CN118305542A - 一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，属于精密成型领域。选用旋压‑车切复合一体化精密成形工艺方法，通过旋压和车切加工交替成形的方式，实现产品一次装夹，完成所有形面及尺寸加工，加工后通过热处理消除加工应力，实现了金属隔膜的精密成形加工。本发明可广泛应用于纯铝(铝合金)金属隔膜的一体化成形加工，实现大尺寸纯铝材料金属隔膜的精密成形加工和组织均匀，确保其在翻转过程中不发生褶皱、偏心和开裂等失效故障。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，属于精密成型领域。
背景技术
为降低高压带气贮存安全技术风险，某动力系统采用燃气自增压方案，工作过程中采用燃气对金属隔膜贮箱气腔进行增压，通过金属隔膜翻转挤压液腔，实现推进剂的供应。如图2所示金属隔膜选用工业纯铝1050A材料，金属隔膜直径达到718mm。为实现大直径金属隔膜的有效翻转，在其半径高度方向分7区不等厚控制，厚度区间为2mm～3mm，形面壁厚精度要求±0.05mm，大端翻边部位直径公差0～0.1mm，同纬度壁厚差不大于0.05mm，如图1所示。金属隔膜在精密成形过程中尺寸精度低、同纬度组织不均匀等问题，极易导致金属隔膜翻转过程中发生褶皱(如图2所示)、偏心(如图3所示)和开裂(如图4所示)等失效故障，进而诱发金属隔膜气腔、液腔通腔，在高压燃气工作中易发生爆炸严重事故，因此亟需研究一种新的金属隔膜精密成形加工方法，确保动力系统正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，实现大尺寸纯铝材料金属隔膜的精密成形加工和组织均匀，确保其在翻转过程中不发生褶皱、偏心和开裂等失效故障。
本发明的技术解决方案是：
一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，包括：
设计旋压成形模具，所述旋压成形模具包括旋压胎体、第一尾顶和第二尾顶，旋压胎体外型面与待加工金属隔膜内型面一致，旋压胎体内部加工有中空腔体，所述中空腔体与真空泵连通；所述待加工金属隔膜依次包括半球段、锥段和翻边段；
装夹旋压胎体、第一尾顶、第二尾顶并找正；利用真空泵对旋压胎体中空腔体抽真空；
装夹毛坯板料，使其位于旋压胎体外顶部，并利用第一尾顶将所述毛坯板料顶紧在旋压胎体上；
沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合；
修正旋压后的毛坯板料翻边部位，使翻边部位局部贴胎；
退去第一尾顶，以旋压成形模具作为车切内胎，车切毛坯板料半球及锥段壁厚外侧余量，保证加工零件的半球及锥段部分厚度精度满足要求；
控制第二尾顶顶紧零件大端，所述第二尾顶作为大端翻边阳模；
沿第二尾顶一次拉深旋压翻边，成形零件翻边部位内形面；
车切零件翻边部位外侧余量，使翻边部位壁厚达到要求；
车切去除零件翻边部位轴向余量，使翻边部位高度达到要求；
使用空气电阻炉设备对零件进行退火热处理，空冷至室温，得到金属隔膜。
优选的，所述第一尾顶为柱状结构，第一尾顶与旋压胎体接触部位为弧形，且与旋压胎体共型。
优选的，所述第二尾顶为U型结构，U型结构开口端两侧内壁型面与待加工金属隔膜锥段外型面一致，U型结构开口端两侧外壁型面与金属隔膜翻边部位内型面一致；第二尾顶轴向中心部位开孔，所述第一尾顶能沿所述开孔退去。
优选的，所述旋压胎体底部设计有柱状限位台。
优选的，零件进行退火热处理，空冷至室温后，硬度和机械性能检测，满足要求的零件即为金属隔膜。
优选的，沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合的实现方式如下：
在旋压胎体上下两侧各安装一个主旋轮，两个主旋轮在机床带动下沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合。
