一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天用复合材料气瓶制造技术领域，具体涉及一种大直径柱形复合材料气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压成形及过程缺陷控制方法。
【背景技术】
[0002]航天用复合材料气瓶由金属内衬和外层复合材料缠绕层组成，无焊缝金属内衬重量要求苛刻(选用轻质高性能铝合金)，且容积大、直径大，尺寸精度要求高、收口旋压后内表面要求无褶皱、裂纹等缺陷，对收口旋压工艺要求大大提高。目前，国外已掌握了高精度无缝铝合金内衬收口旋压技术，美国结构复合材料工业公司早在1986年采用旋压工艺制备出了厚度为2.44mm无缝招内衬，2011年旋压无缝招内衬厚度可达0.8_，直径范围为70?500mm量级(于斌等，国内外空问复合材料压力容器研究进展及发展趋势分析，压力容器，2012，29(3)，30-41)，采用单组椭球形曲线进行收口旋压；国内，目前已公开的民用及航空航天等领域应用的大直径(范围一般为300?400_量级)无焊缝铝合金内衬制造工艺是利用数控收口旋压设备，多选用单组多道次正旋、反旋或正反旋结合的椭球形曲线工艺轨迹(中国专利，申请号:CN201010295347.5 ;中国专利，CN:11_1942/TG ;中国专利，申请号CN201010224138.1)。针对大直径铝合金内衬收口旋压，其筒形管坯壁厚一般为6?10mm，收口旋压变形大的特点，单组曲线收口旋压后管嘴部位易被旋薄或增厚不明显，管嘴车加工厚度余量不足而易导致产品报废；此外，单组曲线收口时管嘴根部R角处增厚余量不足，复合气瓶金属内衬管嘴根部R角处为应力集中处，且气瓶外层复合材料对R角处没有轴向承力作用，R角处增厚效果不明显易导致复合材料气瓶在水压自紧、疲劳或爆破试验时R角处发生泄漏；另外，目前采用的收口旋压工艺使内衬封头内表面(特别是R角附近区域)不可避免地会产生褶皱、裂纹等缺陷，这些缺陷的存在可能致使后续复合材料气瓶在水压自紧、疲劳和爆破试验发生泄漏，成为裂纹起源。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的上述问题，提供一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，采用三组多道次正旋组合工艺进行铝合金管材收口旋压，使内衬管嘴部位及R角处明显增厚，旋压后封头、管嘴尺寸满足加工要求。
[0004]本发明进一步解决的技术问题是:同时通过旋压前对管坯退火处理、旋压后对内衬R角附近内表面利用特制工装打磨，控制了管嘴R附近内表面的褶皱、裂纹等缺陷风险。
[0005]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:一种大直径复合气瓶用无焊缝铝合金内衬收口旋压方法，包括如下步骤:
[0006]步骤(一)、将铝合金筒形管材坯料即管坯装卡于数控收口旋压设备上，并伸出装卡端面一定长度待收口旋压，待旋管坯圆度跳动控制< 0.5mm ;
[0007]步骤(二)、预热管坯内、外表面至180-220 °C ；
[0008]步骤(三)、旋压筒形管坯至小管嘴、椭球形封头的预设形状；旋压过程中依次进行三组正旋，分别为“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”；其中，第一组“斜线拉锥”中第一道次是从管坯起旋位置开始，沿斜向下方约3-5°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续道次直线旋压的角度依次均匀增大，管坯端面最终旋压成圆锥形，口部直径为50?60_ ;第二组“圆弧封底”是从圆锥口部边缘处起旋，沿圆弧轨迹旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形；第三组“椭球收口 ”中第一道次从管坯起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至管嘴位置停止，后续道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小，旋压出满足加工要求的管嘴长度及椭球封头尺寸结束；
[0009]步骤(四)、在管嘴根部增加垂直管嘴的旋压，在保证管嘴不失稳下，旋压至管嘴根部，并在管嘴根部的椭球面上旋出一个平台；
[0010]步骤(五)、将铝合金管材从数控收口旋压设备上卸下，掉转铝合金管材对未成形端重复步骤(一)?(四)。
[0011]在步骤(五)后增加步骤(六)、在内衬旋压件两端管嘴的中心位置打孔，其直径小于图纸管嘴内径，利用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔，分别对两端管嘴R角内表面打磨20?30min。
[0012]所述的管嘴R角内表面打磨工装为直径小于管嘴孔的杆件，杆件一端固定条状打磨沙带，沙粒面朝杆件方向安装，另一端与气动风砂轮手柄相连。
