CN114247802B - 一种球形多通件多工艺联合整体成形方法及球形多通件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种球形多通件多工艺联合整体成形方法及球形多通件。该方法包括:S1旋压步骤:将原始板坯材料通过旋压工艺得到平底深筒形件;S2应力退火步骤:采用去应力退火工艺消除旋压后材料内部应力;S3液压胀形步骤:对退火后的平底深筒形件进行液压胀形处理得到带开口球体件;S4数控制孔步骤:对带开口球体件采用多自由度数控制孔工艺一次加工出多个预制孔,形成带预制孔的开口球体件;S5翻孔成形步骤:以数控加工后的预制孔作为定位基准,翻孔成形出球形多通件。本发明利用多工艺联合成形技术,通过复合加工方式完成球形多通件无缝整体成形,壁厚均匀,提高了产品质量一致性和尺寸精度,可实现不同规格、不同位置翻边孔多通件的一体化成形。
Description
技术领域
本发明涉及运载火箭动力系统多通件一体化成形工艺技术,具体地,涉及一种球形多通件多工艺联合整体成形方法及球形多通件。
背景技术
随着航天工业加工制造水平的进步,航天产品逐步朝着减轻零件重量,提高产品可靠性与质量一致性方向发展,传统采用分片制造或整体机械加工方式,产品以拼接化和实体化加工为主,拼焊工艺加工的动力系统零件因其存在焊缝薄弱区,从而影响其可靠性,同时存在焊装精度控制难等问题。
实体化工艺加工存在材料利用率低,加工周期长,难以实现结构轻量化等问题,上述技术问题严重制约着运载火箭可靠性的发挥,此外,随着重型运载火箭以及载人运载火箭等型号产品的发展,运载火箭向着结构大型化和高可靠性、轻量化逐步转变,服役条件更为严酷,这对运载火箭动力系统高可靠性、高质量稳定性制造提出了更严苛的要求。
多通件是运载火箭动力系统的重要零件,其位于运载火箭底部,用于连接发动机和燃料管路,是运载火箭动力系统核心部件,承担多路管道的汇集分流作用,在实际飞行过程中,承受一定的压力和结构应力,其成形质量的优劣直接影响到火箭增压输送系统的可靠性,根据发动机入口的不同,可分为三通、四通、五通等,传统采用半球拉深+环向焊接的方式制造,成形过程涉及成形、装配、焊接等多道工序,焊后变形大,手工作业量大。
球形多通件,其上共多个开口,其中下端开口与发动机管路连接;上端、半腰上开口分别与主导管以及燃料加注管连接。多通材料一般为铝合金和不锈钢,根据现有工艺水平,对于支管位置高度超过球体平分线的多通件则无法通过拼焊加工,对此,只有通过采用整体成形技术,才能实现该类多通成形,但传统机械加工因其材料利用率极低(仅5%材料利用率),加工成本高昂,加工周期长等因素,无法满足该类零件的整体加工,因此,采用液压复合整体成形多通件是现在以及未来的主要成形方式。
经过调研,目前国内研制大都采用拼焊成形,国外多通结构零件也以拼焊结构为主,如俄罗斯某火箭多通,猎鹰火箭多通等,其尺寸精度一般在1~2mm左右,装配过程需要大量的人工修配。
专利ZL201710780684.5公开一种多通件成形装置及成形方法,通过内部导向的翻边整形模进行整形,采用翻边整形工装对各翻边孔进行翻边整形,以达到各孔位置尺寸、厚度数值满足设计图样要求。但是由于该文献所述为翻边过程,对于球体成形过程并没有表述加工方法。
专利ZL201911179615.4公开一种筒形件缩口装置,包括双作用伸缩缸、防皱装置、缩口上模、缩口下模和缩口驱动装置等结构,根据反拉深后得到的筒形件外径,经过缩口将外径减小,保证产品不产生开裂褶皱缺陷,活塞杆向上运动时,活塞杆会带动上夹持板和下夹持板夹紧弹性环,弹性环受压缩产生径向膨胀,同时对筒形件的缩口内壁产生支撑力,缩口驱动装置驱动缩口上模缩口时,减少了环向起皱的现象,同时提高了单次变形量,减少了缩口次数。但是由于该文献所述为缩口过程,对于球体成形过程并没有表述加工方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供了一种球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,包括:
S1旋压步骤:将原始板坯材料通过旋压工艺得到平底深筒形件;
S2应力退火步骤:采用去应力退火工艺消除旋压后材料内部应力;
S3液压胀形步骤:对退火后的平底深筒形件进行液压胀形处理得到带开口球体件;
S4数控制孔步骤:对带开口球体件采用多自由度数控制孔工艺一次加工出多个预制孔,形成带预制孔的开口球体件;
S5翻孔成形步骤:以数控加工后的预制孔作为定位基准,翻孔成形出球形多通件。
进一步的是,所述原始板坯材料状态为退火态的板坯材料,如果为非退火态,则预先进行退火处理得到退火态的板坯材料。
进一步的是,所述S1旋压步骤包括:对板坯材料进行拉深旋压工艺,通过尾顶11将原始板坯材料14顶在旋压模具12上,并通过旋轮13的作用,向板材施加旋压力,通过多道次旋压将板坯旋压成筒形零件,当板坯材料减薄率增大至设定减薄率后,对板坯进行一次去应力退火处理;然后,继续对退火后的板坯进行拉深旋压成形,得到平底深筒形件。
