CN105479119A - 一种5m级贮箱球形瓜瓣的成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，包括两道次拉形成形，中间进行淬火处理，终拉形后进行人工时效处理的成形工艺，通过调整工艺参数，生产出满足设计要求的零件。具体包括下料、预拉形成形、淬火、终拉形成形、去余量和人工时效等步骤。本发明具有的有益效果：根据2219瓜瓣原始坯料的材料厚度，合理控制拉形成形预拉形和终拉形工序的变形量，通过对拉形成形工艺的控制，使零件表面质量完全满足产品设计要求。

Description

一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺

技术领域

本发明属于火箭贮箱球形瓜瓣成形加工技术领域，尤其是涉及一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺。

背景技术

新一代运载火箭贮箱箱底首次采用球底结构，在尽量减少装配焊缝数量的条件下，一、二级氢箱、氧箱箱底分成“三层”，即人孔法兰、瓜瓣圆环和过渡段，中间段的圆环由8个球形大瓜瓣拼焊而成，大瓜瓣零件(见图1)展开尺寸最大2000mm×2800mm，小端半径R370mm，大端半径R2374mm，厚度尺寸为6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、9.5mm和11mm六种规格，毛坯展开尺寸2100mm×4000mm。材料为硬铝合金2219(147，LY19)板材，M状态，进行淬火、人工时效强化。

国内现役运载型号贮箱大多采用2A14材料，尽管2A14材料具有很好的室温强度和高温、超低温性能，但是其热处理强化状态下焊接时，易产生焊缝金属凝固裂纹及近缝区母材液化裂缝，焊缝脆性大，对应力集中敏感，同时母材热影响区软化，焊缝接头强度仅达到焊前母材强度的60～70％，需要实行厚度补偿，而且在承载时焊接结构易发生低应力脆性断裂，存放时潜藏于母材表层以下的焊接裂纹又可能发生延时扩展。因此，目前虽然现在已掌握2A14铝合金的焊接方法，但是生产成本居高不下，生产效率低。

而2219铝合金具有良好的可焊形与抗应力腐蚀性能，已经作为箱体材料广泛应用于国外大运载火箭的研制。例如日本在1984年开始研制的H-2、1996年开始研制的H-2A直径4m的一、二级贮箱均为2219铝合金，而早期的H-1二子级就已经采用了2219铝合金；欧空局1988年开始研制的阿里安5的直径为5.4m的芯级贮箱用2219代替了阿里安4用的7020铝合金。2219合金为时效强化铝合金，其强化相主要是铜合金，铜含量比2A14高出50％以上，而且合金中的锰可以大大提高合金的耐热性，显著降低合金的焊接裂纹倾向性。与2A14材料相比，2219材料在低温和高温力学性能、断裂韧性、焊接性能以及抗应力腐蚀性能等方面具有明显的优势，尤其是焊接性能较好。因此，新一代运载火箭采用2219作为贮箱材料，为了实现箭体的有效减重，箭体贮箱的重要结构件要求具有较高的力学性能，以满足减重后的结构刚性需求。同时对球形大瓜瓣零件的表面质量、型面精度等提出了更高的要求。

目前，现役运载火箭贮箱瓜瓣主要采用液压机拉深成形方法，两道次成形，中间进行淬火处理。而针对新一代运载火箭的5米级球形大瓜瓣，受液压机台面尺寸和零件自身结构的限制，很难利用液压机拉深成形方法进行成形。根据产品自身特点，选用蒙皮拉形成形技术。

拉形成形就是毛料按拉形模在拉伸机上拉伸成形(如图2所示)。拉形成形的基本原理是利用弯曲和拉伸的作用，使板料与模胎的型面全部贴合而成为双曲度零件的成形过程。在拉形成形过程中，板料主要受拉应力而产生变形，当板料贴胎后，再施加适当的力补拉使板料截面内的拉应力超过材料的屈服点后，将可以几乎完全保留塑性形变而将回弹几乎完全消除。

新一代运载火箭2219材料球形大瓜瓣，目前采用拉形成形工艺，但在拉形成形过程中会出现表面粗糙现象(俗称“橘皮”)，其低倍晶粒度等级一般为4～5级，这种表面粗糙现象对瓜瓣零件后续的化铣、焊接工艺带来不利影响，最终影响产品的表面质量。同时表面粗糙现象会降低产品零件的抗晶间腐蚀能力。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，以解决现有技术中存在的运载火箭2219材料球形大瓜瓣在拉形成形过程中出现表面粗糙现象。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，采用拉形成形，所述拉形成形包括预拉形成形和终拉形成形两道次成形。