[0013]所述步骤(一)中铝合金管坯为退火状态，制度为330?370°C，I?3h，空冷。
[0014]所述步骤(一)中装卡长度值为数控收口旋压设备的旋轮与装卡面之间最小安全距离和管坯旋压长度相加。
[0015]所述步骤(三)中，管坯起旋位置在伸出的管坯上，即管坯端面到起旋点的距离，该距离值由旋压成形后整个封头体积除以管坯壁厚估算，试旋后确定。
[0016]所述步骤(三)中，第一组“斜线拉锥”的斜线轨迹与管坯筒段之间为椭圆圆弧过渡。
[0017]所述步骤(三)，在第一、三组旋压过程中，旋轮轴心平行于管坯，在第二组旋压过程中，旋轮轴心与管坯成50?70°角。
[0018]所述步骤(三)，旋压过程中旋轮厚度为80?100mm，圆角半径为R12?18。
[0019]所述步骤(三)，旋压过程中数控收口旋压设备的主轴转速为150?200r/min ;旋轮速度为600?800mm/min。
[0020]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0021](I)本发明针对内衬旋压件管嘴部位增厚问题，采用三组多道次正旋组合工艺收口旋压，第一组将管坯旋压成圆锥形，第二组将管口完全封毕后，进一步增加预设管嘴位置附近区域厚度，从而保证在第三组旋压管嘴时，管嘴壁厚明显增加，且封头曲面形状满足设计加工要求，提尚了内衬广品的成品率；
[0022](2)本发明针对内衬管嘴R角处增厚问题，在第三组最后几道次中增加管嘴R角处的补偿旋压，使加工后的内衬管嘴R角处增厚明显，增加了复合材料气瓶水压自紧、疲劳和爆破试验的可靠性；
[0023](3)本发明针对收口旋压后封头管嘴内表面褶皱控制问题，通过旋压前对管坯退火处理、旋压后对内衬R角附近内表面利用特制工装打磨，控制了管嘴R附近内表面的褶皱、裂纹等缺陷风险，进一步提尚气瓶广品可靠性。
【附图说明】
[0024]图1为本发明三组正旋曲线示意图；
[0025]图2为本发明第三组管嘴R角增厚补偿设计示意图；
[0026]图3为本发明R角内表面专用打磨工装示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0028]步骤(一)、将铝合金筒形管坯装卡于收口旋压设备的卡具上，并伸出装卡端面一定长度待收口旋压，待旋管坯圆度跳动控制< 0.5mm。为控制收口旋压变形后封头管嘴内表面褶皱、裂纹等缺陷风险，旋压前对管坯退火处理，退火后管坯内应力得到释放，在热旋变形过程中产生褶皱甚至裂纹的趋势进一步减少，所述铝合金管坯为退火状态，制度为330?370°C，I?3h，空冷。所述卡具分为六爪，锁紧后其柱形内腔与筒形管坯贴合，材料为铜合金。所述装卡长度3包括旋轮与卡盘之间最小安全距离10mm和管还旋压长度。
[0029]步骤(二)、利用设备自动火焰喷枪预热管坯内、外表面至180_220°C。火焰用气体为氧气、乙炔。
[0030]步骤(三)、旋压筒形管坯至小管嘴、椭球形封头的预设形状。为增加内衬收口旋压后管嘴部位的厚度，采用三组正旋曲线进行旋压，正旋为旋轮运动方向与管坯变形方向一致，如图1所示，依次为“斜线拉锥”、“圆弧封底”及“椭球收口”三组曲线。旋压过程中旋轮厚度为80?100mm，圆角半径为R12?18，主轴转速为150?200r/min，旋轮速度为600 ?800mm/mino
[0031]其中，第一组“斜线拉锥”旋轮轴心平行于管坯，该组第一道次是从管坯起旋位置开始，沿斜向下方约3-5°角度的直线旋压，至旋出管坯端面停止，后续道次直线旋压的角度依次均勾以3-5°角度的步幅增大，管还端面最终旋压成圆锥形，口部直径为50?60_。第一组“斜线拉锥”曲线设计目的是为了旋压过程中料向口部及附近区域流动，避免直接“圆弧封底”带来椭球封头中间厚、口部薄的现象，保证内衬管嘴及附近区域封头有足够的厚度。此外，第一组“斜线拉锥”的斜线与管坯的直筒段采用椭圆圆弧过渡，避免拉锥后造成的封头环向旋压痕迹。另外，起旋位置在伸出的管还上，即管还端面到起旋点的距离，其值由旋压成形后整个封头体积除以管坯壁厚估算，试旋后确定。
[0032]其中，第二组“圆弧封底”旋轮轴心与管坯成50?70°角，该组第一道次从圆锥口部边缘处起旋，沿圆弧轨迹经3?5道次旋压将圆锥形口部完全封闭，再经过后续道次沿轴向圆弧旋压，将管坯由圆锥形旋至椭球形。第二组“圆弧封底”的目的是进一步在预设管嘴位置及附近区域堆积足够的厚度，保证内衬封头管嘴有足够的厚度余量。
[0033]其中，第三组“椭球收口 ”旋轮轴心平行于管坯，该组第一道次从起旋位置开始，沿椭圆轨迹向预设管嘴方向旋压，至管嘴位置停止，后续道次中椭圆轨迹短半轴长度依次均匀减小，管嘴和椭球封头形状逐渐旋出，至满足加工要求的管嘴长度及椭球封头尺寸结束，由于第一、二组轨迹在预设管嘴位置的堆料，保证了管嘴的增厚。
[0034]步骤(四)、在管嘴根部增加垂直管嘴的旋压，在保证管嘴不失稳前提下，旋压至管嘴根部，并在管嘴根部的椭球面上旋出一个平台。如图2所示，在第三组“椭球收口”后，在管嘴根部增加垂直管嘴方向的旋压，在管嘴根部以上5?7_处结束，避免由于旋轮直接旋至管嘴根部，导致料集中堆积到根部而造成管嘴的失稳，并旋压至