CN107570972A - 大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体的成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天用大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，属于贮箱成形技术领域。本发明采用圆板毛坯直接精密数控旋压成形大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用先第一阶段热普旋、然后热强旋‑第二阶段热普旋的组合工艺，只需使用一套旋压模，一次装卡，在一个数控程序内即可实现大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件的成形精度，成形后的椭球型面半球壳体内型面与理论型面样板单边间隙小于0.2mm，壁厚差小于0.2mm。

Description

大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体的成形方法

技术领域

本发明涉及一种航天用大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，属于贮箱成形技术领域。所述的大型高模数薄壁椭球型面中的“大型”是指椭球型面的最大直径不小于Φ1300mm；高模数是指椭球型面长轴与短轴的比值不小于2，薄壁是指椭球型面的壁厚不大于5mm。

背景技术

针对内径>Ф1300mm，壁厚<5mm的大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体，若将原材料直接成形为目标构件较为困难，且壁厚精度不易控制；比较合理的成形路径是先将原材料成形为毛坯、然后再加工减薄。

大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯成形有两种工艺方法比较适合，即冲压成形或旋压成形。较厚的板材冲压需要较大吨位的设备，而且冲压过程需要的工序、模具较多，冲压后的毛坯壁厚不均匀且不易控制。而旋压过程是逐点变形，单位压力高，对于高强度难变形材料的旋压所需总变形力较小，设备吨位大幅降低。旋压后的材料晶粒显著细化并具有纤维状特征，强度和硬度均获得提高。与冲压工艺相比，采用旋压工艺还可以大幅简化工序和模具，经旋压工序后的毛坯壁厚均匀且容易控制。因此，对于大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯成形，旋压工艺比冲压更为适合。

国外采用旋压工艺整体成形大型薄壁贮箱半球类壳体毛坯已有一些相关报道，如美国的Ares-I火箭燃料贮箱箱底的直径为Ф5500mm，是世界上采用整体旋压工艺制造的尺寸最大的箱底，其采用了凹面净近成形技术，无需中间热处理及后续的机械加工；日本的H-2B火箭燃料贮箱箱底直径为Ф5200mm，采用预成形+旋压终成形的工艺方案实现整体成形，旋压工序之间需要反复进行热处理、机械加工等辅助工序，最终精加工为高强度贮箱箱底。相对美国Ares-I贮箱箱底的成形工艺，日本H-2B贮箱箱底的成形工艺其工序较为复杂。

目前国内的超大型贮箱(Ф2250mm、Ф3350mm、Ф5000mm)半球类壳体一般采用瓜瓣拼焊成形；直径为Ф1000mm～Ф2000mm的贮箱半球壳体则一般采用预成形+旋压终成形工艺路径，由铝合金平板直接整体旋压成形为直径>Ф1300mm的航天用高模数椭球型面贮箱半球壳体还很少见，主要难点是直接旋压变形时抗力较大，旋压过程易出现“反背”缺陷且一旦产生就难以校正，板料不易贴胎；另外椭球型面构件其靠近椭球长轴位置曲率变化较大，直接旋压变形时此区域易出现壁厚减薄量过大而导致后续加工余量不足的情况，影响构件精度甚至导致构件直接报废。现有技术的经验是采用圆板多道次冲压或旋压预成形，再进行旋压终成形，中间还要进行退火热处理等工序。这种方法工序较多，增加了制造成本，同时反复装卡后构件中心错位，变形严重，精度不可避免有所下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，该方法能够克服现有技术中的工序较多、增加成本而且精度下降的问题。本发明采用直接将等壁厚的铝板旋压成形为椭球型面半球壳体毛坯、然后再机械加工为贮箱半球壳体的工艺路线；无需预成形及中间热处理等辅助工序，直接由铝板整体旋压成形。

本发明的技术方案为：

一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；空心椭球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状；

(5)热处理，从旋压模具上卸下通过步骤(4)成形的铝合金旋压件，然后对铝合金旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球型面的模数不小于2。

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致。

所述的步骤(1)中，空心椭球顶端的平面直径为Φ200～250mm；空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋。