进一步的是,所述S2应力退火步骤中,去应力退火工艺根据材料牌号的不同选择不同的退火温度和保温时间,所述材料包括不锈钢、铝合金。
进一步的是,所述S3液压胀形步骤包括:安装充液胀形模具,将平底深筒形件安装在工装内部,通过将上模21和下模22合模,并向平底深筒形件中注入液体23,采用液压胀形工艺将筒坯材料胀形至贴合模具内壁,形成带开口球体件。
进一步的是,所述胀形模具内腔直径选择球体设计目标外径加上1~2mm回弹量。
进一步的是,所述S3液压胀形步骤的胀形过程中根据材料塑性变形程度进行2~3次去应力退火处理。
进一步的是,所述S4数控制孔步骤中数控加工首先对开口端部进行车削,保证端面水平;接下来以车削后的端面为基准,采用底部大口固定装夹工装,对球体进行固定,通过多自由度数控加工机械手31对放置于装夹装置32的带开口球体件进行数控制孔,数控加工根据不同多通件翻边孔位置、尺寸参数,编制相应的数控加工程序,一次性加工出全部预制孔。
进一步的是,S5翻孔成形步骤中,通过将带预制孔的开口球体件放置于支架43上,在翻孔模具41以及线圈42的联合作用下对带开口球体件的预制孔进行翻孔成形。
本发明还提供了一种通过上述球形多通件多工艺联合整体成形制备得到的球形多通件。
本发明利用多工艺联合成形技术,通过旋压成形、液压胀形、数控精密加工、翻孔成形等复合加工方式,完成球形多通件无缝整体成形,壁厚均匀,提高了产品质量一致性和尺寸精度,可实现不同规格、不同位置翻边孔多通件的一体化成形。
附图说明
图1为本发明的球形多通件多工艺联合整体成形方法的工艺流程图。
图2为本发明的旋压步骤的一例的示意图。
图3为本发明的液压胀形步骤的一例的示意图。
图4为本发明的数控制孔步骤的一例的示意图。
图5为本发明的翻孔成形步骤的一例的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。通过阅读参照附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
图1为本发明的球形多通件多工艺联合整体成形方法的工艺流程图,图中,a)为原始板坯材料,b)为平底深筒形件,c)为带开口球体件,d)为带预制孔的开口球体件,e)为球形多通件。如图1所示,本发明的球形多通件多工艺联合整体成形方法包括下述步骤:
首先,将原始板坯材料通过旋压工艺得到平底深筒形件(旋压步骤)。
在一个实施方式中,具体包括如下步骤:
1)原始板坯材料状态一般为退火态的板坯材料,如果为非退火态,则需要预先进行退火处理得到退火态的板坯材料;
2)对退火态的板坯材料进行拉深旋压工艺,当板坯材料减薄率增大至设定减薄率后,对板坯进行一次去应力退火处理;
3)继续对退火后的板坯进行拉深旋压成形,得到平底深筒形件。
图2为本发明的旋压步骤的一例的示意图。如图2所示,在一个实施方式当中,本发明通过尾顶11将原始板坯材料14顶在旋压模具12上,并通过旋轮13的作用,向板材施加旋压力,通过多道次旋压将板坯旋压成筒形零件。
其次,采用去应力退火工艺消除旋压后材料内部应力(应力退火步骤)。应力退火工艺可以根据材料牌号的不同选择不同的退火温度和保温时间,具体材料可包括不锈钢、铝合金等。
随后,对退火后的平底深筒形件进行液压胀形处理得到带开口球体件(液压胀形步骤)。
在一个实施方式中,具体包括如下步骤:
1)安装充液胀形模具,胀形模具内腔直径选择为球体设计目标外径加上1~2mm回弹量;
2)将平底深筒形件安装在工装内部,采用液压胀形工艺将筒坯材料胀形至贴合模具内壁,形成带开口球体件;
3)胀形过程中根据材料塑性变形程度进行2~3次去应力退火处理。
图3为本发明的液压胀形步骤的一例的示意图。如图3所示,在一个实施方式当中,本发明通过将上模21和下模22合模,并向平底深筒形件中注入液体23,在液体压力的作用下实现零件胀形成球体。
再次,对带开口球体件采用多自由度数控制孔工艺一次加工出多个预制孔,形成带预制孔的开口球体件(数控制孔步骤)。
在一个实施方式中,具体包括如下步骤:
1)数控加工首先对开口端部进行车削,保证端面水平;
2)以车削后的端面为基准,采用底部大口固定装夹工装,对球体进行固定;
3)数控加工根据不同多通件翻边孔位置、尺寸参数,编制相应的数控加工程序,一次性加工出全部预制孔。
图4为本发明的数控制孔步骤的一例的示意图。如图4所示,在一个实施方式当中,本发明通过多自由度数控加工机械手31对放置于装夹装置32的带开口球体件进行数控制孔,实现一个球体上多个预制孔的依次制出。
最后,以数控加工后的预制孔作为定位基准,采用电磁翻孔成形出球形多通件(翻孔成形步骤)。
图5为本发明的翻孔成形步骤的一例的示意图。如图5所示,在一个实施方式当中,本发明通过将带预制孔的开口球体件放置于支架43上,在翻孔模具41以及线圈42的联合作用下对带开口球体件的预制孔进行翻孔成形。
