CN116237713A - 一种火箭贮箱叉形环的制造方法及支撑工装 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空航天贮箱技术领域，具体涉及一种火箭贮箱叉形环的制造方法及支撑工装，其中方法包括：将两块板材冷弯卷圆至半环形工件并校形；对两个半环形工件进行热处理；在环箍上安装曲形真空吸盘，将一个半环形工件装配至曲形真空吸盘上并启动曲形真空吸盘；按以上方式装配另一个半环形工件；驱动环箍闭合直至两个半环形工件对接；在对接好的两个半环形工件的正中间装配内支撑工装直至撑紧；焊接第一条纵缝，将工作台旋转180°后焊接第二条焊缝；松开内支撑工装，关闭曲形真空吸盘，松开环箍拆卸工装，取出工件。焊缝处的残余应力低，焊缝的强度和疲劳性能优势得到提升，材料利用率高；叉形环强度高，不易变形，能够满足恶劣复杂的受力环境。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天贮箱技术领域，具体涉及一种火箭贮箱叉形环的制造方法及支撑工装。
背景技术
随着人类对太空的开发与不断深入，航天技术日趋先进，运载火箭作为唯一通往太空的运输工具愈来愈需要高端的创新能力与高效的制造能力。而叉形环是火箭推进剂贮箱结构中的关键传力结构，连接着火箭贮箱的箱底和筒段，它处于轴压、弯矩和内压的联合作用下，受力状态极为复杂。
现有火箭推进剂贮箱叉形环的制造工艺主要以型材、板材或锻环为毛坯料进行制造，大致流程由钣金成型、热处理、焊接、机加工四个部分构成。
其中，以型材为毛坯的制造工艺如下：将退火状态的型材拉弯至半环状，两件半环对接进行熔焊，焊接成一个整环。但是，钣金成形的主要问题是：残余应力较大，存在回弹现象，在成形过程中截面形状可能发生突变或扭曲，所以在焊接完成后，需要对整环进行热处理，去除内应力，然后再进行机加工，然而这种方式仍然存在问题：焊缝可能存在气孔、未焊透、裂纹或类似裂纹等缺陷，焊接质量不便控制，生产效率低等。
以板材为毛坯的制造工艺如下：将退火状态的型材拉弯至半环状，两件半环对接进行闪光对焊，焊接成一个整环，然后对整环进行热处理，去除内应力，再进行机加工。单该种方式的主要问题是：材料烧损较多，伴有较大烟尘和飞溅，工作环境较为恶劣；焊接参数相互影响较大，控制不方便；焊缝处毛刺较大，需要专业的刀具切除。
以锻环为毛坯的产品虽然性能较好，但是材料利用率低，成本高。
发明内容
本发明针对目前采用传统技术制作的叉形环的焊缝存在气孔、裂纹或类似裂纹，产品生产效率低，作业环境较恶劣、材料利用率低等问题，提出了一种火箭贮箱叉形环的制造方法及支撑工装。
第一方面，本发明首先提出了一种火箭贮箱叉形环的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：将两块板材冷弯卷圆至半环形工件并校形；
S2：对两个半环形工件进行热处理；
S3：在环箍上安装曲形真空吸盘，将一个半环形工件装配至曲形真空吸盘上并启动曲形真空吸盘；按以上方式装配另一个半环形工件；
S4：驱动环箍闭合直至两个半环形工件对接；
S5：在对接好的两个半环形工件的正中间装配内支撑工装直至撑紧；
S6：焊接第一条纵缝，将工作台旋转180°后焊接第二条纵缝；
S7；松开内支撑工装，关闭曲形真空吸盘，松开环箍拆卸工装，取出叉形环毛坯件。
优选的，步骤S7之后还包括：
S8：在铣削车床上安装板形真空吸盘，将焊接完成的叉形环毛坯件吊装在工作台上并启动板形真空吸盘；
S9：操作车床去除纵缝两端的匙孔和未焊端所在的厚度区，并保证端面的平整度；
S10：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，去除另一端的匙孔和未焊端的厚度区。
优选的，步骤S3中，将半环形工件装配至曲形真空吸盘上后，使用三坐标测量仪保证两条纵缝位于环箍未分离时的接触面上。
优选的，步骤S4中，驱动环箍闭合直至两个半环形工件对接之后，检查并保证两个半环形工件的对接面的贴合。
优选的，步骤S10之后还包括：
S11：车削工件的端面及内型面。
优选的，步骤S11之后还包括：
S12：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，使叉形环毛坯件大口端朝下，小口端朝上，车削叉形环外型面；
S13：关闭板形真空吸盘，取出叉形环。
