CN116078905A - 一种基于等转动角距离的多曲率旋压成形轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天用大型贮箱整体化制造领域，具体公开了一种多曲率箱底整体旋压成形轨迹设计方法。本发明针对多曲率箱底整体旋压成形，在原有剪普旋成形基础上，提出一种多曲率箱底整体旋压全普旋轨迹设计方法，采用多道次少变形工艺控制方式，可有效解决剪旋带来的反挤问题，极大改善了产品型面精度和产品厚度。

Description

一种基于等转动角距离的多曲率旋压成形轨迹设计方法

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，特别是一种多曲率箱底整体旋压成形轨迹设计方法。

背景技术

目前国内运载火箭贮箱采用模块化设计，直径分别为2.25米、3.35米和5米。模块化箱底作为现役运载火箭的重要构成部分，由顶盖、圆环和叉形环组成，呈现椭球形、球形等截面特征，传统工艺为分体成形+组合焊接。随着国内军工高端技术发展，国内2.25米和3.35米箱底已实现整体旋压制造工艺，但针对图1所示的5m类超大直径多曲率箱底，尚未进行过相关整体工艺实际研究，制约型号高可靠性发展。

发明内容

本申请提供一种基于等转动角距离的箱底普旋成形轨迹设计方法。本发明针对多曲率箱底整体旋压成形，在原有剪普旋成形基础上，提出一种等转动角距离箱底整体旋压全普旋轨迹设计方法，可有效解决剪旋带来的反挤问题，极大改善了产品型面精度和产品厚度。

第一方面，提供了一种旋压成形方法，所述方法用于成形开口直径大于或等于4米的贮箱箱底，包括：

获取待普旋的坯料；

对所述坯料执行多个普旋道次，所述多个普旋道次中的第k道次轨迹满足：

第k道次轨迹的起旋点为第k-1道次轨迹的切向转角节点θ_k-1，

所述第k道次轨迹的贴模段为从所述切向转角节点θ_k-1到切向转角节点θ_k之间的部分，所述切向转角节点θ_k-1到所述切向转角节点θ_k的贴模段的切向角度变化量Δθ_k满足：Δθ_k＝(θ_e-θ_s)/N，θ_s为首次起旋点Ps处的切向角度，θ_e为终旋点Pe处的切向角度。

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：

本发明针对多曲率箱底整体旋压成形，在原有剪普旋成形基础上，提出一种多曲率箱底整体旋压全普旋方法，按照轨迹设计工艺流程，形成设计原则和数据基础，可有效解决剪旋带来的反挤问题，极大改善了产品型面精度和产品厚度，实现国内首件5m直径贮箱箱底整体旋压成形。在本申请实施例提供的方法中，贴模段设计更加合理，可以避免引起破裂、起皱缺陷。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述切向转角节点θ_k到所述切向转角节点θ_k-1的贴模段的弧长为150～300mm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述多个普旋道次中第1道次轨迹的起旋点为所述坯料与模具间距小于或等于2mm的位置。

起旋点位置可以通过测量得到，使旋压轨迹和实际旋压过程更加匹配。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第k道次轨迹满足：

所述第k道次轨迹的离模段圆弧半径r_k＝ΔR_k/cos(θ_k)，ΔR_k为坯料延伸点Be与切向转角节点θ_k处的半径差。

在本申请实施例提供的方法中，离模段设计更加合理，可以避免引起破裂、起皱缺陷。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述坯料延伸点Be通过将坯料母线延伸，使坯料面积增大3～5％得到。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第k道次轨迹的终点位于边界线上，所述边界线通过以点C为椭圆圆心，旋压件延伸点Me和所述坯料延伸点Be为半轴端点的椭圆弧得到，所述旋压件延伸点Me通过将旋压件母线延伸，使得旋压件起旋点Ps和终旋点Pe之间面积增大8～12％得到，所述点C通过从所述旋压件延伸点Me沿旋压件的中轴方向延长至坯料得到。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第k道次轨迹和旋压模具表面之间的间距为坯料厚度的90％-92％。

5m级超大直径全普旋偏离下压点按照起旋点厚度进行评估，以普旋点厚度的8％-10％进行设计，有效避免旋压过程中的材料反流，出现隆起现象。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，道次总数N大于或等于7。

