一种采用激光成型的压差式阻隔结构及加工方法与流程

1.本发明涉及一种压差式阻隔结构及加工方法。


背景技术：

2.压差式阻隔结构主要应用于航空航天、石油、化工等领域。目前，航天领域主要采用纯铝材料的压差式阻隔结构，一般采用机械冲制的方式加工减弱槽，减弱槽为“v型”结构，且加工过程铝膜片发生翘曲变形，导致成型后参数测量难度高，精度差；同时，其为纯铝材料，产品耐疲劳性能差，对工程应用造成一定的影响。
3.石油、化工领域的压力管道、容器也广泛使用压差式阻隔结构，但石油、化工领域对阻隔结构的打开压力精度要求相对不高，同时，产品主要应用于地面设备，方便定期检修及更换，因此石油化工领域采用的压差式阻隔结构主要采用机械冲制的方式，同样，存在产品加工精度不高、一致性差等问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明目的是提出一种基于激光加工的压差式阻隔结构及加工方法，具有加工精度高、产品尺寸可测性、打开压力精确度高等特点，可应用于火箭动力系统的管路中，具有成品率高、产品一致性好等特点。
5.本发明所采用的技术方案是：一种采用激光成型的压差式阻隔结构，包含：膜片、上挡圈、下挡圈；上挡圈和下档圈均为环形结构，共同压住膜片的边缘；膜片为反拱型结构，在拱内侧采用激光刻蚀加工十字型减弱槽；上挡圈和下挡圈与管路连接面设置密封槽，安装密封结构。
6.上挡圈和下挡圈与膜片采用电子束焊接成为整体。
7.上挡圈、下挡圈与膜片均采用不锈钢316l材料。
8.膜片的初始参数通过经验公式计算得到，初试参数包括膜片的厚度、起拱高度、刻痕剩余厚度；经验公式如下：
9.失稳压力
10.式中，k1为材料常数，a、b均为经验参数，a＝21，b＝0.304；s0为膜片厚度，h为起拱高度，d为起拱直径；
11.通过有限元非线性稳定性分析进一步计算得到膜片参数，将材料非线性、刻痕剩余厚度、几何初始缺陷作为膜片设计参数进行有限元分析；通过有限元仿真分析的多轮迭代，从分析结果中得到最优的膜片设计参数，以此膜片设计参数为最终膜片尺寸，进行压差式阻隔结构的工艺试验验证。
12.一种采用激光成型的压差式阻隔结构的加工方法，包括步骤如下：
13.(1)计算膜片参数；
14.(2)选取膜片材料，加工膜片，膜片成型步骤包括原材料剪裁、线切割、液压起拱、
激光加工减弱槽；
15.(3)加工上下挡圈；
16.(4)将上、下挡圈和膜片焊接为整体。
17.步骤(1)的具体方法为：
18.根据设计指标要求，采用经验公式的方法，初步估算膜片的基本设计参数，包括厚度、起拱高度、刻痕剩余厚度，再采用有限元非线性稳定性分析方法，进行仿真分析迭代，根据仿真结果，选取最优的膜片设计参数，开展工艺试验验证。
19.步骤(2)中，膜片材料选取不锈钢材料。
20.步骤(2)中，原材料剪裁：要求同一批膜片取自同一张金属带材，根据尺寸规格剪裁出一定规格尺寸的方形金属片；
21.线切割：将剪裁后的金属材料采用线切割加工成设定直径的圆形金属片；
22.液压起拱：将切割后的圆形膜片安装到起拱工装上，对起拱工装加载至设定的液压，使膜片起拱到设计高度，稳定10min，卸去起拱压力；
23.激光加工减弱槽：将膜片固定在激光加工设备上，对膜片进行刻痕的加工，加工的刻痕形式为十字型刻痕；
24.刻痕剩余厚度测量：采用光学设备，对刻痕深度进行测量，选取深度值最大、最小值的加工件，进行批次抽典试验进行验证。
25.步骤(3)中，上、下挡圈采用机加成型，上、下挡圈的表面一侧为密封面，另一侧与膜片接触，上、下挡圈的表面粗糙度不低于0.8。