优选的，修正旋压后的毛坯板料翻边部位的实现方式如下：
在旋压胎体一侧安装清角旋轮，所述清角旋轮在机床带动下修正旋压后的毛坯板料翻边部位，使翻边部位局部贴胎。
优选的，沿第二尾顶一次拉深旋压翻边的实现方式如下：
在旋压胎体一侧安装翻边旋轮，所述翻边旋轮在机床带动下沿第二尾顶一次拉深旋压翻边，成形零件翻边部位内形面。
优选的，第一尾顶与毛坯板料接触位置材料为橡胶。
优选的，旋压成形模具材料Cr12MoV。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明在实现产品精密加工的基础上，通过旋压方案替代现有液压成形、模锻方案，可减少2套车切夹具及1套翻边模具，实现材料利用率达到95％以上。
(2)本发明通过旋压胎体做车切内胎，实现产品一次装夹成形，完成所有零件尺寸和形面加工工作，保证了产品不会出现因车切反复装夹重复定位误差造成零件同纬度壁厚不均问题，产品精度达到各点壁厚公差±0.05mm，型面轮廓度≤0.3mm；
(3)本发明通过旋压，实现了产品同纬度组织均匀性，同时也可验证材料有无缺陷。
附图说明
图1为金属隔膜结构示意图；
图2为金属隔膜翻转褶皱图；
图3为金属隔膜翻转偏心图；
图4为金属隔膜翻转开裂图；
图5为金属隔膜旋压-车切一体化成形过程示意图，其中(a)为顶部局部成形示意图，(b)为半球及锥段拉深旋压成形示意图，(c)为大端U形翻边局部清角成形示意图，(d)为半球、锥段及局部U形翻边部位壁厚余量车切示意图，(e)为U形翻边部位翻边成形示意图，(f)为U形部位外侧壁厚余量车切示意图，(g)为U形翻边部位轴向余量车切示意图；
图6为金属成形后实物图；
图7为金属隔膜分段示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明涉及一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法。某动力系统采用燃气自增压方案，设计金属隔膜贮箱容积达175L，金属隔膜依次包括半球段、锥段和翻边段，呈近半球形结构，选用工业纯铝1050A材料，金属隔膜直径达到718mm。为实现大直径金属隔膜的有效翻转，在其半径高度方向分7区不等厚控制，厚度区间为2mm～3mm，形面壁厚精度要求±0.05mm，大端翻边部位直径公差0～0.1mm，同纬度壁厚差不大于0.05mm，此金属隔膜作为动力系统研制的关键技术，其加工质量的保证是决定飞行任务的关键。本发明通过选用旋压-车切复合一体化精密成形工艺方法，通过旋压和车切加工交替成形的方式，实现产品一次装夹，完成所有形面及尺寸加工，加工后通过热处理消除加工应力，实现了金属隔膜的精密成形加工。本发明可广泛应用于纯铝(铝合金)金属隔膜的一体化成形加工。
本发明一种大尺寸纯铝材料金属隔膜精密成形加工方法，包括如下步骤：
(1)控制纯铝原材料状态和机械性能指标及纯铝毛坯规格尺寸，得到毛坯板料；
(2)设计旋压成形模具，所述旋压成形模具包括旋压胎体、第一尾顶和第二尾顶，旋压胎体外型面与待加工金属隔膜内型面一致，旋压胎体内部加工有中空腔体，所述中空腔体与真空泵连通；如图7所示，所述待加工金属隔膜依次包括半球段、锥段和翻边段。第一尾顶为柱状结构，第一尾顶与旋压胎体接触部位为弧形，且与旋压胎体共型。第二尾顶为U型结构，U型结构开口端两侧内壁型面与待加工金属隔膜锥段外型面一致，U型结构开口端两侧外壁型面与金属隔膜翻边部位内型面一致；第二尾顶轴向中心部位开孔，所述第一尾顶能沿所述开孔退去。旋压胎体底部设计有柱状限位台。
(3)装夹旋压胎体、第一尾顶、第二尾顶并找正；利用真空泵对旋压胎体中空腔体抽真空；装夹毛坯板料，使其位于旋压胎体外顶部，并利用第一尾顶将所述毛坯板料顶紧在旋压胎体上。
(4)多道次拉深旋压金属隔膜半球及锥段部分，优化旋压路径及旋压间隙、优化旋压成形参数，实现金属隔膜半球及锥段部分内型面与模具完全贴合；
在旋压胎体上下两侧各安装一个主旋轮，两个主旋轮在机床带动下沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合。
