CN113145714B - 一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法及装置，成型方法依次施行凹模装夹、坯料预冷和旋压加工等成形步骤，实现在超低温情形下对坯料的旋压成形加工，并且加工过程中坯料与凹模之间始终存在明显间隙，防止超低温环境下的工件局部性能减弱、开裂和应力集中等缺陷，大大提高成品率和加工质量。本发明的成形方法具有实施方便、成形效率高、产品整体性好和质量性能好等优点；用于实现该铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置同样具备上述优点。

Description

一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法及装置

技术领域

本发明涉及板材成形技术领域，尤其涉及一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法及装置。

背景技术

随着科技实力的不断提高，我国的航天技术及实力在飞速发展，运载火箭正向大型化、整体化、轻量化发展。火箭燃料贮箱箱底是一种铝合金曲母线构件的典型代表，其工作环境温度低、承受载荷大且工作环境极为复杂。因其具有径厚比高、曲率大、深度深的特点，实现整体成形难度极大，目前我国现役火箭燃料贮箱箱底成形工艺采用瓜瓣拼焊的形式，通常一枚火箭有26个箱底，全箭约有260条焊缝，总长度接近1千米，焊接过程长且时间和人力耗费量巨大。并且由于焊缝区域易产生气孔、裂纹等缺陷，破坏了构件的整体性，同时为保证力学性能，焊缝区域更厚，增加了箱底的重量，这严重制约了航天事业的发展。

旋压成形是一种实现铝合金曲母线构件成形的可行方案。但由于旋压前需要拉深预成形，构件尺寸受到压机台面大小及吨位大小的制约。同时，在不同道次旋压成形之间需要进行退火处理，需多次转移装配工件，工艺复杂，加工周期长。难以实现大型铝合金曲母线构件快速高效生产制造，且该工艺对于合金化程度高、塑性较差的铝合金，仅通过轨迹规划和调整机床加工参数无法解决成形时开裂的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实施方便、成形效率高、产品整体性好和质量性能好的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，以及用于实现该铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，包括以下步骤：

S1：将用于成形铝合金曲母线构件的凹模装配至加工机床上，所述凹模的深度大于铝合金曲母线构件的高度，凹模的内径大于铝合金曲母线构件的直径；

S2：坯料预冷：将用于成形铝合金曲母线构件的坯料装配至凹模上并预冷至-130℃以下；

S3：加工：获取坯料的温度，当温度低于-130℃时，加工机床开始旋压成形加工，加工机床的刀轮旋压所述坯料，且旋压路径的母线与铝合金曲母线构件的母线一致，并与凹模的内壁之间存在间隙；加工同时对刀轮与坯料接触处的加工区域进行局部制冷；

S4：成形完成：成形完成，取出成形工件。

作为上述铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的进一步改进：

将凹模装配至加工机床上时，设定加工机床的刀轮的角度与凹模的轴线呈45°角，并设置刀轮的X向起始位置与凹模的内侧壁间隙为2.5d，其中d为坯料的厚度。

所述刀轮的圆角半径为6mm～8mm。

所述加工机床按预设的加工信息进行旋压成形加工，预设的加工信息包括0.25mm/r～1mm/r的进给比、次数为偶数的加工道次以及方向为正反向交替进刀的加工方向。

设置将所述坯料与凹模装配的压力为150dKN，其中d为坯料的厚度。

坯料的预冷以及对加工区域进行局部制冷均通过喷淋或喷射液氮实现。

所述坯料的预冷时间为10+(d-2)²min，其中d为坯料的厚度。

坯料装配前，在坯料的表面喷涂超低温润滑剂。

一种用于实现上述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，包括加工机床、控制柜、液氮罐和喷射装置，所述加工机床包括刀轮和用于安装凹模的主轴，所述液氮罐连通至控制柜上，所述喷射装置一端连通至控制柜，另一端朝向主轴且设有用于坯料预冷的第一喷头和用于局部制冷的第二喷头；控制柜上设有控制喷射装置与液氮罐通断的阀体。