第二方面，提供了一种旋压轨迹设计方法，所述方法用于成形开口直径大于或等于4米的贮箱箱底，包括：

确定旋压件上首次起旋点Ps和终旋点Pe；

确定普旋过程中坯料的边界线，所述边界线通过以点C为椭圆圆心，旋压件延伸点Me和坯料延伸点Be为半轴端点的椭圆弧得到，所述坯料延伸点Be通过将坯料母线延伸，使坯料面积增大3～5％得到，所述旋压件延伸点Me通过将旋压件母线延伸，使得旋压件起旋点Ps和终旋点Pe之间面积增大8～12％得到，所述点C通过从所述旋压件延伸点Me沿旋压件的中轴方向延长至坯料得到；

根据道次总数N、首次起旋点Ps处的切向角度和终旋点Pe处的切向角度，确定切向转角节点θ_k，k＝0～N；

计算多个道次旋压轨迹，所述多个道次旋压轨迹中第k道次轨迹满足：第k道次轨迹的起旋点为第k-1道次轨迹的切向转角节点θ_k-1，所述第k道次轨迹的贴模段为从所述切向转角节点θ_k-1到切向转角节点θ_k之间的部分，所述切向转角节点θ_k-1到所述切向转角节点θ_k的贴模段的切向角度变化量Δθ_k满足Δθ_k＝(θ_e-θ_s)/N，θ_s为首次起旋点Ps处的切向角度，θ_e为终旋点Pe处的切向角度，所述第k道次轨迹的离模段与所述第k道次轨迹的贴模段相切，且终点位于所述边界线上，离模段圆弧半径r_k＝ΔR_k/cos(θ_k)，ΔR_k为坯料延伸点Be与切向转角节点θ_k处的半径差。

本发明针对多曲率箱底整体旋压成形，在原有剪普旋成形基础上，提出一种多曲率箱底整体旋压全普旋轨迹设计方法，按照轨迹设计工艺流程，形成设计原则和数据基础，指导实际轨迹设计，可有效解决剪旋带来的反挤问题，极大改善了产品型面精度和产品厚度，实现国内首件5m直径贮箱箱底整体旋压成形。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第k道次轨迹和旋压模具表面之间的间距为坯料厚度的90％-92％。

附图说明

图1为5米贮箱箱底示意图。

图2为封头多道次普旋轨迹示意图。

图3为普旋成形坯料和旋压件示意图。

图4为首次起旋点选取示意图。

图5为边界线的示意图。

图6为普旋切向方向范围示意图。

图7为第k道次贴模段转角示意图。

图8为第k道次离模段圆弧图。

图9为第k道次离模段圆弧局部图。

图10为第k道次旋压轨迹示意图。

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。

国内箱底制造按照技术发展和装备能力，主要分为分体组合焊接、液压成形及旋压成形等，具体如下：

(1)分体组合焊接

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，焊接装备依赖较大，零件成形精度较低，缺乏互换性，伴有大量焊缝，加工工序多，流程长。

(2)液压成形

贮箱箱底采用了液压机成形，设备吨位要求高，需要投入上下模，成本高。针对3.35米及以下模块，国内有相关设备可进行产品生产，生产效率较高，但针对超大直径如5m直径箱底构件，尚无大型装备可循，并且难以实现大厚度叉形环加工。

(3)箱底旋压成形

旋压成形是认可度很高的大直径贮箱封头制造的先进方法。在大直径储箱制造技术方面，以提高箱底制造可靠性、降低制造成本为发展目标，只需单一半模实现成形，可适用于不用材料厚度的板料成形，目前国内2250mm、3350箱底模块已通过剪普旋工艺设计基本实现箱底成形。但针对5米超大直径构件整体旋压成形尚未进行开展。大尺寸贮箱箱底半锥角从小端到大端一直在变化，且变化范围较大，通过简单旋压或一道次强旋较难成形出所需曲母线件。同时剪切旋压对于轨迹平移量要求极高，设置不当极易造成箱底顶部反挤，造成产品报废。多道次普旋成形稳定、可重复性高，并能提高成形极限和成形精度。

