CN116000571A - 薄壁圆筒一次热胀型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁圆筒一次热胀型方法。该方法包括：(1)按照公式

计算薄壁圆筒展开料的长度，制作薄壁圆筒，其中，L是常温下薄壁圆筒展开料的长度，φ_中是常温下薄壁圆筒的中径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度，δ是母线对接直焊缝在薄壁圆筒周长方向的收缩量；(2)制作芯模；(3)将所述芯模穿入所述薄壁圆筒后进行热处理；(4)热胀成型后冷却卸模检测。采用该方法制备的薄壁圆筒热胀后的圆度、圆柱度及直径等尺寸的精度较高，满足生产要求。

Description

薄壁圆筒一次热胀型方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种薄壁圆筒一次热胀型方法。

背景技术

胀型后舱段壳体因为直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度问题，超差现象时有发生，装模和卸模困难，由于薄壁筒体是靠展料计算与加工，在三轴滚弯机预滚圆，筒体母线对接直焊缝焊接而成，所以圆筒毛坯圆度较差，因而热胀后薄壁筒体的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度不高。所以，在生产中现有的薄壁圆筒加工方法制备的薄壁圆筒因精度不高造成超差较多，浪费资源，增加成本。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种薄壁圆筒一次热胀型方法。采用该方法制备的薄壁圆筒热胀后的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度较高，满足了生产要求。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种薄壁圆筒一次热胀型方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：

(1)按照下列公式计算薄壁圆筒展开料的长度，制作薄壁圆筒：

其中，L是常温下薄壁圆筒展开料的长度，φ_中是常温下薄壁圆筒的中径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度，δ是母线对接直焊缝在薄壁圆筒周长方向的收缩量；

(2)制作芯模；

(3)将所述芯模穿入所述薄壁圆筒后进行热处理；

(4)热胀成型后冷却卸模检测。

通过提供薄壁筒体展开料的计算方法，对展开料进行精确计算，即在原有展开料计算公式中引入母线对接直焊缝焊接时在薄壁圆筒周长方向收缩量δ，由于材料热胀冷缩的原因，在焊接薄壁筒体母线对接直焊缝时，在其纵向和横向方向上都会产生收缩现象，在横向方向上的收缩则会导致筒体周长的缩短，其缩短量与焊接时线能量的大小、筒体的厚薄都有关系，此前由于没有考虑这一因素，从而导致装卸芯模时相当困难，因敲击而产生的变形也时有发生，而且筒体直径总是偏小，而增加了收缩量δ，使装卸芯模变得容易，且提高了薄壁筒体的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度，然后制作芯模，将芯模穿入薄壁圆筒后进行热处理，热胀成型后冷却卸模检测，得到薄壁圆筒。由此，采用该方法制备的薄壁圆筒热胀后的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度较高，满足了生产要求。

另外，根据本发明上述实施例的薄壁圆筒一次热胀型方法还可以具有如下技术特征：

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中制作薄壁圆筒的过程如下：

(1-1)按所述公式计算出薄壁圆筒展开料的长度，纤维方向同长度方向一致下料，以便得到薄壁圆筒展开料；

(1-2)将所述薄壁圆筒展开料在三轴滚弯机中预折弯，以便得到薄壁圆筒毛坯；

(1-3)将所述薄壁圆筒毛坯焊接成型滚圆并消除焊缝两侧的直线段，以便得到薄壁圆筒。

在本发明的一些实施例中，L的公差限制在±0.05mm之内，0.4mm≤δ≤0.8mm。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)中制作芯模的过程如下：

(2-1)选择线膨胀系数不小于13.0×10^-6/℃的材料作为芯模材料；

(2-2)按照下列公式计算芯模外径：

其中，φ_外是芯模常温下的外径，φ_内是薄壁圆筒常温下的内径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度；

(2-3)加工芯模外圆工作表面，φ_外的公差限制在±0.05mm之内。

在本发明的一些实施例中，所述芯模材料包括中硅球墨铸铁Ⅱ、中硅铝球墨铸铁、中硅钼球墨铸铁Ⅰ、不锈钢06Cr19Ni10或不锈钢1Cr18Ni9Ti。

在本发明的一些实施例中，所述芯模穿入所述薄壁圆筒端设有倒角。

在本发明的一些实施例中，所述芯模的外圆工作面的粗糙度加工至

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述芯模穿入所述薄壁圆筒的过程如下：

(3-1)在所述薄壁圆筒的内外表面上涂刷保护剂后，再在所述薄壁圆筒的内表面上刷涂润滑剂；

(3-2)在所述芯模外圆工作面上涂刷润滑剂后，再穿入步骤(3-1)制备的所述薄壁圆筒。

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，热处理的温度为700-720℃，保温40min，在室温至500℃时，升温速率为4～5℃/min，在500℃升温至热处理的温度时，升温速率为3～4℃/min。