包括以下步骤：1)下料；2)预拉形成形；3)淬火热处理；4)终拉形成形；5)去除余量并修整；6)人工时效。

具体的步骤如下：

1)下料：零件坯料为退火状态，纤维方向顺长边；

2)预拉形成形：包括：a.拉形前排除模具型面及毛料表面杂物；b.在模具整体型面上均匀平铺0.2-0.3mm厚度PE膜；c.将零件装入两侧钳口并夹紧；d.预拉形零件；e.将零件从两侧钳口中卸下；

3)淬火热处理：利用空气淬火炉进行淬火，零件间要有一定的间隙，其间隙应不小于500mm；

4)终拉形成形：a.拉形前排除模具型面及毛料表面杂物；b.在模具整体型面上均匀平铺PE膜；c.去除边缘毛刺并打磨光滑，同时修整钳口位置直线度；d.终拉形零件；e.将零件从两侧钳口卸下；

5)去除余量并修整：a.水切割粗切去除余量，两侧边余量为20mm，大端、小端余量为50mm；

6)人工时效：将经过上述1-5步骤加工的零件放入空气炉中。

进一步的，所述预拉形成形和终拉形成形的工艺参数为：拉形力为2000-5000N；拉形速度为15-20mm/min，对于零件坯料厚度为6～11mm的零件坯料，预拉形成形和终拉形成形的最大拉形变形量在2.5％之内。

进一步的，所述淬火热处理的工艺参数：温度为500-600℃，保温时间为20-40分钟，转移时间为10秒，采用水冷。

进一步的，所述人工时效的工艺参数：温度为100-200℃，保温时间为15-20小时，随炉冷却。

进一步的，所述淬火热处理的温度为535±5℃，保温时间为30分钟。

进一步的，所述人工时效的温度为175±5℃，保温时间为18小时。

进一步的，所述PE膜的厚度为0.2-0.3mm。

相对于现有技术，本发明所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺具有以下优势：

(1)采用两次拉形成形工艺，解决了5M级球形大瓜瓣的成形问题，产品满足设计使用要求。

(2)解决了2219材料成形后的表面粗糙问题，保证了产品质量，加快了新一代运载火箭研制生产步伐。

(3)为新材料在新型号产品的应用提供了保障。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为5M级球形大瓜瓣结构示意图；

图2为拉形成形示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

5M级球形大瓜瓣采用两道次拉形成形，中间进行淬火处理，补拉后进行人工时效处理的成形工艺，通过调整工艺参数，生产出满足设计要求的零件。

瓜瓣拉形成形工艺流程如下：

下料(剪板机)→预拉形成形(拉形机)→淬火(空气循环炉)→终拉形成形(拉形机)→划线及钻孔→去余量(超高压水切割机)→人工时效(空气炉)。

具体技术方案如下：

(1)下料：

本零件坯料尺寸为2100mm×4000mm，退火状态，纤维方向顺长边，采用剪板机进行下料。

(2)预拉形成形：

预拉形成形的变形量大小是影响最终产品晶粒度的最为关键的参数，随淬火前预拉变形量增大，其淬火后板材晶粒度不断增大。当预拉变形量为3％时，淬火过程中发生轻微的再结晶过程。由于此时储存能不足以驱动再结晶，晶粒尺寸与原始晶粒尺寸相当；随着变形量的增大，变形量引起的畸变能引起再结晶，因此得到越来越粗大的晶粒，预拉伸变形量为4％和5％时就属于这一区间。

包括以下几个步骤：

a)清洗：拉形前排除模具型面及毛料表面杂物，用干净的豆包布擦拭干净；

b)在模具整体型面上均匀平铺0.2-0.3mm厚度PE膜，PE膜起到润滑的作用；

c)上料：根据坯料长度将两侧钳口调整到合适位置，将零件装入两侧钳口并夹紧；

d)预拉形零件：根据材料厚度、坯料长度等选择合适的预拉形程序，对零件进行预拉形成形，控制最大预拉形变形量在2.5％之内；具体地，拉形力为2000-3000N；拉形速度为15-20mm/min，对于零件坯料厚度为6～11mm的零件坯料，所述预拉形成形的最大预拉形变形量在2.5％之内。

e)卸料：将两侧钳口打开，将零件从两侧钳口中卸下。

(3)淬火：利用空气淬火炉进行淬火，利用专用淬火工装将零件固定在装料框内，零件间要有一定的间隙，其间隙应不小于500mm，注意减小热处理变形，淬火热处理工艺参数为：温度535±5℃，保温30分钟，转移时间为10秒，水冷。