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板。

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃。

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，循环强力旋压和第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合。

在旋压过程中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴的法向高度为50～150mm区域时调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm。

旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm。

最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

所述的步骤(5)中的热处理方法为：

步骤(一)，将半球壳体固定安装在热处理模具上；

步骤(二)，将安装在热处理工装上的半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和半球壳体吊出沉入淬火介质中，进行淬火处理；

步骤(三)，淬火处理结束后，对热处理工装进行处理；

步骤(四)，将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从热处理工装上拆卸，得到经过热处理后的半球壳体。

所述的热处理工装包括底盘、支撑杆、第一撑板、第二撑板、压紧螺栓以及压杆；

所述的底盘上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板和第二撑板均为圆板，所述的第一撑板的直径小于第二撑板的直径；

所述的支撑杆的一端固定连接在底盘的上表面的中心位置；所述的支撑杆的另一端依次穿过第二撑板、第一撑板和半球壳体的顶端平面；且支撑杆与第二撑板、第一撑板和半球壳体均为固定连接，支撑杆和半球壳体固定连接时是通过压杆和压紧螺栓实现的；

底盘与第一撑板、第二撑板为平行关系，底盘、第一撑板、第二撑板与支撑杆为垂直关系。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用圆板毛坯直接精密数控旋压成形大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用先第一阶段热普旋、然后热强旋-第二阶段热普旋的组合工艺，只需使用一套旋压模，一次装卡，在一个数控程序内即可实现大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件的成形精度，成形后的椭球型面半球壳体内型面与理论型面样板单边间隙小于0.2mm，壁厚差小于0.2mm。

(2)本发明实现了大型高模数椭球型面贮箱半球壳体的整体成形，提高了产品可靠性，并解决了由铝合金圆板一次旋压成形为大型高模数椭球型面贮箱半球壳体过程中的变形抗力大、变形不均匀、回弹大、易出现“反背”、不易贴胎、靠近椭球长轴区域加工余量不足等技术难题。

(3)本发明在最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压，可节约能源，旋压结束后，工件温度在180～210℃，工件可较容易脱模，提高了工件装卸效率，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。

(4)本发明在最后1道次旋压时，当旋压至距口部20～30mm位置时，设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，有利于后续机加工车削工艺定位台阶，为后续机加工提供高质量的保证，

(5)本发明工艺简单，易于实现，具有较强的实用性。

(6)本发明提供一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括，步骤1，设计并制造旋压模具；步骤2，准备旋压坯料，其直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板；步骤3，使用旋压设备尾顶将旋压坯料固定到所属旋压模具上并预热模具和坯料，分别达到80～150℃、180～230℃时停止加热；步骤4，将铝合金圆板旋压至预设形状；旋压过程中先从尾顶边缘处进行第一阶段普旋，使铝合金圆板沿芯模大端面方向出现设定的压窝量，经2～3道次旋压、旋至铝合金圆板与芯模轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普旋结束，再经6～8道次交替进行的强旋-普旋至板坯完全贴模，其中，当旋至构件型面距椭球长轴高度50～150mm区域时调整间隙，使此区域获得局部增厚效果；步骤5，卸下成形的铝合金旋压件并进行热处理；步骤6，将铝合金旋压件机械加工成为椭球型面铝合金贮箱半球壳体。本发明无需任何预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用先第一阶段热普旋、然后反复多次热强旋-第二阶段热普旋相结合的组合工艺，只使用一套旋压模、一次装卡、在一个数控程序内即可实现大型薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件成形精度。

附图说明

图1本发明的椭球结构及坐标系示意图；

图2a本发明的旋压模具结构大端面和小端面的示意图；

图2b为本发明的旋压模具的垭口示意图；

图3本发明的铝合金圆板固定到旋压模具的示意图；

图4a本发明的旋压过程中普通旋压的示意图；

图4b本发明的旋压过程中强力旋压的示意图；

图5本发明的旋压过程中旋压过程结束时铝合金圆板与旋压模具完全贴合的示意图；

图6为热处理工装外部形貌；

图7为热处理工装内部形貌。

具体实施方式

一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体，以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，如附图1所示，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，另外，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球长轴与短轴的比值即为其模数，椭球型面的模数不小于2。

