CN114799001A - 采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法 - Google Patents
采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，包括：(1)确定热加工毛坯尺寸，所需板坯规格，设计和生产模具。(2)安装调试模具、加热板坯。(3)将加热好的板材放置在阴模上方，压力机带动阳模下压一定量后，升起阳模，在阴阳模之间放置简易压边圈，压力机施加载荷将起皱的毛边压平。(4)取出板坯和简易压边圈，对板坯加热。(5)重复若干次。(6)检查零件尺寸和力学性能。最终获得尺寸和性能合格的贮箱毛坯。本发明使用低吨位普通单动液压机、不需要设计复杂压边装置，即可实现大尺寸贮箱半球的成形，为航天和国防领域大尺寸贮箱毛坯快速、高效、低成本研制奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热加工领域，特别涉及一种采用单动液压机成形液体火箭发动机大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法。
背景技术
导弹、飞船等航天器大都采用液体火箭发动机作为姿态控制和轨道调整的动力，随着航天和军事工业的发展，对发动机的推力和服役时间要求大幅增加，必须采用更大尺寸(＞500mm)的贮箱贮存足够的推进剂。液体火箭的贮箱形状一般为：两端半球形封头，与圆柱形圆筒段焊接而成，材料通常为钛合金、铝合金等比强度较高的有色金属。半球形封头是贮箱中最难成形的零件，传统加工方法主要有：(1)棒材锻造成形毛坯后机械加工，(2)板材旋压、拉深或超塑气胀成形。
采用棒材锻造成形毛坯方案成形大尺寸贮箱毛坯，存在的问题有：(1)通常贮箱壁厚在3mm以下，采用锻造毛坯加工材料利用极低，后续机械加工余量大、加工效率低、生产成本高；(2)模锻成形大尺寸贮箱半球毛坯所需压力机吨位高，以直径800mmTC4钛合金半球为例，通常需要2万吨以上模锻压力机才能成形。采用板材旋压、拉伸或超塑气胀成形，存在的问题有：i.工艺难度和风险极大，须进行大量工艺试验才能确定工艺参数和模具方案，导致研制周期长；ii.针对600mm以上钛合金、铝合金贮箱半球，无论是旋压、拉伸或超速气胀成形，对设备条件和工艺技术水平要求都非常高，国内具备相应设备能力和技术基础的单位较少，导致工艺方案迭代慢、小批量研制生产成本高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，实现直径500～1500mm贮箱半球毛坯的快速、高效、低成本研制生产。
本发明解决技术的方案是：
采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，包括：
(1)依据贮箱半球零件图，确定热加工毛坯尺寸，在此基础上确定所需板坯规格，设计和生产模具；
(2)热加工前安装调试预热模具、加热板坯；
(3)将加热好的板坯放置在阴模上方，压力机带动阳模下压板坯，下压一定量后，升起阳模，在阴阳模之间放置简易压边圈，所述简易压边圈为环形，放置于板坯成型过程中的边圈处，压力机对简易压边圈施加载荷将起皱的边圈毛边压平；
(4)升起压力机，取出板坯和简易压边圈，对板坯加热；
(5)重复步骤(3)-(4)若干次，最后一次时不放置简易压边圈，阳模下压到位后保压一段时间，取出毛坯；
(6)利用型面样板检查毛坯尺寸，在毛边处切取毛坯试样检测力学性能。
优选的，所述步骤(1)中，热加工毛坯厚度相比零件壁厚，单边余量应在贮箱直径的0.08％～1.2％之间，板坯厚度应不小于热加工毛坯厚度的1.08倍。
优选的，所述步骤(2)中，模具预热至250～350℃，后续步骤中模具温度不够时对模具补充预热。
优选的，所述步骤(2)中，若板坯为钛合金板坯，则其加热温度不超过900℃，加热前表面应喷涂防氧化涂层.