本发明的另一个方面，本发明提供了一种薄壁圆筒。根据本发明的实施例，该薄壁圆筒采用上述方法制备。由此，该薄壁圆筒热胀后的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度较高，满足了生产要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的薄壁圆筒一次热胀型方法流程示意图；

图2是本发明实施例的薄壁圆筒预折弯示意图；

图3是本发明实施例的芯模的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种薄壁圆筒一次热胀型方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括以下步骤：

S100：按照下列公式计算薄壁圆筒展开料的长度，制作薄壁圆筒：

其中，L是常温下薄壁圆筒展开料的长度，φ_中是常温下薄壁圆筒的中径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度，δ是母线对接直焊缝在薄壁圆筒周长方向的收缩量。

该步骤中，通过提供薄壁筒体展开料的计算方法，对展开料进行精确计算，即在原有展开料计算公式中引入母线对接直焊缝焊接时在薄壁圆筒周长方向收缩量δ，由于材料热胀冷缩的原因，在焊接薄壁筒体母线对接直焊缝时，在其纵向和横向方向上都会产生收缩现象，在横向方向上的收缩则会导致筒体周长的缩短，其缩短量与焊接时线能量的大小、筒体的厚薄都有关系，此前由于没有考虑这一因素，从而导致装卸芯模时相当困难，因敲击而产生的变形也时有发生，而且筒体直径总是偏小，而增加了收缩量δ，使装卸芯模变得容易，且提高了热胀后的薄壁筒体的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度。需要说明的是，展开料的“长度”指展开料加工成圆筒的圆周长度。

根据本发明的实施例，L的公差限制在±0.05mm之内，0.4mm≤δ≤0.8mm。发明人发现，δ太小，则导致装卸芯模时相当困难，因敲击也会产生筒体变形，且筒体直径总是偏小；δ太大，则无法胀圆，从而使筒体的直径、圆度、圆柱度等尺寸都会受到影响。由此，本申请采用的L的公差限制在±0.05mm之内，0.4mm≤δ≤0.8mm，可以提高薄壁圆筒热胀后的直径、圆度、圆柱度等尺寸的精度。

根据本发明的实施例，制作薄壁圆筒的过程如下：

S101按公式

计算出薄壁圆筒展开料的长度

该步骤中，按公式

计算出薄壁圆筒展开料的长度，然后对展开料进行加工，使纤维方向同长度方向一致下料，展开料的宽度留有10～20mm的适当余量，从而得到薄壁圆筒展开料；

S102将薄壁圆筒展开料在三轴滚弯机中预折弯

该步骤中，参考图2，将S101得到的薄壁圆筒展开料在三轴滚弯机中预折弯，使预折弯至边缘的距离控制在20～30mm，从而得到薄壁圆筒毛坯。进一步地，滚圆后缝间距离控制在5～10mm以内，方便进行后续焊接。本领域技术人员可以理解的是，预折弯的角度根据薄壁圆筒的直径的大小调整，圆筒直径越大，预折弯的角度越小，圆筒直径越小，预折弯的角度越大。

S103将薄壁圆筒毛坯焊接成型

该步骤中，将S102得到的薄壁圆筒毛坯焊接成型然后滚圆并消除焊缝两侧的直线段，从而得到薄壁圆筒。需要说明的是，焊接是本领域常规操作，本领域技术人员可根据实际对焊接的条件进行选择。

