CN108555543B - 一种铝合金贮箱半球壳体的成形方法 - Google Patents

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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Abstract

本发明提供了一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，属于航天用贮箱制造技术领域。本发明实施例提供的铝合金贮箱半球壳体成形方法，通过对固溶处理后的旋压件坯料内表面进行机加工使其与旋压模具匹配，既实现利用同一套旋压模具进行形变热处理工艺，使铝合金壳体达到T87态，节约了模具成本，又在机加工过程中释放部分淬火应力；后续车加工减薄时，通过在粗加工、半精加工及精加工中匹配递减的转速、进给速率和进刀量，控制淬火应力梯次性均匀释放并减小加工应力产生趋势，进一步降低大尺寸半球贮箱壳体不同加工阶段的残余应力，使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。

Description

一种铝合金贮箱半球壳体的成形方法
技术领域
本发明属于航天用贮箱制造技术领域，具体涉及一种铝合金贮箱半球壳体的成形方法。
背景技术
直径达φ1～2m量级、壁厚仅1.0mm左右的大尺寸薄壁2219铝合金贮箱半球壳体在航天飞行器上有着广泛的应用，贮箱重量直接影响飞行器的有效载荷和在轨时间，因此，对贮箱的尺寸精度控制和重量控制提出了极高要求。针对大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体，现有技术一般采用板材旋压成形半球形坯料，再进行固溶、时效处理以提高力学性能，而后机械加工减薄成形，得到半球贮箱壳体最终状态为T62态。
T62态并不是2219铝合金最佳的力学性能状态，T62态的强度要低于可热处理强化铝合金(如2219、2195、2A14等)的最佳性能状态T87态，T87态为固溶热处理+冷加工变形量约7％+人工时效态。然而，由于T87态因固溶淬火和冷变形产生的残余应力趋势较T62态仅因固溶淬火而导致的残余应力趋势明显增大，在大直径贮箱壳体的机械车加工减薄过程中，由于残余应力释放叠加加工应力产生而导致了更严重的局部变形及壁厚超差问题，将无法满足设计和应用要求。
目前，亟需一种铝合金贮箱半球壳体的成形方法，以实现T87态大直径薄壁可热处理强化铝合金贮箱半球壳体的壁厚精确控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述问题，提供一种铝合金贮箱半球壳体的成形方法，加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括以下步骤：
步骤(一)、通过旋压模具将铝合金圆板热旋压成形为半球壳体旋压件坯料；
步骤(二)、对所述半球壳体旋压件坯料进行固溶处理；
步骤(三)、对固溶处理后的半球壳体旋压件坯料内表面进行机加工，以使所述半球壳体旋压件坯料的内形面与所述旋压模具外形面匹配；
步骤(四)、将步骤(三)车加工后的半球壳体旋压件坯料再次装卡到所述旋压模具，进行变形量为5～10％的冷旋成形，得到半球壳体旋压件；
步骤(五)、对步骤(四)得到的半球壳体旋压件进行时效处理；
步骤(六)、对时效处理后的旋压件进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150～170r/min，进给速率为150～170mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0-4.5mm；
步骤(七)、对步骤(六)粗车加工得到的旋压件依次进行半精车加工和精车机加工，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
在一可选实施例中，步骤(三)所述的机加工包括：
车床主轴转速为180～200r/min，进给速率为180～200mm/min，单道次进刀量控制在0.5mm以内。
在一可选实施例中，步骤(二)所述的固溶处理，包括：升温至固溶温度并保温一定时间，然后通过喷淋淬火完成固溶处理。
在一可选实施例中，所述的通过喷淋淬火完成固溶处理，包括：
将所述半球壳体旋压件坯料放置在喷淋装置处进行喷淋淬火完成固溶处理，所述喷淋装置，包括供水系统、喷头支撑结构及多个喷头，所述喷头支撑结构为顶端开口的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构的四个侧表面及底面，所述供水系统用于给所述喷头供水。
在一可选实施例中，步骤(二)所述的对所述半球壳体旋压件坯料进行固溶处理，之前包括：
先将所述半球壳体旋压件坯料固定安装在撑盘上，所述半球壳体旋压件包括主体部分和直筒段，所述主体部分为空心半球结构，所述直筒段直径与所述空心半球结构的开口端直径匹配且与所述开口端连接，所述直筒段远离所述半球结构的一端带有外翻边；所述撑盘为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，所述撑盘中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件内径小50～100mm，安装时，所述直筒段套在所述突台上。
在一可选实施例中，所述突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm。
在一可选实施例中，步骤(七)所述的对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工，包括：
对粗车加工处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100～120r/min，进给速率为100～120mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0-2.5mm。
在一可选实施例中，步骤(七)所述的对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行精车加工，包括：对半精加工得到的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60～70r/min，进给速率为60～70mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
