一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法与流程

1.本发明属于航天火箭设备技术领域，尤其是涉及一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法。


背景技术：

2.运载火箭贮箱结构重量和空间占箭体结构50％以上，是箭体最重要的组成部分之一，隧道管作为增压输送系统中的最重要的管路之一，贯穿于整个贮箱，起到保护输送管输送氧化剂的作用，所以对管路密封性、耐压性等都有着严格的要求，在与法兰连接处存有直端变径，需要对隧道管类波纹零件端部直边进行扩径处理，确保与法兰处的装配焊接。
3.隧道管类波纹零件整体成形长度为1950mm，材料选取为5a03不可热处理强化铝合金，加工硬化较为显著，厚度为2.5-2.7mm，内径在ф320mm-ф420mm，端部直边长度为15.63mm，过渡区长度为14.38mm，尺寸较小，考虑到使用工况要求，设计要求减薄不允许超过15％，型面精度偏差不大于0.5mm，端部直边尺寸轮廓小，材料加工硬化严重，直线段保证较难，与法兰对接具有不确定性，制约焊接质量，影响运载火箭可靠性。
4.现有技术的缺点：根据贮箱用波纹管端部直边尺寸特征、材料(铝合金、不锈钢)强度及延伸率差异，现成形主要为机械扩径、滚压成形、内高压胀形等方式，具体的：
5.(1)机械扩径：金属波纹管的机械胀形是利用组合楔形芯体在轴向力的作用下向下运动，以此顶开分块凸模，使管坯在凸模的作用下成形所需波形。该类方式然而由于分块模间存在间隙，胀形时会在管坯表面产生菱形凹槽，局部应力集中显著，机械损伤较大；
6.(2)滚压成形：滚压成形一般用于加工环形不锈钢金属波纹管。成形原理如图所示，滚压成形时，摩擦力的作用使管坯随主动轮一起运动，同时通过从动轮的径向运动使管坯产生塑性变形从而形成波纹。滚压成形方法可用于制造大直径波纹管，在滚制过程中，为使薄壁、大直径管坯稳定地沿自身轴线回转，需要将管坯安装在专用工装(上下配合模)上，随波纹整体带出。滚压成形波纹管的生产效率低，辊轮不断辊压管坯表面，导致表面形成硬化层产生较大残余应力，同时表面产生严重的机械损伤，且波谷与波峰的壁厚减薄量不均；
7.(3)内高压胀形：以管材为毛坯，在管坯的两端施加载荷，管坯在内部液体的作用下与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的一种塑性成形技术。成形过程中，液体介质注入管坯中使其微微鼓起，形成初始的波纹固定模片；随后去除模具件的定位撑，提供轴向力使模板缓慢合并，并实现补料；最终利用内壁的液体压力实现管坯的完全贴模。液压成形工艺的成形效率高、成形性能好。但是波峰与波谷区的变形不均匀，导致波峰波谷区的壁厚不一致，应力分布不均；当尺寸大时，模具成本高，劳动强度大，对油压机的要求较高。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明旨在提出一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法，以解决上述现有技术的不足。
9.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
10.一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具，包括外模组、内模组和模座，所述外模组安装至内模组外部，所述外模组、内模组一端均安装至模座，所述外模组、内模组之间用于放置贮箱用波纹管端部直边；
11.所述外模组包括外模框环和外模单元，所述外模单元内侧套设内模组外侧，所述外模单元外侧安装外模框环，所述外模框环与模座螺栓连接；
12.所述内模组包括内模本体和若干密封圈，所述内模本体外侧套设有外模单元，且所述内模本体外表面安装若干密封圈。
13.进一步的，所述外模单元包括上外模、下外模，所述上外模位于下外模上方，所述上外模、下外模均位于外模框环与内模本体之间；
