CN111545584B - 一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法 - Google Patents

一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，该制造方法包括如下步骤：加热、穿孔、去应力退火、打尖、酸洗脱脂、磷化处理、皂化处理、冷拔、热处理、珩磨、矫直锯切、倒角、阳极硬质氧化、喷漆。本发明基于冷拔、珩磨工艺破解了水下航行器薄壁圆筒耐压舱批量化制造难题，改善薄壁圆筒耐压舱端口密封面的尺寸精度与光洁度，同时降低标准化、系列化薄壁圆筒耐压舱制造成本。

Description

一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法
技术领域
本发明属于水下航行器工程技术领域，具体涉及一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法。
背景技术
无人水下航行器是一种重要的海洋监测、探测和作业平台，是现代海洋观测与资源探测的重要工具。通常，水下航行器采用流线鱼雷体外形，在降低水阻力的同时应具有较高的装载能力，故薄壁圆筒耐压舱在无人水下航行器中广泛使用。水下航行器薄壁圆筒耐压舱可承受外部海水压力并具备良好密封性能，在满足承压要求的同时采用轻量化设计以提高排重比，通常由耐腐蚀性强的海铝6061-T6加工制成。薄壁圆筒耐压舱在加工过程中，通过表面硬质阳极氧化(厚度30-50μm)和喷漆(厚度0.2-0.5mm)解决海水腐蚀问题，为了使薄壁圆筒耐压舱具备良好的密封性，应保证薄壁圆筒耐压舱的圆柱度为0.01-0.03mm，孔径偏差为0.01-0.03mm；端口密封面粗糙度为Ra0.1-0.4。
水下航行器薄壁圆筒耐压舱通常采用车床切削加工方式，由毛坯圆筒材料经粗车、人工时效、半精车、人工时效、外圆面精车、密封端口精车以及阳极硬质氧化、喷漆等工步获得成品工件。然而车削加工方式仍有诸多的不足：1)生产效率低、单件加工成本高、无法大批量生产；2)薄壁圆筒耐压舱的密封端口受车床装卡外力作用易变形，端口密封面的圆度与直径公差要求难于保证；3)车削加工过程中耐压舱薄壁材料释放内应力，工件易变形。
当前，无人水下航行器口径尺寸呈现系列化、标准化发展趋势，165mm(Argo剖面浮标舱体)、220mm(水下滑翔机舱体)、324mm(高速水下航行器舱体)口径耐压舱被广泛使用，成品需求量日益增长，传统车削加工方式在生产效率、质量控制、成本等方面尚无法满足。因此，有必要开发水下航行器薄壁圆筒耐压舱的批量化制造方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔、珩磨制造方法，基于冷拔、珩磨工艺破解水下航行器薄壁圆筒耐压舱批量化制造难题，同时降低标准化、系列化薄壁圆筒耐压舱制造成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，包括如下步骤：
(1)加热：将管坯棒料在环形炉中加热至530±5℃保温2小时；然后继续升温加热至550±5℃保温1小时，再降温至530℃保温2小时进行均匀化热处理，从而保证管坯棒料加热均匀；
(2)穿孔：加热后的管坯棒料经穿孔机穿孔，在穿孔同时不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯棒料内部逐渐形成空腔的毛管，穿孔后形成的毛管温度控制在500℃，并且控制穿孔偏心率为4％；
(3)去应力退火：将毛管引入加热炉中加热并且保温，随炉冷却后出炉，得到退火管坯，退火温度为350-380℃，得到加工硬化的效果；毛管在加热炉内的保温时间为1小时至2小时；
(4)打尖：将去应力退火后的退火管坯进行打尖处理，使退火管坯端头经过挤压模具挤压后直径收缩；
(5)酸洗脱脂：将打尖处理后退火管坯进行酸洗脱脂，清除其表面粘附的污染物，使铝合金基体裸露出来，形成均匀的活化面；
(6)磷化处理：将酸洗好的退火管坯水洗干净后放入配制好的磷化液中，退火管坯经磷酸盐处理后在其表面形成耐腐蚀性的磷化覆膜保护层；