(4)普旋成形轨迹设计

箱底是一种封头构件，封头普旋成形轨迹主要有两段，一段是贴模段，一段是离模段(图2)。传统的普旋轨迹基于道次间距来控制旋压起点位置，没有直接考虑旋压件本身形状影响。

5m级直径贮箱箱底为多曲率、弱刚性结构，旋压成形过程极易因刚性较差，造成过程反背，导致产品报废。为提高5m箱底成形精度，本文提出一种等转动角距离箱底整体旋压全普旋轨迹设计方法，显著提升产品合格率。

贴模段和离模段太大，容易引起破裂、起皱缺陷。本申请提供一种旋压轨迹的设计方法，通过本申请提供的旋压轨迹设计方法，可以克服现有技术中存在的问题。

步骤1：给定旋压件和坯料，确定旋压件上首次起旋点Ps和终旋点Pe。

如图3所示，普旋坯料的起旋点Ps在目标旋压件外形上，即起旋点Ps处坯料和旋压件重合。起旋点Ps之外的坯料将普旋成旋压件。按面积相等原则确定终旋点Pe，即旋压件上从起旋点Ps到终旋点Pe的回转面积等于坯料普旋面积。

图4示出了预先成形后待普旋的坯料的示意图。通过对预成形后的坯料在旋压设备上采用一级尾顶进行压制，尾顶力为40T-50T。通过旋压设备的纵横向结构对预成形产品进行点的坐标点和厚度测量，点采集间隔控制为50mm。通过对点集坐标和厚度进行拟合成样条曲线，如图4所示。对比模具间隙，选取间隙值H不大于2mm位置作为离模点。

步骤2：确定普旋过程中坯料的边界线。

如图5所示，将坯料母线延伸，使得坯料面积增大3～5％，坯料延伸点为Be。将旋压件母线延伸，使得旋压件起旋点Ps和终旋点Pe之间面积增大8～12％，获得旋压件延伸点Me。从旋压件延伸点Me沿旋压件的中轴方向延伸与坯料交于点C，以点C为圆心，以坯料延伸点Be和旋压件延伸点Me为半轴端点来绘制椭圆，取椭圆的四分之一作为坯料边界线。

如图6所示，确定首次起旋点Ps和终旋点Pe处切角角度范围。

在旋压件形状上作切向，首次起旋点Ps处切向角度θs，终旋点Pe处切向角度θe。普旋成形从切向角度θs开始，终止于切向角度θe。切向角度可以是旋压件形状的任意一点的切线与旋压件中心轴的夹角。

步骤4：给定道次总数N。

经过N道次普旋，完成从起旋点Ps到终旋点Pe的旋压成形。道次总数可以根据经验或现有技术确定。在一些实施例中，N可以大于或等于7。对于形状复杂的零件，N可以大于或等于10。

步骤5：确定切向转角节点θ_k。

如图7所示，按等转角原则，确定旋压件形状上的切向转角节点θ_k(k＝0～N)，即满足Δθ_k＝θ_k-θ_k-1＝(θ_e-θ_s)/N，其中θ₀＝θ_s，θ_N＝θ_e。

在一些实施例中，离模点切向转角节点θ_k到切向转角节点θ_k-1的贴模段的弧长可以为150～300mm。

步骤6：确定离模段的圆弧形状。

如图9和图10所示，量取延伸点Be与切向转角节点θ_k处的半径差ΔR_k，计算离模段圆弧半径r_k＝ΔR_k/cos(θ_k)。绘制半径为r_k且与旋压件切于节点θ_k处的圆，并截取节点θ_k与边界线之间的圆弧。

在一些实施例中，可以不设置边界线，从而确定的圆弧形状弧长相对较长。通过设置边界线，可以缩小模具空走行程。

步骤7：组合成第k道次旋压轨迹。

如图10所示，截取旋压件上切向转角节点θ_k-1到切向转角节点θ_k的一段，与圆弧半径为r_k的离模段圆弧组合，形成第k道次普旋轨迹。

步骤8：重复步骤5～7，确定N道次旋压轨迹。具体如图2所示，

在一些实施例中，5m级超大直径全普旋偏离下压点按照离模点厚度进行评估。具体地，根据上述方法确定的旋压轨迹和旋压模具表面(或目标旋压件外形)之间的间距，可以以普旋点厚度的90％-92％进行设计，有效避免旋压过程中的材料反流，出现隆起现象。