在一可选实施例中，步骤(七)中，对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工之前，以及进行精车加工之前，各进行至少一次冷热循环处理。
在一可选实施例中，所述的至少一次冷热循环处理，包括：
在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明实施例提供的铝合金贮箱半球壳体成形方法，通过对固溶处理后的旋压件坯料内表面进行机加工使其与旋压模具匹配，既实现利用同一套旋压模具进行形变热处理工艺，使铝合金壳体达到T87态，节约了模具成本，又在机加工过程中释放部分淬火应力，后续车加工减薄时，通过在粗加工、半精加工及精加工中配置递减的转速、进给速率和进刀量，控制淬火应力梯次性均匀释放并减小加工应力产生趋势，进一步降低大尺寸半球贮箱壳体不同加工阶段的残余应力，使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。
附图说明
图1为本发明设计淬火处理工装结构和喷淋系统水槽的示意图；
图2为本发明设计喷淋系统的俯视图；
图3为本发明的冷旋终成形的示意图；
图4为本发明实施例提供的壁厚测量位置示意图。
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：
本发明实施例提供了一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括以下步骤：
步骤(一)、通过旋压模具将铝合金圆板热旋压成形为半球壳体旋压件坯料；
具体地，本发明实施例中，所述铝合金圆板为O态，经车加工成形为圆板。
步骤(二)、对所述半球壳体旋压件坯料进行固溶处理；
具体地，参见图1，为保证旋压件1坯料各部分具有相同的冷却速度，提高淬火应力分布的均匀性，本发明实施例中，优选先将铝合金贮箱半球壳体旋压件1升温至固溶温度并保温一定时间，然后通过喷淋淬火完成固溶处理；具体地，将所述半球壳体旋压件1坯料放置在喷淋装置4处进行喷淋淬火完成固溶处理，所述喷淋装置4，包括供水系统、喷头支撑结构5及多个喷头，所述喷头支撑结构5为顶端开口的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构5的四个侧表面及底面，所述供水系统用于给所述喷头供水，该喷淋装置4能够保证旋压件1内外表面在喷淋淬火时能够同时、完全、充分地与水接触；
进一步地，本发明实施例中，优选在固溶处理前，先将所述半球壳体旋压件1坯料固定安装在撑盘2上，所述半球壳体旋压件1包括主体部分和直筒段，所述主体部分为空心半球结构，所述直筒段直径与所述空心半球结构的开口端直径匹配且与所述开口端连接，所述直筒段远离所述半球结构的一端带有外翻边；所述撑盘2为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，所述撑盘2中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件1内径小50～100mm，安装时，所述直筒段套在所述突台上。该结构撑盘2既有利于半球壳体旋压件1坯料口部内表面与水接触，又避免所述突台的厚度较薄，热处理时无法起到控制旋压件1口部变形以及校形的作用；进一步地，所述突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm，既便于装配又能确保旋压件1坯料的口部变形的控制效果；
步骤(三)、对固溶处理后的半球壳体旋压件坯料内表面进行机加工，以使所述半球壳体旋压件坯料的内形面与所述旋压模具外形面匹配；
本发明实施例中，机加工时，优选车床主轴转速为180～200r/min，进给速率为180～200mm/min，单道次进刀量控制在0.5mm以内，有助于部分淬火应力有效释放，同时保证了机加工效率。
步骤(四)、将步骤(三)车加工后的半球壳体旋压件坯料再次装卡到所述旋压模具，进行变形量为5～10％的冷旋成形，得到半球壳体旋压件；
具体地，本发明实施例中，铝合金贮箱半球壳体旋压件直径优选φ1～2m量级、壁厚优选1.0±0.2mm左右，所述铝合金可以为2219铝合金、2A14铝合金或2195铝合金等，本发明不做限定，优选2219铝合金；固溶温度及后续的时效处理工艺均可以根据具体铝合金牌号确定；
本发明实施例中，冷旋成形的如图3所示，即将车加工内表面的半球壳体旋压件坯料8通过旋压设备尾顶二次装卡到步骤(一)旋压成形所用同一旋压模具9上，而后进行1道次的冷旋终成形，得到半球壳体旋压件10；
步骤(五)、对步骤(四)得到的半球壳体旋压件进行时效处理；
步骤(六)、对时效处理后的旋压件的内、外表面分别进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150～170r/min，进给速率为150～170mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0～4.5mm；
具体地，本发明实施例中，优选先按照贮箱半球壳体设计内半径对内表面进行粗加工，再对外表面进行粗加工；
步骤(七)、对步骤(六)粗车加工得到的旋压件依次进行半精车加工和精车机加工，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
具体地，本发明实施例中，半精加工时，优选对粗车加工处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100～120r/min，进给速率为100～120mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0-2.5mm；