(7)皂化处理：将磷化好的退火管坯水洗干净后放入皂化池中进行皂化处理，在覆膜上形成金属皂润滑覆膜，为后续的冷拔做好准备；
(8)冷拔：将皂化处理后的退火管坯进行冷拔加工，得到表面光洁的冷拔管；
(9)热处理：对冷拔管进行固溶处理和人工时效热处理；
(10)珩磨：对热处理后的冷拔管进行珩磨加工；冷拔管珩磨加工采用数控珩磨机床，珩磨头周向安装油石，涨开机构张开油石并与冷拔管的端口内壁形成面接触；珩磨过程中，珩磨头旋转运行，冷拔管沿自身圆轴线往复直线运动，主轴转速为5-150r/min，往复速度为4m/min；
(11)矫直、锯切：采用矫直机对珩磨管进行矫直，切边处理后将珩磨管根据耐压舱设计长度锯切，获得耐压舱半成品；
(12)倒角：采用倒角机对耐压舱半成品端口沿15-20°做表面粗糙度为Ra3.2的倒角；
(13)阳极硬质氧化：对耐压舱半成品进行阳极硬质氧化处理；
(14)喷漆：对耐压舱半成品进行喷漆处理。
进一步的，步骤(2)中对穿孔后的毛管进行目测检验以去除毛管表面的毛刺、翘皮，如果毛管表面出现明显的即肉眼显见的凹坑、轧伤和裂纹，则剔除，避免流入下一个工序。
进一步的，步骤(4)中所述挤压模具包括两段直径不等的工作段，两段工作段之间平滑过渡，退火管坯端头从大径段进入进行挤压；挤压模具和退火管坯的端头在进行挤压前喷淋润滑油，以避免挤压时的磨损和表面划伤，经至少4次直径逐渐减小的挤压模具挤压后，退火管坯端头的外径收缩为原先直径的85％。
进一步的，步骤(5)酸洗脱脂过程中硝酸钠浓度为10-15g/L，脱脂粉浓度为6-10g/L，酸洗温度为45-60℃，酸洗时间为8分钟；后经清水池翻滚水洗，水洗温度为常温，水洗时间为20s，水洗次数为2次；污染物包括油脂、自然氧化膜和灰尘。
进一步的，步骤(6)中磷化剂浓度为20±5g/L，磷化液温度为25-35℃，磷化时间为5-10分钟，磷化液酸度为2.5-3.5。
进一步的，步骤(7)中皂化处理能使冷拔管表面更加光洁；皂化剂浓度为80±5g/L，皂化温度为70-80℃，皂化时间为10-15分钟，皂化液pH值为8-10。
进一步的，步骤(8)中涉及的冷拔工艺为：模具塞头与管内径间距保持在2-5mm，冷拔机最大拉力为80-120t，冷拔速度为6-12m/min，回程速度为10-20m/min，冷拔长度最大为10m，冷拔管外径为120-360mm，冷拔管壁厚为3-12mm。
进一步的，步骤(9)中具体包括：将冷拔管置于电阻式精控热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为530℃，炉温控制精度为±2℃，固溶时间为2小时；对固溶处理后的冷拔管进行水淬即水冷，使铝合金保持高溶质原子和空位浓度的过饱和状态，水温为20℃，淬火转移时间≤10s；冷拔管经固溶处理后置于热风循环电炉中进行时效处理，炉温误差为±1℃，时效温度为173℃，时效保温为12小时。
进一步的，步骤(10)中珩磨加工后，获得圆柱度为0.01-0.03mm，孔径偏差为0.02-0.05mm，粗糙度为Ra0.1-0.4的珩磨管。
进一步的，步骤(13)中阳极硬质氧化步骤具体如下：使用清洁剂对耐压舱表面进行清洗2-3分钟，以除去残留在表面的油污及杂质；调整电解液温度，阴极挂铅板，将装挂好的耐压舱半成品放置在阳极导电杆上卡紧，防止耐压舱半成品与阴极之间接触；氧化开始时设置电流密度为0.5A/dm2，在25min内分5-8次逐渐升高到3.2A/dm2，然后保持电流密度恒定；氧化结束后保证氧化膜均匀覆盖在耐压舱半成品所有表面，氧化膜厚度大于0.03mm；
进一步的，步骤(14)中喷漆工艺如下：使用清洁剂对耐压舱半成品外圆面进行基面处理，除去残留在表面的杂质；喷漆过程中对耐压舱半成品表面喷4层防锈漆，待风干后进行第二次喷漆处理，重复两次，最终获得水下航行器薄壁圆筒耐压舱成品；喷漆风干温度设置为30℃，喷漆材料为环氧漆，喷漆颜色为海水蓝(RGB色彩模式为3.144.233)或柠檬黄(RGB色彩模式为255.255.0)，喷漆厚度为0.2mm至0.5mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.冷拔、珩磨制造方法成型速度快、生产成本低，实现水下航行器薄壁圆筒耐压舱批量制造。
