CN107745029A - 一种贮箱箱底整体成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种贮箱箱底整体成形方法，包括以下步骤：S1、预压制成形：控制压边圈向凹模方向运动，当板坯与凹模表面接触时停止运动，形成浅筒；S2、反拉深成形：控制冲头向凹模方向运动直至板坯与凹模表面接触并停止运动，形成浅锥筒；S3、胀形成形：通过所述流体通道注入高压流体介质，作用于所述浅锥筒底部和侧壁，使其发生变形；S4、脱模取件：成形结束后，冲头向上移动，之后压边圈向上移动，由排气孔注入压力介质，在压力介质的浮力作用下脱模取件。本发明提供的贮箱箱底整体成形方法，实现了一套工装、同一工位下一次成形，大幅缩短箱底制造周期、提高成形质量，易于实现数字化控制实现量产质量控制。

Description

一种贮箱箱底整体成形方法

技术领域

本发明涉及大型复杂曲面深腔构件整体成形领域，特别涉及一种贮箱箱底整体成形方法。

背景技术

航天运载火箭推进剂贮箱箱底为空间椭球壳体，属于大型复杂曲面深腔薄壁构件。我国现役运载火箭贮箱箱底制造采用可热处理强化的铝合金板材，板材壁厚大于4mm。以直径3350mm的贮箱箱底为例，通常采用“分块成形+拼装焊接”的成形方法，拼焊成形的箱底结构如图1所示。

采用拼焊成形方法存在的主要问题为：形状尺寸精度低、可靠性差；成形效率低、工作量大；结构刚度低、减重能力差；材料浪费严重、生产成本高。具体表现如下所述：1)壁厚均匀性指标难以达到设计要求，现有的瓜瓣壁板成形方法为拉形成形或压制成形，壁厚6mm左右的瓜瓣其厚度偏差可达1-1.5mm，壁厚减薄率大(超过20％)，难以达到设计要求；2)传统的瓜瓣壁板成形方法回弹大、尺寸一致性差，强制装配焊接易导致焊接区域(接头强度系数0.5-0.65左右)存在较大内应力、焊接应力和焊接变形将引起构件承载能力下降；3)箱底减重受到限制，焊缝区域为箱底力学性能薄弱区域，目前仍通过局部加厚来实现与母材等强，加厚区的存在限制了结构的进一步减重效果。

对于大型复杂薄壁深腔曲面构件，采用整体成形方法取代传统拼焊成形方法是该领域的发展趋势。目前美国、欧洲、日本采用整体强力旋压技术成形出直径达5m的运载火箭贮箱箱底，而箱底旋压过程中容易出现失稳起皱，通常采用超厚板坯热旋压，从而导致材料组织不均匀、后续机加工量过大等问题。我国针对3.35m的运载火箭开展了充液拉深成形装备和工艺研究，成形出了3.35m直径的运载火箭贮箱箱底，然而，对于壁厚大于8mm的板坯采用充液拉深成形方法成形5m直径的箱底，所需设备吨位将超过2.5万吨，设备研制成本昂贵，且成形零件壁厚差达到15％。

本发明提供一种贮箱箱底拉胀复合整体成形装置和方法，降低大直径复杂薄壁深腔曲面构件的整体成形力，提高壁厚均匀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种贮箱箱底整体成形方法，以解决现有的拼焊成形方法形状尺寸精度低、可靠性差；成形效率低、工作量大；结构刚度低、减重能力差；材料浪费严重、生产成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种贮箱箱底整体成形方法，成形模具包括冲头、压边圈和凹模；所述冲头和压边圈采用间隙配合，两者之间采用密封圈进行密封；所述冲头上设有流体通道，使流体能够通过冲头进入凹模型腔与板料发生作用，所述凹模上设有通气孔；待成形板坯置于所述冲头和凹模之间；包括以下步骤：

S1、预压制成形：

保持所述冲头和凹模的位置不变，控制压边圈向凹模方向运动直至板坯与凹模表面接触并停止运动，完成预压制成形，形成浅筒；

S2、反拉深成形：

保持所述凹模位置不变，调节压边圈对所述板坯的压力，同时控制冲头向凹模方向运动直至板坯与凹模表面接触并停止运动，完成反拉深成形，形成浅锥筒；

S3、胀形成形：

保持所述凹模、压边圈和冲头的位置不变，通过所述流体通道注入高压流体介质，作用于所述浅锥筒底部和侧壁，使其发生变形直至全部板坯与凹模表面贴靠；

S4、脱模取件：

成形结束后，冲头向上移动，之后压边圈向上移动，由排气孔注入压力介质，在压力介质的浮力作用下脱模取件。

进一步地，所述密封圈采用Y型动密封结构。

进一步地，所述待成形板坯为热处理状态的铝合金和铝锂合金。

本发明提供的贮箱箱底整体成形方法，实现了一套工装、同一工位下一次成形，大幅缩短箱底制造周期、提高成形质量，易于实现数字化控制实现量产质量控制。传统拼焊结构贮箱箱底制造周期在28天左右，而采用整体成形方法后，箱底制造周期可缩短至3天，大幅提高制造效率。拼焊结构贮箱箱底存在较大的焊接残余应力，变形大，尺寸一致性差，焊缝的存在会降低产品的承载能力，部分焊接缺陷甚至会成为导致产品整体失效的主要因素，而采用整体成形箱底零件，结构刚度和可靠性均得到大幅提高。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为现有运载火箭推进剂贮箱箱底拼焊结构示意图；

