CN111922168A - 大型薄壁贮箱壳体精密成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，选择5A06铝合金板材为坯料，通过多次交替进行的拉深和退火处理加工出半球体，且半球体包括直径相等并相连的球面和圆柱面，圆柱面端面周向有一圈压边，半球体的最大拉深深度大于下半球的深度，半球体的球形面内径小于下半球和上半球的内径，半球体的圆柱面内径小于下半球的圆柱面内径，半球体的圆柱面轴向高度大于下半球的圆柱面轴向高度。以前述半球体为基础，再通过车加工的方式分别加工出上半球和下半球。本发明解决了直径在900mm以上，壁厚在4mm以下的5A06铝合金薄壁上/下半球的成型问题，满足了椭圆度和壁厚公差的要求，且抗拉强度σ_b≥340MPa，延伸率δ₅≥10﹪。

Description

大型薄壁贮箱壳体精密成型方法

技术领域

本发明属于铝合金加工成型技术领域，特别是航天器大型薄壁贮箱外壳的成型方法。

背景技术

贮箱作为航天动力系统的主要压力容器，用于液体介质(如推进剂等)的贮存，承载一定的压力，实现压力供给等功能，其性能的优劣直接影响了航天器的使用寿命和可靠性。

根据结构和工作原理的不同，贮箱主要分为表面张力贮箱、膜片式贮箱、胶囊式贮箱、膜盒式贮箱等。而不论哪种贮箱，壳体作为主要承力件，其结构和性能都直接影响了贮箱的性能。通常而言，航天器膜片式贮箱壳体分为上/下半球，该零件为直径大于900mm的大型薄壁壳体，零件尺寸要求高，加工难度大。

目前国内加工的大型薄壁回转体零件直径大多数不超过600mm，壁厚不小于5mm。对于直径900mm以上，壁厚在4mm以下且椭圆度要求小于0.3mm的大型薄壁半球类零件的精密加工方法未见记载。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种大型薄壁半球体精密成型方法，解决直径在900mm以上，壁厚在4mm以下的5A06铝合金薄壁上/下半球的成型问题，满足椭圆度和壁厚公差的要求，且抗拉强度σ_b≥340MPa，延伸率δ₅≥10﹪。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，贮箱壳体由上半球和下半球组成，上半球为球形面，下半球由直径相等的球面和圆柱面组成，圆柱面内侧端面开有坡口，包括，

步骤一，以铝合金板材为坯料，通过多次交替进行的拉深和退火处理加工出半球体，且半球体包括直径相等并相连的球面和圆柱面，圆柱面端面周向有一圈压边；

步骤二，以步骤一中的半球体为基础，通过车加工的方式分别加工出上半球和下半球。

进一步，所述步骤一中，半球体的最大拉深深度大于下半球的深度，半球体的球形面内径小于下半球和上半球的内径，半球体的圆柱面内径小于下半球的圆柱面内径，半球体的圆柱面轴向高度大于下半球的圆柱面轴向高度。

进一步，所述步骤二中，当采用半球体车加工上半球和下半球时，先车削内球面，再以内球面作为定位面车削外球面。

作为一种选择，所述铝合金板材的材料牌号为5A06。

作为一种选择，所述铝合金板材的厚度与直径的比值约为0.66％。

优选的，所述步骤一中，多次交替进行的拉深和退火处理包括依次进行的第一次拉深、第一次退火、第二次拉深、第二次退火、第三次拉深、第三次退火、第四次拉深、第四次退火和第五次拉深。

优选的，所述步骤一中的铝合金板材厚度为10mm，直径1505mm，分为5次拉深，第一次拉深的拉深深度为260mm，第二次拉深的拉深深度为110mm，第三次拉深的拉深深度为65mm，第四次拉深的拉深深度为65mm，第五次拉深的拉深深度为59mm。

优选的，所述第一次退火、第二次退火、第三次退火和第四次退火均在380±10℃保温60分钟后随炉冷却到300℃以下，然后出炉空冷。

优选的，车削上半球和下半球的内球面时，采用工装夹紧半球体的压边，并在半球体外球面设置支撑，所述支撑包括平行布置的第一支撑和第二支撑，其中第一支撑为一块平板，平板上有一球形凹槽，第二支撑位于第一支撑与压边之间，为一块开孔板，开孔板的孔内侧型面为球形面，半球体的外球面穿过开孔板的孔后紧贴第一支撑的球形凹槽。

进一步，所述步骤二之后还包括，

壁厚检测，上半球和下半球的壁厚检测，采用超声波测厚，以上半球和下半球深度方向不同高度位置的圆周为基础，在圆周上选点测量；

修锉坡口，由钳工修锉坡口及局部超差处；

整形，由钳工完成上半球和下半球变形处的整形。

与现有加工方法相比，本发明的大型薄壁半球体精密成型方法具有以下特点：1、提供了采用5A06铝合金材料加工尺寸大于900mm、厚度小于4mm、椭圆度小于0.3mm的贮箱球形壳体的解决方案，且力学性能满足抗拉强度σ_b≥340MPa，延伸率δ₅≥10﹪；

