专利名称：无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法
技术领域：
本发明涉及无缝气瓶热旋压成形工艺，具体地指一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收 底方法。
背景技术：
汽车用压缩天然气钢瓶(或缠绕气瓶内胆)一般采用热轧(或冷拔)无缝钢管热 旋压成形为半椭球形(或半球形)底部封头(称为收底)，以及头部封头和瓶口(称为收 Π )。采用无缝钢管热旋压成形收底的高压无缝气瓶，要求从钢瓶圆柱段到封头底部中 心的厚度逐渐增大，底部中心厚度应不小于圆柱段最小设计壁厚的1.5倍。底部熔合区经 解剖酸蚀后，断面试样上不得有肉眼可见的缩孔、气泡、未融合、裂纹、夹杂物或白点。因此， 封头底部中心熔合良好、增厚良好是热旋压成形收底的关键技术。科研人员通过热旋压成形收底工艺实践、分析和总结认识到，封头底部中心热旋 压熔合的实质就是钢管材料自身的压力焊接，是成形温度和成形压力的匹配组合，温度高 则压力可适当降低，压力高则温度可适当降低。无缝气瓶热旋压成形收底一般采用反向旋轮旋压。反向旋轮旋压是旋轮从封头底 部中心处向内轴向(-Ζ)进给道次进给量，再按照半椭圆形(或半圆形)轨迹旋转到钢管的 外壁，从而形成半椭球形(或半球形)底部封头。这种成形方法的缺点是底部中心熔合区 挤压力较小，需要设备有快速响应的穿孔枪对底部中心进行快速穿孔2次，以提高材料的 熔合温度，保证熔合良好。目前，采用上述反向旋轮旋压收底的方法大多需要有快速响应穿 孔枪的进口设备支持，一般选用德国莱菲尔德数控旋轮热旋压机，但该设备价格昂贵，一般 在1500万元以上。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种封头底部中心熔合良 好、增厚良好、且设备低廉的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法。为实现上述目的，本发明提供的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，包括以下步 骤1)钢管加热将用于加工成无缝气瓶的钢管的收底段加热到1050 1100°C。2)封口旋压对钢管收底段进行补热，补热温度控制在1050 1200°C，用旋压机 主轴卡爪夹紧钢管外壁，使其以300 400rpm的转速旋转，同时将旋轮的工作斜面靠近钢 管收底段外壁，对其进行7 8道次的标准半球形正向封口旋压，每道次旋轮在钢管收底段 外壁向内轴向进给后，按照半圆形轨迹以500 SOOmm/min的正旋速度从钢管收底段外壁 向封头底部中心转动，再按照相同的轨迹以1000 ISOOmm/min的返回速度转动到钢管收 底段外壁；其中，第一道次封口旋压对应的旋轮转角α为45 55°，其后各道次封口旋压 对应的旋轮转角α依次递增3 10°，但最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道次封口旋压对应的旋轮转角α增加2 4°，并在最后一道次封口旋压的过程中封口 切头，获得半球形封头。3)半椭球封头成形和底部增厚旋压保持对钢管收底段的补热状态和旋压机主 轴转速不变，再对所获得的半球形封头进行7 10道次的半椭球封头成形和底部增厚旋 压，每道次旋轮在钢管收底段外壁向内轴向进给后，按照半椭圆形轨迹以500 800mm/ min的正旋速度从钢管收底段外壁向封头底部中心转动88 95°，再按照相同的轨迹以 1000 ISOOmm/min的返回速度转动到钢管收底段外壁，获得底部增厚的半椭球封头。4)半椭球封头表面光整旋压继续保持对钢管收底段的补热状态和旋压机主轴 转速不变，将旋轮移至封头底部中心，并在封头底部中心向内轴向进给0. 3 1. 5mm后，以 80 200mm/min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管收底段外壁，使整个半椭球 封头表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收底。所说的步骤1)中，钢管收底段的加热长度L与钢管外径Φ的数学关系为L = Φ 士(50 IOOmm)。所说的步骤2)中，在最后一道次封口旋压时，对封头底部中心的补热温度优选控 制在 1150 1200 0C ο所说的步骤2)中，第一道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量为80 130mm，第二 道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量为20 40mm，其后各道次封口旋压对应的旋轮轴向 进给量依次递减2 10mm。所说的步骤2)中，最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道次封口旋 压对应的旋轮转角α增加3°，可保证钢管端头因不垂直而不均勻的材料向外翻出形成的 小圆柱在封口道次被切掉，以免端头不均勻和氧化严重的材料压入底部中心的熔合区造成 熔合不良。所说的步骤2)中，封口旋压以不失稳和提高效率为原则，对纤维缠绕型气瓶进行 8道次的标准半球形正向封口旋压，对其他气瓶进行7道次的标准半球形正向封口旋压。例 如，GB24160环缠绕气瓶内胆等薄壁管采用8道次封口，IS011439、IS09809-1、GB17258等 厚壁管采用7道次封口。