CN117484094A - 一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法 - Google Patents

一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法 Download PDF

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何祝斌
宁建
朱海辉
梁江凯
刘永刚
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明属于金属成形制造技术领域,公开了一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法,采用与目标环壳件横截面相近截面形状的直筒坯作为坯料,后续成形过程中横截面变化小,有效避免截面剧烈变化带来的大变形开裂风险。本发明的成形方法获得的整体环壳仅有一条环向焊缝和一条径向焊缝,若这两条焊缝位于可切除的工艺段区域,切除工艺段后可获得无焊缝的目标零件。本发明的成形方法,采用局部热气胀成形的方法,单次局部成形时仅在模具约束的高温区域发生塑性变形,经多次局部热气胀成形后可获得各区域均满足要求的零件。本发明的成形方法一次可获得两个开放截面环壳件或多个分段环壳件,在提高生产效率的同时显著提高材料利用率。

Description

一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法
技术领域
本发明属于金属成形制造技术领域,具体涉及一种大尺寸薄壁环壳的整体成形方法。
背景技术
薄壁环壳是指壁厚和径向半径之比小于1/20的环形壳体零件,其中大尺寸薄壁环壳零件在航空航天、石油化工、能源水利等领域具有重要应用,主要包括飞机发动机进气道唇口、运载火箭燃料储箱、石油化工设备和运输管道。由于其特殊的应用领域,大尺寸薄壁环壳零件往往处于高温、高压、高强度、强腐蚀性等复杂载荷的工作环境下[航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战.张洪瑞.2022.一种薄壁壳体零件的数控加工工艺研究.刘志刚.2016]。此外,大尺寸薄壁环壳零件通常具有大曲率、大尺寸、大拉深比等结构特点,上述特点导致其对于形状精度、壁厚均匀性和性能提出了较高的要求。受工业技术发展的迫切需求驱动,航空航天、石油化工等领域呈现出整体化、轻量化、精密化及低损伤的发展趋势。同时,随着世界性的能源紧张,原材料匮乏,促使各国不断开发研究,寻求能够节能、节材的塑性成形新工艺、新方法。
目前大尺寸薄壁环壳零件主要采用先分瓣冲压成形后拼焊成整体零件的方法,即将薄壁环壳零件划分为两个或多个扇形部件分别进行成形,并在成形后借助焊接工艺将其进行组装[航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战.张洪瑞.2022.]。当前制造工艺制备的薄壁环壳由于存在大量焊缝,普遍存在表面质量差、尺寸精度低、焊缝处易产生组织缺陷和力学性能下降等诸多问题。为避免过多的焊缝带来的影响,需要成形整体结构环壳。然而,通过板材成形大尺寸薄壁环壳时的变形量往往超出板材的成形极限,采用传统的板材冲压成形方法无法实现大尺寸薄壁环壳的整体成形。
近年来,研究人员开展了整体拉深成形和整体超塑性成形等整体成形方法的研究[一种飞机进气道唇口超塑成形模具的成形方法.朱丽.2018.一种飞机发动机环形唇口的整体成形模具及成形方法.李奎.2019]。整体拉深成形和整体超塑性成形均需要大尺寸模具和大型成形设备,成本高且效率低。当大尺寸薄板发生塑性变形时,对厚度偏差十分敏感,极易产生局部壁厚严重减薄的缺陷。同时,为缓解成形缺陷,需要采用大面积压边方法以及补充大量工艺段,所得成形件需要切除压边区域和工艺段,造成原材料的严重浪费。
