CN109702066A - 一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法，尤其涉及一种大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱椭球型面半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法，属于贮箱壳体制造技术领域，所述的大尺寸是指半球壳体的内径不小于Φ1200mm、半球壳体的深度不小于400mm，高性能是指半球壳体经旋压变形及后续的热处理后，其抗拉强度、屈服强度及延伸率分别不低于570MPa、530MPa、7.5％。

Description

一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法

技术领域

本发明涉及一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法，尤其涉及一种大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱椭球型面半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法，属于贮箱壳体制造技术领域，所述的大尺寸是指半球壳体的内径不小于Φ1200mm、半球壳体的深度不小于400mm，高性能是指半球壳体经旋压变形及后续的热处理后，其抗拉强度、屈服强度及延伸率分别不低于570MPa、530MPa、7.5％，2195铝锂合金是指半球壳体原材料为Al-Cu-Li系合金，其Cu元素的质量含量为3.7～4.3％(质量百分数)、Li元素的质量含量为0.8～1.2％(质量百分数)，温度场控制是指对半球壳体旋压过程中其变形区的温度场均匀性进行调控，即确保2195铝锂合金贮箱半球壳体在整个旋压变形过程中其变形区温度基本一致，而且半球壳体在整个旋压变形过程中其变形区温度控制在380～450℃范围内。

背景技术

航天事业未来的发展面临着能力与效益的双重挑战，发展高可靠、高运载能力的运载火箭、航天器是其未来的发展方向。运载效率是判定航天器先进程度的最关键指标，国外航天器的运载效率可以达到3.0～4.0％，而我国最新研制的运载火箭CZ-5、CZ-7其运载效率仅约2.5％，导致我国航天运载器长期处于“大而不强”的尴尬局面(如表1所示)。为有效提升我国航天的运载效率，就必须实现箭体结构的轻质化，而采用更高效的箭体结构设计和更轻质高强的结构材料是目前实现箭体结构减重的有效途径。为满足航天运载器的轻量化要求，其对大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体制造技术提出了需求。

表1国内外运载火箭运载效率统计

针对内径≥Ф1200mm，高度≥400mm，壁厚≤5mm的大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体，由于其成形后需要进行热处理强化以获得优异的力学性能，而热处理期间半球壳体将不可避免发生变形(尤其淬火处理期间)，因此若采用将原材料直接成形为目标构件的方案，则构件壁厚精度不易控制，而比较合理的成形路径是先将原材料成形为构件毛坯、然后再加工减薄。

大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体毛坯成形可选择的工艺路径有拉深成形(如冲压成形、液胀成形等)或者旋压成形。大尺寸2195铝锂合金半球壳体毛坯冲压/液胀等拉深成形所需设备的吨位较大，配套的成形模具及中间工序较多，出现褶皱、裂纹等缺陷的几率较大，而且壁厚均匀性不易控制；另外冲压/液胀等拉深成形过程中原材料的减薄率较小，一般不超过10％，变形过程主要为原材料形状发生变化，因此冲压/液胀等拉深变形过程基本无形变强化和晶粒细化效应，其基本无助于提升目标构件的力学性能。而旋压成形是一种通过逐点大变形实现目标构件高精度一体化连续成形的工艺，最适合于2195铝锂合金贮箱半球壳体等回转体构件的成形，而且旋压变形后的2195铝锂合金晶粒将显著细化并具有纤维状特征，半球壳体强度和硬度均获得提高。相对于冲压/液胀等拉深成形工艺，采用旋压工艺制备2195铝锂合金贮箱半球壳体还可以大幅简化模具和工序，而且经旋压变形后的目标构件毛坯壁厚均匀性较好，因此，对于大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体毛坯成形，旋压成形工艺比冲压/液胀等拉深成形工艺更为适合。

目前，国外采用旋压工艺整体成形大尺寸2195铝锂合金贮箱半球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；目前国内的贮箱半球类壳体一般采用旋压成形工艺制备，所选择的原材料为Al-Cu-Mn系2219铝合金，其相对于Al-Cu-Li系2195铝合金落后一代。针对直径≥Ф1200mm的2195铝锂合金贮箱半球壳体的旋压工艺目前国内尚处于空白阶段，主要难点是2195铝锂合金强度级别较高，室温下塑性变形能力较差，在旋压变形过程中将面临较大抗力，因此必须在较高温度下热旋成形，而热旋过程中其变形区的温度场均匀性无法保障，极易导致2195铝锂合金板坯内、外壁出现较大的温度梯度，从而出现较深褶皱、裂纹等旋压缺陷，导致构件直接报废。现有半球类壳体旋压成形工艺的经验是采用喷枪首先加热旋压模具，然后将板坯固定在旋压模具上开始旋压且在全旋程中加热板坯外壁，这种方法板坯内壁仅可通过其外壁及模具传导余热的方式进行补偿加热，板坯内、外壁的温度梯度较大，导致2195铝锂合金变形区温度场不均匀，极易出现较深褶皱和旋压裂纹，严重影响了2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，填补国内大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压成形工艺的技术空白，提供一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装及方法，从而保障大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体毛坯在整个旋压变形过程中其变形区温度场的均匀性，减缓或消除了全旋程中2195铝锂合金板坯内、外壁的温度梯度，避免了出现较深褶皱和旋压裂纹的现象，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压件毛坯的成形质量和成形精度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，该半球壳体为椭球型面半球壳体，该工装包括空心椭球、空心圆柱、装配连接半环以及螺旋形加热管；

其中空心椭球、空心圆柱、装配连接半环的材料均采用低合金高强度结构钢(16Mn)，加热管的材料采用321不锈钢。

所述的温度场控制工装中上面空心椭球的顶端为平面、底端为平面，腰身位置外表面上有一个环形凹槽；定义空心椭球的顶端为第一平面，定义空心椭球的底端平面为第二平面，定义空心椭球腰身位置的环形凹槽为第一环形凹槽；

所述的温度场控制工装中下面空心圆柱为带有台阶孔的空心圆柱，且该空心圆柱的底端带有垭口，该空心圆柱的顶端为平面，台阶面为平面，腰身位置外表面有一个环形凹槽为；定义空心圆柱的顶端平面为第三平面，定义空心圆柱的台阶面为第四平面，定义空心圆柱腰身位置的环形凹槽为第二环形凹槽；

