制造压力容器衬套的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于压力容器的圆柱形衬套的制造。具体来说，本发明涉及无缝铝合 金压力容器衬套的制造，该无缝铝合金压力容器衬套具有一个封闭端并且另一端具有用于 将配件附接到容器的带螺纹的颈部。
【背景技术】
[0002] 本发明所涉及的类型的压力容器一般用于容纳流体和气体，诸如氧气或校准用气 体通常高达约300巴至380巴的压力，但在氢气的情况下，这可能高达700巴。在很多应用， 诸如用于医学应用的便携式氧气瓶和自给式呼吸设备中，驱动器用于提供具有最小重量的 容器，其同时可以耐受大量的增压和减压，而不会发生显著弱化。一种解决方案是提供薄的 非渗透衬套，该非渗透衬套由轻质材料诸如铝合金（一般简称为铝）或弹性材料制成。这 种材料相对可膨胀并且不能承受内部压力，且因此通过利用浸渍有树脂（诸如环氧树脂） 的碳纤维、聚芳酰胺纤维和/或玻璃纤维缠绕得到加固。因此，衬套的主要目的是容纳流体 并将气体压力传递到纤维。铝制衬套也通过承受一些负载来进行帮助。利用完全包裹的衬 套实现最佳性能。也就是说，得到加固以承受纵向应力与周向应力的一种衬套。纤维因此 尽可能接近纵向方向周向地和螺旋形地缠绕在圆柱形衬套周围。
[0003] 完全包裹的铝制衬套是众所周知的并且已经生产了很多年。制造方法涉及多个步 骤，随着产品性能已得到改进，该多个步骤多年以来已精简或添加。早期工艺是基于以下步 骤的：挤压、拉伸和成形。将铝在环境温度下挤压穿过冲模以获得在一端封闭的中空管。将 该管拉伸穿过直径减小的第二冲模，以便减小衬套管的直径并且加强铝材料。将该管截成 一定长度。当旋转管以将材料导引到具有纵向颈部的半球形端部中时，通过加热该管并且 接着向该管施加压力来形成容器的圆形端部。
[0004] 对带螺纹的颈部的要求意味着容器在颈部附近必须具有某个最小厚度。也就是 说，在颈部中必须存在足够的材料以使得该颈部能够支撑用于附接配件的螺纹。此外，将颈 部部分不那么有效地缠绕在完成的圆柱体中，但仍需要该颈部部分来抵抗由配件上所存储 的气体所施加的压力。这些考虑有效地设定了颈部中必须使用的材料量的最小极限。通过 早期现有技术的制造方法，容器管被制造成具有均匀厚度。因此，颈部处的厚度要求将容器 的剩余部分局限于同一厚度，从而导致鼓部分比应该要的更厚。因此，衬套包括过量的材 料，这并没有降低它的成本和重量。
[0005] CA2, 151，862描述了早期制造工艺的发展，其中将挤压的铝管安装在流动成形机 器中。滚轮向管施加压力以减小鼓区域的厚度，同时保持端部区域的厚度。随后使端部区 域旋压成形以产生具有纵向延伸的颈部的基本上封闭的圆顶形端部。
[0006] 在JP2000/202552中描述了三个工艺，这三个工艺在鼓区域中产生具有较薄壁 的圆柱体。这些工艺在形成了管或杯形外壳的初始阶段有所不同。例如，通过将铝坯料在 冲头与冲模之间模制成形来形成外壳。因此管在一端封闭。随后在较厚的开放端部区域通 过旋压封闭之前，通过挤拉法来减小管的中央鼓段的厚度。
[0007] 降低衬套重量的另一种方法是使用较少量的更坚固的材料。在衬套制造中已使用 了一系列错合金。沉淀硬化错合金一般是优选的，例如AA2XXX系列、AA6XXX系列、AA7XXX 系列和AA8xxx系列，如由美国铝业协会在1994年6月修订出版的针对可锻铝和铝合金的 国际合金牌号和化学组成限制中所定义。然而，较强合金（诸如AA7060)不会适用于已成 功用于较弱合金（诸如AA6061)的加工方法。
【发明内容】
[0008] 因此，应认识到需要制造铝制衬套的新方法，所述新方法与现有技术的方法相比 可适用于比可能的更大范围的材料。因此，本发明的目的是提供这样一种制造工艺，其可以 有效地用于一系列铝合金，包括较硬的AA7XXX系列。具体来说，所产生的衬套，当完全包裹 时，可能比现有技术已知的等效压力容器更小且更轻。
[0009] 本发明因此提供制造用于压力容器的衬套的方法，该方法包括以下步骤：