综上所述,为消除拼焊结构大尺寸薄壁环壳上过多焊缝带来的表面质量差、尺寸精度低、组织缺陷和力学性能损失等不良影响,迫切需要整体结构大尺寸薄壁环壳。然而,采用传统成形方法成形整体结构大尺寸薄壁环壳时,对模具尺寸和设备能力的要求极高,同时极易产生起皱、开裂等缺陷,需要开发一种新的大尺寸薄壁环壳的整体成形方法。
发明内容
本发明为解决现有大尺寸薄壁环壳成形方法存在的焊缝多、组织和力学性能下降、成形模具尺寸大、设备要求高、材料利用率低等问题,提出一种新的大尺寸薄壁环壳整体成形方法。
本发明的技术方案:
一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法,步骤如下:
步骤一、分析目标零件特征,确定成形方案和坯料尺寸
对目标零件进行特征分析,确定所需筒坯的截面形状和尺寸;筒坯弯曲成形时需分析焊缝的影响,将焊缝放置于对零件成形最有利的位置;对于封闭横截面环壳件,即无需切割或沿径向切割得到的横截面封闭的环壳零件,焊缝应放置在变形量小的位置以避免焊缝失效,提高材料成形性能,或者放置在零件服役时受力较小的位置以提高零件的使役性能。对于开放横截面环壳件,即沿环向切割得到的横截面开放的零件,则可考虑将两个开放环壳对接形成一个封闭环壳,将焊缝放置于环壳内侧或外侧的对接区域;然后,通过模拟预测各成形步骤中起皱缺陷的产生及分布情况,根据模拟结果进一步优化筒坯和各预成形件的形状、尺寸以及成形工艺参数。将筒坯轴向焊缝和起皱缺陷放置在工艺段,成形后将带有焊缝和皱纹的工艺段切除,从而获得满足形状与尺寸要求的开放薄壳件。
步骤二、制备轴线为直线的筒坯
根据步骤一的分析结果,确定板坯的材料和尺寸,将板坯卷焊成筒坯;根据零件需求,筒坯的横截面可以是圆形、椭圆形、跑道形等形状。本步骤也可选用其他工艺制备所需的筒坯。
步骤三、弯曲直筒坯使其两端面对接并焊接为封闭的环状预制坯;
步骤四、环状预制坯局部模具约束热气胀成形
将步骤三得到的环状预制坯放置于局部约束胀形模具中进行热气胀成形;成形过程中,环状预制坯局部未充分成形区域如弯曲褶皱等在高温高压作用下实现胀形成形,其余未成形区域由于温度低,不发生塑性变形;
步骤五、环壳旋转渐进热气胀成形;
将步骤四获得的局部成形环状预制坯旋转一定角度,继续按照步骤四进行局部约束的热气胀成形;重复进行局部热气胀成形步骤,直至环壳各区域均达到设计要求;
步骤六、切除工艺段,获得目标零件
根据目标零件特征,或无需切割得到整体环壳件,或沿环向切割得到两个开放截面环壳件,或沿径向切割得到分段的封闭截面环壳件,或沿环向和径向组合切割得到分段的开放截面环壳件。
本发明的有益效果是:
一、本发明的大尺寸薄壁环壳整体成形方法,采用与目标环壳件横截面相近截面形状的直筒坯作为坯料,后续成形过程中横截面变化小,有效避免截面剧烈变化带来的大变形开裂风险。
二、本发明的大尺寸薄壁环壳整体成形方法获得的整体环壳仅有一条环向焊缝和一条径向焊缝,若这两条焊缝位于可切除的工艺段区域,切除工艺段后可获得无焊缝的目标零件。与传统方法相比消除了拼焊结构薄壁环壳零件之间的多道焊缝,有效提高薄壁环壳件的服役性能。
三、本发明的大尺寸薄壁环壳整体成形方法,采用局部热气胀成形的方法,单次局部成形时仅在模具约束的高温区域发生塑性变形,经多次局部热气胀成形后可获得各区域均满足要求的零件。所需模具、设备的尺寸小,成本低、效率高、操作简便且成形精度高。
四、本发明的大尺寸薄壁环壳整体成形方法一次可获得两个开放截面环壳件或多个分段环壳件,在提高生产效率的同时显著提高材料利用率。
附图说明
图1为本发明一种大尺寸薄壁环壳整体成形工艺流程图。
图2为本发明金属板材卷焊成直筒坯示意图及典型筒坯截面形状,其中,(a)为原始板材结构示意图,(b)为卷焊后筒坯结构示意图,(c)为筒坯圆形截面结构示意图,(d)为筒坯椭圆形截面结构示意图,(e)为筒坯跑道形截面结构示意图。
图3为本发明直筒坯弯曲成形环状预制坯示意图,其中,(a)为弯曲前筒坯结构示意图,(b)为弯曲后筒坯结构示意图,(c)为焊接后筒坯结构示意图。
图4为本发明金属圆环渐进热气胀成形示意图(实线为已成形区,虚线为未成形区)。
