专利名称：厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法
技术领域：
本发明涉及一种封头的旋压成形工艺。
背景技术：
封头是各类压力容器和贮箱的关键受压部件，其中厚径比小于3‰的薄壁封头主要应用在航天器上压力容器和贮箱的内衬以及大尺寸压力容器上，其成形工艺对压力容器制造技术具有重要的影响。传统的压力容器封头多采用冲压方法生产，冲压方法生产封头需要大吨位、大台面的液压机及成套的大型模具，不适合航天压力容器封头单件、小批量和多品种的生产特点。所以，国外从60年代以来多采用旋压方法生产各种封头。由于航天器上的封头尺寸相对民用产品来说比较大，且为了减轻重量均设计成较小的壁厚，同时尺寸精度要求高，因此成形难度大，特别是厚径比小于3‰的薄壁封头旋压成形难度更大。这就需要发展一项低成本、高质量、高精度的旋压成形技术，为相关的压力容器制造提供产品，进而提高我国压力容器和贮箱的整体制造水平。还可大幅改进压力容器贮箱的设计和扩大基体母材的选择范围。
发明内容
本发明的目的是为解决航天器上的封头尺寸较大、壁厚较薄、尺寸精度要求高、成形难度大，特别是厚径比小于3‰的薄壁封头旋压成形难度更大的问题，提供一种厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，本发明只需一台设备，一次性安装板坯便可完成旋压成形，具有成形精度高、模具成本低、生产周期短的特点。本发明是通过以下步骤实现的一、芯模的选择芯模材料选用强度和硬度很高的中碳钢或工具钢，芯模的一端为平面，芯模的另一端为外形与封头内部形状一致的深碟形面，平面一端的中心开有一个锥形盲孔，此锥形盲孔与旋压机主轴配合，其锥形盲孔周围均匀分布至少两个螺纹盲孔和一个躲避盲孔，螺纹盲孔用于与旋压机主轴的固定，躲避盲孔用于躲避主轴上的螺栓，位置与主轴上的螺栓一致；深碟形面顶部为球冠面，其球冠面的顶端加工有一个直径小于30mm的平面，以方便板坯的固定，此平面中心周围均匀分布至少两个盲销孔，盲销孔的内部安装定位销，用于板坯的径向定位；二、压盖的选择压盖为焊接件，材料选用强度和硬度很高的合金钢，压盖的一端为凹球面，凹球面的形状尺寸与封头外形一致，凹球面的中心周围开有与芯模上定位销相对应的盲孔，用于躲避芯模上的定位销；压盖另一端的中心处开有一个盲孔，盲孔用于和旋压机尾顶配合；三、进行球冠部分的成形把板坯中心开两个定位孔后放置到芯模端部安装的两个定位销上，开动旋压机尾座，使尾顶和芯模将板坯夹紧，在板坯靠近旋轮的一侧涂上润滑剂以减小摩擦，开动旋压机使旋轮自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模和板坯进行自转，当旋轮旋到球冠部分与转角部分的交点时，按照程序的指令自动退出，自此，球冠部分的剪切旋压结束；四、进行翻边部分的成形首先将旋压机尾座退回，将压盖套在尾顶上，再次开动旋压机尾座，使压盖和芯模将板坯夹紧，并在板坯的外表面涂上润滑剂；开动旋压机使旋轮在自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模和板坯进行自转，此时的起旋点与上一阶段的结束点相同，当旋轮旋到距边缘20mm时使之自动退出，此时翻边部分第一道次旋压结束；然后用气焊枪对外缘法兰进行加热处理以消除加工硬化，待其冷却之后涂上润滑剂，接着进行第二道次的旋压，操作过程与第一道次相同，只是旋轮轨迹不同，以后各道次操作过程均与第二道次相同，只是旋轮轨迹不同；五、成形过程完成之后，退回旋压机尾座，将板坯制成的工件从芯模上取下，采用手工或机械加工方法将工件外缘法兰边切掉，整个封头成形过程结束。本发明的有益效果是只需一台设备，一次性安装坯料便可完成旋压成形，因而成形精度很高。本发明可以成形出厚径比小于3‰、壁厚小于等于1mm的高精度薄壁大尺寸封头。成形时根据封头旋压的特点，采用两种不同的旋压装置和参数，可有效地防止外缘的起皱和开裂。本发明可旋压成形多种材料和不同厚度的封头，且模具成本低，生产准备周期短。
图1是芯模1的结构示意图，图2是压盖7的结构示意图，图3是步骤三球冠部分旋压示意图，图4是步骤四翻边部分旋压示意图，图5是旋压过程的道次转角模型示意图，图6是翻边部分普旋轨迹示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一(参见图1～图6)本实施方式是通过以下步骤实现的一、芯模1的选择芯模1的材料选用强度和硬度很高的中碳钢或工具钢，芯模1的一端为平面8，芯模1的另一端为外形与封头内部形状一致的深碟形面9，平面8一端的中心开有一个锥形盲孔10，此锥形盲孔10与旋压机主轴配合，其锥形盲孔10周围均匀分布至少两个螺纹盲孔11和一个躲避盲孔12，螺纹盲孔11用于与旋压机主轴的固定，躲避盲孔12用于躲避主轴上的螺栓