CN115635257A - 一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天用大型贮箱整体化制造领域，具体公开了一种贮箱箱底的制造方法，包括：下料，包括从板料原材切割得到形状尺寸相同的第一半圆形板料和第二半圆形板料；将第一半圆形板料的直边和第二半圆形板料的直边拼焊在一起，得到拼焊成形件；对拼焊成形件进行退火；对退火后的拼焊成形件进行压鼓预成形，得到贮箱箱底预成形件；对贮箱箱底预成形件进行退火；对退火后的贮箱箱底预成形件进行旋压成形，得到贮箱箱底成形件；对贮箱箱底成形件进行热处理，并通过机加工修整贮箱箱底成形件，得到贮箱箱底零件。由此建立了整体制造流程体系，解决了国内超大直径箱底整体精密制造空白，显著提升型号发射可靠性。

Description

一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法

技术领域

本申请涉及航天用大型贮箱整体化制造的技术领域，特别是一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法。

背景技术

贮箱是运载火箭箭体结构的核心部件，体积占全箭的2/3左右。贮箱既是结构件，又是功能件，工作环境恶劣，制造质量要求非常严格。尤其是低温贮箱，加注温度极低的液氢液氧，加注时贮箱壳体材料温度急剧变化，将来还有推进剂长期贮存的需求，因此推进剂贮箱壳体对可靠性要求极高，每项对贮箱结构可靠性增长的技术都将受到极大的关注和引起积极反响。

目前国内2.25米和3.35米箱底已通过整板成形逐步实现整体化制造工艺，但针对5m类超大直径箱底受到国内军工专用高端制造设备制约，难以实现整体化制造，产品焊缝多，一致性较差，滞后国内发展。

发明内容

本申请提供一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法，目的是形成一套从原材料供应到实现整体箱体精密制造的全流程工艺方法，建立了整体制造流程体系，解决了国内超大直径箱底整体精密制造空白，显著提升型号发射可靠性。

第一方面，提供了一种贮箱箱底的制造方法，包括：

下料，包括从板料原材切割得到形状尺寸相同的第一半圆形板料和第二半圆形板料；

将所述第一半圆形板料的直边和所述第二半圆形板料的直边拼焊在一起，得到拼焊成形件；

对所述拼焊成形件进行退火；

对退火后的所述拼焊成形件进行压鼓预成形，得到贮箱箱底预成形件；

对所述贮箱箱底预成形件进行退火；

对退火后的所述贮箱箱底预成形件进行旋压成形，得到贮箱箱底成形件；

对所述贮箱箱底成形件进行热处理，并通过机加工修整所述贮箱箱底成形件，得到贮箱箱底零件。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

本发明针对航天用大型贮箱整体化制造，提出一种5m直径变曲率贮箱箱底整体成形精密制造方法，实现整体箱体精密制造的全流程工艺方法，通过结合现有资源，充分考虑工艺适用性，制定高端精密制造全流程，提取过程控制关键要点，形成过程控制点，确保制造流程多工序耦合状态，满足产品高精度需求，显著提升型号发射可靠性。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一半圆形板料和所述第二半圆形板料满足：π{D*[1+(5％～8％)]}²＝S1+S2+S3，

其中，D为所述第一半圆形板料和所述第二半圆形板料组装在一起后的板料直径，S1对应所述贮箱箱底的顶盖区域的面积，S2对应所述贮箱箱底的圆环区域的面积，S3对应所述贮箱箱底的叉形环区域的面积。

由于板料会经过预成形、旋压成形等工序，板料可以因材料延展而减薄。在基于表面积相等的原则核算基础上，充分考虑成形过程，确定理论板料直径，通过设计合适下料尺寸，避免对板料定制造成极大浪费。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述板料原材的厚度H满足：

H＝(δ+5+d*3‰)/0.7，其中δ为所述贮箱箱底的最大壁厚，d为所述贮箱箱底的开口端直径。

根据产品结构最大壁厚(尤其叉形环区域)、压鼓预成形、剪普旋旋压的壁厚变化规律、热处理变形预估以及机加余量来共同确定板料原材厚度，有利于使板料原材选择合适。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述拼焊工艺的错缝间距小于或等于1.5mm。

由此避免后续预成形时因外表面受拉呈现应力集中现象。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述压鼓预成形通过上模具和下模具冲压，所述拼焊成形件的焊漏侧与所述下模具接触。

选取延伸率较高的焊漏层(延伸率较另一侧高3％)作为外表面，承受拉应力，同时焊漏外表面后续会随旋压成形发生材料流动。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述贮箱箱底预成形件包括平滑过渡连接的第一球面部分和第二球面部分，所述第一球面部分对应所述贮箱箱底的顶盖部分，所述第二球面部分环绕在所述第一球面部分的外周，所述第一球面部分的球面直径为2800～3200mm，所述第二球面部分的球面直径为3500～4500mm。

