本发明属于航天用贮箱制造技术领域，具体涉及一种大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形过程中的残余应力控制方法。
背景技术：
2219铝合金由于具有焊接性能好、加工性能优异、具有中高强度等优点，已经广泛应用于加工贮箱半球壳体。其中，直径量级为φ2m以上的超大贮箱半球壳体主要通过顶盖加瓜瓣拼焊方式制备；直径小于φ1m的中、小尺寸贮箱半球壳体主要通过对整体旋压成形的半球壳体旋压件进行固溶时效处理，然后进行减薄车加工获得。
而对于直径φ1～2m量级、壁厚仅1.0mm左右的大尺寸薄壁2219铝合金贮箱半球壳体，若采用对整体旋压成形的半球旋压件进行固溶时效处理而后车加工获得，其旋压件在固溶过程中产生较大淬火应力，且由于半球壳体直径大、壁厚薄，在后续车加工减薄过程中由于淬火应力释放叠加加工应力产生而导致了较大的局部变形及壁厚超差问题，不满足设计和使用要求。
因而亟需一种针对直径φ1～2m量级、壁厚1.0mm左右的大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体的成形方法，以消除加工过程中的残余应力的影响，以使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的上述问题，提供一种大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形方法，采用喷淋淬火、三步机加工以及冷热循环处理相结合的方式，综合控制和降低残余应力及加工应力，减小车加工过程中的壳体变形，使大直径薄壁铝合金贮箱半球壳体的壁厚精度满足设计要求。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、先将铝合金贮箱半球壳体旋压件升温至固溶温度并保温一定时间，然后通过喷淋淬火完成固溶处理；
步骤(二)、对固溶处理后的旋压件进行时效处理；
步骤(三)、对固溶、时效处理后的旋压件的内、外表面分别进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150～170r/min，进给速率为150～170mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0～4.5mm；
步骤(四)、对步骤(三)得到的粗车加工后的旋压件进行至少一次冷热循环处理；
步骤(五)、对冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100～120r/min，进给速率为100～120mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0～2.5mm；
步骤(六)、对步骤(五)得到的半精车加工后的旋压件进行至少一次冷热循环处理；
步骤(七)、对步骤(六)得到的冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60～70r/min，进给速率为60～70mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
在一可选实施例中，步骤(一)所述的铝合金贮箱半球壳体旋压件包括主体部分和直筒段，所述主体部分为空心半球结构，所述直筒段直径与所述空心半球结构的开口端直径匹配且与所述开口端连接，所述直筒段远离所述半球结构的一端带有外翻边。
在一可选实施例中，步骤(一)所述先将铝合金贮箱半球壳体旋压件升温至固溶温度并保温一定时间之前，包括：
先将铝合金贮箱半球壳体旋压件固定安装在撑盘上，所述撑盘为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，所述撑盘中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件内径小50～100mm，所述突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm，安装时，所述直筒段套在所述突台上。
在一可选实施例中，步骤(一)所述的通过喷淋淬火完成固溶处理，包括：
通过吊装框架将固定安装在撑盘上的铝合金贮箱半球壳体旋压件吊装至喷淋装置处进行喷淋淬火完成固溶处理，其中所述吊装框架包括主框架和固定在主框架上端中心位置的吊钩，所述主框架为一端开口的矩形框，所述主框架的开口端固定在所述底座的中心线上，所述主框架的高度比所述旋压件的高度大100～200mm。
在一可选实施例中，所述喷淋装置，包括供水系统、喷头支撑结构及多个喷头，所述喷头支撑结构为顶端开口的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构的四个侧表面及底面，所述供水系统用于给所述喷头供水。
在一可选实施例中，所述多个喷头为80～120个多孔散射喷头。
在一可选实施例中，所述散射喷头的散射角度为60～90°。
在一可选实施例中，设置在各所述侧表面上的所述散射喷头数量一致，且单个所述侧表面上的多个喷头沿竖直方向等间距排列，设置在最高处的所述喷头的高度比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件的最高点高300～400mm。