2.基于多种尺寸的低成本冷拔模具，本发明可以基本满足当前中小型水下航行器标准化口径薄壁圆筒耐压舱的制造需求。
3.在冷拔过程中，薄壁圆筒耐压舱在径向、轴向方向产生塑性变形。在使用相同原材料(6061-T6)条件下，较车削加工方法，本发明提升了水下航行器薄壁圆筒耐压舱的屈服点，耐压舱具有更高的抗拉强度和更好的延伸性。
4.珩磨工艺采用去除最少加工余量方式改善薄壁圆筒耐压舱端口密封面的尺寸精度与光洁度，提升了端口密封面的加工质量，尺寸精度(公差等级)由车削的IT7提升至珩磨的IT3，光洁度由车削的Ra1.6提升至珩磨的Ra0.2。
附图说明
图1为水下航行器薄壁圆筒耐压舱的制造流程图。
图2为水下航行器薄壁圆筒耐压舱图纸。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔、珩磨制造方法包括以下步骤：
(1)、加热：将6061管坯棒料在环形炉中加热至530±5℃保温2小时；然后继续升温加热至550±5℃保温1小时，再降温至530℃保温2小时进行均匀化热处理，从而保证管坯棒料加热均匀。
(2)、穿孔：加热后的管坯棒料经穿孔机穿孔，在穿孔同时不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯棒料内部逐渐形成空腔，穿孔后形成的毛管温度控制在500℃，并且控制穿孔偏心率为4％，对毛管进行目测检验以便去除毛管表面的毛刺、翘皮，如果毛管表面出现明显的即肉眼显见的凹坑、轧伤和裂纹，则应剔除，避免流入下一个工序。
(3)、去应力退火：将毛管引入加热炉中加热并且保温，随炉冷却后出炉，得到退火管坯，退火温度为350-380℃，可以得到加工硬化的效果；为去除退火管坯的强度偏差，毛管在加热炉内的保温时间为1小时至2小时。
(4)、打尖：将去应力退火后的退火管坯进行打尖处理，使退火管坯端头经过挤压模具挤压后直径收缩。所述挤压模具包括两段直径不等的工作段，两段工作段之间平滑过渡，退火管坯端头从大径段进入进行挤压。挤压模具和退火管坯的端头在进行挤压前喷淋润滑油，以避免挤压时的磨损和表面划伤，经4次直径逐渐减小的挤压模具挤压后，退火管坯端头的外径收缩为原先直径的85％。
(5)、酸洗脱脂：将打尖处理后退火管坯进行酸洗脱脂，清除其表面粘附的油脂、自然氧化膜和灰尘等污染物，使铝合金基体裸露出来，形成均匀的活化面。硝酸钠浓度：10-15g/L，脱脂粉浓度：6-10g/L，酸洗温度：45-60℃，酸洗时间：8分钟，再经清水池翻滚水洗，水洗温度：常温，水洗时间：20s，水洗次数：2次。
(6)、磷化处理：将酸洗好的退火管坯水洗干净后放入配制好的磷化液中，退火管坯经磷酸盐处理后在其表面形成耐腐蚀性较好的磷化覆膜保护层。磷化剂浓度20±5g/L，磷化液温度：25-35℃，磷化时间：5-10分钟，磷化液酸度：2.5-3.5。
(7)、皂化处理：将磷化好的退火管坯水洗干净后放入皂化池中进行皂化处理，在覆膜上形成金属皂润滑覆膜，为后续的冷拔做好准备，可使冷拔管表面更加光洁。皂化剂浓度：80±5g/L，皂化温度：70-80℃，皂化时间：10-15分钟，皂化液pH值：8-10。
(8)、冷拔：将皂化处理后的退火管坯进行冷拔加工，得到表面光洁的冷拔管，冷拔工艺，模具塞头与管内径间距：2-5mm，冷拔机最大拉力：80-120t，冷拔速度：6-12m/min，回程速度：10-20m/min，冷拔长度：最大10m，冷拔管外径：120-360mm，冷拔管壁厚：3-12mm。
(9)、热处理：为保证水下航行器耐压舱铝合金材料达到T6状态，对冷拔管进行固溶处理和人工时效热处理。冷拔管置于电阻式精控热处理炉中进行固溶处理，固溶温度：530℃，炉温控制精度：±2℃，固溶时间：2小时。对固溶处理后的冷拔管进行水淬(即为水冷)，使铝合金保持高溶质原子和空位浓度的过饱和状态，水温：20℃，淬火转移时间：≤10s。冷拔管经固溶处理后置于热风循环电炉中进行时效处理，炉温误差：±1℃，时效温度：173℃，时效保温：12小时。
