金属隔膜贮箱及其金属隔膜的加工方法与流程

本发明涉及金属隔膜贮箱，具体地指一种金属隔膜贮箱及其金属隔膜的加工方法。

背景技术：

随着液体火箭发动机的迅速发展，对推进剂贮箱的要求越来越高。隔膜贮箱作为单组元液体火箭发动机姿控调整的推进剂贮存单元，已经得到广泛运用。

然而，目前贮箱中的隔膜基本都是采用非金属隔膜，不便于长期存放或在使用过程中推进剂容易出现晃动，存在一定的安全隐患。因此，急需设计一种安全稳定高的金属隔膜贮箱，并寻求一种可靠的金属隔膜的加工方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种结构简单、安全可靠的金属隔膜贮箱及其金属隔膜的加工方法。

为实现上述目的，本发明所设计的一种金属隔膜贮箱，包括呈半球状的上壳体和下壳体，其特殊之处在于：所述上壳体的外壁下部环向设置有加强环圈，所述加强环圈的底端面与下壳体的顶端面焊接形成空心结构；

所述上壳体的内腔设置有呈半球状的金属隔膜，所述金属隔膜的上表面与上壳体的内壁之间围合形成用于容纳气体的第一腔体，所述金属隔膜的下表面与下壳体的内壁之间围合形成用于容纳推进剂的第二腔体；

所述金属隔膜具有半球形弧面，所述半球形弧面的底部开口端向外弯曲延伸形成u形弧面，所述u形弧面的悬置端部与上壳体的底端面焊接固定，所述u形弧面与上壳体的连接处设置有定位环。

进一步地，所述加强环圈与下壳体的连接处设置有焊接保护环。

进一步地，所述上壳体的顶部设置有用于供气体进入的进气阀。

进一步地，所述下壳体的底部设置有用于供推进剂排出的排液阀。

进一步地，所述加强环圈包括锥形环和圆环，所述锥形环的顶端面与上壳体的外壁下部焊接，所述锥形环的底端面与圆环的顶端面一体成型，所述圆环的底端面与下壳体的顶端面焊接。

进一步地，所述金属隔膜的壁厚由底部向顶部逐渐增大，所述金属隔膜的底部壁厚为0.6～0.8mm，所述金属隔膜的顶部壁厚为1.0～1.2mm。

本发明还提供一种上述的金属隔膜的加工方法，包括如下步骤：

1)选材：

将未经过热处理的厚板料进行拉伸试验和成分检验，选取满足设计需求的厚板料；

2)旋压：

将步骤1)选取的厚板料进行旋压处理，得到所需形状的隔膜坯料；

3)退火热处理：

将步骤2)所得的隔膜坯料进行退火热处理后冷却，得到隔膜坯体；

4)机加成型：

将步骤3)所得的隔膜坯体通过机械加工的方法加工至设计的内型面结构和尺寸。

进一步地，所述步骤1)中，选取的厚板料的弹性模量e＝69～82gpa，泊松比μ＝0.33～0.35，抗拉强度为76～88mpa，屈服强度为28～38mpa，延伸率为39～45％。

再进一步地，所述步骤2)中，旋压处理包括半球形弧面旋压处理和u形弧面旋压处理；

所述半球形弧面旋压处理中，旋轮与厚板料的夹角a＝55°～60°，旋轮转速为800～1000m/min，半球形芯模的转速为200～400rad/min，旋轮进给量为0.3～0.5mm/rad，旋压温度为1000～1200℃；

所述u形弧面旋压处理中，旋轮与厚板料的夹角b＝85°～90°，旋轮转速为200～500m/min，u形芯模的转速为100～300rad/min，旋轮进给量为0.1～0.3mm/rad，旋压温度为1000～1200℃。

更进一步地，所述步骤3)中，退火热处理过程中温度为400～450℃，保温30～45min后空气冷却。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