2、提供了加工贮箱球形壳体上半球和下半球的新思路，即先加工一个特殊结构的半球体，再由该半球体分别车削加工出上半球和下半球；

3、提供了贮箱球形壳体加工过程中测量厚度的方法。

附图说明

图1为本发明中上半球的结构示意图；

图2为本发明中下半球的结构示意图；

图3为本发明中半球体的结构示意图；

图4为车加工半球体内球面时的装夹示意图；

图5为本发明的加工流程图。

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的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

如图1和图2所示，为本实施例中的贮箱壳体的上半球和下半球零件结构示意图，从图中可以看出该产品属于大型薄壁球体：直径925mm，壁厚仅为

同轴度不大于Φ0.1mm，坡口平面度不大于0.15mm，坡口圆度不大于0.3mm，相对于产品的直径和壁厚而言，该形位公差要求非常严格；材料采用10-5A06-GB/T3190-2008铝合金，即原LF6防锈铝，少量变形即发生强烈的加工硬化，极大的降低材料延伸率。

本实施例中的加工思路为：如图5，选择板料厚度t＝10mm，坯料直径D＝1505mm的铝合金板材为坯料，通过多次交替进行的拉深和退火处理加工出半球体，且半球体包括直径相等并相连的球面和圆柱面，圆柱面端面周向有一圈压边，半球体的最大拉深深度大于下半球的深度，半球体的球形面内径小于下半球和上半球的内径，半球体的圆柱面内径小于下半球的圆柱面内径，半球体的圆柱面轴向高度大于下半球的圆柱面轴向高度。以前述半球体为基础，再通过车加工的方式分别加工出上半球和下半球。

上述加工思路中的加工难度主要体现在以下几点：

1)冲压破裂失效：

5A06铝合金即原LF6铝合金，加工硬化现象严重，虽然硬化后比强度较高，但抗拉强者不到400MPa，延伸率却急剧下降。在进行冲压成形时，极易因加工硬化现象而出现破裂失效。

从图3可以看出，半球体半成品的拉深深度大，比球体半球大89.5mm，内腔深度达到550mm，为克服材料回弹，保证加工余量及半球半成品的成形良好，工艺要求的深度比设计深度还大9mm，达到559mm。如此大的拉深深度和5A06材料的加工硬化现象，一次拉深成形显然不太可能，为减小工艺试验数量，在进行拉深方案时，采用了DynaForm软件进行仿真。

然而，球体类零件的理论拉深极限为常数0.707与零件直径无关，大于圆筒类零件的极限拉深系数，同时众多手册、资料上对5A06铝合金的加工硬化现象均没有准确的数据曲线等，仿真的参考意义不大，更多的还是需要工艺试验来验证。

2)冲压凸缘起皱失效：

本实施例中半球体半成品冲压成形采用的板料厚度t＝10mm，坯料直径D＝1505mm，t/D＝10/1505≈0.66％,必须采用压边圈防止凸缘部位起皱。选取合理压边力就成为了冲压过程中一个重要参数：压边力过小无法防止起皱，压边力过大将导致零件冲压破裂失效。

3)热处理退火参数确定：

半球体半成品无法一次冲压成形，每次冲压后材料都会发生严重的加工硬化，无法继续进行拉深成形。增加中间退火工序即成为必然。考虑产品最终强度和冲压要求，材料必须组织均匀，完全消除拉深时形成的位错等缺陷，恢复等轴晶粒，同时必须杜绝过烧现象和避免晶粒粗大。必须确定合理的加热速度、保温温度和保温时间、冷却速度等，才能满足材料的冲压性能要求。

4)车加工内、外球面：

半球体半成品采用冲压成形，零件内部残余大量应力，冲压时凸缘位置轻微起皱和加工硬化作用大大增加了零件的刚性妨碍车加工精确定位。在车内球面时，必须设计专用工装，以外球面和凸缘定位，进行试车后微调零件，最终使得零件内腔尺寸符合设计技术要求，同时保证零件外球面余量均匀。

车外球面时，以零件加工后的内球面定位设计专用工装，保证壁厚。因零件直径大，壁厚公差小，在加工时必须谨慎进行，多次车削，防止超差。

5)零件整形：

该零件本身属于大型薄壁件，易变形。加之零件冲压后进过车削，改变内部应力分布，当应力重新平衡后必然导致零件变形。所以，在零件车加工完成后，必须进行整形工序。

根据零件加工方案及工艺性能、材料性能、加工设备等因素及工艺试验结果，最终确定零件的加工工艺路线如下：

1)半球体半成品冲压工艺路线。

检验(板材表面检验及编号)→下料(等离子切割下料)→钳(修锉割口)→钳(打码编号)→第一次拉深→第一次退火→第二次拉深→第二次退火→第三次拉深→第三次退火→第四次拉深→第四次退火→第五次拉深→等离子气割外圆→检验；