(10)、珩磨：此工艺指利用油石表面上分布的大量大小不一、形状不规则的磨粒对工件表面实施切屑加工的技术。为提高水下航行器耐压舱的密封端口加工精度与密封面表面光洁度，提高耐压舱生产效率，对热处理后的冷拔管进行珩磨加工。冷拔管珩磨加工采用数控珩磨机床，珩磨头周向安装油石，涨开机构张开油石并与冷拔管的端口内壁形成面接触。珩磨过程中，珩磨头旋转运行，冷拔管沿自身圆轴线往复直线运动，主轴转速：5-150r/min，往复速度：4m/min。珩磨加工后，获得圆柱度：0.01-0.03mm，孔径偏差：0.02-0.05mm，粗糙度：Ra0.1-0.4的珩磨管。
(11)、矫直、锯切：采用矫直机对珩磨管进行矫直，切边处理后将珩磨管根据耐压舱设计长度锯切，获得耐压舱半成品。
(12)、倒角：为便于水下航行器各耐压舱段连接组装，避免工作人员在装配及拆卸中产生不必要的伤害，需去除耐压舱端口的锐边毛刺。倒角对耐压舱密封圈起到装配导向作用，可避免密封圈装配过程中的损坏。根据国家标准GB/T 3452.3-2005要求，采用倒角机对耐压舱半成品端口沿15-20°做长度为Z的倒角(由选用的密封圈截面直径确定倒角长度)、表面粗糙度为Ra3.2的倒角。
(13)、阳极硬质氧化：此工艺指将铝或铝合金置于一定的电解质溶液中，施加电压进行电解使其表面生成一层致密氧化膜的表面处理技术。为提高水下航行器耐压舱表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性，使耐压舱表面具有良好的耐热性、绝缘性和较强的结合力，对耐压舱半成品进行阳极硬质氧化处理。使用日常清洁剂对耐压舱表面进行清洗2-3分钟，以除去残留在表面的油污及杂质。调整电解液温度，阴极挂铅板，然后把装挂好的耐压舱半成品放置在阳极导电杆上卡紧，防止耐压舱与阴极之间接触。氧化开始时设置电流密度为0.5A/dm2，在25min内分5-8次逐渐升高到3.2A/dm2，然后保持电流密度恒定。氧化结束后保证氧化膜均匀覆盖在耐压舱半成品所有表面，氧化膜厚度大于0.03mm。
(14)、喷漆：此工艺指将涂料涂覆在物体表面，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜，从而对基材起到防腐蚀的作用。为减缓耐压舱的腐蚀氧化，延长耐压舱的使用寿命，同时增强水下航行器的隐蔽性或易寻获性，对耐压舱半成品进行喷漆处理。使用日常清洁剂对耐压舱半成品外圆面进行基面处理，除去残留在表面的浮尘、油污等。喷漆过程中对耐压舱半成品表面喷4层防锈漆，待风干后进行第二次喷漆处理，重复两次，最终获得水下航行器薄壁圆筒耐压舱成品，薄壁圆筒耐压舱成品图纸如图2所示。喷漆风干温度设置为30℃，喷漆材料为环氧漆，喷漆颜色为海水蓝(RGB色彩模式为3.144.233)或柠檬黄(RGB色彩模式为255.255.0)，喷漆厚度：0.2mm至0.5mm。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)加热：将管坯棒料在环形炉中加热至530±5℃保温2小时；然后继续升温加热至550±5℃保温1小时，再降温至530℃保温2小时进行均匀化热处理，从而保证管坯棒料加热均匀；
(2)穿孔：加热后的管坯棒料经穿孔机穿孔，在穿孔同时不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯棒料内部逐渐形成空腔的毛管，穿孔后形成的毛管温度控制在500℃，并且控制穿孔偏心率为4％；
(3)去应力退火：将毛管引入加热炉中加热并且保温，随炉冷却后出炉，得到退火管坯，退火温度为350-380℃；毛管在加热炉内的保温时间为1小时至2小时；
(4)打尖：将去应力退火后的退火管坯进行打尖处理，使退火管坯端头经过挤压模具挤压后直径收缩；
(5)酸洗脱脂：将打尖处理后退火管坯进行酸洗脱脂，清除其表面粘附的污染物，使铝合金基体裸露出来，形成均匀的活化面；
(6)磷化处理：将酸洗好的退火管坯水洗干净后放入配制好的磷化液中，退火管坯经磷酸盐处理后在其表面形成耐腐蚀性的磷化覆膜保护层；
(7)皂化处理：将磷化好的退火管坯水洗干净后放入皂化池中进行皂化处理，在覆膜上形成金属皂润滑覆膜，为后续的冷拔做好准备；
(8)冷拔：将皂化处理后的退火管坯进行冷拔加工，得到表面光洁的冷拔管；冷拔工艺为：模具塞头与管内径间距保持在2-5mm，冷拔机最大拉力为80-120t，冷拔速度为6-12m/min，回程速度为10-20m/min，冷拔长度最大为10m，冷拔管外径为120-360mm，冷拔管壁厚为3-12mm；