(5)更换旋轮，在旋压胎体一侧安装清角旋轮，所述清角旋轮在机床带动下修正旋压后的毛坯板料翻边部位，使翻边部位局部贴胎。
(6)退去第一尾顶，以旋压成形模具作为车切内胎，车切金属隔膜半球及锥段壁厚外侧余量，保证金属隔膜半球及锥段部分厚度精度。
(7)使用第二尾顶支撑零件大端，做为大端翻边阳模，在旋压胎体一侧安装翻边旋轮，所述翻边旋轮在机床带动下沿第二尾顶一次拉深旋压翻边，成形零件翻边部位内形面。
(8)车切零件翻边部位外侧余量，使翻边部位壁厚达到图纸要求；
(9)车切去除零件翻边部位轴向余量，使翻边部位高度达到图纸技术要求；
(10)使用空气电阻炉设备对金属隔膜进行退火热处理，空冷至室温，以消除加工应力，同时进行硬度和机械性能检测。满足要求的零件即为金属隔膜。
实施例：
如图1所示，该图为金属隔膜结构示意图，金属隔膜在径向高度方向分为7个区进行控制，每个区域厚度精度要求具体：Ⅰ区2.0±0.05mm，Ⅱ区2.2±0.05mm，Ⅲ区2.4±0.05mm，Ⅳ区2.6±0.05mm，Ⅴ区2.75±0.05mm，Ⅵ区2.9±0.05mm，Ⅶ区3.0±0.05mm，同纬度厚度相差不大于0.05mm。
具体实施方式按如下工艺步骤进行：
步骤1，控制原材料状态、机械性能指标和毛坯下料尺寸：金属隔膜材料为1050A，材料状态为H24(不完全退火态)，材料抗拉强度75～100MPa，材料屈服强度30～40MPa，材料延伸率≥45％；控制毛坯下料尺寸δ5×Φ860mm。
步骤2，如图5中(a)所示，设计旋压成形模具，模具材料Cr12MoV，形面硬度HRC55～60，表面粗糙度不大于1.6，模具形面与金属隔膜内形面半球段及锥段内形面一致，第二尾顶形面与零件锥段外形面及翻边部位内形面一致，第一尾顶与零件接触位置材料为橡胶表面。
步骤3，如图5中(a)所示，装夹旋压胎体、尾顶并找正，旋压胎体径向跳动≤0.01mm，轴向跳动≤0.01mm。
步骤4，如图5中(a)所示，装夹毛坯板料，启动设备真空泵，旋压成形模具中空腔体位置抽真空负压，真空度达到10-2Pa级。
步骤5，如图5中(a)所示，第一尾顶1顶紧毛坯板料，顶紧力3吨，零件顶部局部使用第一尾顶形面液压成型，调动外圆平整车刀，车切修整毛坯外缘端面全部见光，主轴转速200转/min。
步骤6，如图5中(b)所示，安装旋轮(形面主旋轮一对、清角旋轮一个、翻边旋轮一个)及刀具(半球部位车壁厚硬质合金刀具、翻边部位外侧车切刀具、零件外缘平整刀具、翻边部位轴向余量去除刀具)，启动机床调整旋轮座并对刀(主旋轮对刀、清角旋轮对刀、外圆车刀对刀、模具与主旋轮间隙对刀)。
步骤7，如图5中(b)所示，两个主旋轮多道次拉深旋压零件半球及锥段形面及待翻边法兰，保证毛坯旋压后毛坯半球和锥段形面完全贴胎，润滑油采用拉深油，旋压过程及时保证润滑，主轴转速400转/min，旋轮进给25mm/min,主旋轮圆角R10。
步骤8，如图5中(c)所示，调用清角旋轮修整翻边部位圆角至翻边R外侧毛料贴胎，清角旋轮圆角R4。
步骤9，如图5中(d)所示，退去第一尾顶，车切去除零件半球及锥段外侧余量至壁厚要求，车切过程机油冷却，防止出现扎刀，主轴转速500转/min,精车切后表面粗糙度不大于3.2。
步骤10，如图5中(e)所示，第二尾顶2顶紧零件大端，翻边旋轮翻大端边，顶紧力2吨。
步骤11，如图5中(f)所示，车切翻边部位外侧车刀对刀后精车切零件翻边部位外侧余量。
步骤12，如图5中(g)所示，车切去除翻边部位轴向余量，去除旋压胎体负压装置，旋压胎体中心孔增压卸胎零件。
步骤13，退火消应力热处理：装炉前酸洗零件表面；使用空气电阻炉设备，确保炉温均匀性、仪表系统在测试周期内；将产品大端朝下平放至设备铝板平面上，确保产品飞边不超出设备有效区范围；热处理保温温度410℃，保温时间40～45min，冷却方式采用空冷至室温。空冷至室温后，硬度和机械性能检测，满足要求的零件即为金属隔膜。