(4)终拉形成形：

包括以下几个步骤：

a)拉形前排除模具型面及毛料表面杂物，用干净的豆包布擦拭干净；

b)在模具整体型面上均匀平铺PE膜；

c)去除边缘毛刺并打磨光滑，同时修整钳口位置直线度，保证能够正常装夹；

d)终拉形零件：选用合适的拉形程序进行补拉成形；具体地，拉形力为3000-5000N；拉形速度为15-20mm/min。

e)卸料：将两侧钳口打开，将零件从两侧钳口卸下；

f)拉形完成后，利用专用样板制水切割定位孔Φ8，以方便后续工序对零件进行定位。

(5)去除余量并修整：

包括以下几个步骤：

a)水切割粗切去除余量，两侧边余量为20mm，大端、小端余量为50mm；

b)从零件余量上取力学试片，尺寸为420×50mm，在一端打钢印：热处理编号，另一端打钢印：牌号，状态及炉批号，需对其力学试片后续进行力学试验，方便区分；

c)从零件余量上取焊接试片，尺寸为150×1500mm，在一端100mm余量范围内打钢印：图号、炉批号、热处理编号，以供给后续焊接时使用；

d)修整变形：保证实际型面相对理论型面最大间隙小于6mm，四周弧长40mm以内间隙小于2mm；

e)在零件小端余量范围内打钢印：图号，热处理编号。

(6)人工时效：

包括以下几个步骤：

a)保证零件、力学试片和焊接试片全部入炉，并仔细核对零件与试片的编号信息，注意区分试片；

b)人工时效工艺参数：175±5℃，保温时间为18小时，随炉冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：采用拉形成形。

2.根据权利要求1所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述拉形成形包括预拉形成形和终拉形成形两道次成形。

3.根据权利要求1所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：包括以下步骤：1)下料；2)预拉形成形；3)淬火热处理；4)终拉形成形；5)去除余量并修整；6)人工时效。

4.根据权利要求3所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：具体的步骤如下：

1)下料：零件坯料为退火状态，纤维方向顺长边；

2)预拉形成形：包括：a.拉形前排除模具型面及毛料表面杂物；b.在模具整体型面上均匀平铺0.2-0.3mm厚度PE膜；c.将零件装入两侧钳口并夹紧；d.预拉形零件；e.将零件从两侧钳口中卸下；

3)淬火热处理：利用空气淬火炉进行淬火，零件间要有一定的间隙，其间隙应不小于500mm；

4)终拉形成形：a.拉形前排除模具型面及毛料表面杂物；b.在模具整体型面上均匀平铺PE膜；c.去除边缘毛刺并打磨光滑，同时修整钳口位置直线度；d.终拉形零件；e.将零件从两侧钳口卸下；

5)去除余量并修整：a.水切割粗切去除余量，两侧边余量为20mm，大端、小端余量为50mm；

6)人工时效：将经过上述1-5步骤加工的零件放入空气炉中。

5.根据权利要求2所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述预拉形成形和终拉形成形的工艺参数为：拉形力为2000-5000N；拉形速度为15-20mm/min；对于零件坯料厚度为6～11mm的零件坯料，预拉形成形的最大预拉形变形量在2.5％之内。

6.根据权利要求4所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述淬火热处理的工艺参数：温度为500-600℃，保温时间为20-40分钟，转移时间为10秒，采用水冷。

7.根据权利要求4所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述人工时效的工艺参数：温度为100-200℃，保温时间为15-20小时，随炉冷却。

8.根据权利要求6所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述淬火热处理的温度为535±5℃，保温时间为30分钟。

9.根据权利要求7所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述人工时效的温度为175±5℃，保温时间为18小时。

10.根据权利要求4所述的一种5M级贮箱球形瓜瓣的成形工艺，其特征在于：所述PE膜的厚度为0.2-0.3mm。