所述的温度场控制工装中装配连接半环为呈“C”形结构的椭球型面，上端为楔形结构，下端为楔形结构，连接上端和下端的腰身位置的椭球型面为；定义上端楔形结构为第一楔形结构，定义下端楔形结构为第二楔形结构；

定义温度场控制工装中上面的空心椭球的型面为第一椭球型面，定义温度场控制工装中装配连接半环腰身位置的椭球型面为第二椭球型面；

所述的温度场控制工装中上面空心椭球的第一环形凹槽与温度场控制工装中装配连接半环的第一楔形结构相匹配，所述的温度场控制工装中下面空心圆柱的第二环形凹槽与温度场控制工装中装配连接半环的第二楔形结构相匹配，即通过两个装配连接半环将空心椭球和空心圆柱进行连接；所述的温度场控制工装中空心椭球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；所述的温度场控制工装中空心圆柱的第三平面与温度场控制工装中空心椭球的第二平面相匹配；

所述的螺旋形加热管固定安装在温度场控制工装中上面的空心椭球的内表面和下面的空心圆柱的第四平面上；其中在温度场控制工装下面的空心圆柱第四平面上刻画个同心圆，圆心位于空心圆柱的Z向轴线上，在每个同心圆上均沿周向均匀固定安装～个加热管，沿温度场控制工装上面的空心椭球的第二平面为基准，沿Z轴方向刻画个高度带，在每个高度带所在的平面(高度带所在平面与Z轴垂直)内沿周向均匀固定安装8～12个加热管；

螺旋形加热管自带控温箱，可通过调节控温箱的电压、电流按钮实时调控螺旋形加热管的辐射温度；

温度场控制工装上面空心椭球顶端的平面直径为Φ100～120mm；空心椭球上第一环形凹槽距空心椭球上第二平面的高度为150～200mm；空心椭球上固定安装螺旋形加热管的3个高度带与第二平面的距离分别为30～50mm、100～140mm、230～280mm；温度场控制工装下面空心圆柱的底端(第四平面下方)带有垭口，该垭口为一凸台结构看，该垭口用于与旋压设备进行连接；空心圆柱上第二环形凹槽与空心圆柱上第三平面的距离为100～150mm；空心圆柱上固定安装螺旋形加热管的3个同心圆直径分别为300～400mm、600～700mm、1000～1100mm；温度场控制工装上装配连接半环中第一楔形结构的楔角为10～15°，弧长为30～55mm，法向深度为35～55mm；温度场控制工装上装配连接半环中第二楔形结构的楔角为10～15°，楔角对应的长度为35～58mm，法向深度为40～80mm；温度场控制工装上装配连接半环中第二椭球型面(即装配连接环腰身位置)的厚度为30～50mm，第二椭球型面的长轴超出第一椭球型面(即空心椭球型面)的长轴10～20mm；第二椭球型面的短轴超出第一椭球型面(即空心椭球型面)的短轴10～20mm。

所述的温度场控制工装装配过程如下：

1)将螺旋形加热管分别呈梯度(即按照高度带)固定安装在温度场控制工装上面空心椭球的内表面和下面空心圆柱的第四平面的相应位置，分别形成组合体A和B；

2)将空心椭球上第二平面与空心圆柱上第三平面装配后进行焊接，使空心椭球与空心圆柱连接在一起，形成组合体C；

3)将装配连接半环上第一楔形结构与空心椭球上第一环形凹槽进行装配、第二楔形结构与空心圆柱上第二环形凹槽进行装配，然后分别沿环向进行焊接；第一个装配连接半环焊接完成后，重复上述工序完成第二个装配连接半环的装配焊接；然后将两个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；通过该工序提高空心椭球与空心圆柱焊接连接后形成的组合体C的刚度；

4)对组合体D局部(即装配连接半环位置)进行机械加工，使组合体D的型面连续、光滑，形成最终的温度场控制工装E，E的椭球型面为第三椭球型面，其外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致，E的椭球型面长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形椭球型面半球壳体相对应的最大直径小4～8mm。

一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，该方法的步骤包括：

(1)制备温度场控制工装；

该工装采用分体设计及制造、然后进行装配连接的方案，包括上面的空心椭球、下面的空心圆柱、两个装配连接半环以及螺旋形辐射加热装置(加热管)；其中空心椭球、空心圆柱、装配连接半环装配连接后形成旋压模具，而螺旋形加热管则呈梯度配置固定安装在旋压模具内；

(2)制备2195铝锂合金圆板；

(3)将步骤(1)制作的温度场控制工装通过垭口固定安装在旋压设备上，将步骤(2)制作的2195铝锂合金圆板利用旋压设备尾顶固定安装在温度场控制工装上，使用螺旋形加热管5对温度场控制工装的内表面进行预热，使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装外表面及2195铝锂合金圆板进行预热，进行预热时当测量到温度场控制工装外表面的温度为150～200℃，2195铝锂合金圆板的温度为200～300℃时为止；

(4)将步骤(3)中的2195铝锂合金圆板旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃；

(5)从温度场控制工装上卸下通过步骤(4)成形的2195铝锂合金旋压件，然后对2195铝锂合金旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体为椭球型面，其在XY方向的半径相等，在XZ、YZ方向的半径不相等，且X、Y方向为椭球型面的长轴方向、Z方向为椭球型面的短轴方向，X、Y方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Z方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球长轴与椭球短轴的比值即为椭球型面半球壳体的模数，该椭球型面半球壳体的模数为1.6。

所述的步骤(1)中，所述的温度场控制工装包括上面带环形槽的空心椭球、下面带环形槽的空心圆柱、2个装配连接半环以及螺旋形辐射加热装置(加热管)，采用了分体设计、制造+装配焊接的方案；其中空心椭球、空心圆柱、装配连接半环装配连接后形成旋压模具，而螺旋形加热管则呈梯度配置固定安装在旋压模具内；

所述的温度场控制工装中上面空心椭球的顶端为平面，底端也为平面，腰身位置为环形凹槽；定义空心椭球的顶端为第一平面，定义空心椭球的底端为第二平面，定义空心椭球腰身位置的环形凹槽为第一环形凹槽；

所述的温度场控制工装中下面空心圆柱的顶端为平面，底端也为平面，腰身位置为环形凹槽；定义空心圆柱的顶端为第三平面，定义空心圆柱的底端为第四平面，定义空心圆柱腰身位置的环形凹槽为第二环形凹槽；

所述的温度场控制工装中装配连接半环呈“C”形，上端为楔形结构，下端也为楔形结构，连接上、下端的腰身位置为椭球型面；定义上端楔形结构为第一楔形结构，定义下端楔形结构为第二楔形结构；