图5为本发明金属圆环渐进热气胀成形装置示意图。
图6为本发明金属圆环切割示意图,其中,(a)为沿环向切割得到开放截面环壳件结构示意图,(b)为沿径向切割得到分段的封闭截面环壳件结构示意图,(c)为沿环向和径向组合切割得到分段的开放截面环壳件结构示意图。
图中:1原始板材,2卷焊后筒坯,3圆形截面,4椭圆形截面,5跑道形截面,6弯曲前筒坯,7弯曲后筒坯,8焊接后筒坯,9热气胀成形模具,10热气胀成形模具上模,11模具加热装置,12热气胀成形模具下模,13气压控制器,14压缩气源,15沿环向切割得到开放截面环壳件,16沿径向切割得到分段的封闭截面环壳件,17沿环向和径向组合切割得到分段的开放截面环壳件。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
步骤一、分析目标零件特征,确定成形方案和坯料尺寸。对目标零件进行特征分析,确定所需筒坯的截面形状和尺寸。筒坯弯曲成形时需分析焊缝的影响,将焊缝放置于对零件成形最有利的位置。对于封闭横截面环壳件,即无需切割或沿径向切割得到的横截面封闭的环壳零件,焊缝应放置在变形量小的位置以避免焊缝失效,提高材料成形性能,或者放置在零件服役时受力较小的位置以提高零件的使役性能。对于开放横截面环壳件,即沿环向切割得到的横截面开放的零件,则可以考虑将两个开放环壳对接形成一个封闭环壳,将焊缝放置于环壳内侧或外侧的对接区域。然后,通过模拟预测各成形步骤中起皱缺陷的产生及分布情况,根据模拟结果进一步优化筒坯和各预成形件的形状、尺寸以及成形工艺参数。将筒坯轴向焊缝和起皱缺陷放置在工艺段,成形后将带有焊缝和皱纹的工艺段切除,从而获得满足形状与尺寸要求的开放薄壳件。
步骤二、制备轴线为直线的筒坯。根据步骤一的分析结果,确定板坯的材料和尺寸,将板坯卷焊成筒坯。根据零件需求,筒坯的横截面可以是圆形、椭圆形、跑道形等形状。本步骤也可选用其他工艺制备所需的筒坯。
步骤三、弯曲直筒坯使其两端面对接并焊接为封闭的环状预制坯。
步骤四、环状预制坯局部模具约束热气胀成形。将步骤三得到的环状预制坯放置于局部约束胀形模具中进行热气胀成形。成形过程中,环状预制坯局部未充分成形区域如弯曲褶皱等在高温高压作用下实现胀形成形,其余未成形区域由于温度低,不发生塑性变形。
步骤五、环壳旋转渐进热气胀成形。将步骤四获得的局部成形环状预制坯旋转一定角度,继续按照步骤四进行局部约束的热气胀成形。重复进行局部热气胀成形步骤,实现热气胀渐进成形,直至环壳各区域均达到设计要求。
步骤六、切除工艺段,获得目标零件。根据目标零件特征,或无需切割得到整体环壳件;或如图6a所示,沿环向焊缝位置切割得到开放截面环壳件;或如图6b所示,沿径向焊缝位置切割得到分段的封闭截面环壳件,或如图6c所示,沿环向和径向组合切割得到分段的开放截面环壳件。
实施例1的优势:(1)采用板材弯曲成筒的方法,可以通过特别设计直筒坯的截面形状、尺寸,有效减小成形薄壁环壳零件时材料的变形程度,降低起皱和开裂风险;(2)卷焊直筒坯的焊缝可以作为工艺段切除,显著减少焊缝长度,能够提高薄壁环壳零件服役性能和稳定性;(3)采用圆环渐进热气胀成形的方法,用整体封闭筒坯作为原始坯料,从内部加载,封闭筒坯自身能平衡载荷,只要局部加约束模具即可,所以整个成形过程中无需整体模具和大型设备(4)采用整体成形方法,成形后进行切割,根据零件需求,一次可获得两个开放截面环壳件或多个分段环壳件,成形效率高、成本低。
实施例2
结合图2b说明,在步骤二中,可以根据零件需求确定直筒坯的截面形状,可以是圆形、椭圆形、跑道形等。其它步骤,与实施例1相同。
实施例2的优势:采用卷弯成形来成形圆角,可根据零件需求,成形出不同截面形状的零件,成形方式简单,易实现,且成形效率高。
实施例3
结合图2a说明,在步骤二和步骤三中,可以采取激光焊(TIG)的方式对步骤三和步骤五得到的筒件和圆环进行焊接。其它步骤,与实施例1相同。