优选的，步骤S6中，两条纵缝的焊接均采用搅拌摩擦焊。
第二方面，本发明还提出了一种上述的火箭贮箱叉形环的制造方法所使用的支撑工装，包括内支撑工装、环箍以及曲形真空吸盘，环箍设置为U型环箍，两个U型环箍开口相对的间隔固定于工作台，两个曲形真空吸盘分别固定于U型环箍的内侧。
优选的，内支撑工装包括固定组件以及弧形支撑板，固定组件的一端固定有弧形支撑板，弧形支撑板的外周面与对接好的两个半环形工件的内周面抵接，且弧形支撑板的外周面曲率与对接好的两个半环形工件的内周面曲率相同；两条纵缝均正对两个弧形支撑板的中心。
优选的，固定组件的中部设置有弹性件，弹性件能够给予弧形支撑板朝向两个半环形工件的力以使弧形支撑板紧贴两个半环形工件。
本发明的有益效果是：
采用本发明的制造方法制造的火箭贮箱叉形环焊缝处的残余应力较低，相对于传统工艺提升了焊缝的强度和疲劳性能优势，材料利用率较高；叉形环的整体强度高，因而不易变形，能够满足恶劣复杂的受力环境；整个焊接过程机械化、自动化，能耗低而功效高，绿色环保无污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明叉形环纵缝焊接前的俯视图。
图中：1、内支撑工装，2、半环形工件，3、曲形真空吸盘，4、环箍，5、纵缝，6、搅拌针。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
实施例一
如图1所示，在本实施例中，本发明提出了一种火箭贮箱叉形环的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：将两块板材冷弯卷圆至半环形工件2并校形，其中，板材采用铝合金板，两块板材的冷弯卷圆可使用卷圆机进行处理；
S2：对两个半环形工件2进行热处理，从而消除其内应力；
S3：在环箍4上安装曲形真空吸盘3，将一个半环形工件2装配至曲形真空吸盘3上，使用三坐标测量仪等仪器保证两条纵缝5位于环箍4未分离时的接触面上；之后启动曲形真空吸盘3；按以上方式装配号另一个半环形工件2；
S4：驱动环箍4闭合直至两个半环形工件2对接，环箍4的驱动可采用电机等驱动部件，且要注意，在闭合的过程中需缓慢闭合；对接完成后检查并保证两个半环形工件2的对接面的贴合。
S5：在对接好的两个半环形工件2的正中间装配内支撑工装1直至撑紧；
S6：操作搅拌摩擦焊设备焊接第一条纵缝5，将工作台旋转180°后继续操作搅拌摩擦焊设备焊接第二条纵缝5；
S7；松开内支撑工装1，关闭曲形真空吸盘3，松开环箍4拆卸工装，取出叉形环毛坯件。
S8：在铣削车床上安装板形真空吸盘，将焊接完成的叉形环毛坯件吊装在工作台上并启动板形真空吸盘；
S9：操作车床去除纵缝两端的匙孔和未焊端所在的厚度区，并保证端面的平整度；
S10：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，去除另一端的匙孔和未焊端的厚度区。
S11：车削工件的端面及内型面
S12：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，使叉形环毛坯件大口端朝下，小口端朝上，车削叉形环外型面；
S13：关闭板形真空吸盘，取出叉形环。
步骤S6中，两条纵缝5的焊接均采用搅拌摩擦焊。从图1中可以看出搅拌针6正对两个纵缝5，搅拌摩擦焊作为一项新型的固相连接技术，由英国焊接研究所(TWI)于1991年发明，自问世以来，主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域备受青睐。
实施例二
第二方面，如图1中所示，本发明还提出了一种上述的火箭贮箱叉形环的制造方法所使用的支撑工装，包括内支撑工装1、环箍4以及曲形真空吸盘3，环箍4设置为U型环箍，两个U型环箍开口相对的间隔固定于工作台，两个曲形真空吸盘3分别固定于U型环箍的内侧。
如图1所示，内支撑工装1包括固定组件以及弧形支撑板，固定组件的一端固定有弧形支撑板，弧形支撑板的外周面与对接好的两个半环形工件2的内周面抵接，且弧形支撑板的外周面曲率与对接好的两个半环形工件2的内周面曲率相同；两条纵缝5均正对两个弧形支撑板的中心。其中，纵缝5内侧的弧形支撑板的宽度至少为100mm。具体的，固定组件的中部设置有弹性件，弹性件能够给予弧形支撑板朝向两个半环形工件2的力以使弧形支撑板紧贴两个半环形工件2。在该实施例中，弹性件设置为弹簧。