优选的，所述步骤(2)中，若板坯为铝合金板坯，则其加热温度不超过430℃，加热时不需要采取防氧化措施。
优选的，所述步骤(3)中，加热好的板坯出炉后，在其上表面铺一层硅酸铝石棉，板坯放置在阴模上方前后，在阴、阳模表面和圆角处喷涂润滑剂。
优选的，当阳模下压量超过总下压量的70％时，压力机下压前去除硅酸铝石棉，改为在贮箱半球毛坯内腔撒少许木屑。
优选的，所述步骤(3)中，阳模第一次下压量为总下压量的45％～55％。
优选的，所述步骤(3)中，简易压边圈高度应大于阳模总下压量的60％，确保压边圈压边时，阳模不与产品接触。
优选的，所述步骤(5)中，重复步骤(3)-(4)的次数为总下压量的2％～4％，除步骤(3)第一次下压外，每次下压量递减。
本发明至少包含如下一条有益效果：
(1)本发明采用板材热加工方案减小了成形抗力，降低了所需压力机吨位；以直径800mmTC4钛合金贮箱为例，采用模锻成形半球体工艺，需使用2万吨以上压力机成形，采用本发明方案，使用4000吨液压机即可成形。
(2)传统采用双动压力机压边或设计复杂的压边装置，对设备和模具要求高，特别是热成形时的压边装置设计、压边力与成形力匹配，难度极大，需开展大量工艺攻关和工艺验证。本发明采用简易压边圈，先成形后压边，解决板材拉深-胀形过程中毛边起皱的问题，使用普通单动压力机即可成形。
(3)本发明热加工温度相比材料的常用锻造温度低50～100℃，在降低材料变形抗力的同时，避免材料加热温度过高导致组织过于粗大。
(4)本发明给出了成形-压边次数和单次下压量选择的参考方法，避免了因压边不及时导致的起皱无法展平、单次下压量过大导致的局部破裂等问题。
(5)本发明在成形过程中采用剖撒木屑方法，木屑燃烧产生的气体可以一定程度避免工件与模具抱死，防止产品拆卸困难。
(6)本发明适宜于型号研制阶段小批量试制生产，能够快速、低成本验证设计方案的可行性。
附图说明
图1为大尺寸贮箱半球热加工流程图；
图2为实施例贮箱零件示意图；
图3为实施例模具结构及毛坯压边工序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
为满足航天和国防领域型号产品快速、高效、低成本研制需求，结合锻造成形和板材成形各自优点，本发明提出了一种采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，使用低吨位普通单动液压机、不需要设计复杂压边装置，即可实现大尺寸贮箱半球的成形，同时也可以为石油化工、压力容器等行业半球类零件毛坯快速研制提供借鉴。
如图1所示，本发明一种采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，包括下列步骤：
(1)依据贮箱半球零件图，确定热加工毛坯尺寸，在此基础上确定所需板坯规格，设计和生产模具。
贮箱半球热加工毛坯厚度相比零件壁厚，单边余量应在贮箱直径的0.08％～1.2％之间，但最小单边余量应不小于6mm。板坯厚度应不小于热加工毛坯厚度的1.08倍。
模具型面与考虑热膨胀后的贮箱半球热加工毛坯一致即可。
(2)热加工前安装调试预热模具、加热板坯。
模具预热至250～350℃；后续步骤中及时对模具补充预热。
若板坯为钛合金板坯，则其加热温度不超过900℃，加热前表面应喷涂防氧化涂层；若板坯为铝合金板坯，则其加热温度不超过430℃，加热时不需要采取防氧化措施。
(3)将加热好的板坯放置在阴模上方，压力机带动阳模下压板坯，下压一定量后，升起阳模，在阴阳模之间放置简易压边圈，所述简易压边圈为环形，放置于板坯成型过程中的边圈处，压力机对简易压边圈施加载荷将起皱的边圈毛边压平。
板坯出炉后在板坯上表面铺一层5～10mm硅酸铝石棉，板坯放置前后，在阴、阳模表面和圆角处喷涂水基石墨等润滑剂；周转、喷涂时间不超过1分钟。
阳模第一次下压量为总下压量的45％～55％。总下压量为贮箱半球零件的深度。
压边圈高度应大于阳模总下压量的60％，，确保压边圈压边时，阳模不与产品接触，阳模升起至压力机与压边圈接触开始平展毛边，间隔时间不超过2分钟。
(4)升起压力机，取出板坯和简易压边圈，回炉重新对板坯加热。
(5)重复步骤(3)-(4)若干次，最后一次时不放置简易压边圈，阳模下压到位后保压一段时间，取出毛坯。
重复的次数为总下压量的2％～4％(取整)，除步骤(3)第一次下压外，每次下压量递减。
当模具阳模下压量超过总下压量的70％时，下压前不需要垫硅酸铝石棉，改为在贮箱半球毛坯内腔撒少许木屑。
(6)利用型面样板检查毛坯尺寸，在毛边处切取毛坯试样检测力学性能，毛坯尺寸和力学性能均满足要求后，热加工结束，毛坯交付。
贮箱半球毛坯空冷后利用型面样板检查尺寸，尺寸超差允许回炉加热，整形一火次，回炉加热温度相比第一次加热温度降低80～120℃。
贮箱半球毛坯按相应材料的热处理制度进行热处理后，在毛边处取样检查力学性能。最终获得尺寸和性能合格的贮箱毛坯。
本发明使用低吨位普通单动液压机、不需要设计复杂压边装置，即可实现大尺寸贮箱半球的成形，为航天和国防领域大尺寸贮箱毛坯快速、高效、低成本研制奠定了基础，同时也可以为石油化工、压力容器等行业半球类零件毛坯快速研制提供借鉴。
实施例：