采用此方案生产的金属隔膜产品经过了翻转试验和飞行试验考核，产品实物见图6所示。
本发明针对大尺寸纯铝材料金属隔膜精密成形，通过采用旋压-车切复合一体化精密成形工艺方法，实现大尺寸纯铝材料金属隔膜的精密成形加工和组织均匀，确保其在翻转过程中不发生褶皱、偏心和开裂等失效故障。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，包括：
设计旋压成形模具，所述旋压成形模具包括旋压胎体、第一尾顶和第二尾顶，旋压胎体外型面与待加工金属隔膜内型面一致，旋压胎体内部加工有中空腔体，所述中空腔体与真空泵连通；所述待加工金属隔膜依次包括半球段、锥段和翻边段；
装夹旋压胎体、第一尾顶、第二尾顶并找正；利用真空泵对旋压胎体中空腔体抽真空；
装夹毛坯板料，使其位于旋压胎体外顶部，并利用第一尾顶将所述毛坯板料顶紧在旋压胎体上；
沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合；
修正旋压后的毛坯板料翻边部位，使翻边部位局部贴胎；
退去第一尾顶，以旋压成形模具作为车切内胎，车切毛坯板料半球及锥段壁厚外侧余量，保证加工零件的半球及锥段部分厚度精度满足要求；
控制第二尾顶顶紧零件大端，所述第二尾顶作为大端翻边阳模；
沿第二尾顶一次拉深旋压翻边，成形零件翻边部位内形面；
车切零件翻边部位外侧余量，使翻边部位壁厚达到要求；
车切去除零件翻边部位轴向余量，使翻边部位高度达到要求；
使用空气电阻炉设备对零件进行退火热处理，空冷至室温，得到金属隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，所述第一尾顶为柱状结构，第一尾顶与旋压胎体接触部位为弧形，且与旋压胎体共型。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，所述第二尾顶为U型结构，U型结构开口端两侧内壁型面与待加工金属隔膜锥段外型面一致，U型结构开口端两侧外壁型面与金属隔膜翻边部位内型面一致；第二尾顶轴向中心部位开孔，所述第一尾顶能沿所述开孔退去。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，所述旋压胎体底部设计有柱状限位台。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，零件进行退火热处理，空冷至室温后，硬度和机械性能检测，满足要求的零件即为金属隔膜。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合的实现方式如下：
在旋压胎体上下两侧各安装一个主旋轮，两个主旋轮在机床带动下沿旋压胎体外型面对毛坯板料进行多道次拉深旋压，保证旋压后的毛坯板料与旋压胎体半球段和锥段的外型面贴合。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，修正旋压后的毛坯板料翻边部位的实现方式如下：
在旋压胎体一侧安装清角旋轮，所述清角旋轮在机床带动下修正旋压后的毛坯板料翻边部位，使翻边部位局部贴胎。
8.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，沿第二尾顶一次拉深旋压翻边的实现方式如下：
在旋压胎体一侧安装翻边旋轮，所述翻边旋轮在机床带动下沿第二尾顶一次拉深旋压翻边，成形零件翻边部位内形面。
9.根据权利要求1所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，第一尾顶与毛坯板料接触位置材料为橡胶。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种大尺寸纯铝材料金属隔膜一体化精密成形加工方法，其特征在于，旋压成形模具材料Cr12MoV。
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