成形过程采用双球面坯料设计方式，高精度匹配和旋压前预成形刚性约束，实现材料高效流转，确保质量可靠。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述旋压成形为剪普旋工艺，旋压道次为16-18道次，旋压过程采用氧气-丙烷加热，加热温度为170-230℃。

由此降低材料变形抗力，有利于设备稳定工作，利于旋压过程顺利完成，相对增加设备能力，减少设备退让，有利于保证型面，为全面控制温度精准度。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述退火工艺，满足：

保温温度：400℃±10℃；保温时间：3h；冷却方式：以每小时小于或等于30℃的冷速炉冷至260℃以下出炉空冷。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述热处理工艺，满足：

保温温度：535℃±5℃；保温时间：150min-200min；冷却方式：水冷；时效方式：到温装炉/随炉升温；时效保温温度：165℃±5℃；时效保温时间：20h；时效冷却方式：空冷。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：

在运输驾车上进行焊缝检测，其中，所述运输驾车包括六边形结构的承载平台，所述承载平台具有缺口，所述焊缝检测具体包括：

将所述焊缝与所述缺口对齐，并通过焊缝检测和所述缺口检测所述焊缝。

检测过程利用架车拼接过程中的中间空隙，将焊缝位置于架车缺口处，X射线源位于架车内部避免障碍物遮挡，实现焊缝检测全覆盖，质量缺陷全监控。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述运输驾车还包括4个支撑块，每个支撑块设置在所述承载平台的边缘，用于承载所述拼焊成形件或贮箱箱底预成形件或所述贮箱箱底成形件。

连接对角处采用缺口设计，再灵活设置支撑块，可适应不同状态和尺寸的带焊缝产品。

附图说明

图1为5米直径模块箱底的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法。

图3为球底表面积组成示意图。

图4为拼焊示意图。

图5为错缝间距示意图。

图6为预成形示意图。

图7为贮箱箱底预成形件示意图。

图8为旋压成形件示意图。

图9为运输驾车示意图。

图10为运输驾车件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

如图1所示，5米直径模块箱底是现役运载火箭的重要构成部分，由顶盖、圆环和叉形环组成，以R2776.8mm、R552.5及直线端三种线段相切组成，原材料通常为2219铝合金，涉及到箱底支架、壁板焊接等相互装配关系，精度要求焊接区为2mm，型面精度为+6mm。

现役和新一代运载火箭拼焊箱底均采用1个顶盖、6～8个瓜瓣和1个叉形环(或2个半环)分体成形后组焊而成。由于零件数量较多，单个零件制造工艺复杂，随着航天科技的发展、国际市场的竞争及型号高密度发射的迫切需求，目前箱底制造工艺方面暴露出诸多问题及不适应性。单个5米贮箱制造焊接的生产周期约100天左右，单个箱底焊缝长达近43米，贮箱的生产成本和周期占火箭成本和制造周期的50％以上，难以满足目前及未来型号高效、高可靠性、低成本制造要求。主要问题如下：

(1)箱底废重大，结构效率和运载能力低

运载火箭的结构重量越小，同等条件下即可携发射更大的载荷，为此同等条件下，结构质量的最小化成为衡量运载火箭先进性的关键指标并成为世界主流运载火箭追逐目标。

但由于贮箱箱底采用拼焊工艺，受焊接热输入影响，焊接后焊接接头强度系数只能达到母材的50-60％。因此箱底结构需对焊缝区域结构加强，增加焊接区壁厚以保证整个箱底均衡的承载能力，一般焊接区厚度约为非焊接区厚度的2倍。

(2)箱底焊缝多，产品可靠性较低

由于贮箱箱底采用多零件拼焊成形，致使贮箱存在大量威胁安全性和可靠性的薄弱环节，目前5米直径贮箱箱底普遍采用TIG拼焊工艺，因2219铝合金为时效强化状态，受焊接热输入影响，焊接后焊接接头强度系数只能达到母材的50％。一个5米直径箱底焊缝长度约为43m，2219铝合金熔焊是气孔缺陷极为敏感，在实际生产中受环境和装配条件影响，极易出现焊接缺陷。

另外，焊接结构的贮箱箱底，受组焊产品刚度不匹配因素影响，在焊接区极易出现应力集中，而焊接区又是整个结构的最薄弱环节。

(3)加工工序多，流程长，效率低，制造成本高

箱底的瓜瓣和顶盖均是先采用带压边筋的模具对产品进行液压拉深，工艺流程约23道工序，中间还需配以退火和手工打磨，流程长，劳动强度高，制造效率低、成本高。由于零组件制造精度不高，缺乏可互换性，为了满足箱底焊接，瓜瓣一般需要大量的手工修配，通常一块瓜瓣要经过3-4次模胎验合后才能将焊缝间隙修整至达到自动焊装配要求。整底验合装配完成后通常要花费2天时间，极大影响了生产进度和效率。