作为上述装置的进一步改进：

所述坯料通过一与凹模边缘适配的环形的压边压装于凹模上，并通过依次穿入压边、坯料和凹模侧壁的螺栓固定。

所述第一喷头的喷嘴为大直径开口朝向主轴的锥状喷嘴，喷嘴轴线与主轴的轴线重合，开口角度为60°，端部距离装配后的坯料为450mm，且第一喷头的端面上设有用于以液滴形式进行液氮喷淋的筛孔。

所述第二喷头固定于加工机床的刀轮上方，喷嘴为大直径开口朝向主轴的锥状喷嘴，开口角度为10°，喷嘴轴线与刀轮及坯料的公切线呈60°，且第二喷头的端面上设有用于以液柱形式进行液氮喷淋的锥形孔。

所述控制柜上的阀体包括耐低温手动流量控制阀和耐低温电磁流量控制阀。

所述加工机床于主轴上方设置有耐低温排气装置，加工机床上还设有氧气浓度测试装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，在加工前进行坯料预冷，加工过程中对加工区域进行局部制冷，并采用旋压成形的方式进行铝合金曲母线构件的制造。这种保持材料处于超低温环境下的制造过程，有效规避了常温条件下铝合金塑性差、成形能力低的缺陷。在超低温条件下铝合金坯料的强度和塑性均有显著提升，材料内部原子能量低，溶质原子扩散率低，加工硬化率升高，均匀变形区间扩大，能够有效抑制材料成形过程中局部减薄的发生，PLC效应大幅减弱，成形过程中开裂风险降低，因此成形后的铝合金曲母线构件表面质量和内部性能得到提高。此外，在超低温状态下铝合金坯料基体变形抗力增大，极大程度抑制了合金的动态回复，成形后晶内位错密度较室温更大，有利于后续时效处理强化相均匀弥散析出，从而获得理想的构件性能。并且正是由于铝合金超低温条件下强塑性均得到大幅提升，采用旋压进行铝合金曲母线构件成形加工具有可实施性。

而由于凹模并非严格按照目标构件形状设置，在成形过程中与坯料之间存在明显间隙，仅作为构件成形过程中提供边缘支撑力以及中部避空区域的装置，这种制造方法避免凹模与坯料的成形区域产生直接接触，从而有效避免凹模直接限制处于超低温环境下的坯料材料，防止超低温环境下的工件与凹模换热引起的局部温度突变，造成坯料局部性能减弱，导致加工过程中开裂情形的出现。同时预留间隙能够有效防止坯料与凹模接触区域产生应力集中，有效避免了工件过渡区域出现过渡减薄甚至开裂的缺陷。这种方式大大提高力构件的成品率和加工质量。且这种旋压属于柔性加工方法，通过利用材料自身的刚度实现构件的形面精度，摆脱了传统旋压对芯模的依赖，灵活度高，大大降低了生产成本。相较于传统旋压采用尾顶固定坯料，由于铝合金刚度弱，加工时坯料易产生起皱、破裂等缺陷。这种旋压方式避免了由于刀轮进给所产生的轴向、周向应力引起的失稳，有效的提高了成品率。

本发明的用于实现上述成形方法的装置，同样具备上述优点，并且结构简单，操作简易方便，适用于铝合金曲母线构件的批量生产。

附图说明

图1是用于实现铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置示意图；

图2是旋压成形坯料与凹模的安装位置示意图；

图3和图4分别是第一喷头和第二喷头的结构示意图；

图5是第二喷头与刀轮的位置示意图；

图6是铝合金试样在室温及实施例条件下单轴拉伸实验测得真应力-真应变曲线；

图7是铝合金试样在室温及实施例条件下晶内位错密度对比；

图8是铝合金材料在室温及实施例条件下的旋压制件图。

图例说明：1、凹模；2、加工机床；21、刀轮；22、主轴；23、耐低温排气装置；24、氧气浓度测试装置；3、坯料；4、控制柜；5、液氮罐；6、喷射装置；61、第一喷头；62、第二喷头；7、压边。