14.所述上外模的一端为倒角b，所述倒角b与贮箱用波纹管端部直边的波纹外圆角匹配。
15.进一步的，所述内模本体外侧开设有若干环形密封槽，每个环形密封槽内分别安装一个密封圈；
16.每个环形密封槽内分别设有一个第一进气口；
17.所述所述内模本体外侧中部还开设有第二进气口，所述第二进气口与外部气源相连通。
18.进一步的，还包括若干凸形腈纶，所述凸形腈纶安装至密封圈与贮箱用波纹管端部直边之间连接处。
19.进一步的，一种贮箱用波纹管端部直边扩径成形方法，包括以下步骤：
20.s1、将贮箱用波纹管端部直边的内腔补偿余量区a安装至贮箱用波纹管端部直边扩径模具；
21.s2、对贮箱用波纹管端部直边一阶段端面直边成形；
22.s3、对贮箱用波纹管端部直边进行完全退火；
23.s4、对贮箱用波纹管端部直边二阶段端面直边成形；
24.s5、对贮箱用波纹管端部直边去除余量。
25.进一步的，在步骤s1中的所述内腔补偿余量区a为48-55mm。
26.进一步的，在步骤s2中的一阶段端面直边成形，包括以下步骤：
27.s21、采用充气气瓶对内模本体上下直线端面密封区进气口进行充气，确保密封圈压力稳定密封在13-14mpa；
28.s22、待密封圈压力表稳定后，采用另一组充气气瓶进行腔体内压充气，实现进气压力在12-12.5mpa，在成形过程中，腔体内的气压低于密封圈内压0.5mpa以上；
29.s23、稳定供气2-3min后，先进行内腔泄气，再进行密封区泄气。
30.相对于现有技术，本发明所述的一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法具有以下优势：
31.本发明所述的一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法，通过开展贮箱用波纹管端部直边扩径模设计，建立成形路径和工艺参数窗口，形成了贮箱用波纹管端部直边扩径成形方法，显著降低大型工装和装备投入，有效保证成形精度及表面质量，提升生产效率，
附图说明
32.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1为本发明实施例所述的整体方法流程示意图；
34.图2为本发明实施例所述的波纹管端部直边封闭式内腔补偿示意图；
35.图3为本发明实施例所述的波纹管端部直边扩径模设计结构剖面示意图；
36.图4为本发明实施例所述的扩径成形成品示意图；
37.图5为本发明实施例所述的扩径模具与产品安装示意图。
38.附图标记说明：
39.1、产品；2、模座；3、外模框环；4、外模单元；41、上外模；42、下外模；5、内模本体；51、环形密封槽；52、第一进气口；53、第二进气口。
具体实施方式
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
44.如图1至图5所示，一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具及成形方法，其贮箱用波纹管端部直边为产品1，其贮箱用波纹管端部直边成形通过直边优化为封闭式内腔补偿，实现扩径模内密封充气胀形，结合材料特性，通过退火减少产品加工趋势，进行递进式直边成形。
45.贮箱用波纹管端部直边成形成形工艺流程如下：安装模具
→
成形直边
→
完全退火
→
成形直边
→
去除余量。
46.贮箱用波纹管端部直边扩径模设计和成形技术方案具体如下：
47.(1)波纹管端部直边封闭式内腔补偿
48.贮箱用波纹管端部直边为形成封闭式内腔结构，贮箱用波纹管端部直边的隧道管内径为φ420mm，扩径处内径为φ436mm，而采用余量区对称分布，即成形前提前预留尺寸，
按照中性层展开增加的内腔补偿余量区48mm。
49.(2)波纹管端部直边扩径模设计
50.一种贮箱用波纹管端部直边扩径模具，包括外模组、内模组和模座2，所述外模组安装至内模组外部，所述外模组、内模组一端均安装至模座2，所述外模组、内模组之间用于放置贮箱用波纹管端部直边；