2)上半球和下半球机加工艺路线。

集件(集半球半成品)→车(粗、精车内球面)→车(粗、精车外球面)→钳(修锉坡口及局部超上差处)→钳(整形)→表面处理→检验→打包。

其中，用于加工的原材料板材为1580mm×1580mm×10mm的5A06板材，化学成分和性能分别符合GB/T3190-1996变形铝及铝合金化学成分和GJB2662A-2008铝及铝合金轧制板材的要求，板材经超声波探伤达到GJB1580A-2004变形金属超声波检验方法中AA级要求。

其中，确定的第一次退火、第二次退火、第三次退火和第四次退火的退火参数为380±10℃保温60分钟，然后随炉冷却到300℃以下出炉空冷。

其中，采用3000T液压机，分五次拉深坯料，五次拉深深度依次为260mm、110mm、65mm、65mm、59mm，如图3，即经过第一次拉深、第二次拉深、第三次拉深、第四次拉深和第五次拉深后半球体的内腔深度分别为260mm、370mm、435mm、500mm、559mm。

其中，对下半球车内腔工艺进行了优化，将内腔尺寸Φ925±0.3mm加工到

在零件切下后回弹，刚好满足设计技术要求。

其中，如图4，车加工半球体的内球面时，采用工装夹紧半球体的压边，并在半球体外球面设置支撑，支撑包括平行布置的第一支撑和第二支撑，其中第一支撑为一块平板，平板上有一球形凹槽，第二支撑位于第一支撑与压边之间，为一块开孔板，开孔板的孔内侧型面为球形面，半球体的外球面穿过开孔板的孔后紧贴第一支撑的球形凹槽。

零件检测壁厚时，采用超声波测厚仪进行检测，沿着图1和图2中的竖直方向选取不同高度的球面圆周上的点作为检测点。力学性能检测采用万能试验机，经检测证明按照上述加工方法加工出的上半球和下半球壳体抗拉强度σ_b≥340MPa，延伸率δ₅≥10﹪。贮箱壳体零件的外形尺寸检测满足同轴度不大于Φ0.1mm，坡口平面度不大于0.15mm，坡口圆度不大于0.3mm的要求。

Claims (10)

1.大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，贮箱壳体由上半球和下半球组成，上半球为球形面，下半球由直径相等的球面和圆柱面组成，圆柱面内侧端面开有坡口，其特征在于：包括，

步骤一，以铝合金板材为坯料，通过多次交替进行的拉深和退火处理加工出半球体，且半球体包括直径相等并相连的球面和圆柱面，圆柱面端面周向有一圈压边；

步骤二，以步骤一中的半球体为基础，通过车加工的方式分别加工出上半球和下半球。

2.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述步骤一中，半球体的最大拉深深度大于下半球的深度，半球体的球形面内径小于下半球和上半球的内径，半球体的圆柱面内径小于下半球的圆柱面内径，半球体的圆柱面轴向高度大于下半球的圆柱面轴向高度。

3.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述步骤二中，当采用半球体车加工上半球和下半球时，先车削内球面，再以内球面作为定位面车削外球面。

4.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述铝合金板材的材料牌号为5A06。

5.根据权利要求4所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述铝合金板材的厚度与直径的比值约为0.66％。

6.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述步骤一中，多次交替进行的拉深和退火处理包括依次进行的第一次拉深、第一次退火、第二次拉深、第二次退火、第三次拉深、第三次退火、第四次拉深、第四次退火和第五次拉深。

7.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述步骤一中的铝合金板材厚度为10mm，直径1505mm，分为5次拉深，第一次拉深的拉深深度为260mm，第二次拉深的拉深深度为110mm，第三次拉深的拉深深度为65mm，第四次拉深的拉深深度为65mm，第五次拉深的拉深深度为59mm。

8.根据权利要求6所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述第一次退火、第二次退火、第三次退火和第四次退火均在380±10℃保温60分钟后随炉冷却到300℃以下，然后出炉空冷。

9.根据权利要求3所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：车削上半球和下半球的内球面时，采用工装夹紧半球体的压边，并在半球体外球面设置支撑，所述支撑包括平行布置的第一支撑和第二支撑，其中第一支撑为一块平板，平板上有一球形凹槽，第二支撑位于第一支撑与压边之间，为一块开孔板，开孔板的孔内侧型面为球形面，半球体的外球面穿过开孔板的孔后紧贴第一支撑的球形凹槽。

10.根据权利要求1所述的大型薄壁贮箱壳体精密成型方法，其特征在于：所述步骤二之后还包括，

壁厚检测，上半球和下半球的壁厚检测，采用超声波测厚，以上半球和下半球深度方向不同高度位置的圆周为基础，在圆周上选点测量；

修锉坡口，由钳工修锉坡口及局部超差处；

整形，由钳工完成上半球和下半球变形处的整形。

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