本申请实施例为解决上述问题，提供了一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法。通过结合现有资源，充分考虑工艺适用性，制定高端精密制造全流程，提取关键要素，形成过程控制点，确保制造流程多工序耦合状态，满足产品高精度需求。

如图2所示，本申请实施例提供一种5m直径变曲率贮箱箱底一体成形精密制造方法，可以包括：

步骤1，下料，包括从板料原材切割得到形状尺寸相同的第一半圆形板料和第二半圆形板料。

步骤2，将第一半圆形板料的直边和第二半圆形板料的直边拼焊在一起，得到拼焊成形件。

步骤3，对拼焊成形件进行退火。

步骤4，对退火后的拼焊成形件进行压鼓预成形，得到贮箱箱底预成形件。

步骤5，对贮箱箱底预成形件进行退火。

步骤6，对退火后的贮箱箱底预成形件进行旋压成形，得到贮箱箱底成形件。

步骤7，对贮箱箱底成形件进行热处理，并通过机加工修整贮箱箱底成形件，得到贮箱箱底零件。

在一些实施例中，可以在拼焊、预成形、旋压成形等加工步骤后执行焊缝检测，以确保整体加工工艺不会影响焊缝质量。

5m级超大直径变曲率贮箱箱底精密制造技术方案具体如下。

(1)下料

根据上述步骤可知，由于板料会经过预成形、旋压成形等工序，板料可以因材料延展而减薄。如果下料尺寸不合适，容易对板料定制造成极大浪费。在本申请提供的一些实施例中，在基于表面积相等的原则核算基础上，充分考虑成形过程，确定理论板料直径，以预成形厚度减薄率5％-8％，核算第一半圆形板料和第二半圆形板料组装在一起后的板料直径D。具体公式如下：

π{D*[1+(5％～8％)]}²＝S1+S2+S3

其中，D为第一半圆形板料和第二半圆形板料组装在一起后的板料直径，S1对应箱底顶盖区域的面积，S2对应箱底圆环区域的面积，S3对应箱底叉形环区域的面积，如图3所示。

对于原材料板厚H，则根据产品结构最大壁厚δ(尤其叉形环区域)、压鼓预成形、剪普旋旋压的壁厚变化规律、热处理变形预估以及机加余量来共同确定。其中旋压成形根据2219材料特性按照30％核算，热处理变形椭圆冗余度为箱底开口端d的2.5-3‰，机加工在椭圆度基础上单边增加4-5mm，避免翻转过程产生的型面偏差，即H＝(δ+5+d*3‰)/0.7，其中H为原材料板厚，δ为产品结构最大壁厚，d为箱底开口端直径。

(2)拼焊

图4示出了第一半圆形板料和第二半圆形板料拼焊在一起得到拼焊成形件的示意图。为保持箱底拼焊处的强度、减少焊接处的热影响区，提升产品可靠性，选取真空电子束焊接工艺。电子束焊接方式可以在拼焊成形件的两侧形成宽度不同的焊缝。宽度相对较小的一侧为焊缝的焊漏层。

另外，针对于大长高厚板装配焊接时，如图5所示，要求错缝间距不大于1.5mm，避免后续预成形时因外表面受拉呈现应力集中现象。

(3)拼焊后退火

采用充分退火工艺对拼焊成形件退火。由此实现对焊接区应力及产品塑性进行工艺性处理。

温度控制为：保温温度：400℃±10℃

保温时间：3h

冷却方式：以每小时不大于30℃的冷速炉冷至260℃以下出炉空冷。

(4)预成形

如图6所示，预成形采用压鼓预成形进行上下模冲压，逐点进行渐变，得到贮箱箱底预成形件。考虑到大厚板两侧的延伸率差异，选取延伸率较高的焊漏层(延伸率较另一侧高3％)作为外表面，承受拉应力，同时焊漏外表面后续会随旋压成形发生材料流动。另外，焊缝表面容易出现气孔缺陷。通过旋压工艺产生的压应力可以实现气孔闭合，有效规避电子束因不稳定出现的气孔等缺陷。

为实现材料高效流转，确保质量可靠，成形过程采用双球面坯料设计方式，高精度匹配和旋压前预成形刚性约束。如图7所示，贮箱箱底预成形件可以包括平滑过渡连接的第一球面部分和第二球面部分，第一球面部分可以对应贮箱箱底的顶盖部分，第二球面部分环绕在第一球面部分的外周。第一球面部分的球面直径为2800～3200mm。第二球面部分的球面直径为3500～4500mm。