其一，本发明的金属隔膜贮箱设计结构紧凑、便于装配，而且在使用过程中能够实现金属隔膜的正常翻转，杜绝了使用过程中金属隔膜破裂而发生事故的隐患。

其二，本发明的金属隔膜加工方法简单，能够有效降低成本，加工所得的金属隔膜性能与贮箱的焊接性能好，而且稳定性和安全性高。

其三，本发明的u形弧面与上壳体的连接处设置有定位环，起到了金属隔膜的定位作用，便于金属隔膜从最大直径处开始翻转，确保最终能够完全翻转。

其四，本发明的加强环圈与下壳体的连接处设置有焊接保护环，从而防止上壳体在与下壳体焊接过程中损坏金属隔膜，保证了金属隔膜的结构稳定性。

附图说明

图1为一种金属隔膜贮箱的结构示意图；

图2为图1中金属隔膜的放大结构示意图；

图3为图1中上壳体的放大结构示意图；

图4为半球形弧面旋压处理的示意图；

图5为u形弧面旋压处理的示意图；

图中，上壳体1、下壳体2、加强环圈3(锥形环3.1、圆环3.2)、金属隔膜4(半球形弧面4.1、u形弧面4.2)、第一腔体5、第二腔体6、定位环7、焊接保护环8、进气阀9、排液阀10、厚板料11、旋轮12、顶紧膜13、半球形芯模14、u形芯模15。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的一种金属隔膜贮箱，包括呈半球状的上壳体1和下壳体2，上壳体1的外壁下部环向设置有加强环圈3，加强环圈3的底端面与下壳体2的顶端面焊接形成空心结构；加强环圈3与下壳体2的连接处设置有焊接保护环8，焊接保护环8作用是防止上壳体1在与下壳体2焊接过程中损坏金属隔膜。上壳体1的顶部设置有用于供气体进入的进气阀9，下壳体2的底部设置有用于供推进剂排出的排液阀10。

如图2所示，上壳体1的内腔设置有呈半球状的金属隔膜4，金属隔膜4的壁厚由底部向顶部逐渐增大，金属隔膜4的底部壁厚为0.6～0.8mm，金属隔膜4的顶部壁厚为1.0～1.2mm。金属隔膜4采用变壁厚，从底部开口部到顶部逐渐加厚，金属隔膜翻转过程是一个非线性的塑性变形，进过计算和仿真模拟，第一腔体5内的工作压力p设定为0.3～0.4mpa时，能够实现金属隔膜的正常翻转，安全可靠，不出现破裂。

金属隔膜4的上表面与上壳体1的内壁之间围合形成用于容纳气体的第一腔体5，金属隔膜4的下表面与下壳体的内壁之间围合形成用于容纳推进剂的第二腔体6。

金属隔膜4具有半球形弧面4.1，半球形弧面4.1的底部开口端向外弯曲延伸形成u形弧面4.2，u形弧面4.2的悬置端部与上壳体1的底端面焊接固定，u形弧面4.2与上壳体1的连接处设置有定位环7。定位环7的目的是定位作用，便于金属隔膜从最大直径处开始翻转，确保最终能够完全翻转。

如图3所示，加强环圈3包括锥形环3.1和圆环3.2，锥形环3.1的顶端面与上壳体1的外壁下部焊接，锥形环3.1的底端面与圆环3.2的顶端面一体成型，圆环3.2的底端面与下壳体2的顶端面焊接。

本发明的工作原理：

工作时进气阀9进气，气体进入上壳体1和金属隔膜4围合形成的密闭式第一腔体5内，当气体压力大于下壳体2和金属隔膜4围合形成的第二腔体6中贮存的推进剂的压力时，金属隔膜4发生塑性变形，慢慢向下翻转，使推进剂从排液阀10排出，通过管道进入燃烧室从而提供液体火箭发动机的动力。

实施例1

本发明的金属隔膜的加工方法，包括如下步骤：

1)选材：

将未经过热处理的厚板料进行拉伸试验和成分检验，选取满足设计需求的厚板料，选取的厚板料的弹性模量e＝69gpa，泊松比μ＝0.33，抗拉强度为76mpa，屈服强度为28mpa，延伸率为39％；这样，金属隔膜材料选取屈服极限相对较小并且有较好延展性的厚板料，从而保证与上壳体的焊接性。

