[發明專利]大型薄壁球面封頭件的無模分步旋壓成形方法

在審

• 申請號: 201710394315.2
• 申請日: 2017-05-29
• 公開（公告）號: CN106984685A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 李新和;易兆祥;魏準;常士武;曹權;饒國舉;張坦
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B21D22/14
• 分類號: B21D22/14
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明涉及旋壓成形工藝方法，特別是大型薄壁球面封頭件的無模分步旋壓成形工藝方法。

背景技術

燃料貯箱是運載火箭的主要結構性構件，是火箭的主要承載結構，大型薄壁貯箱的整體化，高精度制造是火箭運載能力取得進一步突破的關鍵性技術。

隨著中國航天工業的不斷發展，火箭對大型封頭件的需求越來越廣，大型薄壁封頭作為超大型運載火箭燃料貯箱的關鍵組成部件，對燃料貯箱的容量，強度起到了關鍵性作用，而傳統的瓜瓣焊接的成形工件在焊縫處力學性能始終處于不穩定狀態，傳統的旋壓加工方法極易產生局部減薄甚至加工破裂等缺陷。所以對大型薄壁封頭件整體精密成形技術的深入研究，對我國航天工業的發展具有重大意義。

現有的大型球面封頭成形方法：

1.分瓣拉彎拼焊成形

分瓣拼焊采用“化整為零”成形思想，將一個封頭分成6到8塊分瓣，逐一沖壓或拉形得到各分瓣，然后通過組焊將分瓣拼焊成一個封頭。

該工藝的缺點：焊接部位結構強度低，可靠性差；殘余應力大，變形大，精度低；需要較大厚度，無法實現輕量化制造。

2.封頭沖旋成型。

將板坯周向沿法蘭固定在筒形芯模上，旋輪按封頭母線進給，擠壓工件，逐漸形成所需要的工件的成形方法

該工藝的缺點：該方法屬于將平面板坯直接加工為球面工件，其每道次的變形量過大，容易產生變形不均勻，不穩定的現象。

3.分部精確成形方法。

第一步：通過傳統剪切旋壓工藝將工件加工成錐形件。

第二步：通過多約束旋壓工藝，將錐形件法蘭邊和中心固定于球面芯模，通過旋輪和球面芯模共同作用旋壓成形。

該工藝的缺點：兩步成形需要制造兩次芯模，提高的加工成本。并且增加了加工工藝的復雜度，對兩次安裝的精度要求較高。

發明內容

針對上述成形方法的不足，在以上第一和第二兩種方法的原有專利基礎上，進一步提出無模分步旋壓成形方法。

該無模分步旋壓成形方法具體如下：

第一步：將平面板坯周向固定于筒形支座，雙旋輪從左右向中心沿錐形件母線進給擠壓板坯，實現板坯到錐形件的變形。

第一步加工如圖1所示，將板坯13的法蘭部位通過壓邊圈12和螺栓16固定在筒形支座11上，在加工過程中，板坯隨筒形支座和機床主軸做同步旋轉運動，旋輪14沿錐形件母線由左右向中心進給，將板坯加工為錐形件15。既實現了大位移變形，又減少了由平面板坯直接沿球形母線進給擠壓造成的材料變形不均勻現象，提高了成形件的壁厚均勻性。

第二步加工如圖2所示，第一步加工所得到的錐形件15，安裝不變，旋輪14沿球型母線分三道次進給，最終形成大型薄壁球面封頭件25。

第二步：第二步加工分為三道次進行，在一二道次中旋輪分別從中心向左右沿球形母線進給（如圖4中軌跡1和2），在第三道次中旋輪由左右向中心沿球形母線進給（如圖4中軌跡3），最終獲得大型薄壁球面封頭件。旋輪按照這樣的軌跡和方向進給，可以使材料流動均勻，避免多道次旋輪進給過程中的法蘭處材料堆積，部分減薄太大和工件中心下沉，從而減少加工失穩，提高工件的壁厚均勻性。

本發明具有以下優越性：（1）相對于瓜瓣焊加工，在工程上可以實現大型球面封頭件整體成形，消除了瓜瓣焊接成形焊縫不穩定的缺陷，提高成形件的力學性能，并實現輕量化制造。（2）相對于原有封頭沖旋成形的加工方法，該方法可以實現精密成形，該方法制定出了每一道次的具體加工軌跡和旋輪進給方向，使材料流動均勻，減少了材料堆積，部分過減薄，工件中心下沉等失穩現象的發生，提高了工件的壁厚均勻性和加工精度。（3）相對于原有的分步精確加工方法，該方法簡化了加工工藝，減少了多次裝夾和多個模具加工帶來的誤差并且提高生產效率，只需要一次裝夾固定，便可實現高精度制造。采用該方法加工時，不需要制造錐形和球面模具，節約開模成本。

附圖說明

圖1為第一步錐形件旋壓加工成形示意圖，

圖2為第二步球面封頭成形示意圖，

圖3錐形件旋壓的成形軌跡圖和旋輪的進給方向，

圖4球面封頭成形的各道次軌跡圖和各道次旋輪進給方向；

圖5錐形件旋壓成形壁厚規律。

具體實施方式

本發明的無模分步旋壓加工工藝方法，首先實現板坯到錐形件的變形，然后不換模具，進行三道次加工，將錐形件加工最終形成大型薄壁球面封頭件。

錐形件旋壓成形滿足正弦規律，即旋壓后錐形件壁厚均勻，旋壓時時毛坯壁厚與制件壁厚的關系：（t為旋壓后制件的壁厚，t₀為毛坯的壁厚，為半錐角)。根據金屬材料塑性變形等體積原則，坯料的單元長方形面積與變形后的平行四邊形面積是相等的，半錐角為定值，所以錐形件壁厚均勻。