本发明的通过上述球形多通件多工艺联合整体成形制备得到的球形多通件,在采用旋压后零件壁厚在通过胀形后,减薄区与增厚区达到平衡,合理分配材料变形量,实现壁厚均匀。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、产品可靠性高。整体成形的多通可将焊缝数量由1条减少为0条,采用多工艺联合方式取代了传统的拼焊成形方式,实现整体无缝成形,有效提高了产品的可靠性。
2、适用范围广,通用性好。通过在球体上数控加工制孔,可满足不同规格、不同位置翻边孔的成形需求,仅需一套模具即可实现不同多通件的生产,具有良好的推广性和较宽的适用范围。
3、产品尺寸精度高。采用整体胀形工艺通过内部液体压力将材料贴靠模具,通过回弹补偿达到高精度成形,消除了焊接过程产生的热变形和残余应力,产品尺寸精度偏差可由现有工艺1-2mm降低至0.5mm左右。
4、零件壁厚均匀性好。采用旋压后的平底深筒形件底部壁厚较厚,口部壁厚较薄,在通过胀形工序后,底部减薄相对较大,口部减薄相对较小,减薄区与增厚区相对均匀,达到了合理分配材料变形量,实现壁厚分布均匀的目的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
需要说明的是,上文只是对本发明进行示意性说明和阐述,本领域的技术人员应当明白,对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,包括:
S1旋压步骤:将原始板坯材料通过旋压工艺得到平底深筒形件,包括:
对板坯材料进行拉深旋压工艺,通过尾顶(11)将原始板坯材料(14)顶在旋压模具(12)上,并通过旋轮(13)的作用,向板材施加旋压力,通过多道次旋压将板坯旋压成筒形零件,当板坯材料减薄率增大至设定减薄率后,对板坯进行一次去应力退火处理,
然后,继续对退火后的板坯进行拉深旋压成形,得到平底深筒形件;
S2应力退火步骤:采用去应力退火工艺消除旋压后材料内部应力;
S3液压胀形步骤:对退火后的平底深筒形件进行液压胀形处理得到带开口球体件,采用旋压后的平底深筒形件底部壁厚较厚,口部壁厚较薄,在通过液压胀形后,底部减薄相对较大,口部减薄相对较小,减薄区与增厚区相对均匀,达到了合理分配材料变形量,实现壁厚分布均匀的目的;
S4数控制孔步骤:对带开口球体件采用多自由度数控制孔工艺一次加工出多个预制孔,形成带预制孔的开口球体件;
S5翻孔成形步骤:以数控加工后的预制孔作为定位基准,采用电磁翻孔方式翻孔成形出运载火箭动力系统的球形多通件。
2.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述原始板坯材料状态为退火态的板坯材料,如果为非退火态,则预先进行退火处理得到退火态的板坯材料。
3.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述S2应力退火步骤中,去应力退火工艺根据材料牌号的不同选择不同的退火温度和保温时间,所述材料包括不锈钢、铝合金。
4.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述S3液压胀形步骤包括:安装充液胀形模具,将平底深筒形件安装在工装内部,通过将上模(21)和下模(22)合模,并向平底深筒形件中注入液体(23),采用液压胀形工艺将筒坯材料胀形至贴合模具内壁,形成带开口球体件。
5.根据权利要求4所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述胀形模具内腔直径选择球体设计目标外径加上1~2mm回弹量。
6.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述S3液压胀形步骤的胀形过程中根据材料塑性变形程度进行2~3次去应力退火处理。
7.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,所述S4数控制孔步骤中数控加工首先对开口端部进行车削,保证端面水平;接下来以车削后的端面为基准,采用底部大口固定装夹工装,对球体进行固定,通过多自由度数控加工机械手(31)对放置于装夹装置(32)的带开口球体件进行数控制孔,数控加工根据不同多通件翻边孔位置、尺寸参数,编制相应的数控加工程序,一次性加工出全部预制孔。
8.根据权利要求1所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法,其特征在于,S5翻孔成形步骤中,通过将带预制孔的开口球体件放置于支架(43)上,在翻孔模具(41)以及线圈(42)的联合作用下对带开口球体件的预制孔进行翻孔成形。
9.一种球形多通件,其特征在于,其是采用权利要求1~8中任一项所述的球形多通件多工艺联合整体成形方法制备得到的。
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