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做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

实施例：

如图1和图2所示，本实施例的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，包括以下步骤：

S1：将用于成形铝合金曲母线构件的凹模1装配至加工机床2上，凹模1的深度大于铝合金曲母线构件的高度，凹模1的内径大于铝合金曲母线构件的直径；

S2：坯料3预冷：将用于成形铝合金曲母线构件的坯料3装配至凹模1上并预冷至-130℃以下；

S3：加工：采用高灵敏度接触式低温热电偶获取坯料3的温度，当温度低于-130℃时，加工机床2开始旋压成形加工，加工机床2的刀轮21旋压所述坯料3，且旋压路径的母线与铝合金曲母线构件的母线一致，并与凹模1的内壁之间存在间隙；加工同时对刀轮21与坯料3接触处的加工区域进行局部制冷，保证加工过程中材料始终处于超低温环境；

S4：成形完成：成形完成，取出成形工件。

本实施例这种保持材料处于超低温环境下的制造过程，有效规避了常温条件下铝合金塑性差、成形能力低的缺陷。在超低温条件下铝合金坯料3的强度和塑性均有显著提升，材料内部原子能量低，溶质原子扩散率低，加工硬化率升高，均匀变形区间扩大，能够有效抑制材料成形过程中局部减薄的发生，PLC效应大幅减弱，成形过程中开裂风险降低，因此成形后的铝合金曲母线构件表面质量和内部性能得到提高。此外，在超低温状态下铝合金坯料3基体变形抗力增大，极大程度抑制了合金的动态回复，成形后晶内位错密度较室温更大，有利于后续时效处理强化相均匀弥散析出，从而获得理想的构件性能。并且正是由于铝合金超低温条件下强塑性均得到大幅提升，采用旋压进行铝合金曲母线构件成形加工具有可实施性。

而由于凹模1并非严格按照目标构件形状设置，在成形过程中与坯料3之间存在明显间隙，仅作为构件成形过程中提供边缘支撑力以及中部避空区域的装置，这种制造方法避免凹模1与坯料3的成形区域产生直接接触，从而有效避免凹模1直接限制处于超低温环境下的坯料3材料，防止超低温环境下的工件与凹模1换热引起的局部温度突变，造成坯料3局部性能减弱，导致加工过程中开裂情形的出现。同时预留间隙能够有效防止坯料3与凹模1接触区域产生应力集中，有效避免了工件过渡区域出现过渡减薄甚至开裂的缺陷。这种方式大大提高力构件的成品率和加工质量。且这种旋压属于柔性加工方法，通过利用材料自身的刚度实现构件的形面精度，摆脱了传统旋压对芯模的依赖，灵活度高，大大降低了生产成本。相较于传统旋压采用尾顶固定坯料，由于铝合金刚度弱，加工时坯料易产生起皱、破裂等缺陷。这种旋压方式避免了由于刀轮进给所产生的轴向、周向应力引起的失稳，有效的提高了成品率。

本实施例中，将凹模1装配至加工机床2上时，设定加工机床2的刀轮21的角度与凹模1的轴线呈45°角，并设置刀轮21的X向起始位置与凹模1的内侧壁间隙为2.5d，其中d为坯料3的厚度。本实施例中，采用的坯料3厚度为2mm，则X向起始位置与凹模1的内侧壁间隙为5mm。

本实施例中，刀轮21的圆角半径为6mm～8mm，本实施例中，设置为8mm。

本实施例中，加工机床2按预设的加工信息进行旋压成形加工，预设的加工信息包括0.25mm/r～1mm/r的进给比、次数为偶数的加工道次以及方向为正反向交替进刀的加工方向。本实施例中，设置转速为100r/min，进给速率为50mm/min，即进给比为0.5mm/r，加工轨迹为4道次成形。