在一可选实施例中，步骤(四)所述的进行至少一次冷热循环处理，包括：
在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉。
在一可选实施例中，步骤(六)所述的进行至少一次冷热循环处理，包括：
在-60～-50℃保温至少60min，再升温到140～150℃保温至少60min，再次降温至-60～-50℃保温至少60min，再升温到140～150℃保温至少60min炉冷至60℃以下出炉。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明实施例提供的大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形方法，通过采用喷淋淬火使旋压件各个部分同时快速均匀地与水接触，保证了旋压件各部分具有相同的冷却速度，提高淬火应力分布的均匀性，通过在粗加工、半精加工及精加工中分别匹配不同的转速、进给速率和进刀量，控制淬火应力梯次性均匀释放并减小加工应力产生趋势，通过在半精加工和精加工前，分别增加至少一次冷热循环处理，进一步降低大尺寸半球贮箱壳体不同加工阶段的残余应力，使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。
附图说明
图1为本发明设计淬火处理工装结构和喷淋系统水槽的示意图；
图2为本发明设计喷淋系统的俯视图；
图3为本发明设计的多孔散射喷头示意图。
具体实施方式
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：
本发明实施例提供了一种大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括如下步骤：
步骤(一)、先将铝合金贮箱半球壳体旋压件升温至固溶温度并保温一定时间，然后通过喷淋淬火完成固溶处理；
具体地，本发明实施例中，铝合金贮箱半球壳体旋压件通过常规旋压模具对铝合金圆板进行热旋压成形，直径优选φ1～2m量级、壁厚优选1.0±0.2mm左右，所述铝合金可以为2219铝合金、2a14铝合金或2195铝合金等，本发明不做限定，优选2219铝合金；固溶温度及后续的时效处理工艺均可以根据具体铝合金牌号确定；
步骤(二)、对固溶处理后的旋压件进行时效处理；
步骤(三)、对固溶、时效处理后的旋压件的内、外表面分别进行粗车加工，加工时车床主轴转速为150～170r/min，进给速率为150～170mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0～4.5mm；
具体地，本发明实施例中，优选先按照贮箱半球壳体设计内半径对内表面进行粗加工，再对外表面进行粗加工；
步骤(四)、对步骤(三)得到的粗车加工后的旋压件进行至少一次冷热循环处理；
具体地，本发明实施例中根据铝合金牌号确定冷热循环处理高、低温及处理时长；优选，在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉，以保证残余应力的有效释放；
步骤(五)、对冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行半精车加工，加工时车床主轴转速为100～120r/min，进给速率为100～120mm/min，单道次进刀量为0.3～0.5mm，直至加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0～2.5mm；
具体地，本发明实施例中，优选先按照贮箱半球壳体设计内半径对内表面进行半精加工，再对外表面进行半精加工；
步骤(六)、对步骤(五)得到的半精车加工后的旋压件进行至少一次冷热循环处理；
本发明实施例中，步骤(六)和步骤(四)的冷热循环处理方案可以相同也可以不同，步骤(四)优选在-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，再次降温至-70～-60℃保温至少90min，再升温到150～160℃保温至少90min，炉冷至60℃以下出炉；步骤(六)优选在-60～-50℃保温至少60min，再升温到140～150℃保温至少60min，再次降温至-60～-50℃保温至少60min，再升温到140～150℃保温至少60min炉冷至60℃以下出炉；通过在半精加工后提高低温、降低高温以及较少处理时间，在保证降低残余应力的同时，节约了能源，提高了处理效率。
步骤(七)、对步骤(六)得到的冷热循环处理后的旋压件的内、外表面分别进行精车加工，车加工时车床主轴转速为60～70r/min，进给速率为60～70mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
本发明实施例提供的大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体成形方法，通过采用喷淋淬火使旋压件各个部分同时快速均匀地与水接触，保证了旋压件各部分具有相同的冷却速度，提高淬火应力分布的均匀性，通过在粗加工、半精加工及精加工中分别匹配不同的转速、进给速率和进刀量，控制淬火应力梯次性均匀释放并减小加工应力产生趋势，通过在半精加工和精加工前，分别增加至少一次冷热循环处理，进一步降低大尺寸半球贮箱壳体不同加工阶段的残余应力，使加工得到的贮箱半球壳体满足设计和使用要求(壁厚满足设计尺寸的0.9+0.2mm)，且尺寸合格率≥95％。