定义温度场控制工装中上面的空心椭球型面为第一椭球型面，定义温度场控制工装中装配连接半环腰身位置的椭球型面为第二椭球型面；

所述的温度场控制工装上面空心椭球的第一环形凹槽与温度场控制工装装配连接半环的第一楔形结构相匹配，所述的温度场控制工装下面空心圆柱的第二环形凹槽与温度场控制工装装配连接半环的第二楔形结构相匹配；所述的温度场控制工装中空心椭球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；所述的温度场控制工装下面空心圆柱的第三平面与旋压模具上面空心椭球的第二平面相匹配；

所述的螺旋形加热管固定安装在温度场控制工装中上面的空心椭球和下面的空心圆柱；其中在温度场控制工装下面的空心圆柱第四平面上刻画3个同心圆，圆心位于空心圆柱的Z向轴线上，在每个同心圆上均沿周向均匀固定安装8～12个加热管；沿温度场控制工装上面的空心椭球第二平面为基准，沿Z轴方向刻画3个高度带，在每个高度带所在的平面(高度带所在平面与Z轴方向垂直)内沿周向均匀固定安装8～12个加热管。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明针对大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的结构特点和其材料特性，设计了旋压变形温度场均匀性控制工装，采用分体设计及制造、然后进行装配连接的方案，即采用“空心椭球+空心圆柱+装配连接半环+加热管+焊接”的结构设计，使得2195铝锂合金板坯在整个旋压变形过程中其变形区获得双向加热效果，减小或消除了变形区板坯内、外壁的温度梯度，保障了变形区在全旋程中的温度场均匀性，有助于提高大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。

(2)本发明旋压变形温度场均匀性控制工装，可通过调节施加给加热管的电压和电流实时调整辐射热量，从而实现对2195铝锂合金板坯变形区内壁温度的精确调控。

(3)本发明旋压变形温度场均匀性控制工装，加热管分布在旋压模具空心椭球内部的3个高度带及空心圆柱内部的端面，可通过实时调节不同部位加热管的电流和电压，从而使2195铝锂合金板坯不同位置变形区内壁均具有良好的辐射加热效果。

(4)本发明的方法中采用喷枪加热温度场控制工装以及2195铝锂合金板坯外壁，板坯的内壁通过辐射补偿加热，确保板坯的变形区域温度场均匀，不会出现较大的温度梯度导致出现较深褶皱以及旋裂的情况出现。

(5)本发明旋压变形温度场控制工装，装配过程简单、高效，适宜于批量处理。

(6)本发明大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，工序简单，具有较强的可操作性和实用性。

(7)本发明涉及一种大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，针对2195铝锂合金贮箱半球壳体的结构特点和其材料特性，设计了专用旋压变形温度场均匀性调控工装，采用分体设计及制造、然后进行装配连接的方案，即采用“空心椭球+空心圆柱+装配连接半环+加热管+焊接”的结构设计，使得2195铝锂合金板坯在整个旋压变形过程中其变形区获得双向加热效果，实现了其全旋程变形区温度场的均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯变形区内、外壁的温度梯度，避免了较深褶皱和旋压裂纹的出现，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。本发明操作过程简单、高效，适宜于批量处理，具有较强的可操作性和实用性。

(8)本发明涉及一种大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，针对2195铝锂合金贮箱半球壳体的结构特点和其材料特性，设计了专用旋压变形温度场均匀性调控工装，采用分体设计及制造、然后进行装配连接的方案，即采用“空心椭球+空心圆柱+装配连接半环+加热管+焊接”的结构设计，使得2195铝锂合金板坯在整个旋压变形过程中其变形区获得双向加热效果，实现了其全旋程变形区温度场的均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯变形区内、外壁的温度梯度，避免了较深褶皱和旋压裂纹的出现，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。本发明操作过程简单、高效，适宜于批量处理，具有较强的可操作性和实用性。

附图说明

图1本发明椭球结构及坐标系示意图；

图2为加热管固定在空心椭球上的结构连接示意图；

图3为螺旋形加热管结构示意图

图4a为加热管固定在空心圆柱上的结构连接示意图；

图4b为空心圆柱底端垭口示意图；

图5为装配连接半环结构示意图；

图6为装配连接完全的温度场控制工装结构示意图；

图7为旋压变形过程第三步骤示意图；

图8为旋压变形过程第四步骤示意图；

具体实施方式

大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体为椭球型面，其在XY方向的半径相等，在XZ、YZ方向的半径不相等，且X、Y方向为椭球型面的长轴方向、Z方向为椭球型面的短轴方向，X、Y方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Z方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，如附图1所示，椭球长轴与椭球短轴的比值即为椭球型面半球壳体的模数，该椭球型面半球壳体的模数为1.6。

大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，包括如下步骤：

步骤(一)制备温度场控制工装，具体过程如下：

大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装14包括空心椭球1、空心圆柱6、装配连接半环10以及螺旋形加热管5；其中空心椭球1、空心圆柱2、装配连接半环3的材料均采用低合金高强度结构钢(16Mn)，加热管4的材料采用321不锈钢，如附图2～5所示。

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的顶端为平面2，底端为平面3，腰身位置有一个环形凹槽为4；定义空心椭球1的顶端平面2为第一平面，定义空心椭球1的底端平面3为第二平面，定义空心椭球1腰身位置的环形凹槽4为第一环形凹槽，如附图2～3所示；

所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的顶端为平面7，底端为平面8，腰身位置有一个环形凹槽为9；定义空心圆柱6的顶端平面7为第三平面，定义空心圆柱6的底端平面8为第四平面，定义空心圆柱6腰身位置的环形凹槽9为第二环形凹槽，如附图3～4所示；

所述的温度场控制工装14中装配连接半环10呈“C”形，上端为楔形结构11，下端为楔形结构12，连接上、下端的腰身位置的椭球型面为13；定义上端楔形结构11为第一楔形结构，定义下端楔形结构12为第二楔形结构，如附图5所示；