本实施例中，设置将坯料3与凹模1装配的压力为150dKN，其中d为坯料3的厚度，本实施例中，采用的坯料3厚度为2mm，则压力为300KN，使坯料3与凹模1加工过程中无相对滑动。

本实施例中，坯料3的预冷以及对加工区域进行局部制冷均通过喷淋或喷射液氮实现。氮气是空气中的主要成分，采用液氮作为制冷剂降温速度快并且绿色无污染。坯料3预冷采用喷淋液氮实现，喷淋流量为2L/min，坯料3的预冷时间为10+(d-2)²min，其中d为坯料3的厚度，即时间为10min；加工区域局部制冷采用喷射液氮实现，喷射流量为3.5L/min。

本实施例中，坯料3装配前，在坯料3的表面喷涂超低温润滑剂，保证坯料3的表面质量。

如图6所示，为铝合金试样在25℃(室温)及超低温条件下单轴拉伸实验测得的三组真应力-真应变曲线，其中(a)为2a14-O态铝合金；(b)为2195-O态铝合金；(c)为2195-W态铝合金；可见铝合金在超低温条件下的延展性更好，其晶内结构对比如图7所示。基于此，进行旋压试验，如图8所示，采用本实施例的成形方法得到的铝合金曲母线构件成形高度为45.2mm，且无任何开裂情况；而在常温下、其他条件与本实施例一致的情况下旋压成形的铝合金曲母线构件高度仅有11.2mm，且存在开裂情况。

本实施例的用于实现上述铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，如图1所示，包括加工机床2、控制柜4、液氮罐5和喷射装置6，加工机床2包括刀轮21和用于安装凹模1的主轴22，液氮罐5连通至控制柜4上，喷射装置6一端连通至控制柜4，另一端朝向主轴22且设有用于坯料3预冷的第一喷头61和用于局部制冷的第二喷头62；控制柜4上设有控制喷射装置6与液氮罐5通断的阀体。

本实施例中，第一喷头61、第二喷头62、控制柜4以及液氮罐5等通过金属软管连接，加工机床2上设有安装孔、金属支架等结构，用于连接固定金属软管。

本实施例中，如图2所示，坯料3通过一与凹模1边缘适配的环形的压边7压装于凹模1上，并通过依次穿入压边7、坯料3和凹模1侧壁的螺栓固定。通过设置压边7，可以使压力均匀传递至坯料3上，避免坯料3受力不均导致开裂。

本实施例中，如图3所示，第一喷头61的喷嘴为大直径开口朝向主轴22的锥状喷嘴，喷嘴轴线与主轴22的轴线重合，开口角度为60°，呈喇叭口型，覆盖面积大，适用于大范围喷射，端部距离装配后的坯料3为450mm，且第一喷头61的端面上设有用于以液滴形式进行液氮喷淋的筛孔。

本实施例中，如图4和图5所示，第二喷头62固定于加工机床2的刀轮21上方，喷嘴为大直径开口朝向主轴22的锥状喷嘴，开口角度为10°，喷嘴轴线与刀轮21及坯料3的公切线呈60°，朝向刀轮21和坯料3之间，避免干涉刀轮21运行的同时，确保液氮准确覆盖加工范围，且第二喷头62的端面上设有用于以液柱形式进行液氮喷淋的锥形孔，限制降温范围，确保降温效果。

本实施例中，控制柜4上的阀体包括耐低温手动流量控制阀和耐低温电磁流量控制阀，方便手动控制和电动控制。

本实施例中，加工机床2于主轴22上方设置有耐低温排气装置23，加工机床2上还设有氧气浓度测试装置24，氧气浓度测试装置24内设19.5％的报警阈值，避免氧气浓度过低造成安全事故。耐低温排气装置23可以在加工完成后排出多余的加工气体。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于，其实现装置包括加工机床（2）、控制柜（4）、液氮罐（5）和喷射装置（6），所述加工机床（2）包括刀轮（21）和用于安装凹模（1）的主轴（22），所述液氮罐（5）连通至控制柜（4）上，所述喷射装置（6）一端连通至控制柜（4），另一端朝向主轴（22）且设有用于坯料（3）预冷的第一喷头（61）和用于局部制冷的第二喷头（62）；控制柜（4）上设有控制喷射装置（6）与液氮罐（5）通断的阀体，方法包括以下步骤：