(5)预成形后退火

温度控制为：保温温度：400℃±10℃

保温时间：3h

冷却方式：以每小时不大于30℃的冷速炉冷至260℃以下出炉空冷。

(6)旋压成形

如图8所示，根据预成形尾顶区精度控制，确定产品剪普旋工艺，选取预成形过程高低点，考虑产品每道次变形量，评估旋压道次为16-18道次，箱底旋压过程采用氧气-丙烷加热，降低材料变形抗力，有利于设备稳定工作，利于旋压过程顺利完成，相对增加设备能力，减少设备退让，有利于保证型面，为全面控制温度精准度，采用K型热电偶对待旋区进行测温，同时控制加热枪距离，控制加热温度为170-230℃。

(7)热处理

箱底采用喷淋式整体淬火，依据产品型面控制喷淋流量，并采用淬火变形工装进行产品维性维形。

保温温度：535℃±5℃

保温时间：150min-200min

冷却方式：水冷

时效-到温装炉/随炉升温

保温温度：165℃±5℃

保温时间：20h

冷却方式：空冷

(8)机加工

按照旋压产品数据包络，采用车铣复合加工模式，以内表面作为产品加工理论基准，核算厚度，进行外表面加工。

(9)焊缝检测

将半成品放置于运输架车上，运输架车的结构图如图9和图10所示。运输架车采用六边形设计，即运输驾车的承载平台呈六边形结构。连接对角处采用缺口设计，可适应不同状态和尺寸的带焊缝产品。具体地，承载平台可以具有一缺口，通过调整该缺口的宽度，可以调节承载平台的可承载面积。承载平台的对角上可以设置4个支撑块。支撑块一端固定于承载平台的边缘，另一端用于支撑箱底成形件。沿重力方向投影，4个支撑块的投影区域可以与承载平台的投影区域和箱底成形件的投影区域均相交。

检测过程利用架车拼接过程中的中间空隙，将焊缝位置于架车缺口处，X射线源位于架车内部避免障碍物遮挡，实现焊缝检测全覆盖，质量缺陷全监控。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种贮箱箱底的制造方法，其特征在于，包括：

下料，包括从板料原材切割得到形状尺寸相同的第一半圆形板料和第二半圆形板料；

将所述第一半圆形板料的直边和所述第二半圆形板料的直边拼焊在一起，得到拼焊成形件；

对所述拼焊成形件进行退火；

对退火后的所述拼焊成形件进行压鼓预成形，得到贮箱箱底预成形件；

对所述贮箱箱底预成形件进行退火；

对退火后的所述贮箱箱底预成形件进行旋压成形，得到贮箱箱底成形件；

对所述贮箱箱底成形件进行热处理，并通过机加工修整所述贮箱箱底成形件，得到贮箱箱底零件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一半圆形板料和所述第二半圆形板料满足：π{D*[1+(5％～8％)]}²＝S1+S2+S3，

其中，D为所述第一半圆形板料和所述第二半圆形板料组装在一起后的板料直径，S1对应所述贮箱箱底的顶盖区域的面积，S2对应所述贮箱箱底的圆环区域的面积，S3对应所述贮箱箱底的叉形环区域的面积。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述板料原材的厚度H满足：H＝(δ+5+d*3‰)/0.7，其中δ为所述贮箱箱底的最大壁厚，d为所述贮箱箱底的开口端直径。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拼焊工艺的错缝间距小于或等于1.5mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压鼓预成形通过上模具和下模具冲压，所述拼焊成形件的焊漏侧与所述下模具接触。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述贮箱箱底预成形件包括平滑过渡连接的第一球面部分和第二球面部分，所述第一球面部分对应所述贮箱箱底的顶盖部分，所述第二球面部分环绕在所述第一球面部分的外周，所述第一球面部分的球面直径为2800～3200mm，所述第二球面部分的球面直径为3500～4500mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋压成形为剪普旋工艺，旋压道次为16-18道次，旋压过程采用氧气-丙烷加热，加热温度为170-230℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火工艺，满足：

保温温度：400℃±10℃；保温时间：3h；冷却方式：以每小时小于或等于30℃的冷速炉冷至260℃以下出炉空冷。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理工艺，满足：

保温温度：535℃±5℃；保温时间：150min-200min；冷却方式：水冷；时效方式：到温装炉/随炉升温；时效保温温度：165℃±5℃；时效保温时间：20h；时效冷却方式：空冷。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在运输驾车上进行焊缝检测，其中，所述运输驾车包括六边形结构的承载平台，所述承载平台具有缺口，所述焊缝检测具体包括：

将所述焊缝与所述缺口对齐，并通过焊缝检测和所述缺口检测所述焊缝。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述运输驾车还包括4个支撑块，每个支撑块设置在所述承载平台的边缘，用于承载所述拼焊成形件或贮箱箱底预成形件或所述贮箱箱底成形件。

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