，位置与主轴上的螺栓一致；深碟形面9顶部为球冠面，其球冠面的顶端加工有一个直径小于30mm的平面14，以方便板坯的固定，此平面14中心周围均匀分布至少两个盲销孔13，盲销孔13的内部安装定位销，用于板坯的径向定位；二、压盖7的选择压盖7为焊接件，材料选用强度和硬度很高的合金钢，压盖7的一端为凹球面15，凹球面15的形状尺寸与封头外形一致，凹球面15的中心周围开有与芯模1上定位销相对应的盲孔16，用于躲避芯模上的定位销；压盖7另一端的中心处开有一个盲孔17，盲孔17用于与旋压机尾顶4配合；三、进行球冠部分的成形把板坯2中心开两个定位孔后放置到芯模1端部安装的两个定位销5上，开动旋压机尾座，使尾顶4和芯模1将板坯2夹紧，在板坯2靠近旋轮6的一侧涂上润滑剂以减小摩擦，开动旋压机使旋轮6自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模1和板坯2进行自转，当旋轮6旋到球冠部分与转角部分的交点时，会按照程序的指令自动退出，自此，球冠部分的剪切旋压结束；四、进行翻边部分的成形首先将旋压机尾座退回，将压盖7套在尾顶4上，再次开动旋压机尾座，使压盖7和芯模1将板坯2夹紧，并在板坯2的外表面涂上润滑剂；开动旋压机使旋轮6在自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模1和板坯2进行自转，此时的起旋点与上一阶段的结束点相同，当旋轮6旋到距边缘20mm时使之自动退出，此时翻边部分第一道次旋压结束；然后用气焊枪对外缘法兰进行加热处理以消除加工硬化，待其冷却之后涂上润滑剂，接着进行第二道次的旋压，操作过程与第一道次相同，只是旋轮轨迹不同，以后各道次操作过程均与第二道次相同，只是旋轮轨迹不同；五、成形过程完成之后，退回旋压机尾座，将板坯2制成的工件从芯模1上取下，采用手工或机械加工方法将工件外缘法兰边切掉，整个封头成形过程结束。
具体实施方式
二本实施方式板坯2的材质为铝合金。其它方法与具体具体实施方式
三本实施方式旋压的封头球冠部分的半径为SR298mm、翻边部分的转角半径为R87.35mm、封头直径为372.5mm、封头高为112mm、封头的壁厚为1mm，尺寸精度为±0.1mm.。其它方法与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式步骤三和步骤四中，旋轮6的相对进给速度在球冠部分旋压时取0.1mm/r，翻边部分旋压时取0.06～0.1mm/r，起旋部分取大值，靠近外沿时取小值。其它方法与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式步骤三和步骤四中，球冠部分的轨迹为与封头外形一致，翻边部分的轨迹为凹圆弧-直线。其它方法与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式步骤三和步骤四中，各道次之间的道次间距为2～3mm，道次转角为1～2度，前面的道次取大值，后面的道次取小值。其它方法与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式步骤四中，加热温度为200～300℃。其它方法与具体实施方式
一相同。
本发明的显著特点是采用简单的一步有模旋压法成形出厚径比小于3‰、壁厚小于等于1mm的高精度薄壁大尺寸铝合金封头，所需成本低。根据零件变形方式的不同采用相应的工艺参数和工装，可有效地控制旋压成形质量。芯模与主轴的配合采用高精度的锥孔配合，有利于保证芯模1安装后的圆跳度和与主轴的同心度。芯模1与板坯2采用面接触以增大接触面积有利于夹紧工件，并采用双定位销5对板坯2进行径向约束，从而保证板坯2在旋压过程中受到很好的约束而使塑性变形得以顺利进行。采用外缘弯边和增大板坯直径措施来提高外缘法兰刚度，进而控制失稳和起皱现象的发生，使工艺参数的选择范围得以放宽。首次提出在旋压过程中采用变化的相对进给速度来防止旋压后期起皱现象的发生；旋轮轨迹采用凹圆弧-直线轨迹，使边缘部分的变形平稳而减小起皱的趋势；第一道次倾角的选择要根据所选板坯厚度和理论减薄量来定；确定了薄壁封头旋压道次间距的选择范围；提出了封头旋压各道次转角的选择原则。本发明只需一台设备，一次性安装坯料便可旋压成形，从而壁免了更换坯料造成的零件定位不准和变形问题，保证了零件的尺寸精度。本发明的先进性在于首先采用一套旋压工艺参数和装置旋压封头的球冠部分，然后采用另外一套旋压工艺参数和工装旋压翻边部分。这样，就可保证球冠部分旋压时各工艺参数和工装有利于剪切旋压，使坯料的回弹减小，有利于坯料贴模，还会防止外缘法兰的起皱；翻边部分旋压时各工艺参数和工装有利于普通旋压，使坯料顺利旋压成形而不产生起皱或开裂。提出了适合薄壁大尺寸铝合金封头旋压的工艺参数和选择的原则。
权利要求