定义温度场控制工装14中上面的空心椭球1的型面为第一椭球型面，定义温度场控制工装14中装配连接半环10腰身位置的椭球型面13为第二椭球型面，如附图2、5所示；

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的第一环形凹槽4与温度场控制工装14中装配连接半环10的第一楔形结构11相匹配，所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的第二环形凹槽9与温度场控制工装14中装配连接半环10的第二楔形结构12相匹配；所述的温度场控制工装14中空心椭球1的底端外径与空心圆柱6的外径一致，空心椭球1的底端内径与空心圆柱6的内径一致，空心椭球1的壁厚与空心圆柱6的壁厚一致；所述的温度场控制工装14中空心圆柱6的第三平面7与温度场控制工装14中空心椭球1的第二平面3相匹配，如附图2、4所示；

所述的螺旋形加热管5固定安装在温度场控制工装14中上面的空心椭球1和下面的空心圆柱6，如附图2～4所示；其中在温度场控制工装14下面的空心圆柱6第四平面8上刻画3个同心圆，圆心位于空心圆柱的Z向轴线上，在每个同心圆上均沿周向均匀固定安装8～12个加热管5，附图4a所示；沿温度场控制工装14上面的空心椭球1的第二平面3为基准，沿Z轴方向刻画3个高度带，在每个高度带所在的平面(高度带所在平面与Z轴垂直)内沿周向均匀固定安装8～12个加热管5，附图2所示；

加热管5自带控温箱，可通过调节控温箱的电压、电流按钮实时调控加热管5的辐射温度。

温度场控制工装14上面空心椭球1顶端的平面2直径为Φ100～120mm；附图2所示；空心椭球1上第一环形凹槽4距空心椭球1上第二平面3的高度为150～200mm；空心椭球1上固定安装加热管5的3个高度带与第二平面3的距离分别为30～50mm、100～140mm、230～280mm；温度场控制工装14下面空心圆柱6的底端(第四平面8下方)带有垭口，如附图4b所示，该垭口用于与旋压设备进行连接；空心圆柱6上第二环形凹槽9与空心圆柱6上第三平面7的距离为100～150mm；空心圆柱6上固定安装加热管的3个同心圆直径分别为300～400mm、600～700mm、1000～1100mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第一楔形结构11的楔角为10～15°，弧长为30～55mm，法向深度为35～55mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二楔形结构12的楔角为10～15°，楔角对应的长度为35～58mm，法向深度为40～80mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二椭球型面13(即装配连接环腰身位置)的厚度为30～50mm，第二椭球型面13的长轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的长轴10～20mm；第二椭球型面13的短轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的短轴10～20mm，附图2～5所示；

所述的温度场控制工装14装配过程如下：

1)将加热管5分别呈梯度固定安装在温度场控制工装14上面空心椭球1和下面空心圆柱6的相应位置，分别形成组合体A和B；

2)将空心椭球1上第二平面3与空心圆柱6上第三平面7装配后进行焊接，使空心椭球1与空心圆柱6连接在一起，形成组合体C；

3)将装配连接半环10上第一楔形结构11与空心椭球1上第一环形凹槽4进行装配、第二楔形结构12与空心圆柱6上第二环形凹槽9进行装配，然后分别沿环向进行焊接；第一个装配连接半环10焊接完成后，重复上述工序完成第二个装配连接半环10的装配焊接；然后将2个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；通过该工序提高空心椭球1与空心圆柱6焊接连接后形成的组合体C的刚度；

4)对组合体D局部(即装配连接半环位置)进行机械加工，使组合体D的型面连续、光滑，形成最终的温度场控制工装(14)E，E的椭球型面为第三椭球型面18，其外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致，E的椭球型面长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形椭球型面半球壳体相对应的最大直径小4～8mm，如附图6所示。

步骤(二)制备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形2195铝锂合金板材上切取直径为Φ1450～1550mm的2195铝锂合金圆板15。

步骤(三)将步骤(一)制作的温度场控制工装14通过垭口固定安装在旋压设备上，将步骤(二)制作的2195铝锂合金圆板利用旋压设备尾顶16固定安装在温度场控制工装14上使2195铝锂合金圆板15的圆心与温度场控制工装14的顶端平面2的中心重合，且2195铝锂合金圆板15与温度场控制工装14的顶端平面2紧密贴合，如附图7所示；使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装14外表面及2195铝锂合金圆板15进行预热，使用辐射加热装置(即加热管5)对温度场控制工装14内表面进行预热，加热时间为20～30min，直至温度场控制工装14的温度达到150～200℃、2195铝锂合金圆板15的温度达到200～300℃时为止；

步骤(四)开始旋压，直至将步骤(三)中的2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，如附图8所示，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃；

在旋压过程中，将2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃，控制过程如下：固定安装在温度场控制工装14内部的加热管5产生的热量辐射到温度场控制工装14的内壁上，并且通过温度场控制工装14向2195铝锂合金板坯15的内壁变形区传递热量；而2195铝锂合金板坯15的外壁变形区则通过氧-乙炔喷枪持续补偿加热，从而使2195铝锂合金板坯15的变形区获得双向加热的效果，以此保证2195铝锂合金板坯变形区的温度场均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯15变形区内、外壁的温度梯度，避免出现较深褶皱和旋压裂纹，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体17的成形质量和成形精度。

在2195铝锂合金贮箱半球壳体17的整个旋压变形过程中，使用红外测温装置实时监测2195铝锂合金板坯15变形区的温度场，确保其保持在380～450℃范围内。若2195铝锂合金板坯15变形区外壁的温度高于上述温度范围，则增加氧-乙炔喷枪火焰与2195铝锂合金板坯15变形区外壁的距离或者减少乙炔在喷枪口部的流量，否则，则采取相反的措施；若2195铝锂合金板坯15变形区内壁的温度高于上述温度范围，则通过减小对加热管5施加的电压和电流来减少其向温度场控制工装14内壁辐射的热量，进而减少温度场控制工装14内壁向2195铝锂合金板坯15内壁变形区传递的热量，否则，则采取相反的措施。另外，加热管5分布在温度场控制工装14中空心椭球1内部的3个高度带及空心圆柱6内部的端面8(第四平面8)，通过实时调节不同部位加热管5的电流和电压，可以确保在全旋程中对2195铝锂合金板坯15不同位置变形区内壁均具有良好的辐射加热效果。

步骤(五)热处理和机械加工，从温度场控制工装14上卸下通过步骤(四)成形的2195铝锂合金旋压件17，然后对2195铝锂合金旋压件17进行热处理，然后对经过热处理的旋压件17进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，包括如下步骤：

步骤(一)制备温度场控制工装，具体过程如下：

大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装14包括空心椭球1、空心圆柱6、装配连接半环10以及螺旋形加热管5；