该火箭贮箱叉形环的制造方法的工作原理为：
将叉形环的截面扩充成矩形，每边各放5mm余量，取以该尺寸为截面的退火状态的板材，使用卷圆机将其卷圆至半环形，校形后进行热处理，去除内应力，而后将两个半环形工件2与配套工装装配至设备工作台上，配套工装由内支撑工装1、外侧压紧用的环箍4以及环箍上的曲形真空吸盘3构成，整个工件水平放置，不会受到重力因素的干涉，装配完成后操作卧式机头搅拌摩擦焊设备完成叉形环纵缝的焊接，最后对焊接而成的整环分别进行去余量、端面、内外型面的粗车与精车。
通过上述实施方式可以看出，本发明的有益效果是：
采用本发明的制造方法制造的火箭贮箱叉形环焊缝处的残余应力较低，相对于传统工艺提升了焊缝的强度和疲劳性能优势，材料利用率较高；叉形环的整体强度高，因而不易变形，能够满足恶劣复杂的受力环境；整个焊接过程机械化、自动化，能耗低而功效高，绿色环保无污染。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：将两块板材冷弯卷圆至半环形工件并校形；
S2：对两个半环形工件进行热处理；
S3：在环箍上安装曲形真空吸盘，将一个半环形工件装配至曲形真空吸盘上并启动曲形真空吸盘；按以上方式装配另一个半环形工件；
S4：驱动环箍闭合直至两个半环形工件对接；
S5：在对接好的两个半环形工件的正中间装配内支撑工装直至撑紧；
S6：焊接第一条纵缝，将工作台旋转180°后焊接第二条纵缝；
S7；松开内支撑工装，关闭曲形真空吸盘，松开环箍拆卸工装，取出叉形环毛坯件。
2.根据权利要求1所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S7之后还包括：
S8：在铣削车床上安装板形真空吸盘，将焊接完成的叉形环毛坯件吊装在工作台上并启动板形真空吸盘；
S9：操作车床去除纵缝两端的匙孔和未焊端所在的厚度区，并保证端面的平整度；
S10：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，去除另一端的匙孔和未焊端的厚度区。
3.根据权利要求1所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S3中，将半环形工件装配至曲形真空吸盘上后，使用三坐标测量仪保证两条纵缝位于环箍未分离时的接触面上。
4.根据权利要求1所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S4中，驱动环箍闭合直至两个半环形工件对接之后，检查并保证两个半环形工件的对接面的贴合。
5.根据权利要求2所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S10之后还包括：
S11：车削工件的端面及内型面。
6.根据权利要求5所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S11之后还包括：
S12：使用吊装工具和板形真空吸盘翻转叉形环毛坯件并固定，使叉形环毛坯件大口端朝下，小口端朝上，车削叉形环外型面；
S13：关闭板形真空吸盘，取出叉形环。
7.根据权利要求1所述的火箭贮箱叉形环的制造方法，其特征在于，步骤S6中，两条纵缝的焊接均采用搅拌摩擦焊。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的火箭贮箱叉形环的制造方法所使用的支撑工装，其特征在于，包括内支撑工装、环箍以及曲形真空吸盘，环箍设置为U型环箍，两个U型环箍开口相对的间隔固定于工作台，两个曲形真空吸盘分别固定于U型环箍的内侧。
9.根据权利要求8所述的支撑工装，其特征在于，内支撑工装包括固定组件以及弧形支撑板，固定组件的一端固定有弧形支撑板，弧形支撑板的外周面与对接好的两个半环形工件的内周面抵接，且弧形支撑板的外周面曲率与对接好的两个半环形工件的内周面曲率相同；两条纵缝均正对两个弧形支撑板的中心。
10.根据权利要求9所述的支撑工装，其特征在于，固定组件的中部设置有弹性件，弹性件能够给予弧形支撑板朝向两个半环形工件的力以使弧形支撑板紧贴两个半环形工件。
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