该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具为包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致；

空心椭球的顶端为平面，空心椭球顶端平面的直径为Φ200～250mm；

空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；

所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面，如附图2a和图2b所示；

(2)准备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，即使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热，旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃；

(4)开始旋压；

将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状，即待成形半球壳体毛坯的内型面与旋压模具的外型面完全贴合；

具体旋压过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处(即小端面的边缘)进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线(等同于Y轴)夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，如附图4a所示；然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，如附图4b所示，循环强力旋压-第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合，如附图5所示。其中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴(X轴或Z轴)的法向高度为50～150mm区域时(如附图5中圆圈标记位置所示)调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm，即使此区域获得局部增厚效果。上述局部增厚效果内涵如下：根据旋压规律此位置的理论壁厚应为a值，但实际旋压过程中将此位置的间隙放大为b值，其中b＝1.1～1.2a，即此位置相对于理论壁厚值实现了局部增厚效果。

旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm。特别地，最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴(X轴或Z轴)法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；另外，在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边，如附图5箭头所示；

(5)热处理，卸下通过步骤(4)成形的铝合金旋压件，并对其进行T6(淬火+时效)热处理。

(6)机械加工，将经过步骤(5)后的铝合金旋压件进行机械加工，最终成为椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括，

步骤1，设计并制造旋压模具(1)，其结构为椭球型面+直线段，其长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm。另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ200～250mm平底小端的模具。

步骤2，准备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板(3)。

步骤3，预热旋压模具和坯料，利用旋压设备的尾顶(2)、将铝合金圆板(3)固定到旋压模具(1)上并对旋压模具(1)和铝合金圆板(3)进行加热，直至将旋压模具(1)加热至80～150℃、将铝合金圆板(3)加热至180～230℃为止。

步骤4，将所述铝合金圆板(3)旋压至预设形状；旋压过程中先从尾顶(2)边缘处进行第一阶段普旋，使铝合金圆板(3)沿芯模大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次旋压、旋至铝合金圆板(3)与旋压模具(1)的轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普旋结束，再经6～8道次热强旋-热普旋交替进行至板坯完全贴模，其中，当旋至构件型面距椭球长轴高度50～150mm区域时调整间隙，使此区域获得局部增厚效果。

步骤5，卸下成形的铝合金旋压件(4)并对其进行T6(淬火+时效)热处理。

步骤6，将热处理后的铝合金旋压件(4)进行机械加工成为椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

旋压过程中旋轮圆角半径R为16～20mm。

所述步骤4中，最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成目标构件剩余部分的旋压。

旋压过程中全旋程的加热温度为300～370℃。

所述步骤4中，在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使目标构件口部形成一段法兰翻边。

所述步骤4中，旋压模具(1)在旋压过程中的转速为30～60r/min。

所述步骤4中，旋压过程中普旋时旋轮进给比：f＝2.1～3.6，强旋时旋轮进给比：f＝1.3～1.8。

旋压过程中单道次减薄率为10％～15％。

本发明提供一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法，该方法可以由铝合金圆板经一次装卡后、在一个数控程序内得到符合要求的大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯，产品尺寸精度高，生产效率高，实现了椭球型面贮箱半球壳体的整体成形。

本发明的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法，包括如下步骤：

(1)制造旋压模具，所制作的旋压模具为椭球型面半球壳体+直线段，其长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm。另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ200～250mm平底小端的模具。

(2)准备旋压坯料，利用体积不变原理(旋压坯料的体积与待成形半球壳体毛坯的体积相等)计算旋压坯料规格并从2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板，圆板的厚度为14～20mm。

(3)利用旋压设备的尾顶、将步骤(2)中提及的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上并对旋压模具和铝合金圆板进行预热，加热方式为氧-乙炔喷枪加热，加热时间为15～20min，旋压模具的加热温度为80～150℃、铝合金圆板的加热温度为180～230℃。