温度场控制工装14上面空心椭球1顶端的平面2直径为Φ100～120mm；附图2所示；空心椭球1上第一环形凹槽4距空心椭球1上第二平面3的高度为150～200mm；空心椭球1上固定安装加热管5的3个高度带与第二平面3的距离分别为30～50mm、100～140mm、230～280mm；温度场控制工装14下面空心圆柱6的底端(第四平面8下方)带有垭口，如附图4b所示，该垭口用于与旋压设备进行连接；空心圆柱6上第二环形凹槽9与空心圆柱6上第三平面7的距离为100～150mm；空心圆柱6上固定安装加热管的3个同心圆直径分别为300～400mm、600～700mm、1000～1100mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第一楔形结构11的楔角为10～15°，弧长为30～55mm，法向深度为35～55mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二楔形结构12的楔角为10～15°，楔角对应的长度为35～58mm，法向深度为40～80mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二椭球型面13(即装配连接环腰身位置)的厚度为30～50mm，第二椭球型面13的长轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的长轴10～20mm；第二椭球型面13的短轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的短轴10～20mm，附图2～5所示；

所述的温度场控制工装14装配过程如下：

1)将加热管5分别呈梯度固定安装在温度场控制工装14上面空心椭球1和下面空心圆柱6的相应位置，分别形成组合体A和B；

2)将空心椭球1上第二平面3与空心圆柱6上第三平面7装配后进行焊接，使空心椭球1与空心圆柱6连接在一起，形成组合体C；

3)将装配连接半环10上第一楔形结构11与空心椭球1上第一环形凹槽4进行装配、第二楔形结构12与空心圆柱6上第二环形凹槽9进行装配，然后分别沿环向进行焊接；第一个装配连接半环10焊接完成后，重复上述工序完成第二个装配连接半环10的装配焊接；然后将2个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；通过该工序提高空心椭球1与空心圆柱6焊接连接后形成的组合体C的刚度；

4)对组合体D局部(即装配连接半环位置)进行机械加工，使组合体D的型面连续、光滑，形成最终的温度场控制工装14E，E的椭球型面为第三椭球型面18，其外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致，E的椭球型面长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形椭球型面半球壳体相对应的最大直径小4～8mm，如附图6所示。

步骤(二)制备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形2195铝锂合金板材上切取直径为Φ1450～1550mm的2195铝锂合金圆板15。

步骤(三)将步骤(一)制作的温度场控制工装14通过垭口固定安装在旋压设备上，如附图7所示，使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装14外表面及2195铝锂合金圆板15进行预热，使用辐射加热装置(即加热管5)对温度场控制工装14内表面进行预热，加热时间为20～30min，直至温度场控制工装14的温度达到150～200℃、2195铝锂合金圆板15的温度达到200～300℃时为止；

步骤(四)开始旋压，直至将步骤(三)中的2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，如附图8所示，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃；

步骤(五)热处理和机械加工，从温度场控制工装14上卸下通过步骤(四)成形的2195铝锂合金旋压件17，然后对2195铝锂合金旋压件17进行热处理，然后对经过热处理的旋压件17进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

本发明提供一种大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，针对2195铝锂合金贮箱半球壳体的结构特点和其材料特性，设计了专用旋压变形温度场均匀性调控工装，采用分体设计及制造、然后进行装配连接的方案，即采用“空心椭球+空心圆柱+装配连接半环+加热管+焊接”的结构设计，使得2195铝锂合金板坯在整个旋压变形过程中其变形区获得双向加热效果，实现了其全旋程变形区温度场的均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯变形区内、外壁的温度梯度，避免了较深褶皱和旋压裂纹的出现，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。本发明操作过程简单、高效，适宜于批量处理，具有较强的可操作性和实用性。

大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)制备温度场控制工装，具体过程如下：

大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装14包括空心椭球1、空心圆柱6、装配连接半环10以及螺旋形加热管5；其中空心椭球1、空心圆柱2、装配连接半环3的材料均采用低合金高强度结构钢(16Mn)，加热管4的材料采用321不锈钢；

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的顶端为平面2，底端为平面3，腰身位置有一个环形凹槽为4；定义空心椭球1的顶端平面2为第一平面，定义空心椭球1的底端平面3为第二平面，定义空心椭球1腰身位置的环形凹槽4为第一环形凹槽；

所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的顶端为平面7，底端为平面8，腰身位置有一个环形凹槽为9；定义空心圆柱6的顶端平面7为第三平面，定义空心圆柱6的底端平面8为第四平面，定义空心圆柱6腰身位置的环形凹槽9为第二环形凹槽；

所述的温度场控制工装14中装配连接半环10呈“C”形，上端为楔形结构11，下端为楔形结构12，连接上、下端的腰身位置的椭球型面为13；定义上端楔形结构11为第一楔形结构，定义下端楔形结构12为第二楔形结构；

定义温度场控制工装14中上面的空心椭球1的型面为第一椭球型面，定义温度场控制工装14中装配连接半环10腰身位置的椭球型面13为第二椭球型面；

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的第一环形凹槽4与温度场控制工装14中装配连接半环10的第一楔形结构11相匹配，所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的第二环形凹槽9与温度场控制工装14中装配连接半环10的第二楔形结构12相匹配；所述的温度场控制工装14中空心椭球1的底端外径与空心圆柱6的外径一致，空心椭球1的底端内径与空心圆柱6的内径一致，空心椭球1的壁厚与空心圆柱6的壁厚一致；所述的温度场控制工装14中空心圆柱6的第三平面7与温度场控制工装14中空心椭球1的第二平面3相匹配；

所述的螺旋形加热管5固定安装在温度场控制工装14中上面的空心椭球1和下面的空心圆柱6；其中在温度场控制工装14下面的空心圆柱6第四平面8上刻画3个同心圆，圆心位于空心圆柱的Z向轴线上，在每个同心圆上均沿周向均匀固定安装8～12个加热管5；沿温度场控制工装14上面的空心椭球1的第二平面3为基准，沿Z轴方向刻画3个高度带，在每个高度带所在的平面(高度带所在平面与Z轴垂直)内沿周向均匀固定安装8～12个加热管5；