S200：制作芯模

该步骤中，选择制作芯模的材料制作芯模，进一步地，选择线膨胀系数不小于13.0×10^-6/℃的材料作为芯模材料，因为线膨胀系数相对较大且从室温到热胀温度区间内热胀系数相对稳定的金属作为制作芯模的材料，可以使在室温时芯模外径与薄壁筒体内径的差值尽可能的大，这样便于装模和卸模，并能提高薄壁圆筒在热胀后圆度、圆柱度及直径等尺寸的精度。本领域技术人员可以理解的是，芯模材料是本领域常规材料，本领域技术人员可根据实际对芯模的材料进行选择，例如包括但不限于中硅球墨铸铁Ⅱ(线膨胀系数为14.0×10^-6/℃)、中硅铝球墨铸铁(线膨胀系数为14.6×10^-6/℃)、中硅钼球墨铸铁Ⅰ(线膨胀系数为13.0×10^-6/℃)、不锈钢06Cr19Ni10(线膨胀系数为18.0×10^-6/℃)或不锈钢1Cr18Ni9Ti(线膨胀系数为18.6×10^-6/℃)。

根据本发明的实施例，制作芯模的过程如下：

S201选择制作芯模材料；

S202按照下列公式计算芯模外径：

其中，φ_外是芯模常温下的外径，φ_内是薄壁圆筒常温下的内径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度；

S203加工芯模外圆工作表面，φ_外的公差限制在±0.05mm之内

根据本发明的实施例，芯模的外圆工作面的粗糙度加工至

通过减小芯模的外圆工作面的粗糙度，使芯模外圆更加平滑，提高芯模外圆的光洁度，从而提高薄壁圆筒的筒壁面的平整度。进一步地，参考图3，在芯模穿入薄壁圆筒端设有倒角10，从而使芯模便于装配。

S300：将芯模穿入薄壁圆筒后进行热处理

该步骤中，将S200得到的芯模穿入S100得到的薄壁圆筒后进行热处理。需要说明的是，热处理采用的炉子是本领域常规热处理炉，本领域技术人员可根据实际进行选择。进一步地，热处理的温度为700～720℃，保温40min，在室温至500℃时，升温速率为4～5℃/min，在500℃升温至热处理的温度时，升温速率为3～4℃/min。

根据本发明的实施例，芯模穿入薄壁圆筒的过程如下：

S301在薄壁圆筒的内外表面上涂刷保护剂后，再在薄壁圆筒的内表面上刷涂润滑剂

该步骤中，在薄壁圆筒的内外表面上涂刷保护剂后，可以防止薄壁圆筒在反应炉中被氧气氧化，再在薄壁圆筒的内表面上刷涂润滑剂，使薄壁圆筒的内表面润滑，芯模容易穿入或卸出。

S302在芯模外圆工作面上涂刷润滑剂后，再穿入步骤S301制备的薄壁圆筒

该步骤中，在芯模外圆工作面上涂刷润滑剂，可以使芯模容易穿入或卸出薄壁圆筒。本领域技术人员可以理解的是，对于保护剂和润滑剂是本领域常规的制剂，本领域技术人员可根据实际进行选择。

S400：热胀成型后冷却卸模检测

该步骤中，热处理完后，随炉冷却至100～150℃，即可取出样品，然后检测是否合格，检测尺寸包括圆度、圆柱度、直径等。

由此，采用该方法制备的薄壁圆筒热胀后的圆度、圆柱度及直径等尺寸的精度较高，满足生产要求。

本发明的另一个方面，本发明提供了一种薄壁圆筒。根据本发明的实施例，该薄壁圆筒采用上述方法制备。由此，该薄壁圆筒热胀后的圆度、圆柱度及直径等尺寸的精度较高，满足生产要求。需要说明的是，上述针对薄壁圆筒一次热胀型方法所描述的特征和优点同样适用于该薄壁圆筒，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

(1)制作薄壁圆筒

①圆筒材料选择TC4-M钛合金，圆筒壁厚1.2mm；

②制备的合格筒体的要求尺寸：φ_内径＝157.6±0.2mm，圆度要求0.3以内，直线度要求0.5以内，筒体总长度330±0.2mm。

③圆筒展开料的计算，根据公式，

φ_中＝φ_内径+壁厚＝157.7+1.2＝158.9mm(157.7是157.6±0.2mm的平均值)；a_j＝10.5×10^-6/℃(中国航空材料手册第二版第四卷)；△t＝700℃；a_m＝18.6×10^-6/℃(中国航空材料手册第二版第一卷)；δ＝0.6；