具体地，本发明实施例中，精加工时，优选对半精加工得到的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60～70r/min，进给速率为60～70mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体；在一可选实施例中，为进一步降低大尺寸半球贮箱壳体在不同加工阶段的残余应力，步骤(七)中，对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工之前，以及对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工之后，即精车加工之前，各进行至少一次冷热循环处理；可以根据铝合金牌号确定冷热循环处理高、低温及处理时长；优选在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉。
本发明实施例提供的铝合金贮箱半球壳体成形方法，半球壳体旋压件固溶处理采用喷淋淬火方式，提高了淬火应力分布的均匀性；通过对固溶处理后的旋压件坯料内表面进行机加工使其与旋压模具匹配，既实现利用同一套旋压模具进行形变热处理工艺，使铝合金壳体达到T87态，节约了模具成本，又在机加工过程中释放部分淬火应力；后续车加工减薄时，通过在粗加工、半精加工及精加工中匹配递减的转速、进给速率和进刀量，控制淬火应力梯次性均匀释放并减小加工应力产生趋势；此外，还通过在半精加工和精加工前，分别增加至少一次冷热循环处理，进一步降低大尺寸半球贮箱壳体不同加工阶段的残余应力，使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。
实施例1
本实施例中贮箱半球壳体采用2219铝合金，设计内径为Ф960mm、壁厚为0.9+ 0.2mm。以下为贮箱半球壳体的T87热处理工艺以及贮箱半球旋压件精密加工成形过程中的残余应力控制具体操作：
步骤(一)、将大直径铝合金圆板热旋压成形为口部带有小直段(直筒段)的大直径半球壳体旋压件坯料，旋压件内径为Ф957mm左右，壁厚从半球壳体顶部的约15mm均匀减小至口部的约10mm，小直段约为60mm；
步骤(二)、参见图1，将铝合金贮箱半球壳体旋压件1固定安装在热处理工装上。热处理工装包括撑盘2和吊装框架3。其中，撑盘2为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，撑盘2中间部分的直径为900mm，上端环形突台高度和外径分别为59.5mm和956.5mm；吊装框架3包括主框架和固定在主框架上端中心位置的吊钩，所述主框架为一端开口的矩形框，所述主框架的开口端固定在所述底座的中心线上，所述主框架的顶部横杆长度为1000mm，立杆高度为650mm。而后将旋压件1和热处理工装放入热处理炉中升温至固溶温度535±5℃，并保温100min，然后将旋压件1和热处理工装吊出并转移至带有喷淋装置4的中心位置进行喷淋淬火直至冷却到室温，其中，喷淋装置4包括供水系统、喷头支撑结构5及多个喷头，供水系统包括水槽6和抽水泵7，水槽6设置在喷头支撑结构5下方，既用于提供喷淋用水，又用于回收喷淋后的水，喷头支撑结构5为顶端开口底部与水槽6连通的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构5的四个侧表面及底面，所述抽水泵7与所述水槽6连接，用于将水槽6内的水供给所述喷头，喷头支撑结构5前、后、左、右面及底面中心位置均布80个通过管路串、并联于一体的多孔散射喷头，散射喷头的散射角度为75°，最高的喷头位置距离所述喷头支撑结构5的底面为1200mm，距铝合金贮箱半球壳体旋压件1的最高点为350mm。
步骤(三)、将固溶处理后的半球壳体固定到后续车加工用常规的内形面加工工装上，并安装于大型数控车床，加工时车床主轴转速为180r/min，进给速率为180mm/min，每道次进刀量控制在0.5mm以内，至半球壳体内表面满足步骤(四)冷旋成形二次装卡为止；
步骤(四)、将车加工内表面的旋压件坯料二次装卡到步骤(一)旋压成形所用同一旋压模具上，而后进行1道次、变形量为7％的冷旋终成形，得到半球壳体旋压件；
步骤(五)、对半球壳体旋压件进行时效处理，制度为165±5℃保温18h，空冷；
步骤(六)、对固溶、时效处理后的旋压件的内、外表面分别进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150r/min，进给速率为150mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0～4.5mm，即壁厚为4.9～5.6mm；
步骤(七)、对步骤(六)得到的粗车加工后的旋压件进行2次冷热循环稳定化处理：-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，再次-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，炉冷至60℃出炉；
步骤(八)、对冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100r/min，进给速率为100mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0～2.5mm，即2.9～3.6mm；
步骤(九)、对步骤(八)得到的半精车加工后的旋压件进行2次冷热循环稳定化处理：-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，再次-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，炉冷至60℃出炉；
步骤(十)、对步骤(九)得到的冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60r/min，进给速率为60mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
本实施例中采用T87热处理工艺成形半球壳体本体取样的力学性能如表1所示，表1中还列出了采用T62热处理工艺成形壳体本体取样的力学性能。由表1可知，T87形变热处理后力学强度较原T62工艺有大幅度的提高，其中抗拉强度提高约10％，屈服强度提高约25％，而塑性二者相近。