本申请实施例还提供一种旋压成型方法。该旋压成型方法可以利用上述旋压轨迹设计方法得到的多个道次旋压轨迹，执行旋压步骤。由此可以得到高质量的大尺寸贮箱箱底旋压成形件。

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 (10)

1.一种旋压成形方法，其特征在于，所述方法用于成形开口直径大于或等于4米的贮箱箱底，包括：

获取待普旋的坯料；

对所述坯料执行多个普旋道次，所述多个普旋道次中的第k道次轨迹满足：

第k道次轨迹的起旋点为第k-1道次轨迹的切向转角节点θ_k-1，

所述第k道次轨迹的贴模段为从所述切向转角节点θ_k-1到切向转角节点θ_k之间的部分，所述切向转角节点θ_k-1到所述切向转角节点θ_k的贴模段的切向角度变化量Δθ_k满足：Δθ_k＝(θ_e-θ_s)/N，θ_s为首次起旋点Ps处的切向角度，θ_e为终旋点Pe处的切向角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切向转角节点θ_k到所述切向转角节点θ_k-1的贴模段的弧长为150～300mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个普旋道次中第1道次轨迹的起旋点为所述坯料与模具间距小于或等于2mm的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第k道次轨迹满足：

所述第k道次轨迹的离模段圆弧半径r_k＝ΔR_k/cos(θ_k)，ΔR_k为坯料延伸点Be与切向转角节点θ_k处的半径差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述坯料延伸点Be通过将坯料母线延伸，使坯料面积增大3～5％得到。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第k道次轨迹的终点位于边界线上，所述边界线通过以点C为椭圆圆心，旋压件延伸点Me和所述坯料延伸点Be为半轴端点的椭圆弧得到，所述旋压件延伸点Me通过将旋压件母线延伸，使得旋压件起旋点Ps和终旋点Pe之间面积增大8～12％得到，所述点C通过从所述旋压件延伸点Me沿旋压件的中轴方向延长至坯料得到。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第k道次轨迹和旋压模具表面之间的间距为坯料厚度的90％-92％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，道次总数N大于或等于7。

9.一种旋压轨迹设计方法，其特征在于，所述方法用于成形开口直径大于或等于4米的贮箱箱底，包括：

确定旋压件上首次起旋点Ps和终旋点Pe；

确定普旋过程中坯料的边界线，所述边界线通过以点C为椭圆圆心，旋压件延伸点Me和坯料延伸点Be为半轴端点的椭圆弧得到，所述坯料延伸点Be通过将坯料母线延伸，使坯料面积增大3～5％得到，所述旋压件延伸点Me通过将旋压件母线延伸，使得旋压件起旋点Ps和终旋点Pe之间面积增大8～12％得到，所述点C通过从所述旋压件延伸点Me沿旋压件的中轴方向延长至坯料得到；

根据道次总数N、首次起旋点Ps处的切向角度和终旋点Pe处的切向角度，确定切向转角节点θ_k，k＝0～N；

计算多个道次旋压轨迹，所述多个道次旋压轨迹中第k道次轨迹满足：第k道次轨迹的起旋点为第k-1道次轨迹的切向转角节点θ_k-1，所述第k道次轨迹的贴模段为从所述切向转角节点θ_k-1到切向转角节点θ_k之间的部分，所述切向转角节点θ_k-1到所述切向转角节点θ_k的贴模段的切向角度变化量Δθ_k满足Δθ_k＝(θ_e-θ_s)/N，θ_s为首次起旋点Ps处的切向角度，θ_e为终旋点Pe处的切向角度，所述第k道次轨迹的离模段与所述第k道次轨迹的贴模段相切，且终点位于所述边界线上，离模段圆弧半径r_k＝ΔR_k/cos(θ_k)，ΔR_k为坯料延伸点Be与切向转角节点θ_k处的半径差。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第k道次轨迹和旋压模具表面之间的间距为坯料厚度的90％-92％。

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