代入以上数据，得展开料长度L＝497mm。

筒体长度为330±0.2mm，长度预留30mm余量，因此展开料的实际宽度为360±0.2mm。

④下料：壁厚1.2mm，展开料长度500±1mm，展开料宽度为362mm，然后精洗后为1.2mm×497±0.05mm×368±0.5mm

⑤预折弯，预折弯的角度为150～165度，预折弯长度为20mm，滚圆后两焊接边边缘之间的距离控制在5～10mm以内，以方便后续焊接。

⑥焊接，采用自动钨极氧弧焊，外观和X-光探伤达到标准要求，焊接接头的拉伸强度达到基体拉伸强度的90％以上。

⑦滚圆，消除焊缝两侧的直线段，以便于装入芯模。

(2)制作芯模

①材料：1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢管料。

②芯模外径的计算，根据公式

φ_内径＝157.7mm(薄壁圆筒常温下的内径)，a_j＝10.5×10^-6/℃；a_m＝18.6×10^-6/℃，计算得到芯模外径φ_外＝156.82mm。

④芯模的加工及外圆磨，芯模壁厚控制在20mm左右，芯模表面粗糙度控制在

圆度0.05，直线度0.05。

(3)装模及热校形

①打磨清理薄壁筒体及芯模的表面，去除表面的油脂、脏污等，然后在薄壁圆筒的内、外表面上及芯模外表面上涂刷保护剂后，可以防止薄壁圆筒在热处理炉中被氧气氧化，进一步地，然后在薄壁圆筒的内表面上刷涂润滑剂，使薄壁圆筒的内表面润滑，芯模容易穿入或卸出，再在芯模外圆工作面上涂刷润滑剂，可以使芯模容易穿入或卸出薄壁圆筒。

②装模，将薄壁圆筒穿入芯模，可以用木榔头轻敲，禁止强行装模，以避免划伤圆筒内壁。

③热校形，参数如下：均匀升温至700±15℃，升温时间60分钟；在700±15℃下保温，保温时间60分钟；然后随炉冷却至150℃后开炉。

(4)卸模及探测

出炉后取下零件，清洗零件和芯模，去除保护剂和润滑剂，然后测量，测得薄壁圆筒φ_内径＝157.62mm，圆度0.28，直线度要求0.45，零件达到加工要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种薄壁圆筒一次热胀型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照下列公式计算薄壁圆筒展开料的长度，制作薄壁圆筒：

其中，L是常温下薄壁圆筒展开料的长度，φ_中是常温下薄壁圆筒的中径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度，δ是母线对接直焊缝在薄壁圆筒周长方向的收缩量；

(2)制作芯模；

(3)将所述芯模穿入所述薄壁圆筒后进行热处理；

(4)热胀成型后冷却卸模检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中制作薄壁圆筒的过程如下：

(1-1)按所述公式计算出薄壁圆筒展开料的长度，纤维方向同长度方向一致下料，以便得到薄壁圆筒展开料；

(1-2)将所述薄壁圆筒展开料在三轴滚弯机中预折弯，以便得到薄壁圆筒毛坯；

(1-3)将所述薄壁圆筒毛坯焊接成型滚圆并消除焊缝两侧的直线段，以便得到薄壁圆筒。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，L的公差限制在±0.05mm之内，0.4mm≤δ≤0.8mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中制作芯模的过程如下：

(2-1)选择线膨胀系数不小于13.0×10^-6/℃的材料作为芯模材料；

(2-2)按照下列公式计算芯模外径：

其中，φ_外是芯模常温下的外径，φ_内是薄壁圆筒常温下的内径，a_j是薄壁圆筒材料的线膨胀系数，a_m是芯模材料的线膨胀系数，△t是热校形温度；

(2-3)加工芯模外圆工作表面，φ_外的公差限制在±0.05mm之内。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芯模材料包括中硅球墨铸铁Ⅱ、中硅铝球墨铸铁、中硅钼球墨铸铁Ⅰ、不锈钢06Cr19Ni10或不锈钢1Cr18Ni9Ti。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述芯模穿入所述薄壁圆筒端设有倒角。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述芯模的外圆工作面的粗糙度加工至

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述芯模穿入所述薄壁圆筒的过程如下：

(3-1)在所述薄壁圆筒的内外表面上涂刷保护剂后，再在所述薄壁圆筒的内表面上刷涂润滑剂；

(3-2)在所述芯模外圆工作面上涂刷润滑剂后，再穿入步骤(3-1)制备的所述薄壁圆筒。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，热处理的温度为700～720℃，保温40min，在室温至500℃时，升温速率为4～5℃/min，在500℃升温至热处理的温度时，升温速率为3～4℃/min。

10.一种薄壁圆筒，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述方法制备。

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