S1：将用于成形铝合金曲母线构件的凹模（1）装配至加工机床（2）上，所述凹模（1）的深度大于铝合金曲母线构件的高度，凹模（1）的内径大于铝合金曲母线构件的直径；

S2：坯料（3）预冷：将用于成形铝合金曲母线构件的坯料（3）装配至凹模（1）上并通过第一喷头（61）预冷至-130℃以下；

S3：加工：获取坯料（3）的温度，当温度低于-130℃时，加工机床（2）开始旋压成形加工，加工机床（2）的刀轮（21）旋压所述坯料（3），且旋压路径的母线与铝合金曲母线构件的母线一致，并与凹模（1）的内壁之间存在间隙；加工同时通过第二喷头（62）对刀轮（21）与坯料（3）接触处的加工区域进行局部制冷；

S4：成形完成：成形完成，取出成形工件。

2.根据权利要求1所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：将凹模（1）装配至加工机床（2）上时，设定加工机床（2）的刀轮（21）的角度与凹模（1）的轴线呈45°角，并设置刀轮（21）的X向起始位置与凹模（1）的内侧壁间隙为2.5d，其中d为坯料（3）的厚度。

3.根据权利要求2所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：所述刀轮（21）的圆角半径为6mm~8mm。

4.根据权利要求1所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：所述加工机床（2）按预设的加工信息进行旋压成形加工，预设的加工信息包括0.25mm/r~1mm/r的进给比、次数为偶数的加工道次以及方向为正反向交替进刀的加工方向。

5.根据权利要求1所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：设置将所述坯料（3）与凹模（1）装配的压力为150dKN，其中d为坯料（3）的厚度。

6.根据权利要求1所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：坯料（3）的预冷以及对加工区域进行局部制冷均通过喷淋或喷射液氮实现。

7.根据权利要求6所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：所述坯料（3）的预冷时间为10+（d-2）²min，其中d为坯料（3）的厚度。

8.根据权利要求1所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法，其特征在于：坯料（3）装配前，在坯料（3）的表面喷涂超低温润滑剂。

9.一种用于实现权利要求1至8中任一项所述的铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，其特征在于：所述坯料（3）通过一与凹模（1）边缘适配的环形的压边（7）压装于凹模（1）上，并通过依次穿入压边（7）、坯料（3）和凹模（1）侧壁的螺栓固定。

10.根据权利要求9所述的用于实现铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，其特征在于：所述第一喷头（61）的喷嘴为大直径开口朝向主轴（22）的锥状喷嘴，喷嘴轴线与主轴（22）的轴线重合，开口角度为60°，端部距离装配后的坯料（3）为450mm，且第一喷头（61）的端面上设有用于以液滴形式进行液氮喷淋的筛孔。

11.根据权利要求9所述的用于实现铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，其特征在于：所述第二喷头（62）固定于加工机床（2）的刀轮（21）上方，喷嘴为大直径开口朝向主轴（22）的锥状喷嘴，开口角度为10°，喷嘴轴线与刀轮（21）及坯料（3）的公切线呈60°，且第二喷头（62）的端面上设有用于以液柱形式进行液氮喷淋的锥形孔。

12.根据权利要求9所述的用于实现铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，其特征在于：所述控制柜（4）上的阀体包括耐低温手动流量控制阀和耐低温电磁流量控制阀。

13.根据权利要求9所述的用于实现铝合金曲母线构件超低温旋压成形方法的装置，其特征在于：所述加工机床（2）于主轴（22）上方设置有耐低温排气装置（23），加工机床（2）上还设有氧气浓度测试装置（24）。

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