51.所述外模组包括外模框环3和外模单元4，所述外模单元4内侧套设内模组外侧，所述外模单元4外侧安装外模框环3，所述外模框环3与模座2螺栓连接；
52.所述内模组包括内模本体5和若干密封圈，所述内模本体5外侧套设有外模单元4，且所述内模本体5外表面安装若干密封圈。
53.在本发明一种优选的实施方案中，所述外模单元4包括上外模41、下外模42，所述上外模41位于下外模42上方，所述上外模41、下外模42均位于外模框环3与内模本体5之间，述上外模41的一端为倒角b，所述倒角b与贮箱用波纹管端部直边的波纹外圆角匹配。
54.在本发明一种优选的实施方案中，所述内模本体5外侧开设有若干环形密封槽51，每个环形密封槽51内分别安装一个密封圈，且每个环形密封槽51内分别设有一个第一进气口52，所述所述内模本体5外侧中部还开设有第二进气口53，所述第二进气口53与外部气源相连通。
55.在本发明一种优选的实施方案中，还包括若干凸形腈纶，所述凸形腈纶安装至密封圈与贮箱用波纹管端部直边之间连接处。
56.在本发明一种优选的实施方案中，扩径模由外模框环、外模、内筒、密封圈、充气口及模座等组成，设计具体方案如下：
57.①
内筒上下直线端面均设有环形密封槽并分别留有一处进气口，用于密封直边封闭式内腔两侧，密封槽中放有环形充气密封圈，在充气密封圈与波纹管直端之间连接处采用凸形腈纶，可有效提高耐磨性；
58.②
内筒上下直线端面进气口中间留有一处气胀成形进气口，用于提供波纹管端部直边成形气体来源；
59.③
外模采用上下式双层分布，便于成形前后模具拆解，外模上倒角与隧道管端面最近处波纹外圆角匹配，起到产品定位作用，外模内表面与所需产品的外表面一致；
60.④
外模框环与模座螺栓连接，用于抵消成形过程中的相互作用力；
61.⑤
波纹管端部直边成形采用垂直放置，增加自重因素，确保产品具有更高精度。
62.(3)波纹管端部直边扩径成形过程
63.一种贮箱用波纹管端部直边扩径成形方法，包括以下步骤：
64.s1、将贮箱用波纹管端部直边的内腔补偿余量区a安装至贮箱用波纹管端部直边扩径模具；
65.s2、对贮箱用波纹管端部直边一阶段端面直边成形；
66.s3、对贮箱用波纹管端部直边进行完全退火；
67.s4、对贮箱用波纹管端部直边二阶段端面直边成形；
68.s5、对贮箱用波纹管端部直边去除余量。
69.在本发明一种优选的实施方案中，扩径成形方法，包括以下步骤：安装模具：
70.按照扩径模剖面图安装模具，将带有48-55mm余量的波纹管端部直边放置于模具
内腔；
71.一阶段端面直边成形：
72.①
采用充气气瓶对内筒上下直线端面密封区进气口进行充气，确保密封圈压力稳定密封在13-14mpa；
73.②
待密封圈压力表稳定后，采用另一组充气气瓶进行腔体内压充气，实现进气压力在12-12.5mpa，在成形过程中，为保证密封效果，腔体内的气压一般低于密封圈内压0.5mpa以上；
74.③
稳定供气2-3min后，先进行内腔泄气，再进行密封区泄气；
75.完全退火：
76.考虑到5a03铝合金加工硬化趋势明显，为避免因塑性较低引起的破裂，采用完全退火工艺，即随炉加热温度为370-410℃，保温时间为40min，采用空冷方式；
77.二阶段端面直边成形：
78.过程如同一阶段端面直边成形；
79.去除余量：
80.对成形后波纹端面直边进行样板检测并划线，采用超高压水切割机按线去除余量。
81.本发明主要目的是结合贮箱用波纹管端部直边尺寸特征及5a03低延伸率材料特性，摸索出适用于长隧道管类波纹零件端部直边的扩径模设计，形成以端部成形区密封、气压内压成形两步递进控制精确方法，建立工艺窗口，实现低成本、高效制造，满足设计技术指标要求
82.本发明的优势：通过开展贮箱用波纹管端部直边扩径模设计，建立成形路径和工艺参数窗口，形成了贮箱用波纹管端部直边扩径成形方法，显著降低大型工装和装备投入，有效保证成形精度及表面质量，提升生产效率。
83.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。