(9)热处理：对冷拔管进行固溶处理和人工时效热处理；具体包括：将冷拔管置于电阻式精控热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为530℃，炉温控制精度为±2℃，固溶时间为2小时；对固溶处理后的冷拔管进行水淬即水冷，使铝合金保持高溶质原子和空位浓度的过饱和状态，水温为20℃，淬火转移时间≤10s；冷拔管经固溶处理后置于热风循环电炉中进行时效处理，炉温误差为±1℃，时效温度为173℃，时效保温为12小时；
(10)珩磨：对热处理后的冷拔管进行珩磨加工；冷拔管珩磨加工采用数控珩磨机床，珩磨头周向安装油石，涨开机构张开油石并与冷拔管的端口内壁形成面接触；珩磨过程中，珩磨头旋转运行，冷拔管沿自身圆轴线往复直线运动，主轴转速为5-150r/min，往复速度为4m/min；珩磨加工后，获得圆柱度为0.01-0.03mm，孔径偏差为0.02-0.05mm，粗糙度为Ra0.1-0.4的珩磨管；
(11)矫直、锯切：采用矫直机对珩磨管进行矫直，切边处理后将珩磨管根据耐压舱设计长度锯切，获得耐压舱半成品；
(12)倒角：采用倒角机对耐压舱半成品端口沿15-20°做表面粗糙度为Ra3.2的倒角；
(13)阳极硬质氧化：对耐压舱半成品进行阳极硬质氧化处理；具体如下：使用清洁剂对耐压舱半成品表面清洗2-3分钟，以除去残留在表面的油污及杂质；调整电解液温度，阴极挂铅板，将装挂好的耐压舱半成品放置在阳极导电杆上卡紧，防止耐压舱半成品与阴极之间接触；氧化开始时设置电流密度为0.5A/dm2，在25min内分5-8次逐渐升高到3.2A/dm2，然后保持电流密度恒定；氧化结束后保证氧化膜均匀覆盖在耐压舱半成品所有表面，氧化膜厚度大于0.03mm；
(14)喷漆：对耐压舱半成品进行喷漆处理；喷漆工艺如下：使用清洁剂对耐压舱半成品外圆面进行基面处理，除去残留在表面的杂质；喷漆过程中对耐压舱半成品表面喷4层防锈漆，待风干后进行第二次喷漆处理，重复两次，最终获得水下航行器薄壁圆筒耐压舱成品；喷漆风干温度设置为30℃，喷漆材料为环氧漆，喷漆颜色为海水蓝或柠檬黄，喷漆厚度为0.2mm至0.5mm，其中海水蓝的RGB色彩模式为3.144.233，柠檬黄的RGB色彩模式为255.255.0。
2.根据权利要求1所述的水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，步骤(2)中对穿孔后的毛管进行目测检验以去除毛管表面的毛刺、翘皮，如果毛管表面出现明显的即肉眼显见的凹坑、轧伤和裂纹，则剔除，避免流入下一个工序。
3.根据权利要求1所述的水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，步骤(4)中所述挤压模具包括两段直径不等的工作段，两段工作段之间平滑过渡，退火管坯端头从大径段进入进行挤压；挤压模具和退火管坯的端头在进行挤压前喷淋润滑油，以避免挤压时的磨损和表面划伤，经至少4次直径逐渐减小的挤压模具挤压后，退火管坯端头的外径收缩为原先直径的85％。
4.根据权利要求1所述的水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，步骤(5)酸洗脱脂过程中硝酸钠浓度为10-15g/L，脱脂粉浓度为6-10g/L，酸洗温度为45-60℃，酸洗时间为8分钟；后经清水池翻滚水洗，水洗温度为常温，水洗时间为20s，水洗次数为2次；污染物包括油脂、自然氧化膜和灰尘。
5.根据权利要求1所述的水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，步骤(6)中磷化剂浓度为20±5g/L，磷化液温度为25-35℃，磷化时间为5-10分钟，磷化液酸度为2.5-3.5。
6.根据权利要求1所述的水下航行器薄壁圆筒耐压舱的冷拔珩磨制造方法，其特征在于，步骤(7)中皂化处理能使冷拔管表面更加光洁；皂化剂浓度为80±5g/L，皂化温度为70-80℃，皂化时间为10-15分钟，皂化液pH值为8-10。
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