在一可选实施例中，参见图1和2，步骤(一)所述的铝合金贮箱半球壳体旋压件包括主体部分和直筒段，所述主体部分为空心半球结构，所述直筒段直径与所述空心半球结构的开口端直径匹配且与所述开口端连接，所述直筒段远离所述半球结构的一端带有外翻边，以便于旋压件的安装固定。进一步地，步骤(一)所述先将铝合金贮箱半球壳体旋压件升温至固溶温度并保温一定时间之前，包括：
先将铝合金贮箱半球壳体旋压件固定安装在撑盘上，所述撑盘为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，所述撑盘中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件内径小50～100mm，所述突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm，安装时，所述直筒段套在所述突台上。
所述撑盘为中空结构以保证半球壳体旋压件内表面在喷淋淬火时能够与喷淋系统下方的水雾可以充分、快速、均匀地接触；所述撑盘中空部分的直径比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件内径小50～100mm，既有利于半球壳体旋压件口部内表面与水接触，又避免所述突台的厚度较薄，热处理时无法起到控制旋压件口部变形以及校形的作用；所述突台高度和外径与所述直筒段高度和内径相当时，旋压件与撑盘的装卡配合较紧，易造成装配困难，且热处理后，由于旋压件口部变形，拆卸难度大，而所述突台高度和外径较所述直筒段高度和内径过小时，则无法保证旋压件的口部变形的控制效果，所述突台的高度比所述直筒段高度小0.3～0.5mm，所述突台的外径比所述直筒段内径小0.3～0.5mm，既便于装配又能确保旋压件的口部变形的控制效果；
在一可选实施例中，步骤(一)所述的通过喷淋淬火完成固溶处理，包括：
通过吊装框架将固定安装在撑盘上的铝合金贮箱半球壳体旋压件吊装至喷淋装置处进行喷淋淬火完成固溶处理，其中所述吊装框架包括主框架和固定在主框架上端中心位置的吊钩，所述主框架为一端开口的矩形框，所述主框架的开口端固定在所述底座的中心线上，所述主框架的高度比所述旋压件的高度大100～200mm，以有效地避免主框架上端的遮挡，确保旋压件与水充分接触；
在一可选实施例中，所述喷淋装置，包括供水系统、喷头支撑结构及多个喷头，所述喷头支撑结构为顶端开口的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构的四个侧表面及底面，所述供水系统用于给所述喷头供水，该喷淋装置能够保证旋压件内外表面在喷淋淬火时能够同时、完全、充分地与水接触；
在一可选实施例中，所述多个喷头为80～120个多孔散射喷头，在节约耗费的情况下能够保证旋压件内外表面在喷淋淬火时能够完全、充分地与水接触；
参见图3，在一可选实施例中，所述散射喷头的散射角度α为60～90°。所述散射角度过小，不利于水雾全面覆盖旋压件内外表面，而散射角度α为60～90°时，可以保证喷淋淬火时水雾能够全面覆盖旋压件内外表面；在一可选实施例中，设置在各所述侧表面上的所述散射喷头数量一致，且单个所述侧表面上的多个喷头沿竖直方向等间距排列，设置在最高处的所述喷头的高度比所述铝合金贮箱半球壳体旋压件的最高点高300～400mm。该高度在节约耗费的情况下能够保证旋压件内外表面在喷淋淬火时能够完全、充分地与水接触。
实施例1
以下给出一个具体的实施例，本实施例中贮箱半球壳体采用2219铝合金，设计内径为ф960mm、壁厚为0.9+0.2mm且为等壁厚结构。2219铝合金半球旋压件为采用板材经旋压成形带小直段(直筒段)的半球形毛坯，旋压件内径为ф957～959mm，壁厚为10～15mm，小直段长度约为60mm。旋压件精密加工减薄前，进行t6热处理。以下为贮箱半球旋压件精密加工成形过程中的残余应力控制具体操作：
步骤(一)、参见图1，将铝合金贮箱半球壳体旋压件1固定安装在热处理工装上。热处理工装包括撑盘2和吊装框架3。其中，撑盘2为中空结构，包括环形底座和设置在所述底座上部的环形突台，撑盘2中间部分的直径为900mm，上端环形突台高度和外径分别为59.5mm和956.5mm；吊装框架3包括主框架和固定在主框架上端中心位置的吊钩，所述主框架为一端开口的矩形框，所述主框架的开口端固定在所述底座的中心线上，所述主框架的顶部横杆长度为1000mm，立杆高度为650mm。而后将旋压件1和热处理工装放入热处理炉中升温至固溶温度535±5℃，并保温100min，然后将旋压件1和热处理工装吊出并转移至带有喷淋装置的中心位置进行喷淋淬火直至冷却到室温，其中，所述喷淋装置包括供水系统、喷头支撑结构5及多个喷头，供水系统包括水槽6和抽水泵7，水槽6设置在喷头支撑结构5下方，既用于提供喷淋用水，又用于回收喷淋后的水，喷头支撑结构5为顶端开口底部与水槽6连通的立方体结构，所述多个喷头设置在所述喷头支撑结构的四个侧表面及底面，所述抽水泵7与所述水槽6连接，用于将水槽6内的水供给所述喷头，喷头支撑结构5前、后、左、右面及底面中心位置均布80个通过管路串、并联于一体的多孔散射喷头，散射喷头的散射角度为75°，最高的喷头位置距离所述喷头支撑结构5的底面为1200mm，距铝合金贮箱半球壳体旋压件1的最高点为350mm；