所说的步骤3)中，优选每道次旋轮在钢管收底段外壁向内轴向进给量为1 5mm。所说的步骤3)中，最后成形的半椭球封头的短轴比长轴减小20 30mm，封头底部 中心的厚度为被加工钢管圆柱段最小壁厚的2 3. 5倍。所说的步骤1)中，采用中频加热炉对钢管收底段进行加热；所说的步骤2)中，采 用自动补热枪对钢管收底段进行补热。上述方法中，优选旋轮的结构参数为旋轮宽度B = 60 70mm，工作斜面与旋轮 轴心线的夹角β = 16 25°，工作斜面低端的圆角半径R1 = 9 20mm，工作斜面高端的 圆角半径R2 = 6 12mm。由于正向旋轮旋压是采用不同的安装方式，旋轮从钢管的外壁处每道次轴向进 给，再按照半椭球形(或半球形)旋转到封头底部中心。这种成形方法的优点是底部中心 熔合挤压力大，只需要正常的补热温度(1100 1200°C )，不需要对底部中心进行切割穿孔 就能保证熔合良好，而且底部中心增厚效果良好。因此，本发明采用正向旋轮热旋压收底方法进行无缝气瓶的收底成形，与普通的反向旋压相比，具有以下技术效果其一，底部中心熔合区挤压力明显增加，可以降低底部中心熔合区钢管材料自身 压力焊接的材料温度；其二，解决了普通反向旋压需要有快速响应穿孔枪的进口设备的问题，可以采用 设备价格只有进口设备20%的国产普通旋轮热旋压机进行热旋压收底成形，价格低廉，显 著降低设备成本；其三，封头底部中心增厚效果良好，一般为圆柱段最小壁厚的2. 5 3. 5倍，增厚 速度快，旋压到第10道次底部中心厚度就达到了圆柱段最小壁厚的3倍。
图1是采用旋压机对钢管进行热旋压收底加工的状态示意图。图2是图1中旋轮的放大结构示意图。图3是图1中钢管收底段的结构示意图。图4是钢管收底段经附道次旋压后的状态示意图。图5是钢管收底段最后一道次封口旋压前的状态示意图。图6是钢管收底段最后一道次封口旋压后的状态示意图。图7是钢管收底段底部增厚旋压后的状态示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发 明的解释而本发明并不局限于以下实施例。如图1所示，实施本发明方法的旋压机1的主轴卡爪2夹紧钢管3外壁，与此同时 安装在旋轮座5上的旋轮4的工作斜面靠近钢管3收底段外壁，可按要求的形状轨迹对钢 管3收底段进行旋压。如图2所示，旋轮4优选的结构参数为旋轮宽度B = 60 70mm，工作斜面与旋 轮轴心线的夹角β = 16 25°，工作斜面低端的圆角半径R1 = 9 20mm，工作斜面高端 的圆角半径R2 = 6 12mm。以下实施例中旋轮4的具体结构参数略有不同，但都在上述优 选的范围内。实施例1 所用旋轮4的结构参数为旋轮宽度B = 60mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角β =16°，工作斜面低端的圆角半径R1 = 9mm，工作斜面高端的圆角半径R2 = 6mm。针对Φ356πιπιΧ7. 7mm、80升IS09809-1汽车用压缩天然气钢瓶，采用国产四川德 阳泰豪科技有限公司生产的GL425数控旋轮热旋压机，旋压收底的工艺过程如下1)钢管加热将钢管3自动送入中频加热炉中加热到1080°C，钢管3的收底段加 热长度L = 420mm。钢管3的直径Φ与加热长度L的关系如图3所示。2)封口旋压开启自动补热枪对钢管3收底段进行补热，补热温度为1100°C，用 旋压机1的主轴卡爪2夹紧钢管3外壁，使其以400rpm的转速旋转，同时将旋轮4的工作 斜面靠近钢管3收底段外壁，对其进行7道次标准半球形的正向封口旋压，每道次旋轮4在 钢管3收底段外壁向内轴向进给-Z后，按照半圆形轨迹以较慢的正旋速度F从钢管3收底段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返回速度Fl转动到钢管 3收底段外壁(各道次m Ν7的工艺参数见表1)。其中，在N7道次封口旋压时封头底部 中心的补热温度控制在1180°C，N7道次封口旋压对应的旋轮转角α比Ν6道次封口旋压对 应的旋轮转角α大3°，并在Ν7道次封口旋压的过程中封口切头。钢管3在附 Ν7道次 封口旋压中的形变如图4 6所示。3)半椭球封头成形和底部增厚旋压保持对钢管3收底段的补热状态和旋压机 1的主轴转速不变，再对所获得的半球形封头进行7道次的半椭球封头成形和底部增厚旋 压，每道次旋轮4在钢管3收底段外壁向内轴向进给-Z后，按照半椭圆形轨迹以较慢的正 旋速度F从钢管3收底段外壁向封头底部中心转动α角度，再按照相同的轨迹以较快的返 回速度Fl转动到钢管3收底段外壁，获得底部增厚的半椭球封头(各道次Ν8 Ν14的工 艺参数见表1)。其中，以钢管3的外径为椭球长轴，钢管3的轴向为椭球短轴，长半轴与短 半轴之差e每道次递增3mm，使最后成形的半椭球封头的短轴比长轴小21mm。钢管3在底 部增厚旋压后的形变如图7所示。4)封头表面光整旋压继续保持对钢管3收底段的补热状态和旋压机1主轴转 速不变，将旋轮4移至封头底部中心，并在封头底部中心向内轴向进给0. 6mm后，以120mm/ min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管3收底段外壁，使整个半椭球封头表面 光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收底(该道次附5的工艺参数见表1)。表1 :Φ356_Χ7. 7mm钢瓶收底旋压道次及工艺参数表