实施例3的优势:(1)采用激光焊的方式焊接,激光光斑直径小,精度高,热输入小,因此热影响区、焊后变形和残余应力均比电弧焊小,适合用于高精度焊接场合。(2)得到的薄壁环壳零件焊缝成形质量高,更好的适应航空航天、石油化工等极端的服役环境。(3)激光束可通过光纤传输,柔性高,方便与自动化设备集成成品。
实施例4
结合图4说明,在步骤四、五中,根据薄壁环壳材料的不同如钛合金、铝合金等选择合适的热成形温度进行热气胀成形。其它步骤,与实施例1相同。
实施例4的优势:薄壁环壳零件常用材料如铝合金、钛合金在室温下精确成形难度较大,因此采用热成形的成形方式,金属的变形抗力下降,延伸率上升,成形精度提高。
实施例5
结合图4、5说明,在步骤四、五中,通过感应加热设备或者电加热棒将模具加热到300~550℃,高压气泵通过介质通道向零件内通入0.1~15MPa的高压气体介质进行热气压胀形。其它步骤,与实施例1相同。
实施例5的优势:(1)采用气体进行胀形可以在零件内部各处施加均布的压力,并且气体压力随腔体形状的变化很小,使其内部的压力控制更为准确。(2)所需的高压气源通过高压泵站吸收空气进行加压即可,所以容易获得,成本低廉。(3)在高温高压下保温保压一段时间,有利于进行成形后零件的组织性能的调控。
实施例6
结合图2a、3说明,在步骤一、二、三中,对于封闭横截面环壳件,在弯曲筒坯时,筒坯的侧面受力较大。因此可将卷焊时的焊缝预留在筒坯顶端或底部,以减小焊缝受力避免焊缝失效,提高成形性能。其它步骤,与实施例1相同。
实施例6的优势:根据零件需求,提前设计焊缝在成形时的位置,以减少焊缝受力避免焊缝失效,降低成形难度,提高成形性能。

Claims (3)

1.一种大尺寸薄壁环壳整体成形方法,其特征在于,步骤如下:
步骤一、分析目标零件特征,确定成形方案和坯料尺寸
先对目标零件进行特征分析,确定所需筒坯的截面形状和尺寸;
再将筒坯弯曲成形时需分析焊缝的影响,需将焊缝放置于对零件成形最有利的位置;
最后通过模拟预测成形步骤中起皱缺陷的产生及分布情况,根据模拟结果进一步优化筒坯和各预成形件的形状、尺寸以及成形工艺参数;将筒坯轴向焊缝和起皱缺陷放置在工艺段,成形后将带有焊缝和皱纹的工艺段切除,从而获得满足形状与尺寸要求的薄壁环壳;
步骤二、制备轴线为直线的筒坯;
根据步骤一的分析结果,确定板坯的材料和尺寸,将板坯卷焊成直筒坯;
步骤三、弯曲直筒坯使其两端面对接并焊接为封闭的环状预制坯;
步骤四、环状预制坯局部模具约束热气胀成形;
将步骤三得到的环状预制坯放置于局部约束胀形模具中进行热气胀成形;成形过程中,环状预制坯局部未充分成形区域在高温高压作用下实现胀形成形,其余未成形区域由于温度低,不发生塑性变形;
步骤五、环壳旋转渐进热气胀成形;
将步骤四获得的局部成形环状预制坯旋转一定角度,继续按照步骤四进行局部约束的热气胀成形;重复进行局部热气胀成形步骤,直至环壳各区域均达到设计要求;
步骤六、切除工艺段,获得目标零件
根据目标零件特征,或无需切割得到整体环壳件,或沿环向切割得到两个开放截面环壳件,或沿径向切割得到分段的封闭截面环壳件,或沿环向和径向组合切割得到分段的开放截面环壳件。
2.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁环壳整体成形方法,其特征在于,步骤一中,焊放置的位置分为两种情况:第一种是对于封闭横截面环壳件,即无需切割或沿径向切割得到的横截面封闭的环壳零件,焊缝应放置在变形量小的位置或放置在零件服役时受力较小的位置;第二种是对于开放横截面环壳件,即沿环向切割得到的横截面开放的零件,则可考虑将两个开放环壳对接形成一个封闭环壳,将焊缝放置于环壳内侧或外侧的对接区域根据目标零件的需求。
3.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁环壳整体成形方法,其特征在于,步骤二中,直筒坯的横截面为圆形、椭圆形或跑道形。
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