(4)开始按照设定程序进行旋压，具体为：旋压模具和铝合金圆板一起旋转，转速为30～60r/min，旋压模具和板坯上均涂抹MoS₂(二硫化钼)润滑，旋轮按照设定曲线进行纵向进给，旋压路径经多次实验确定为先第一阶段热普旋、然后交替进行热强旋-第二阶段热普旋至铝合金圆板与旋压模具完全贴合(普旋2～3道次至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°、然后经6～8道次<热强旋-第二阶段热普旋>成形)。普通旋压(简称普旋)的特点是在变形过程中主要改变毛坯的直径(缩小或扩大)，壁厚变化较小；强力旋压(简称强旋)的特点是变形过程中伴随着毛坯壁厚明显减薄。即本发明的方法是先从尾顶边缘处进行第一阶段普旋，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量以避免出现“反背”(“反背”为旋压过程中板坯向旋压模具的小端面方向翻转，“反背”出现后很难获得校正)，经2～3道次旋压、旋至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普旋结束，再经6～8道次热强旋-热普旋至板坯完全贴模，其中，当旋至构件型面距椭球长轴高度50～150mm区域时调整间隙，使此区域获得局部增厚效果以确保其后续机械加工过程中具有足够的加工余量，道次减薄率：10％～15％(道次减薄率指每道次的壁厚减薄率，即旋压变形前板坯厚度、变形后板坯厚度的差值与旋压变形前板坯厚度的比值)，保持较低的道次强旋变形量，避免了旋轮前材料堆积，确保材料贴模良好，降低出现明显的法兰前倾、板料“反背”的几率。另外在旋压至距大端面口部20～30mm时，可设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，有利于后续机械加工车削工艺定位台阶。在不超过旋压设备能力的前提下，第一阶段热普旋道次中尽量采用较大的进给比，既有利于快速收径，也可以避免过多材料向切向流动导致材料过分减薄，在后续交替多次进行<热强旋-第二阶段热普旋>过程的强旋阶段，采用较小的进给比，普旋时旋轮进给比：f＝2.1～3.6，强旋时旋轮进给比：f＝1.3～1.8。(旋轮进给比是芯模每转一圈，旋轮纵向进给的距离，表示为旋轮纵向进给速度/芯模转速)旋压过程中应一直保持连续加热，保证工件温度在300～370℃。

(5)大型高模数薄壁椭球型面贮箱半球壳体旋压件贴模后，再脱模卸料较困难，而且冷却后严重缩径，外表面加工余量减小。为了避免这种不利情况的出现，最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压。旋压结束后，工件温度在180～210℃，工件可较容易脱模，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。然后按照要求进行热处理，再机械加工成为大型高模数薄壁椭球型面贮箱半球壳体。

在上述大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法中，铝合金圆板抗拉强度σ_b≤220MPa。

在上述大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法中，旋压过程中旋轮圆角半径R为16～20mm(R指旋轮工作圆角半径)，采用双旋轮同步旋压。

实施例

以下给出一个具体的实施案例，本实施案例中椭球型面贮箱半球壳体原材料为2219铝合金，半球壳体模数为2，长轴方向最大内径为Ф1339～1340mm，壁厚为以下为整体精密成形的具体过程：

(1)制造旋压模具，所制作的旋压模具为椭球型面半球壳体+直线段，其长轴方向、短轴方向的最大直径分别为Φ1336mm、Φ664mm，另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ200～250mm平底小端面的模具，如图2a和图2b所示。

(2)准备旋压坯料，利用体积不变原理计算旋压坯料规格并从2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1550mm的铝合金圆板，圆板的厚度为16mm。

(3)利用旋压设备的尾顶22、将2219铝合金圆板33固定到旋压模具11上并对旋压模具11和铝合金圆板33进行预热，如图3所示，加热方式为氧-乙炔喷枪加热，加热时间为15～20min，直至将旋压模具11加热至120℃、将铝合金圆板33加热至215℃为止。

