CN112170606B - 一种大深径比薄壁封头的旋压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大深径比薄壁封头的旋压方法，包括：根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度；根据所需板坯的厚度将板坯加工成不等厚板坯料；将不等厚板坯料放在筒形支座上，将不等厚板坯料的四周压紧形成四周约束；使不等厚板坯料随筒形支座一起旋转，通过旋轮对不等厚板坯料进行一道次无模旋压形成旋压毛坯；将旋压毛坯从筒形支座上取下，然后进行多道次反向缩径有模旋压。该旋压方法可提高封头的承载能力，实现封头轻量化制造，只需少量机加或无需机加，成形效率高，可满足封头件壁厚均匀性或渐变性要求，轮廓精准，可实现大深径比薄壁封头件的高精密成形。

Description

一种大深径比薄壁封头的旋压方法

技术领域

本发明涉及封头件旋压成形技术领域，具体而言，涉及一种大深径比薄壁封头的旋压方法。

背景技术

现有的封头件的成形方法主要包括：

1、分瓣拉弯拼焊成形

分瓣拼焊成形工艺采用“化整为零”成形思想，即将一个封头分成6-8块分瓣，逐一冲压或拉形得到各分瓣，然后通过组焊将成形分瓣拼焊成为一个整体封头。图1为利用分瓣拼焊成形的封头示意图，国内应用分瓣拼焊成形工艺加工的燃料箱封头，其最大直径达到5.25m，应用于长征5号火箭。

然而，该工艺方法也存在如下不足之处：焊接结构强度低、可靠性差；成形封头残余应力大、变形大、精度低；需要较大的厚度，不能实现轻量化制造，影响火箭飞行距离。

2、有模旋压成形

普通旋压成形是将板料或预制毛坯固定在芯模上，通过主轴回转带动芯模与工件同时转动，利用旋轮加压于毛坯，使其逐渐紧贴于芯模，从而获得所要求的回转体件的金属成形方法。图2为有模旋压成形的示意图。

该工艺存在如下缺点：对于大深径比的封头旋压容易失稳，因此旋压时采用成品厚度数倍壁厚的板料做毛坯，成形后再进行大量的铣削达到成品形状和板厚。这一工艺一方面对旋压机要求较高，需要大推力旋压机，并且原材料浪费严重，整个工艺过程长；另一方面由于板坯厚，成形过程中变形量大，旋压过程需要使用喷火等加热工艺，而且成形后的巨大机加量会导致封头材料结构缺陷或高残余应力，工件产生附加变形，最终精度无法控制。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种大深径比薄壁封头的旋压方法，该旋压方法可以实现大深径比薄壁封头的整体成形，消除焊缝的短板效应，提高封头的承载能力，能够减轻封头板坯重量，实现封头轻量化制造，只需少量机加或无需机加，成形效率高，可以满足封头件壁厚均匀性或渐变性要求，轮廓精准，可实现大深径比薄壁封头件的高精密成形。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大深径比薄壁封头的旋压方法，该旋压方法包括以下步骤：

步骤一：根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度；然后根据所需板坯的厚度将板坯加工成不等厚板坯料；

步骤二：将步骤一得到的不等厚板坯料放置在无模旋压装置的筒形支座上，通过压边圈将不等厚板坯料的四周进行压紧，形成四周约束；然后使不等厚板坯料随筒形支座一起旋转，通过旋轮对不等厚板坯料进行一道次无模旋压，形成旋压毛坯；

步骤三：将旋压毛坯从筒形支座上取下，然后进行多道次反向缩径有模旋压，完成封头件的初步旋压。

进一步地，步骤一中，根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度，具体是指：

按照以下正弦定律关系式推算出所需板坯的厚度：t＝t₀ sinθ；

其中，t为大深径比薄壁封头旋压成形后某处的壁厚；t₀为板坯料某处的壁厚；θ为旋压过程中板坯料某处的半锥角，当封头件的母线为曲线时，以该处的切线与中心线的夹角作为半锥角。

进一步地，步骤三中，进行多道次反向缩径有模旋压，具体是指：

将旋压毛坯反向安装于有模旋压模具上，然后采用旋轮进行多道次反复缩径旋压，直至完成封头旋压。

进一步地，还包括：

步骤四：利用旋压机床上的检测系统对步骤三得到的初步旋压后的封头件进行轮廓检测，根据轮廓检测结果确定是否进行外轮廓修形，然后进行切边处理，完成大深径比薄壁封头的旋压加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)相对于传统的旋压方式，本发明的旋压方法利用四周约束进行一道次无模旋压大变形，可以实现大深径比曲面封头的整体成形，消除焊缝的短板效应，提高封头的承载能力。