步骤(二)、淬火完毕后，将旋压件1和热处理工装一同放入热处理炉中进行时效处理，制度为165±5℃保温18h，空冷，将旋压件1从热处理工装上拆卸；随炉试样抗拉强度不小于400mpa；
步骤(三)、将固溶时效处理后的旋压件固定在常规的内形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体内形面的设计内半径480mm对应的圆弧进行内表面粗车加工，车床主轴转速150r/min，进给速率控制在150mm/min，单道次进刀量控制在2.0mm以内，至内表面被全部车加工到为止；然后将内表面粗车后的旋压件固定在常规的外形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体设计内半径480mm+旋压件壁厚15mm对应的圆弧进行外表面粗车加工，车床主轴转速150r/min，进给速率控制在150mm/min，每道次进刀量控制在2.0mm以内，至内外表面壁厚余量控制在2.0mm左右，即加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大4.0～4.5mm，即壁厚为4.9～5.6mm；
步骤(四)、对步骤(三)得到的粗车加工后的旋压件进行2次冷热循环稳定化处理：-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，再次-70℃保温90min，再升温到150℃保温90min，炉冷至60℃出炉；稳定化处理过程中放入经t6热处理的随炉试样；
步骤(五)、将稳定化处理后的旋压件固定在内形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体内形面的设计内半径480mm对应的圆弧进行内表面半精车加工，车床主轴转速100r/min，进给速率控制在100mm/min，单道次进刀量控制在0.3～0.5mm范围内，至内表面被全部车加工到为止；然后将内表面半精车后的旋压件固定在外形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体设计内半径480mm+粗车加工后旋压件壁厚5.6mm对应圆弧进行外表面半精车加工，车床主轴转速100r/min，进给速率控制在100mm/min，单道次进刀量控制在0.3～0.5mm范围内，至内外表面壁厚余量控制在1.0mm左右，即加工得到的旋压件壁厚比半球壳体设计壁厚大2.0～2.5mm，即壁厚为2.9～3.6mm；
步骤(六)、将半精车加工后的旋压件卸下，进行2次冷热循环稳定化处理：-60℃保温60min，再升温到140℃保温60min，再次-60℃保温60min，再升温到140℃保温60min，炉冷至60℃出炉。稳定化处理过程中放入经第一次循环处理的随炉试样；试样抗拉强度不小于400mpa；
步骤(七)、将第二次稳定化处理后的旋压件固定在内形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体内形面的设计内半径480mm对应的圆弧进行内表面精车加工，车床主轴转速60r/min，进给速率控制在60mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm以内，至内表面被全部车加工到为止；然后将内表面精车后的旋压件固定在外形面车加工工装上，并安装于大型数控车床，而后车刀沿半球壳体设计内半径480mm+半精加工后壳体壁厚3.6mm对应圆弧进行外表面精车加工，车床主轴转速60r/min，进给速率控制在60mm/min，单道次进刀量控制在0.2mm范围内，至半球壳体壁厚满足设计要求为止，随后按半球壳体的设计半径切断，并将半球壳体从外形面车加工工装上卸下，得到大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体。
对比例
对比例提供一种大尺寸薄壁铝合金贮箱半球壳体，其成型方法与所述实施例1基本相同，唯一不同的是无冷热循环处理。
对于工业残余应力检测，现有技术主要包括无损(如x射线法等)和有损(如盲孔法等)测试两类。其中，x射线法无法满足壳体内部残余应力的测定、而盲孔法测定会给壳体带来损伤，因此，现有技术无法对车加工后壳体残余应力进行准确的标定。所述实施例1和对比例中残余应力的控制效果通过残余应力易导致的壳体局部变形和壁厚超差进行表征：
1)通过斜光照射壳体，目视壳体球面的反光线弯曲程度来表征残余应力导致的壳体局部变形程度；
2)通过测定壳体最终壁厚的超差情况表征残余应力的控制效果。
在实施例1中，车加工后的2219铝合金贮箱半球壳体斜光照射后，目视检测球面的反光线未观察到弯曲现象，测量的壳体壁厚尺寸均满足设计要求的0.9+0.2mm，保证了产品的壁厚精度，批次性控制壳体壁厚尺寸合格率≥95％。而在对比例中，车加工后的2219铝合金贮箱半球壳体斜光照射后，目视检测球面的反光线观察到壳体中间部分存在明显的弯曲现象，壳体中间部分发生明显变形，经测量，壳体中间部分壁厚尺寸满足设计要求的0.9+0.2mm，而壳体顶部和口部及附近区域壁厚尺寸为1.1～3.5mm，壁厚超差严重且不满足设计要求。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。