加热管5自带控温箱，可通过调节控温箱的电压、电流按钮实时调控加热管5的辐射温度。

温度场控制工装14上面空心椭球1顶端的平面2直径为Φ100～120mm；空心椭球1上第一环形凹槽4距空心椭球1上第二平面3的高度为150～200mm；空心椭球1上固定安装加热管5的3个高度带与第二平面3的距离分别为30～50mm、100～140mm、230～280mm；温度场控制工装14下面空心圆柱6的底端(第四平面8下方)带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接；空心圆柱6上第二环形凹槽9与空心圆柱6上第三平面7的距离为100～150mm；空心圆柱6上固定安装加热管的3个同心圆直径分别为300～400mm、600～700mm、1000～1100mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第一楔形结构11的楔角为10～15°，弧长为30～55mm，法向深度为35～55mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二楔形结构12的楔角为10～15°，楔角对应的长度为35～58mm，法向深度为40～80mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二椭球型面13(即装配连接环腰身位置)的厚度为30～50mm，第二椭球型面13的长轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的长轴10～20mm；第二椭球型面13的短轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的短轴10～20mm；

所述的温度场控制工装14装配过程如下：

1)将加热管5分别呈梯度固定安装在温度场控制工装14上面空心椭球1和下面空心圆柱6的相应位置，分别形成组合体A和B；

2)将空心椭球1上第二平面3与空心圆柱6上第三平面7装配后进行焊接，使空心椭球1与空心圆柱6连接在一起，形成组合体C；

3)将装配连接半环10上第一楔形结构11与空心椭球1上第一环形凹槽4进行装配、第二楔形结构12与空心圆柱6上第二环形凹槽9进行装配，然后分别沿环向进行焊接；第一个装配连接半环10焊接完成后，重复上述工序完成第二个装配连接半环10的装配焊接；然后将2个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；通过该工序提高空心椭球1与空心圆柱6焊接连接后形成的组合体C的刚度；

4)对组合体D局部(即装配连接半环位置)进行机械加工，使组合体D的型面连续、光滑，形成最终的温度场控制工装14E，E的椭球型面长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形椭球型面半球壳体相对应的最大直径小4～8mm。

步骤(2)制备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形2195铝锂合金板材上切取直径为Φ1450～1550mm的2195铝锂合金圆板15。

步骤(3)将步骤(1)制作的温度场控制工装14通过垭口固定安装在旋压设备上，将步骤(2)制作的2195铝锂合金圆板利用旋压设备尾顶16固定安装在温度场控制工装14上使2195铝锂合金圆板15的圆心与温度场控制工装14的顶端平面2的中心重合，且2195铝锂合金圆板15与温度场控制工装14的顶端平面2紧密贴合；使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装14外表面及2195铝锂合金圆板15进行预热，使用辐射加热装置(即加热管5)对温度场控制工装14内表面进行预热，加热时间为20～30min，直至温度场控制工装14的温度达到150～200℃、2195铝锂合金圆板15的温度达到200～300℃时为止；

步骤(4)开始旋压，直至将步骤(3)中的2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃；

在旋压过程中，将2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃，控制过程如下：固定安装在温度场控制工装14内部的加热管5产生的热量辐射到温度场控制工装14的内壁上，并且通过温度场控制工装14向2195铝锂合金板坯15的内壁变形区传递热量；而2195铝锂合金板坯15的外壁变形区则通过氧-乙炔喷枪持续补偿加热，从而使2195铝锂合金板坯15的变形区获得双向加热的效果，以此保证2195铝锂合金板坯变形区的温度场均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯15变形区内、外壁的温度梯度，避免出现较深褶皱和旋压裂纹，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体17的成形质量和成形精度。

在2195铝锂合金贮箱半球壳体17的整个旋压变形过程中，使用红外测温装置实时监测2195铝锂合金板坯15变形区的温度场，确保其保持在380～450℃范围内。若2195铝锂合金板坯15变形区外壁的温度高于上述温度范围，则增加氧-乙炔喷枪火焰与2195铝锂合金板坯15变形区外壁的距离或者减少乙炔在喷枪口部的流量，否则，则采取相反的措施；若2195铝锂合金板坯15变形区内壁的温度高于上述温度范围，则通过减小对加热管5施加的电压和电流来减少其向温度场控制工装14内壁辐射的热量，进而减少温度场控制工装14内壁向2195铝锂合金板坯15内壁变形区传递的热量，否则，则采取相反的措施。另外，加热管5分布在温度场控制工装14中空心椭球1内部的3个高度带及空心圆柱6内部的端面8(第四平面8)，通过实时调节不同部位加热管5的电流和电压，可以确保在全旋程中对2195铝锂合金板坯15不同位置变形区内壁均具有良好的辐射加热效果。

步骤(5)热处理和机械加工，从温度场控制工装14上卸下通过步骤(4)成形的2195铝锂合金旋压件17，然后对2195铝锂合金旋压件17进行热处理，然后对经过热处理的旋压件17进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

实施例

本实施例中，大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体原材料为Al-Cu-Li系铝锂合金，其Cu元素的质量含量为4.1％(质量百分数)、Li元素的质量含量为0.9％(质量百分数)，半球壳体的内径为Φ1380mm、半球壳体的深度为451.25mm，高性能是指半球壳体经旋压变形及后续的热处理后，其抗拉强度、屈服强度及延伸率分别不低于570MPa、530MPa、7.5％，以下为一种大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法的具体过程：

大尺寸高性能2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)制备温度场控制工装，具体过程如下：

大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装14包括空心椭球1、空心圆柱6、装配连接半环10以及螺旋形加热管5；其中空心椭球1、空心圆柱2、装配连接半环3的材料均采用低合金高强度结构钢(16Mn)，加热管4的材料采用321不锈钢；

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的顶端为平面2，底端为平面3，腰身位置有一个环形凹槽为4；

所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的顶端为平面7，底端为平面8，腰身位置有一个环形凹槽为9；

所述的温度场控制工装14中装配连接半环10呈“C”形，上端为楔形结构11，下端为楔形结构12，连接上、下端的腰身位置的椭球型面为13；

所述的温度场控制工装14中上面空心椭球1的第一环形凹槽4与温度场控制工装14中装配连接半环10的第一楔形结构11相匹配，所述的温度场控制工装14中下面空心圆柱6的第二环形凹槽9与温度场控制工装14中装配连接半环10的第二楔形结构12相匹配；所述的温度场控制工装14中空心椭球1的底端外径与空心圆柱6的外径一致，空心椭球1的底端内径与空心圆柱6的内径一致，空心椭球1的壁厚与空心圆柱6的壁厚一致，为100.20mm，空心圆柱的高度为300.15mm；