(2)可以减轻封头重量，实现封头轻量化制造。

(3)板坯厚度接近成品厚度，且成形过程无需焊接，只需少量机加或者无需机加，成形效率高。

(4)可以满足封头壁厚均匀性或者渐变性要求，轮廓精准，可以实现高精密成形。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有的分瓣拼焊成形封头的示意图。

图2为现有的普通旋压示意图。

图3为不等厚板坯料的示意图。

图4为经过一道次无模旋压形成旋压毛坯示意图。

图5为经过多道次反向缩径有模旋压的示意图。

图6为对封头件进行轮廓检测的示意图。

图7为对封头件进行外轮廓修形的示意图。

图8为采用本发明的方法旋压后得到的封头的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、不等厚板坯料；2、筒形支座；3、压边圈；4、旋轮；5、旋压毛坯；6、有模旋压模具；7、检测系统。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图3至图8，一种本发明实施例的大深径比薄壁封头的旋压方法，该旋压方法主要包括以下步骤：

步骤一：根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度；然后根据所需板坯的厚度将板坯加工成厚度由边缘向中心逐渐减薄的不等厚板坯料1，参见图3；

步骤二：将步骤一得到的不等厚板坯料1放置在无模旋压装置的筒形支座2上，通过压边圈3将不等厚板坯料1的四周进行压紧，形成四周约束；然后使不等厚板坯料1随筒形支座2一起旋转，通过旋轮4对不等厚板坯料1进行一道次无模旋压，形成旋压毛坯5；

步骤三：将旋压毛坯5从筒形支座2上取下，然后进行多道次反向缩径有模旋压，完成封头件的初步旋压。

本发明为了更好地控制旋压后封头的壁厚均匀性，先根据大深径比薄壁封头旋压成形后所要达到的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度，然后根据所需板坯的厚度将板坯加工成厚度由边缘向中心逐渐减薄的不等厚板坯料1；再在无模旋压装置上对不等厚板坯料1进行一道次无模旋压形成旋压毛坯5。在旋压过程中，并不是所有旋压都能够满足正弦定律，经过试验和仿真表明，在无模旋压装置周向约束中，第一道次旋压中壁厚分布能够比较好的吻合正弦定律，后续道次壁厚分布则偏离正弦定律比较远，特别是在周向约束附近区域以及中心区域偏离正旋定律更为厉害；为了得到壁厚更加均匀的封头件，减少后续机加，所以采用一道次无模旋压，尽量一次成形，这样就可以通过正弦定律比较准确地推算出所需板坯的厚度。

在本实施例中，步骤一中，根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度，具体是指：

按照以下正弦定律关系式推算出所需板坯的厚度：t＝t₀ sinθ；

其中，t为大深径比薄壁封头旋压成形后某处的壁厚，单位为mm；t₀为板坯料某处的壁厚，单位为mm；θ为旋压过程中板坯料某处的半锥角，单位为°，当封头件的母线为曲线时，以该处的切线与中心线的夹角作为半锥角。

根据正旋定律，半锥角θ越小，旋压后的封头件的壁厚越薄，也就是封头件的减薄率会越大，而材料本身的塑性是有限的，也就是材料的减薄率也是有限的，所以第一道次中对于半锥角θ太小的封头件不能够实现一道次成形，因此对于大深径比的工件(比如形状接近半椭球、半球)，其边缘的半锥角可能小于10°，对于一些带有部分直筒的封头，边缘半锥角甚至为0°，对于这样的封头件无法一道次成形。而且，对于深径比越大的工件，半锥角越小，旋轮系统需要能够偏移的角度越大，对旋压设备的要求更高。

现有的采用剪切-扩径的旋压模式，对于大深径比的封头件是很难实现的，特别是要求工件壁厚均匀时，在扩径旋压中如何保证旋压后的封头件的厚度，具有极大的难度；因为在扩径旋压中每道次扩径完后的壁厚分布是不满足正旋定律的，是未知的，由于又没有模具，底部是空的，壁厚控制更加难。同时，在多道次的扩径旋压过程中，会导致工件下沉，从而出现轮廓精度也不能满足要求的情况出现。

