[发明专利]大型薄壁球面封头件的无模分步旋压成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及旋压成形工艺方法，特别是大型薄壁球面封头件的无模分步旋压成形工艺方法。

背景技术

燃料贮箱是运载火箭的主要结构性构件，是火箭的主要承载结构，大型薄壁贮箱的整体化，高精度制造是火箭运载能力取得进一步突破的关键性技术。

随着中国航天工业的不断发展，火箭对大型封头件的需求越来越广，大型薄壁封头作为超大型运载火箭燃料贮箱的关键组成部件，对燃料贮箱的容量，强度起到了关键性作用，而传统的瓜瓣焊接的成形工件在焊缝处力学性能始终处于不稳定状态，传统的旋压加工方法极易产生局部减薄甚至加工破裂等缺陷。所以对大型薄壁封头件整体精密成形技术的深入研究，对我国航天工业的发展具有重大意义。

现有的大型球面封头成形方法：

1.分瓣拉弯拼焊成形

分瓣拼焊采用“化整为零”成形思想，将一个封头分成6到8块分瓣，逐一冲压或拉形得到各分瓣，然后通过组焊将分瓣拼焊成一个封头。

该工艺的缺点：焊接部位结构强度低，可靠性差；残余应力大，变形大，精度低；需要较大厚度，无法实现轻量化制造。

2.封头冲旋成型。

将板坯周向沿法兰固定在筒形芯模上，旋轮按封头母线进给，挤压工件，逐渐形成所需要的工件的成形方法

该工艺的缺点：该方法属于将平面板坯直接加工为球面工件，其每道次的变形量过大，容易产生变形不均匀，不稳定的现象。

3.分部精确成形方法。

第一步：通过传统剪切旋压工艺将工件加工成锥形件。

第二步：通过多约束旋压工艺，将锥形件法兰边和中心固定于球面芯模，通过旋轮和球面芯模共同作用旋压成形。

该工艺的缺点：两步成形需要制造两次芯模，提高的加工成本。并且增加了加工工艺的复杂度，对两次安装的精度要求较高。

发明内容

针对上述成形方法的不足，在以上第一和第二两种方法的原有专利基础上，进一步提出无模分步旋压成形方法。

该无模分步旋压成形方法具体如下：

第一步：将平面板坯周向固定于筒形支座，双旋轮从左右向中心沿锥形件母线进给挤压板坯，实现板坯到锥形件的变形。

第一步加工如图1所示，将板坯13的法兰部位通过压边圈12和螺栓16固定在筒形支座11上，在加工过程中，板坯随筒形支座和机床主轴做同步旋转运动，旋轮14沿锥形件母线由左右向中心进给，将板坯加工为锥形件15。既实现了大位移变形，又减少了由平面板坯直接沿球形母线进给挤压造成的材料变形不均匀现象，提高了成形件的壁厚均匀性。

第二步加工如图2所示，第一步加工所得到的锥形件15，安装不变，旋轮14沿球型母线分三道次进给，最终形成大型薄壁球面封头件25。

第二步：第二步加工分为三道次进行，在一二道次中旋轮分别从中心向左右沿球形母线进给（如图4中轨迹1和2），在第三道次中旋轮由左右向中心沿球形母线进给（如图4中轨迹3），最终获得大型薄壁球面封头件。旋轮按照这样的轨迹和方向进给，可以使材料流动均匀，避免多道次旋轮进给过程中的法兰处材料堆积，部分减薄太大和工件中心下沉，从而减少加工失稳，提高工件的壁厚均匀性。

本发明具有以下优越性：（1）相对于瓜瓣焊加工，在工程上可以实现大型球面封头件整体成形，消除了瓜瓣焊接成形焊缝不稳定的缺陷，提高成形件的力学性能，并实现轻量化制造。（2）相对于原有封头冲旋成形的加工方法，该方法可以实现精密成形，该方法制定出了每一道次的具体加工轨迹和旋轮进给方向，使材料流动均匀，减少了材料堆积，部分过减薄，工件中心下沉等失稳现象的发生，提高了工件的壁厚均匀性和加工精度。（3）相对于原有的分步精确加工方法，该方法简化了加工工艺，减少了多次装夹和多个模具加工带来的误差并且提高生产效率，只需要一次装夹固定，便可实现高精度制造。采用该方法加工时，不需要制造锥形和球面模具，节约开模成本。

附图说明

图1为第一步锥形件旋压加工成形示意图，

图2为第二步球面封头成形示意图，

图3锥形件旋压的成形轨迹图和旋轮的进给方向，

图4球面封头成形的各道次轨迹图和各道次旋轮进给方向；

图5锥形件旋压成形壁厚规律。

具体实施方式

本发明的无模分步旋压加工工艺方法，首先实现板坯到锥形件的变形，然后不换模具，进行三道次加工，将锥形件加工最终形成大型薄壁球面封头件。

锥形件旋压成形满足正弦规律，即旋压后锥形件壁厚均匀，旋压时时毛坯壁厚与制件壁厚的关系：（t为旋压后制件的壁厚，t₀为毛坯的壁厚，为半锥角)。根据金属材料塑性变形等体积原则，坯料的单元长方形面积与变形后的平行四边形面积是相等的，半锥角为定值，所以锥形件壁厚均匀。