2)旋压：

将步骤1)选取的厚板料进行旋压处理，得到所需形状的隔膜坯料，旋压处理包括半球形弧面旋压处理和u形弧面旋压处理，其中，顶紧膜13、半球形芯模14和u形芯模15按照金属隔膜的形状设计加工而成；

如图4所示，所述半球形弧面旋压处理中，旋轮12与厚板料11的夹角a＝55°，旋轮12的转速为800m/min，半球形芯模14的转速为200rad/min，旋轮12的进给量为0.3mm/rad，旋压温度为1000℃；

如图5所示，所述u形弧面旋压处理中，旋轮12与厚板料11的夹角b＝90°，旋轮12的转速为200m/min，u形芯模15的转速为100rad/min，旋轮12的进给量为0.1mm/rad，旋压温度为1000℃。

3)退火热处理：

将步骤2)所得的隔膜坯料进行退火热处理后冷却，退火热处理过程中温度为450℃，保温30min后空气冷却，得到隔膜坯体；

4)机加成型：

将步骤3)所得的隔膜坯体通过机械加工的方法加工至设计的内型面结构和尺寸。

实施例2

本发明的金属隔膜的加工方法，包括如下步骤：

1)选材：

将未经过热处理的厚板料进行拉伸试验和成分检验，选取满足设计需求的厚板料，选取的厚板料的弹性模量e＝82gpa，泊松比μ＝0.35，抗拉强度为88mpa，屈服强度为38mpa，延伸率为45％；

2)旋压：

将步骤1)选取的厚板料进行旋压处理，得到所需形状的隔膜坯料，旋压处理包括半球形弧面旋压处理和u形弧面旋压处理，其中，顶紧膜13、半球形芯模14和u形芯模15按照金属隔膜的形状设计加工而成；

所述半球形弧面旋压处理中，旋轮12与厚板料11的夹角a＝0°，旋轮12的转速为1000m/min，半球形芯模14的转速为400rad/min，旋轮12的进给量为0.5mm/rad，旋压温度为1200℃；

所述u形弧面旋压处理中，旋轮与厚板料的夹角b＝85°，旋轮12的转速为500m/min，u形芯模15的转速为300rad/min，旋轮12的进给量为0.3mm/rad，旋压温度为1200℃。

3)退火热处理：

将步骤2)所得的隔膜坯料进行退火热处理后冷却，退火热处理过程中温度为400℃，保温45min后空气冷却，得到隔膜坯体；

4)机加成型：

将步骤3)所得的隔膜坯体通过机械加工的方法加工至设计的内型面结构和尺寸。

实施例3

本发明的金属隔膜的加工方法，包括如下步骤：

1)选材：

将未经过热处理的厚板料进行拉伸试验和成分检验，选取满足设计需求的厚板料，选取的厚板料的弹性模量e＝75gpa，泊松比μ＝0.34，抗拉强度为80mpa，屈服强度为32mpa，延伸率为42％；

2)旋压：

将步骤1)选取的厚板料进行旋压处理，得到所需形状的隔膜坯料，旋压处理包括半球形弧面旋压处理和u形弧面旋压处理，其中，顶紧膜13、半球形芯模14和u形芯模15按照金属隔膜的形状设计加工而成；

如图4所示，所述半球形弧面旋压处理中，旋轮12与厚板料11的夹角a＝58°，旋轮12的转速为900m/min，半球形芯模14的转速为300rad/min，旋轮12的进给量为0.4mm/rad，旋压温度为1100℃；

如图5所示，所述u形弧面旋压处理中，旋轮12与厚板料11的夹角b＝88°，旋轮12的转速为400m/min，u形芯模15的转速为200rad/min，旋轮12的进给量为0.2mm/rad，旋压温度为1100℃。

3)退火热处理：

将步骤2)所得的隔膜坯料进行退火热处理后冷却，退火热处理过程中温度为420℃，保温38min后空气冷却，得到隔膜坯体；

4)机加成型：

将步骤3)所得的隔膜坯体通过机械加工的方法加工至设计的内型面结构和尺寸。

以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，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。