[0010] (a)提供具有封闭的冠部端和开放的顶部的铝合金杯形外壳，所述外壳有具有较 薄壁的鼓区域、在所述开放的顶部具有较厚壁的端部区域以及具有逐渐变小的厚度的中间 过渡区；
[0011] (b)使用具有大体上圆柱形壁和成形上部区域的冲头来冷拉所述外壳，所述冲头 在冷拉操作期间与所述外壳的所述过渡区相接；
[0012] (c)形成所述端部区域和过渡区以封闭所述开放的顶部并且形成从其中延伸的颈 部；以及
[0013] (d)在所述颈部中切割螺纹。
[0014] 本发明是有利的，因为其不仅适用于处理较软的铝合金诸如AA6061，而且适用于 处理AA7060和AA7032材料，所述AA7060和AA7032材料先前被认为是对于冷加工来说相 对棘手的材料。然而已发现，令人惊讶的是，冷加工可有效地适用于这些材料，具体来说，在 圆柱体的过渡区通过根据本文所述的方法进行冷拉而成形的情况下。
[0015] 在优选实施方案中，冲头的成形上部区域大体向内延伸并且冷拉步骤包括以下步 骤：
[0016] (i)将所述冲头和外壳推到直径至少小于所述外壳的所述端部区域的外径的冲模 中；以及
[0017] (ii)将所述冲头从所述外壳撤回，使得所述冲头的所述圆柱形部分进一步形成所 述外壳的所述过渡区。
[0018] 在这个冷拉工艺中，将过渡区向内推动以与冲头的成形上部区域相接。当撤回冲 头时，其下部的大体圆柱形部分将成形过渡区向外推回并且有利地使其内表面变平。这进 而使得赋予外壳过渡区的成形传递到外壳的外部。这种成形可能使得其有利于外壳加工中 的另外的步骤。
[0019] 具体来说，在冲头的成形上部区域包括邻近凹曲率半径为R2的第二向内弯曲部 分的凸曲率半径为R1的第一向内弯曲部分的实施方案中，已发现，第一部分在从冲头撤回 外壳的过程中在某种程度上保护外壳，从而使得其不那么容易断裂，并且第二部分使得外 壳壁朝向外壳的端部区域有效地变厚。后一种效应在对端部区域的随后加工中是有利的， 以封闭顶部并且形成衬套的颈部。
[0020]R1优选大于R2并且优选等于R2的两倍± 20 %。
[0021] R1和R2可通过以下等式确定
[0024] 其中外壳的端部区域在拉伸之后具有厚度Tfm，过渡区域在拉伸之后具有楔形部 分，其中最大厚度为FTT，并且A为11与60之间的恒定值。
[0025] 冲头和外壳可在冷拉操作期间推入其中的冲模可进一步具有与外壳的鼓区域的 外径相比更小的直径。这个较小直径的外壳允许沿外壳的长度执行冷加工，从而使得其长 度增大，使得外壳壁变薄，并且增强贯穿其中的材料。
[0026] 在冷拉之前，可通过机械加工来使具有封闭冠部端和开放的顶部的杯形外壳成形 以便为外壳提供具有较薄壁的鼓区域、具有较厚壁的端部区域以及具有逐渐变小的厚度的 过渡区。或者，可使用现有技术中已知的（例如，如JP2002/202552中所描述的）方法提 供这种成形外壳。然而已发现，机械加工更适用于加工较硬的铝合金，诸如AA7060。
[0027] 杯形外壳优选通过挤压铝合金来形成。或者，其可通过深拉形成。
[0028] 在本发明的方法中，外壳顶部和颈部可通过旋压成形来形成。
[0029] 铝合金优选为强合金，诸如从AA7xxx系列或AA2xxx系列中选出的一种合金。具 体来说，其可从AA7xxx系列中选出并且优选为AA7060和/或AA7032。这些合金是特别强 的铝材料，其使用因此使得衬套能够制造成与本领域已知的那些衬套具有类似的强度但使 用较少材料制成。这样一种衬套因此与现有技术的衬套相比，更轻且更方便携带，从而改进 其实用性。冷拉步骤可涉及对外壳冷加工15%与38%之间的量，且优选25%与38%之间 的量。
【附图说明】
[0030] 现将只通过示例并参照附图来描述本发明，附图中：
[0031] 图1是根据本发明的示出了制造衬套中所涉及的工艺步骤的流程图；
[0032] 图2是根据本发明的在挤压之后的衬套的示意性图示的截面图；
[0033] 图3示出了其形状通过机械加工进行适配之后的同一衬套；
[0034] 图4a是在冷拉工艺开始时的机械加工的衬套的示意性图示；
[0035] 图4b是当衬套经历冷拉工艺的初始