本發明涉及大型薄壁球面封頭的分步精確旋壓成形工藝方法。

背景技術：

一個國家的太空探索能力，取決于其運載火箭的承載能力，我國研制的長征5號火箭，其直徑為5.25m，近地運載能力為25噸，而未來載人登月，火星探測等航天工程要求火箭的運載能力達到百噸級，這一重型級別的運載火箭，要求其箭身直徑達到8-12m。燃料貯箱作為運載火箭主要結構性構件，是火箭的主要承載結構，服役環境極端苛刻，貯箱薄壁結構承受極大的內壓，承受的最大動載荷超過10000t，工作溫度低至-253°C，飛行加速度達2-6g，因此對其高性能、高精度和輕量化方面提出極高的要求。

對于燃料箱球面封頭，由于其具有大徑厚比、弱剛性的特點，利用傳統加工方法容易出現變形不協調現象，導致封頭件失穩，促使加工精度難以滿足航天工業的要求。加快薄壁輕量化結構件整體成形技術的研究刻不容緩，取得突破性研究成果對我國航天事業發展至關重要。

1、分瓣拉彎拼焊成形

分瓣拼焊成形工藝采用“化整為零”成形思想，即將一個封頭分成6～8塊分瓣，逐一沖壓或拉形得到各分瓣，然后通過組焊將成形分瓣拼焊成為一個整體封頭。圖1為利用分瓣拼焊成形的封頭示意圖，國內應用分瓣拼焊成形工藝加工的燃料箱封頭，其最大直徑達到5.25m，應用于長征5號火箭。

然而該工藝方法也存在不足之處：焊接結構強度低、可靠性差；成形封頭殘余應力大、變形大、精度低；需要較大的厚度，不能實現輕量化制造，影響火箭飛行距離。

2、普通旋壓成形

普通旋壓成形是將板料或預制毛坯固定在芯模上，通過主軸回轉帶動芯模與工件同時轉動，利用旋輪加壓于毛坯，使其逐漸緊貼于芯模，從而獲得所要求的回轉體件的金屬成形方法。圖2為旋壓成形示意圖。

該工藝存在如下缺點：大直徑封頭旋壓容易失穩，壁厚偏差達到30%以上（中間厚邊緣薄）；因此成形后需化銑或采用機械銑削，這一工藝會導致封頭材料結構缺陷或高殘余應力，工件產生附加變形，最終精度無法控制。

技術實現要素：

針對上述成形方法的不足，本課題組通過對成形裝備的研究，申請并已獲得大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置及沖旋方法的專利（公告號CN104275378A）。

本發明專利在原有專利的基礎上，進一步提出分步精確旋壓成形工藝方法，

該成形工藝具體描述如下：

第一步：通過剪切旋壓工藝將工件旋壓成錐形件，平面在剪切變形條件下成形為錐面，實現了板坯大位移形變，大型板坯由圓板成形為錐形件。

錐形件剪切旋壓的典型特征為滿足正弦規律，即剪切旋壓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abcd與變形后的平行四邊形面積a’b’c’d’是相等的，半錐角為定值，所以錐形件壁厚均勻。

第二步：多道次普通旋壓工藝，建立在錐形件剪切旋壓工藝基礎上，多道次普通旋壓工藝中所使用的坯板是退火處理的錐形件。將錐形件法蘭邊和凸緣部分固定，通過旋輪與球形芯模共同作用使錐形件旋壓成球面封頭件。從金屬塑性變形的理論來講，這種由錐面逼近復雜曲面的小位移形變，成形過程中應力應變較小，可以減少薄壁封頭開裂的缺陷，并且小位移變形穩定，材料流動有序，能夠提高工件的成形質量。

多道次普通旋壓裝置如圖6所示。將錐形件62外徑法蘭通過環形壓板63與螺栓72固定在球形芯模61端面，錐形件凸緣通過張緊裝置65夾緊在球形芯模61內端面。在旋壓過程中，錐形件、張緊裝置和球形芯模隨機床主軸做同步旋轉運動，旋輪64與球形芯模旋轉軸成一定夾角，沿球形芯模母線方向由外向內做進給運動。工件接觸區在旋輪與芯模內部相互作用下產生塑性變形，隨旋輪推進最終形成球面封頭。該方式采用內外約束配合控制，保障了工件定向變形。

本發明具有以下優越性：1）在工程上可實現球形封頭整體成型，消除焊縫的短板效應，提高封頭的承載能力；2）可以減輕封頭重量，實現封頭輕量化制造；3）成形封頭壁厚均勻，可以實現高精密成形。

附圖說明

圖1是利用分瓣拼焊成形的封頭示意圖，

圖2是普通旋壓成形示意圖，

圖3是第一步錐形件剪切旋壓成形示意圖，

圖4是錐形件壁厚示意圖，

圖5是封頭件多道次普通旋壓成形示意圖，

圖6是多道次普通旋壓裝置示意圖，

圖7是錐形件剪切旋壓工件最終成型示意圖，

圖8 是球面封頭旋壓工件最終成型示意圖,

圖9 是球面封頭多道次普通旋壓成形旋輪軌跡圖。

具體實施方式

本發明的大型薄壁球面封頭的分步精確旋壓成形工藝方法，具體步驟如下：

第一步：通過剪切旋壓工藝將工件旋制成錐形件，平面在剪切變形條件下成形為錐面，實現了板坯大位移形變，大型板坯由圓板成形為錐形件。

錐形件剪切旋壓成形

錐形芯模材料采用45#鋼，并對工作錐面淬火處理，芯模半錐角為50°，保證其表面硬度達到50HRC以上。為保證成形件的精度，設計的錐形芯模工作面表面粗糙度為Ra=3.2um。

如圖7所示，將工件71通過螺栓72和夾緊盤73配合固定在錐形芯模74上，工件隨錐形芯模旋轉，兩個旋輪64分別從中心向四周沿錐形芯模母線方向進給擠壓工件，逐漸形成錐形件62。

第二步：多道次普通旋壓工藝。通過多道次普通旋壓工藝將錐形件成形為球面封頭，錐形件在多道次普通旋壓成形條件下由錐面逐漸逼近復雜曲面，實現球面封頭小位移精確成形，錐形件旋壓成球面封頭件。

球面封頭旋壓成形

球形芯模82內表面為成形工作面，因此表面淬火至52HRC，同時要求其表面粗糙度達到3.2um。外端端面均勻分布6個Φ9均布孔，與壓邊環配合約束工件法蘭邊；內部端面均勻分布4個M6螺紋孔，與夾緊盤配合約束工件凸緣邊。

如圖8 所示，將第一步成形的錐形件62退火處理，錐形件法蘭邊和凸緣部分分別用環形壓板63與加緊盤73和螺栓72配合固定在球形芯模上，錐形件隨球形芯模旋轉，兩個旋輪64分別從四周向中心沿球形芯模母線方向進給擠壓錐形件，經過多道次旋壓工藝，最終創成高精度的大型球面封頭81。

多道次旋輪軌跡圖如圖9所示，前兩道次旋壓為錐形件不貼球形芯模的擴徑旋壓，第三道次旋壓錐形件緊貼球形芯模，是最終成形道次。