对于工业残余应力检测，现有技术主要包括无损(如X射线法等)和有损(如盲孔法等)测试两类。其中，X射线法无法满足壳体内部残余应力的测定、而盲孔法测定会给壳体带来损伤，因此，现有技术无法对车加工后壳体残余应力进行准确的标定。本实施例中残余应力的控制效果通过残余应力易导致的壳体局部变形和壁厚超差进行表征：1)通过斜光照射壳体，目视壳体球面的反光线弯曲程度来表征残余应力导致的壳体局部变形程度；2)通过测定壳体最终壁厚的超差情况表征残余应力的控制效果。在本实施例中，车加工后的2219铝合金贮箱半球壳体斜光照射后，目视检测球面的反光线未观察到弯曲现象；此外，车加工后的2219铝合金贮箱半球壳体分别沿8个方向、每个方向8个测量位置(如附图4所示)的壁厚如下表2所示，测量的壳体壁厚尺寸均满足设计要求的0.9+0.2mm，保证了产品的壁厚精度，批次性控制壳体壁厚尺寸合格率≥95％。
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。
表1 T87和T62热处理工艺成形半球壳体的力学性能参数表
Figure BDA0001658203480000081
表2贮箱半球壳体分别沿8个方向、每个方向8个测量位置的壁厚/mm
测量点 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’
方向1 0.94 0.95 0.97 0.92 0.90 1.08 0.92 0.91
方向2 0.96 0.97 0.94 0.96 0.90 1.04 0.96 0.93
方向3 0.92 0.95 0.93 0.99 0.92 1.06 0.95 1.07
方向4 0.97 0.99 0.98 1.07 0.91 1.01 0.95 1.05
方向5 0.95 0.99 1.09 1.01 0.92 0.96 1.01 1.00
方向6 0.99 1.01 1.05 1.00 0.95 0.97 1.05 0.97
方向7 0.92 1.04 0.97 1.01 0.99 1.02 0.92 1.07
方向8 0.97 1.03 1.04 0.98 0.99 1.06 1.07 0.97

Claims (5)

1.一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(一)、通过旋压模具将铝合金圆板热旋压成形为半球壳体旋压件坯料，其中，半球壳体设计内径为1～2m；
步骤(二)、先将所述半球壳体旋压件坯料固定安装在撑盘上，所述半球壳体旋压件包括主体部分和直筒段，所述主体部分为空心半球结构，所述直筒段直径与所述空心半球结构的开口端直径匹配且与所述开口端连接，所述直筒段远离所述半球结构的一端带有外翻边；所述撑盘为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，所述撑盘中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件内径小50～100mm，安装时，所述直筒段套在所述环形突台上；所述环形突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述环形突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm；对所述半球壳体旋压件坯料升温至固溶温度并保温一定时间，将所述半球壳体旋压件坯料放置在喷淋装置处进行喷淋淬火完成固溶处理，所述喷淋装置，包括供水系统、喷头支撑结构及多个喷头，所述喷头支撑结构为顶端开口的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构的四个侧表面及底面，所述供水系统用于给所述喷头供水；
步骤(三)、对固溶处理后的半球壳体旋压件坯料内表面进行机加工，以使所述半球壳体旋压件坯料的内形面与所述旋压模具外形面匹配；
步骤(四)、将步骤(三)车加工后的半球壳体旋压件坯料再次装卡到所述旋压模具，进行变形量为5～10％的冷旋成形，得到半球壳体旋压件；
步骤(五)、对步骤(四)得到的半球壳体旋压件进行时效处理；
步骤(六)、对时效处理后的旋压件进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150～170r/min，进给速率为150～170mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0-4.5mm；
步骤(七)、对步骤(六)粗车加工得到的旋压件依次进行半精车加工和精车机加工，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体；步骤(七)中，对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工之前，以及进行精车加工之前，各进行至少一次冷热循环处理。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：步骤(三)所述的机加工包括：
车床主轴转速为180～200r/min，进给速率为180～200mm/min，单道次进刀量控制在0.5mm以内。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，步骤(七)所述的对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行半精车加工，包括：
对粗车加工处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100～120r/min，进给速率为100～120mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0-2.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，步骤(七)所述的对步骤(六)粗车加工得到的旋压件进行精车加工，包括：
对半精加工得到的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60～70r/min，进给速率为60～70mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
5.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，所述的至少一次冷热循环处理，包括：
在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉。
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