图2是本发明实施例提供的贮箱箱底整体成形装置示意图；

图3是本发明实施例提供的贮箱箱底整体成形过程示意图；

图4是本发明实施例提供的浅筒预压制成形示意图；

图5是本发明实施例提供的浅锥筒反拉深成形示意图；

图6是本发明实施例提供的箱底胀形成形示意图；

图7是本发明实施例提供的整体成形贮箱箱底结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的贮箱箱底整体成形方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2所示为箱底整体成形装置示意图，装置主要包括成形模具(凹模、压边圈和冲头)、密封圈以及压力介质通道和排气孔。成形模具为板坯及中间状态形状尺寸依据，密封圈用于胀形成形流体介质的密封，流体通道为压力介质进入凹模型腔与板料发生作用的通道，排气孔则是排除密闭区间气体并顺利实现零件脱模的装置。

图3所示为不同成形阶段的板坯形状，初始板坯为圆形平板，首先经预压制成形为浅筒，然后经过反拉深成形获得浅锥筒，然后发生胀形成形为椭球壳。

图4所示为预压制成形示意图。保持冲头和凹模位置不变，压边圈向下运动，完成浅筒的预压制。

图5所示为锥筒的反拉深成形，保持凹模位置不变，调节压边圈对板+坯法兰的压力，同时冲头向下运动，至板坯与凹模表面接触，浅锥筒拉深成形接触。

图6所示为胀形成形，保持凹模、压边圈和冲头的位置不变，通过流体通道注入高压流体介质，作用于锥筒底部和筒壁，使其发生变形。冲头与压边圈之间采用间隙配合，采用动密封结构Y型密封圈，冲头同时对底部胀形起约束作用。成形结束后，冲头首先向上运动，然后压边圈向上运动，由排气孔注入压力介质，贮箱底试件在流体介质的浮力作用下脱模取件。

所述板料覆盖各种热处理状态的铝合金和铝锂合金。

本发明所述推进剂贮箱箱底整体成形方法适用于大尺寸回转体类薄壁深腔曲面构件成形，该装置可在通用双动压机或是带液压垫单动压机上进行操作，可显著降低成形所需的设备吨位，提高成形零件的壁厚均匀性；同时，由于应变分布可调，配合热处理实现组织均匀性的控制。成形的零件形状尺寸精度高，可靠性高。

本发明提供的整体成形方法实现一套工装、同一工位下一次成形，大幅缩短箱底制造周期、提高成形质量，易于实现数字化控制实现量产质量控制。传统拼焊结构贮箱箱底制造周期在28天左右，而采用整体成形方法后，箱底制造周期可缩短至3天，大幅提高制造效率。拼焊结构贮箱箱底存在较大的焊接残余应力，变形大，尺寸一致性差，焊缝的存在会降低产品的承载能力，部分焊接缺陷甚至会成为导致产品整体失效的主要因素，而采用整体成形箱底零件，结构刚度和可靠性均得到大幅提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种贮箱箱底整体成形方法，成形模具包括冲头、压边圈和凹模；所述冲头和压边圈采用间隙配合，两者之间采用密封圈进行密封；所述冲头上设有流体通道，使流体能够通过冲头进入凹模型腔与板料发生作用，所述凹模上设有通气孔；待成形板坯置于所述冲头和凹模之间；其特征在于，包括以下步骤：

S1、预压制成形：

保持所述冲头和凹模的位置不变，控制压边圈向凹模方向运动直至板坯与凹模表面接触并停止运动，完成预压制成形，形成浅筒；

S2、反拉深成形：

保持所述凹模位置不变，调节压边圈对所述板坯的压力，同时控制冲头向凹模方向运动直至板坯与凹模表面接触并停止运动，完成反拉深成形，形成浅锥筒；

S3、胀形成形：

保持所述凹模、压边圈和冲头的位置不变，通过所述流体通道注入高压流体介质，作用于所述浅锥筒底部和侧壁，使其发生变形直至全部板坯贴靠凹模；

S4、脱模取件：

成形结束后，冲头向上移动，之后压边圈向上移动，由排气孔注入压力介质，在压力介质的浮力作用下脱模取件。

2.如权利要求1所述的贮箱箱底整体成形方法，其特征在于，所述密封圈采用Y型动密封结构。

3.如权利要求1所述的贮箱箱底整体成形方法，其特征在于，所述待成形板坯为热处理状态的铝合金和铝锂合金。