温度场控制工装14上面空心椭球1顶端的平面2直径为Φ120mm；空心椭球1上第一环形凹槽4距空心椭球1上第二平面3的高度为170mm；空心椭球1上固定安装加热管5的3个高度带与第二平面3的距离分别为50mm、140mm、280mm；温度场控制工装14下面空心圆柱6上第二环形凹槽9与空心圆柱6上第三平面7的距离为150mm；空心圆柱6上固定安装加热管的3个同心圆直径分别为400mm、700mm、1100mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第一楔形结构11的楔角为11°，弧长为55mm，法向深度为55mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二楔形结构12的楔角为13°，楔角对应的长度为58mm，法向深度为80mm；温度场控制工装14上装配连接半环10中第二椭球型面13(即装配连接环腰身位置)的厚度为50mm，第二椭球型面13的长轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的长轴20mm；第二椭球型面13的短轴超出第一椭球型面1(即空心椭球型面)的短轴20mm；

所述的温度场控制工装14装配过程如下：

1)将加热管5分别呈梯度固定安装在温度场控制工装14上面空心椭球1和下面空心圆柱6的相应位置，分别形成组合体A和B；

2)将空心椭球1上第二平面3与空心圆柱6上第三平面7装配后进行焊接，使空心椭球1与空心圆柱6连接在一起，形成组合体C；

3)将装配连接半环10上第一楔形结构11与空心椭球1上第一环形凹槽4进行装配、第二楔形结构12与空心圆柱6上第二环形凹槽9进行装配，然后分别沿环向进行焊接；第一个装配连接半环10焊接完成后，重复上述工序完成第二个装配连接半环10的装配焊接；然后将2个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；通过该工序提高空心椭球1与空心圆柱6焊接连接后形成的组合体C的刚度；

4)对组合体D局部(即装配连接半环位置)进行机械加工，使组合体D的型面连续、光滑，形成最终的温度场控制工装14E，E的椭球型面为第三椭球型面18，其外型面与待成形半球壳体毛坯的内型面一致，E的椭球型面长轴方向、短轴方向的最大直径均比待成形椭球型面半球壳体相对应的最大直径小8mm，外径为Φ1372.10mm，内径为Φ1172.10mm，如附图6所示。

步骤(2)制备旋压坯料，从规格为2000mm×2000mm的方形2195铝锂合金板材上切取直径为Φ1550.88mm的2195铝锂合金圆板15。

步骤(3)将步骤(1)制作的温度场控制工装14通过垭口固定安装在旋压设备上，将步骤(2)制作的2195铝锂合金圆板利用旋压设备尾顶16固定安装在温度场控制工装14上使2195铝锂合金圆板15的圆心与温度场控制工装14的顶端平面2的中心重合，且2195铝锂合金圆板15与温度场控制工装14的顶端平面2紧密贴合，如附图7所示；使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装14外表面及2195铝锂合金圆板15进行预热，使用辐射加热装置(即加热管5)对温度场控制工装14内表面进行预热，加热时间为30min，直至温度场控制工装14的温度达到180℃、2195铝锂合金圆板15的温度达到260℃时为止；

步骤(4)开始旋压，直至将步骤(3)中的2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，如附图8所示，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃；

在旋压过程中，将2195铝锂合金圆板15旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃，控制过程如下：固定安装在温度场控制工装14内部的加热管5产生的热量辐射到温度场控制工装14的内壁上，并且通过温度场控制工装14向2195铝锂合金板坯15的内壁变形区传递热量；而2195铝锂合金板坯15的外壁变形区则通过氧-乙炔喷枪持续补偿加热，从而使2195铝锂合金板坯15的变形区获得双向加热的效果，以此保证2195铝锂合金板坯变形区的温度场均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯15变形区内、外壁的温度梯度，避免出现较深褶皱和旋压裂纹，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体17的成形质量和成形精度。

在2195铝锂合金贮箱半球壳体17的整个旋压变形过程中，使用红外测温装置实时监测2195铝锂合金板坯15变形区的温度场，确保其保持在380～450℃范围内。若2195铝锂合金板坯15变形区外壁的温度高于上述温度范围，则增加氧-乙炔喷枪火焰与2195铝锂合金板坯15变形区外壁的距离或者减少乙炔在喷枪口部的流量，否则，则采取相反的措施；若2195铝锂合金板坯15变形区内壁的温度高于上述温度范围，则通过减小对加热管5施加的电压和电流来减少其向温度场控制工装14内壁辐射的热量，进而减少温度场控制工装14内壁向2195铝锂合金板坯15内壁变形区传递的热量，否则，则采取相反的措施。另外，加热管5分布在温度场控制工装14中空心椭球1内部的3个高度带及空心圆柱6内部的端面8(第四平面8)，通过实时调节不同部位加热管5的电流和电压，可以确保在全旋程中对2195铝锂合金板坯15不同位置变形区内壁均具有良好的辐射加热效果。

步骤(五)热处理和机械加工，从温度场控制工装14上卸下通过步骤(四)成形的2195铝锂合金旋压件17，然后对2195铝锂合金旋压件17进行热处理，然后对经过热处理的旋压件17进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

在本实施例中，针对2195铝锂合金贮箱半球壳体的结构特点和其材料特性，通过设计专用旋压变形温度场均匀性调控工装，即采用“空心椭球+空心圆柱+装配连接半环+加热管+焊接”的结构设计，使得2195铝锂合金板坯在整个旋压变形过程中其变形区获得双向加热效果，实现了其全旋程变形区温度场保持在380～450℃，保障了变形区温度场的均匀性，减小或者消除了2195铝锂合金板坯变形区内、外壁的温度梯度，避免了较深褶皱和旋压裂纹的出现，保障了大尺寸2195铝锂合金贮箱半球壳体的成形质量和成形精度。根据GB/T16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》进行拉伸样品取样并且根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验》第一部分(室温试验方法)进行室温拉伸性能检测，结果显示热处理后其横向、纵向力学性能均匀性较好，抗拉强度最大为608MPa、同时延伸率为8.2％，如表2所示。

表2 2195铝锂合金经旋压并热处理后的室温力学性能

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 (16)

1.一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：该工装包括空心半椭球、内部带有台阶孔的空心圆柱、两个装配连接半环以及若干个螺旋形加热管；以下将空心半椭球简称为空心椭球，将内部带有台阶孔的空心圆柱简称为空心圆柱；