在本实施例中，步骤三中，进行多道次反向缩径有模旋压，具体是指：将旋压毛坯5反向安装于有模旋压模具6上，然后采用旋轮4进行多道次反复缩径旋压，直至完成封头旋压。

在完成封头旋压后，该旋压方法还包括：

步骤四：利用旋压机床上的检测系统7对步骤三得到的初步旋压后的封头件进行轮廓检测，根据轮廓检测结果确定是否进行外轮廓修形，然后进行切边处理，完成大深径比薄壁封头的旋压加工。

对于大深径比的工件(封头)，根据工件的形状特点，越接近工件的边缘，半锥角越小，很难一次性旋压成形。如果采用现有的直接在无模旋压设备上进行多道次扩径的旋压方法，在后续扩径中会产生工件底部“下沉”现象，从而导致工件的轮廓精度高；而采用反向有模缩径旋压，因为有模具，而且周向约束时只进行一道次旋压，也就是既具有了一道次无模旋压方法的优点，一道次旋压完成大变形旋压，又具有了有模旋压的优点，能够利用模具在反向有模旋压中进行前一道次的轮廓精度检测，可以更加简单地控制轮廓精度和壁厚精度，因此可以使得工件的轮廓精度和壁厚精度更加准确，且壁厚精度和轮廓精度更加容易进行控制。此外，该方法对旋压设备的要求更低，对旋轮系统的旋转角度要求更低，可实现性更好。

对于封头而言，成形件半锥角从边缘到中心是逐步增大的，如果想获取等壁厚的工件(或者有一定要求的壁厚变化工件)，必然会要求要么有精准变厚度的板坯，要么能够精准的控制每道次中材料的流动，获取想要厚度的尺寸；显然对于多道次旋压而言，这样的流动规律是很难掌握的，因为受到的影响因素太多；这样的话必然会导致要么降低工件壁厚精度要求，要么通过后续加工来弥补旋压精度不足。采用本发明的旋压方法，由于第一道次的壁厚分布满足正弦定律，因此可以很容易地实现不等厚板坯的设计；同时，在后续反向缩径旋压中，缩径恰好可以增厚工件的厚度，为机加预留机加余量；再者，由于工件大部分已经在第一道次中成形，能够获取比较满意的壁厚精度，后续只需对反向缩径旋压部分进行机加即可，这样减少了机加量。

总体而言，相对于传统的旋压方式，本发明的旋压方法利用四周约束进行一道次无模旋压大变形，可以实现大深径比曲面封头的整体成形，消除焊缝的短板效应，提高封头的承载能力；可以减轻封头重量，实现封头轻量化制造；板坯厚度接近成品厚度，且成形过程无需焊接，只需少量机加或者无需机加，成形效率高；可以满足封头壁厚均匀性或者渐变性要求，轮廓精准，可以实现高精密成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大深径比薄壁封头的旋压方法，其特征在于，所述旋压方法包括以下步骤：

步骤一：根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度；然后根据所需板坯的厚度将板坯加工成不等厚板坯料；

步骤二：将步骤一得到的不等厚板坯料放置在无模旋压装置的筒形支座上，通过压边圈将不等厚板坯料的四周进行压紧，形成四周约束；然后使不等厚板坯料随筒形支座一起旋转，通过旋轮对不等厚板坯料进行一道次无模旋压，形成旋压毛坯；

步骤三：将旋压毛坯从筒形支座上取下，然后进行多道次反向缩径有模旋压，完成封头件的初步旋压；

步骤一中，根据大深径比薄壁封头旋压成形后的形状和壁厚，按照旋压过程中的正弦定律推算出所需板坯的厚度，具体是指：

按照以下正弦定律关系式推算出所需板坯的厚度：t＝t₀sinθ；

其中，t为大深径比薄壁封头旋压成形后某处的壁厚；t₀为板坯料某处的壁厚；θ为旋压过程中板坯料某处的半锥角，当封头件的母线为曲线时，以该处的切线与中心线的夹角作为半锥角；

步骤三中，进行多道次反向缩径有模旋压，具体是指：

将旋压毛坯反向安装于有模旋压模具上，然后采用旋轮进行多道次反复缩径旋压，直至完成封头旋压。

2.根据权利要求1所述的大深径比薄壁封头的旋压方法，其特征在于，还包括：

步骤四：利用旋压机床上的检测系统对步骤三得到的初步旋压后的封头件进行轮廓检测，根据轮廓检测结果确定是否进行外轮廓修形，然后进行切边处理，完成大深径比薄壁封头的旋压加工。

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