通过打磨后管嘴R角内表面照片可知，打磨后内表面褶皱及裂纹进一步消除，降低表面缺陷风险。本实施例中获得的大容积铝合金内衬管嘴、封头形面及内表面质量满足设计要求，复合材料气瓶内衬产品的可靠性进一步提高。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(一)、将铝合金筒形管材坯料即管坯装卡于数控收口旋压设备上，并伸出装卡端面一定长度待收口旋压，待旋管坯圆度跳动控制＜0.5mm；

步骤(二)、预热管坯内、外表面至180-220℃；

步骤(三)、旋压筒形管坯至小管嘴、椭球形封头的预设形状；旋压过程中依次进行三组正旋，分别为“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”；其中，第一组“斜线拉锥”中第一道次是从管坯起旋位置开始，沿斜向下方约3-5°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续道次直线旋压的角度依次均匀增大，管坯端面最终旋压成圆锥形，口部直径为50～60mm；第二组“圆弧封底”是从圆锥口部边缘处起旋，沿圆弧轨迹旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形；第三组“椭球收口”中第一道次从管坯起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至管嘴位置停止，后续道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小，旋压出满足加工要求的管嘴长度及椭球封头尺寸结束；

步骤(四)、在管嘴根部增加垂直管嘴的旋压，在保证管嘴不失稳下，旋压至管嘴根部，并在管嘴根部的椭球面上旋出一个平台；

步骤(五)、将铝合金管材从数控收口旋压设备上卸下，掉转铝合金管材对未成形端重复步骤(一)～(四)。

2.根据权利要求1所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：在步骤(五)后增加步骤(六)、在内衬旋压件两端管嘴的中心位置打孔，其直径小于图纸管嘴内径，利用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔，分别对两端管嘴R角内表面打磨20～30min。

3.根据权利要求2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述的管嘴R角内表面打磨工装为直径小于管嘴孔的杆件，杆件一端固定条状打磨沙带，沙粒面朝杆件方向安装，另一端与气动风砂轮手柄相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(一)中铝合金管坯为退火状态，制度为330～370℃，1～3h，空冷。

5.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(一)中装卡长度值为数控收口旋压设备的旋轮与装卡面之间最小安全距离和管坯旋压长度相加。

6.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(三)中，管坯起旋位置在伸出的管坯上，即管坯端面到起旋点的距离，该距离值由旋压成形后整个封头体积除以管坯壁厚估算，试旋后确定。

7.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(三)中，第一组“斜线拉锥”的斜线轨迹与管坯筒段之间为椭圆圆弧过渡。

8.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(三)，在第一、三组旋压过程中，旋轮轴心平行于管坯，在第二组旋压过程中，旋轮轴心与管坯成50～70°角。

9.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(三)，旋压过程中旋轮厚度为80～100mm，圆角半径为R12～18。

10.根据权利要求1或2所述的一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，其特征在于：所述步骤(三)，旋压过程中数控收口旋压设备的主轴转速为150～200r/min；旋轮速度为600～800mm/min。