所述的空心椭球的外表面上有一环形凹槽；

空心圆柱的外表面上有一环形凹槽；

装配连接半环内带有上、下两个凸台，通过该两个装配连接半环将空心椭球和空心圆柱固定连接，且装配连接半环内的上凸台与空心椭球外表面上的环形凹槽相匹配，装配连接半环内的下凸台与空心圆柱外表面上的形凹槽相匹配；

在空心椭球的内表面及空心圆柱的台阶面上均固定安装有螺旋形加热管。

2.根据权利要求1所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：空心椭球的顶端和底端均为平面，腰身位置外表面上有一个环形凹槽；定义空心椭球顶端的平面为第一平面，定义空心椭球底端的平面为第二平面，定义空心椭球腰身位置的环形凹槽为第一环形凹槽；

空心圆柱的底端带有垭口，定义空心圆柱顶端的平面为第三平面，空心圆柱内部的台阶面为第四平面，空心圆柱腰身位置外表面上的环形凹槽为第二环形凹槽；

空心圆柱的第三平面与空心椭球的第二平面相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：空心椭球、空心圆柱、装配连接半环的材料均采用低合金高强度结构钢，加热管的材料采用321不锈钢。

4.根据权利要求1所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：装配连接半环为呈“C”形结构的椭球型面，椭球型面上端凸台和下端凸台均为楔形结构，定义上端楔形结构为第一楔形结构，下端楔形结构为第二楔形结构；

定义空心椭球的型面为第一椭球型面，装配连接半环的椭球型面为第二椭球型面；

空心椭球的第一环形凹槽与装配连接半环的第一楔形结构相匹配，空心圆柱的第二环形凹槽与装配连接半环的第二楔形结构相匹配；

空心椭球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心椭球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心椭球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致。

5.根据权利要求2所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：螺旋形加热管在空心圆柱内表面的安装方式为：在空心圆柱的第四平面上刻画三个同心圆，圆心位于空心圆柱的Z向轴线上，在每个同心圆上均沿周向均匀固定安装8～12个螺旋形加热管。

6.根据权利要求2所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：螺旋形加热管在空心椭球内表面的安装方式为：以空心椭球的第二平面为基准，沿Z轴方向刻画三个高度带，在每个高度带所在的平面内沿周向均匀固定安装8～12个螺旋形加热管。

7.根据权利要求6所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：空心椭球顶端的平面直径为Φ100～120mm；

空心椭球上第一环形凹槽距空心椭球上第二平面的高度为150～200mm；

空心椭球上固定安装螺旋形加热管的三个高度带与第二平面的距离分别为30～50mm、100～140mm、230～280mm。

8.根据权利要求5所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：空心圆柱上第二环形凹槽与空心圆柱上第三平面的距离为100～150mm；

空心圆柱上固定安装螺旋形加热管的三个同心圆直径分别为300～400mm、600～700mm、1000～1100mm。

9.根据权利要求4所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制工装，其特征在于：装配连接半环中第一楔形结构的楔角为10～15°，弧长为30～55mm，法向深度为35～55mm；

装配连接半环中第二楔形结构的楔角为10～15°，楔角对应的长度为35～58mm，法向深度为40～80mm；

装配连接半环的第二椭球型面的厚度为30～50mm，第二椭球型面的长轴超出第一椭球型面的长轴10～20mm；

第二椭球型面的短轴超出第一椭球型面的短轴10～20mm。

10.一种权利要求1-9任一所述的控制工装的装配方法，该方法的步骤包括：

1)将螺旋形加热管固定安装在空心椭球的内表面相应位置，形成组合体A，将螺旋形加热管固定安装在空心圆柱的第四平面的相应位置，形成组合体B；

2)将空心椭球的第二平面与空心圆柱的第三平面装配后进行焊接，使空心椭球与空心圆柱连接在一起，形成组合体C；

3)将其中一个装配连接半环的第一楔形结构与空心椭球的第一环形凹槽进行装配、将第二楔形结构与空心圆柱的第二环形凹槽进行装配，然后分别沿环向进行焊接；

将另一个装配连接半环的第一楔形结构与空心椭球的第一环形凹槽进行装配、将第二楔形结构与空心圆柱的第二环形凹槽进行装配，然后分别沿环向进行焊接；

然后将两个装配连接半环的相交部分进行焊接，形成组合体D；

4)对组合体D进行机械加工。

11.一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)制备温度场控制工装；

(2)制备2195铝锂合金圆板；

(3)将步骤(1)制作的温度场控制工装通过垭口固定安装在旋压设备上，将步骤(2)制作的2195铝锂合金圆板利用旋压设备尾顶固定安装在温度场控制工装上，使用螺旋形加热管对温度场控制工装的内表面进行预热，使用氧-乙炔喷枪对温度场控制工装外表面及2195铝锂合金圆板进行预热；

(4)将步骤(3)中的2195铝锂合金圆板旋压至预设形状；

(5)从温度场控制工装上卸下通过步骤(4)成形的2195铝锂合金旋压件，然后对2195铝锂合金旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到椭球型面2195铝锂合金贮箱半球壳体。

12.根据权利要求11所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，制备2195铝锂合金圆板的方法为：从规格为2000mm×2000mm的方形铝板上切取直径为Φ1450～1550mm的2195铝锂合金圆板。

13.根据权利要求11所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将2195铝锂合金圆板固定到温度场控制工装上时使2195铝锂合金圆板的圆心与温度场控制工装的顶端平面的中心重合，且2195铝锂合金圆板与温度场控制工装的顶端平面紧密贴合；加热时间为20～30min，直至温度场控制工装的温度达到150～200℃、2195铝锂合金圆板的温度达到200～300℃时为止。

14.根据权利要求11所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，将2195铝锂合金圆板旋压至预设形状，全旋程变形区的温度场控制在380～450℃。

15.根据权利要求14所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于：全旋程变形区的温度场控制过程如下：固定安装在温度场控制工装内部的螺旋形加热管产生的热量辐射到温度场控制工装的内壁上，并且通过温度场控制工装向2195铝锂合金板坯的内壁变形区传递热量；2195铝锂合金板坯的外壁变形区通过氧-乙炔喷枪持续补偿加热。

16.根据权利要求11所述的一种铝锂合金贮箱半球壳体旋压变形温度场控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，热处理包括固溶(淬火)+时效，其中固溶保温温度为505～520℃，保温时间为90～120min，固溶保温后进行淬火，淬火转移时间不超过30s，然后进行时效，时效保温温度为160～175℃，时效保温时间为24～36h，时效保温结束后进行空冷处理。