(4)开始按照设定程序进行旋压，主轴转速为40r/min，旋压模具11和板坯3上都涂抹MoS₂润滑，如附图4a、4b所示，旋压第一道次是从尾顶22边缘处进行第一阶段热普旋，经2～3道次旋压、旋至铝合金圆板33与轴线夹角α呈75°时第一阶段普旋结束，再经8道次交替进行的热强旋-热普旋至板坯3完全贴模，其中，当旋至构件型面距椭球长轴高度50～150mm区域时调整间隙，使此区域获得局部增厚效果，道次减薄率：15％，其中在旋压至距大端面口部25mm时，可设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，普旋时旋轮进给比：f＝3，强旋时旋轮进给比：f＝1.5。

(5)最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴高度160mm时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压，如附图5所示。旋压结束后，退出尾顶22，卸下旋压工件44。成形后的椭球壳体内型面与理论型面样板单边间隙小于0.2mm，壁厚差小于0.2mm。按照要求进行热处理，然后将旋压工件44进行机械加工；

在本实施例中，采用一套旋压模具、经过一次装卡实现了将圆板毛坯直接整体成形为大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯，工艺流程少，生产效率高；通过采取先第一阶段热普旋，然后交替进行多次热强旋-第二阶段热普旋的旋压路径，同时结合匹配的旋压工艺参数(如旋压温度、进给比、道次减薄率、主轴转速等)，避免了旋压过程中出现反背、不贴膜等现象；另外，在相应区域通过放大间隙使其实现局部增厚效果，避免了此区域后续加工余量不足的情况出现；获得的椭球型面半球壳体旋压件精度较高，其内型面与理论型面样板单边间隙小于0.2mm，壁厚差小于0.2mm，经后续热处理、机械加工后成为内径为Ф1340mm，模数为2，壁厚为的大型高模数薄壁椭球型面贮箱半球壳体。

上述的旋压过程完成后对旋压件进行热处理的方法为：

步骤(一)，将半球壳体固定安装在热处理模具上；

步骤(二)，将安装在热处理工装上的半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和半球壳体吊出沉入淬火介质中，进行淬火处理；

步骤(三)，淬火处理结束后，对热处理工装进行处理；

步骤(四)，将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从热处理工装上拆卸，得到经过热处理后的半球壳体。

如图6和图7所示，热处理工装包括底盘1、支撑杆2、第一撑板3、第二撑板4、压紧螺栓5以及压杆7；

所述的底盘1上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板3和第二撑板4均为圆板，所述的第一撑板3的直径小于第二撑板4的直径；

所述的支撑杆2的一端固定连接在底盘1的上表面的中心位置；所述的支撑杆2的另一端依次穿过第二撑板4、第一撑板3和半球壳体6的顶端平面；且支撑杆2与第二撑板4、第一撑板3和半球壳体6均为固定连接，支撑杆2和半球壳体6固定连接时是通过压杆7和压紧螺栓5实现的；

底盘1与第一撑板3、第二撑板4为平行关系，底盘1、第一撑板3、第二撑板4与支撑杆2为垂直关系。

所述的热处理工装的材质为A3钢。

淬火处理时，待处理的椭球型面贮箱半球壳体6其大端口部套装在底盘1的凹槽内，底盘1用于支撑待处理的椭球型面贮箱半球壳体6，与支撑杆2连接固定在一起的第一撑板3和第二撑板4支撑待处理椭球型面贮箱半球壳体6的内表面，压杆7穿过支撑杆2以固定待处理椭球型面贮箱半球壳体6的小端口部，压紧螺栓5穿过支撑杆2顶紧压杆7，将待处理的椭球型面贮箱半球壳体6固定。

底盘1的凹槽内径、外径与待处理椭球型面贮箱半球壳体6的大端口部内径、外径相匹配，将待处理贮箱半球壳体6的大端口部套装在底盘1的凹槽内。

第一撑板3的直径为450～550mm，第二撑板4的直径为800～900mm，第一撑板3和第二撑板4的距离为100～150mm，第一撑板3和第二撑板4的边缘均与待处理的椭球型面半球壳体6的内型面相应位置完全贴合。