1.一种厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的一、芯模的选择芯模材料选用强度和硬度很高的中碳钢或工具钢，芯模的一端为平面，芯模的另一端为外形与封头内部形状一致的深碟形面，平面一端的中心开有一个锥形盲孔，此锥形盲孔与旋压机主轴配合，其锥形盲孔周围均匀分布至少两个螺纹盲孔和一个躲避盲孔，螺纹盲孔用于与旋压机主轴的固定，躲避盲孔用于躲避主轴上的螺栓，位置与主轴上的螺栓一致；深碟形面顶部为球冠面，为了方便板坯的固定在球冠面的顶端加工有一个直径小于30mm的平面，此平面中心周围均匀分布至少两个盲销孔，盲销孔的内部安装定位销，用于板坯的径向定位；二、压盖的选择压盖为焊接件，材料选用强度和硬度很高的合金钢，压盖的一端为凹球面，凹球面的形状尺寸与封头外形一致，凹球面的中心周围开有与芯模上定位销相对应的盲孔，用于躲避芯模上的定位销；压盖另一端的中心处开有一个盲孔，此盲孔用于与旋压机尾顶配合；三、进行球冠部分的成形把板坯中心开两个定位孔后放置到芯模端部安装的两个定位销上，开动旋压机尾座，使尾顶和芯模将板坯夹紧，在板坯靠近旋轮的一侧涂上润滑剂以减小摩擦，开动旋压机使旋轮自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模和板坯进行自转，当旋轮旋到球冠部分与转角部分的交点时，按照程序的指令自动退出，自此，球冠部分的剪切旋压结束；四、进行翻边部分的成形首先将旋压机尾座退回，将压盖套在尾顶上，再次开动旋压机尾座，使压盖和芯模将板坯夹紧，并在板坯的外表面涂上润滑剂；开动旋压机使旋轮在自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模和板坯进行自转，此时的起旋点与上一阶段的结束点相同，当旋轮旋到距边缘20mm时使之自动退出，此时翻边部分第一道次旋压结束；然后用气焊枪对外缘法兰进行加热处理以消除加工硬化，待其冷却之后涂上润滑剂，接着进行第二道次的旋压，操作过程与第一道次相同，只是旋轮轨迹不同，以后各道次操作过程均与第二道次相同，只是旋轮轨迹不同；五、成形过程完成之后，退回旋压机尾座，将板坯制成的工件从芯模上取下，采用手工或机械加工方法将工件外缘法兰边切掉，整个封头成形过程结束。
2.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于板坯的材质为铝合金。
3.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于旋压的封头球冠部分的半径为SR298mm、翻边部分的转角半径为R87.35mm、封头直径为372.5mm、封头高为112mm、封头的壁厚为1mm，尺寸精度为±0.1mm.。
4.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于步骤三和步骤四中，旋轮的相对进给速度在球冠部分旋压时取0.1mm/r，翻边部分旋压时取0.06～0.1mm/r，起旋部分取大值，靠近外沿时取小值。
5.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于步骤三和步骤四中，球冠部分的轨迹为与封头外形一致，翻边部分的轨迹为凹圆弧-直线。
6.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于步骤三和步骤四中，各道次之间的道次间距为2～3mm，道次转角为1～2度，前面的道次取大值，后面的道次取小值。
7.根据权利要求1所述的厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，其特征在于步骤四中，加热温度为200～300℃。
全文摘要
厚径比小于3‰的薄壁封头高精度旋压成形方法，它涉及一种封头的旋压、成形工艺。本发明的目的是为解决航天器上的封头尺寸较大、壁厚较薄、尺寸精度要求高、成形难度大，特别是厚径比小于3‰的薄壁封头旋压成形难度更大的问题。本发明开动旋压机使旋轮在自转的同时沿着预先输入程序的轨迹作轴向和径向运动，同时旋压机主轴带动芯模和板坯进行自转，当旋轮旋到距边缘20mm时使之自动退出，此时翻边部分第一道次旋压结束；然后用气焊枪对外缘法兰进行加热处理以消除加工硬化。本发明的有益效果是只需一台设备，一次性安装板坯便可完成旋压成形，因而成形精度很高。可以成形出厚径比小于3‰、壁厚小于等于1mm的高精度薄壁大尺寸封头。
文档编号B21D22/16GK1730189SQ20051001032
公开日2006年2月8日 申请日期2005年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者单德彬, 张艳秋, 徐文臣, 康达昌 申请人:哈尔滨工业大学