权利要求
1.一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)钢管加热将用于加工成无缝气瓶的钢管的收底段加热到1050 iioo°c；2)封口旋压对钢管收底段进行补热，补热温度控制在1050 1200°C，用旋压机主轴 卡爪夹紧钢管外壁，使其以300 400rpm的转速旋转，同时将旋轮的工作斜面靠近钢管收 底段外壁，对其进行7 8道次的标准半球形正向封口旋压，每道次旋轮在钢管收底段外壁 向内轴向进给后，按照半圆形轨迹以500 SOOmm/min的正旋速度从钢管收底段外壁向封 头底部中心转动，再按照相同的轨迹以1000 ISOOmm/min的返回速度转动到钢管收底段 外壁；其中，第一道次封口旋压对应的旋轮转角α为45 55°，其后各道次封口旋压对应 的旋轮转角α依次递增3 10°，但最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道 次封口旋压对应的旋轮转角α增加2 4°，并在最后一道次封口旋压的过程中封口切头， 获得半球形封头；3)半椭球封头成形和底部增厚旋压保持对钢管收底段的补热状态和旋压机主轴转 速不变，再对所获得的半球形封头进行7 10道次的半椭球封头成形和底部增厚旋压，每 道次旋轮在钢管收底段外壁向内轴向进给后，按照半椭圆形轨迹以500 SOOmm/min的正 旋速度从钢管收底段外壁向封头底部中心转动88 95°，再按照相同的轨迹以1000 1800mm/min的返回速度转动到钢管收底段外壁，获得底部增厚的半椭球封头；4)半椭球封头表面光整旋压继续保持对钢管收底段的补热状态和旋压机主轴转速 不变，将旋轮移至封头底部中心，并在封头底部中心向内轴向进给0. 3 1. 5mm后，以80 200mm/min的返回速度和设定的半椭圆形轨迹转动到钢管收底段外壁，使整个半椭球封头 表面光滑，从而完成无缝气瓶的热旋压收底。
2.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤1)中，钢管收底段的加热长度L与钢管外径Φ的数学关系为L = Φ + (50 100mm)。
3.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤2)中，在最后一道次封口旋压时，对封头底部中心的补热温度控制在1150 1200°C。
4.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤2)中，第一道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量为80 130mm，第二道次封口旋压对应 的旋轮轴向进给量为20 40mm，其后各道次封口旋压对应的旋轮轴向进给量依次递减2 IOmm0
5.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤2)中，最后一道次封口旋压对应的旋轮转角α仅比前一道次封口旋压对应的旋轮转角 α增加3°。
6.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤2)中，对纤维缠绕型气瓶进行8道次的标准半球形正向封口旋压，对其他气瓶进行7道 次的标准半球形正向封口旋压。
7.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤3)中，每道次旋轮在钢管收底段外壁向内轴向进给量为1 5mm。
8.根据权利要求1所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征在于所说的步 骤3)中，最后成形的半椭球封头的短轴比长轴减小20 30mm，封头底部中心的厚度为被加 工钢管圆柱段最小壁厚的2 3. 5倍。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特征 在于所说的步骤1)中，采用中频加热炉对钢管收底段进行加热；所说的步骤2)中，采用 自动补热枪对钢管收底段进行补热。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法，其特 征在于所说的旋轮结构参数为旋轮宽度B = 60 70mm，工作斜面与旋轮轴心线的夹角 β =16 25°，工作斜面低端的圆角半径R1 = 9 20_，工作斜面高端的圆角半径R2 = 6 12mm。
全文摘要
本发明公开了一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收底方法。其包括如下步骤1)将钢管收底段加热到1050～1100℃；2)对钢管收底段进行进行7～8道次的标准半球形正向封口旋压，获得半球形封头；3)再对所得半球形封头进行7～10道次的半椭球封头成形和底部增厚旋压，获得底部增厚的半椭球封头；4)最后对封头表面进行光整旋压，从而完成无缝气瓶的热旋压收底。本发明采用正向旋轮热旋压对无缝气瓶收底成形，可以降低气瓶底部中心熔合区钢管材料自身压力焊接的材料温度，封头底部中心增厚效果良好，设备成本显著降低。
文档编号B21D51/38GK102000747SQ201010288790
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者余天雄, 曾庆祝, 李明剑, 韩庆波, 高建国 申请人:国营江北机械厂