压紧螺栓5为六角头螺栓，压杆7为长方体，其中压紧螺栓5的螺纹长度为38～46mm，拧紧力矩为20～30N·m，压杆7的长度为150～200mm。

所述的步骤(二)中，淬火介质为UCON水溶液，其浓度为6％～10％。

所述的步骤(三)中对热处理工装进行处理的方法为：松开压紧螺栓并将压紧螺栓移除热处理工装，将压杆退出支撑杆，其余不做任何处理。

所述的半球壳体的最大直径不小于Φ1300mm，半球壳体的长轴与短轴的比值不小于2。

Claims (10)

1.一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；空心椭球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状；

(5)热处理，从旋压模具上卸下通过步骤(4)成形的铝合金旋压件，然后对铝合金旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

2.根据权利要求1所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球型面的模数不小于2。

3.根据权利要求1所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心椭球的底端外径与圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与圆柱的壁厚一致；空心椭球的外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致；

所述的步骤(1)中，空心椭球顶端的平面直径为Φ200～250mm；空心椭球的长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形半球壳体相对应的最大直径小4～10mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1400～1600mm的铝合金圆板。

4.根据权利要求1所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为80～150℃，铝合金圆板的加热温度为180～230℃。

5.根据权利要求1所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行第一阶段普通旋压，使铝合金圆板沿旋压模具大端面方向具有设定的压窝量，经2～3道次普通旋压旋至铝合金圆板与旋压模具轴线夹角α呈70～80°时第一阶段普通旋压结束，然后进行强力旋压，强力旋压后再进行第二阶段普通旋压，循环强力旋压和第二阶段普通旋压6～8道次至铝合金圆板与旋压模具完全贴合。

6.根据权利要求5所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：在旋压过程中，当铝合金圆板旋至与待成形椭球型面半球壳体长轴的法向高度为50～150mm区域时调整旋压模具和铝合金圆板之间的间隙，使该间隙为12～15mm。

7.根据权利要求5所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：旋压过程中，全旋程的加热温度为300～370℃；旋压模具转速为30～60r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝2.1～3.6，强力旋压时旋轮进给比f＝1.3～1.8，旋压时单道次减薄率为10％～15％；旋轮圆角半径R为16～20mm。

8.根据权利要求5所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：最后1道次旋压过程中，当旋至构件型面距椭球长轴法向高度150～180mm区域时停止加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压；在最后1道次旋压结束前，设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

9.根据权利要求1所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：所述的步骤(5)中的热处理方法为：

步骤(一)，将半球壳体固定安装在热处理模具上；

步骤(二)，将安装在热处理工装上的半球壳体放入热处理炉中进行固溶处理，处理完毕后，将热处理工装和半球壳体吊出沉入淬火介质中，进行淬火处理；

步骤(三)，淬火处理结束后，对热处理工装进行处理；

步骤(四)，将经步骤(三)处理后的工装及安装在其上面的半球壳体放入热处理炉中进行时效处理，处理完毕后，将椭球型面贮箱半球壳体从热处理工装上拆卸，得到经过热处理后的半球壳体。

10.根据权利要求9所述的一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：所述的热处理工装包括底盘(1)、支撑杆(2)、第一撑板(3)、第二撑板(4)、压紧螺栓(5)以及压杆(7)；

所述的底盘(1)上带有一环形凹槽；

所述的第一撑板(3)和第二撑板(4)均为圆板，所述的第一撑板(3)的直径小于第二撑板(4)的直径；

所述的支撑杆(2)的一端固定连接在底盘(1)的上表面的中心位置；所述的支撑杆(2)的另一端依次穿过第二撑板(4)、第一撑板(3)和半球壳体(6)的顶端平面；且支撑杆(2)与第二撑板(4)、第一撑板(3)和半球壳体(6)均为固定连接，支撑杆(2)和半球壳体(6)固定连接时是通过压杆(7)和压紧螺栓(5)实现的；

底盘(1)与第一撑板(3)、第二撑板(4)为平行关系，底盘(1)、第一撑板(3)、第二撑板(4)与支撑杆(2)为垂直关系。