实施例的产品对象为内径D＝Φ825mm、深度h＝360mm、壁厚δ＝1.75mm的TC4钛合金贮箱半球，具体示意图见图2。
加工步骤：
(1)依据贮箱半球零件尺寸，确定的贮箱毛坯尺寸为内径D0＝Φ810mm，壁厚h0＝δ16mm；基于塑性成形等体积原理、考虑变形过程板坯减薄以及压边需求，确定所用板坯规格为δ18mm×Φ1250mm；在此基础上设计热加工模具，热膨胀系数按1×10-5℃-1，模具材料选用5CrNiMo。
(2)将模具在250℃～350℃条件下预热12小时以上后，将阴、阳模安装在压力机上；TC4钛合金板材表面喷涂玻璃粉后，小于800℃装入电炉，随炉升温至880℃后，保温25分钟。附图3为成形装置示意图，其中：1为阴模；2为支撑板，目的是放置初始板坯；3为阳模；4为简易压边圈；5为成形过程中的贮箱半球毛坯。
(3)保温到时的板坯出炉后，在板坯上表面铺一层5～10mm硅酸铝石棉，板坯放置前后，在阴、阳模表面和圆角处喷涂水基石墨润滑剂；压力机带动阳模下压170mm后升起，快速放置压边圈后，压力机下压、通过简易压边圈将毛边展平。
(4)升起压力机，取出板坯和简易压边圈，对板坯加热。
(5)重复第(3)-(4)步，后续共8次下压，每次阳模下压量分别为：50mm、35mm、30mm、25mm、20mm、15mm、10mm、5mm，每次下压后通过压边圈及时展平起皱；第3次及后续下压前，在贮箱半球毛坯内腔撒少许木屑；最后一次下压后保压5分钟。
(6)零件在空气中冷却后，采用型面样板检查贮箱毛坯尺寸，可通过超声测厚仪检查毛坯壁厚；贮箱退火后，在毛边处取样检查力学性能，表1所示为在贮箱半球毛边上切取拉伸试样的检查结果。
表1 TC4贮箱退火态力学性能检测结果
最终得到的贮箱半球，采用型面样板检查间隙不大于1.5mm，壁厚最大减薄不超过20％，能够满足零件加工需求，产品的性能高于钛合金力学性能标准要求。
本发明相比传统锻造成形，模具设计和加工难度小，后续机械加工量小，所以加快了研制效率；相比拉深、旋压，工艺方案设计和工装制造难度小，所以加快了研制效率；相比锻造成形，材料利用率高，成形设备吨位小，模具制造成本低；相比拉深和旋压，技术难度小、设备投入小，所以成本低。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于包括：
(1)依据贮箱半球零件图，确定热加工毛坯尺寸，在此基础上确定所需板坯规格，设计和生产模具；
(2)热加工前安装调试预热模具、加热板坯；
(3)将加热好的板坯放置在阴模上方，压力机带动阳模下压板坯，下压一定量后，升起阳模，在阴阳模之间放置简易压边圈，所述简易压边圈为环形，放置于板坯成型过程中的边圈处，压力机对简易压边圈施加载荷将起皱的边圈毛边压平；
(4)升起压力机，取出板坯和简易压边圈，对板坯加热；
(5)重复步骤(3)-(4)若干次，最后一次时不放置简易压边圈，阳模下压到位后保压一段时间，取出毛坯；
(6)利用型面样板检查毛坯尺寸，在毛边处切取毛坯试样检测力学性能。
2.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，热加工毛坯厚度相比零件壁厚，单边余量应在贮箱直径的0.08％～1.2％之间，板坯厚度应不小于热加工毛坯厚度的1.08倍。
3.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，模具预热至250～350℃，后续步骤中模具温度不够时对模具补充预热。
4.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，若板坯为钛合金板坯，则其加热温度不超过900℃，加热前表面应喷涂防氧化涂层。
5.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，若板坯为铝合金板坯，则其加热温度不超过430℃，加热时不需要采取防氧化措施。
6.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热好的板坯出炉后，在其上表面铺一层硅酸铝石棉，板坯放置在阴模上方前后，在阴、阳模表面和圆角处喷涂润滑剂。
7.根据权利要求6所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，当阳模下压量超过总下压量的70％时，压力机下压前去除硅酸铝石棉，改为在贮箱半球毛坯内腔撒少许木屑。
8.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，阳模第一次下压量为总下压量的45％～55％。
9.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，简易压边圈高度应大于阳模总下压量的60％，确保压边圈压边时，阳模不与产品接触。
10.根据权利要求1所述的采用单动液压机成形大尺寸贮箱半球毛坯的热加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中，重复步骤(3)-(4)的次数为总下压量的2％～4％，除步骤(3)第一次下压外，每次下压量递减。
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