26.步骤(4)的具体方法为：
27.将膜片与挡圈结构对中安装在焊接工装结构上，轴向施加一定的预紧力作用，在确定安装到位后，设置焊接电流、焊接速率，对结构进行整体焊接。
28.本发明与现有技术相比的优点在于：
29.(1)采用激光加工减弱槽，可实现减弱槽参数的精准控制，同时，减弱槽形貌比较规则，可实现参数的测量。
30.(2)产品加工精度高，产品的一致性好，因此打开压力性能更加稳定，产品的可靠性更高。
附图说明
31.图1为压差式阻隔结构图；
32.图2为压差式阻隔结构三维模型图；
33.图3为非线性稳定性分析图；
34.图4为压差式阻隔结构制作实施流程图。
具体实施方式
35.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：
36.压差式阻隔结构选材要求包括：激光加工性能好、耐腐蚀、疲劳性能好、具有良好的塑性性能，综合考虑选取不锈钢316l材料。
37.压差式阻隔结构包含：膜片2、上挡圈3、下挡圈1；上挡圈3和下档圈1均为环形结
构，共同压住膜片2的边缘，膜片2为反拱型结构，在拱内侧采用激光刻蚀加工十字型减弱槽，结构通过失稳翻转实现破坏打开，在失稳过程中膜片2沿着薄弱部位即减弱槽处实现裂开，打开后膜片形成较大的泄放通路。
38.上挡圈3、下挡圈1与膜片2采用同种材料，在上挡圈3和下挡圈1与管路连接面设置密封槽，安装密封结构。上挡圈3和下挡圈1与膜片2采用电子束焊接成为整体，有效保证了膜片2与法兰连接的密封性。其结构形式见图1所示。
39.图2为压差式阻隔结构三维模型图；
40.膜片2为反拱型结构，其依靠结构失稳翻转打开，打开压力即失稳压力，其主要与膜片2的厚度、起拱高度、刻痕剩余厚度等膜片参数相关。
41.膜片2的初始参数可通过经验公式计算得到：
42.失稳压力
43.式中，k1为材料常数，a、b均为经验参数，一般情况下a＝21，b＝0.304；s0为膜片厚度，h为起拱高度，d为起拱直径。
44.该经验公式未考虑刻痕的影响，得到的膜片参数与实际参数有一定的差异。在此参数基础上，通过有限元非线性稳定性分析进一步进行膜片参数设计，将材料非线性、刻痕剩余厚度、几何初始缺陷作为膜片设计参数进行有限元分析；通过有限元仿真分析的多轮迭代，从分析结果中得到最优的膜片设计参数，以此膜片设计参数为基础，进行压差式阻隔结构的工艺试验验证。
45.该压差式阻隔结构由3个组件构成，分别是上挡圈、膜片、下挡圈，该结构的制作实施流程见图4所示。其中，重点介绍膜片的参数计算、成型工艺，挡圈结构为机加件，无特殊事项，不做具体介绍。
46.(1)膜片参数计算
47.根据设计指标要求，采用经验公式的方法，初步估算膜片的基本设计参数，包括厚度、起拱高度、刻痕剩余厚度，以此为基础，采用有限元非线性稳定性分析方法，开展仿真分析迭代，根据仿真结果(如图3)，选取最优的膜片设计参数，开展工艺试验验证。
48.(2)膜片加工步骤：
49.压差式阻隔结构的膜片材料选取延伸率较优的不锈钢材料，膜片成型步骤包括原材料剪裁、线切割、液压起拱、激光加工减弱槽等步骤。
50.原材料剪裁：要求同一批膜片取自同一张金属带材，根据尺寸规格剪裁出一定规格尺寸的方形金属片。
51.线切割：将剪裁后的金属材料采用线切割的方式，加工成一定直径的圆形金属片。
52.液压起拱：将切割后的圆形膜片安装到起拱工装上，对起拱工装加载一定的液压，使膜片起拱到设计高度，稳定10min，待产品状态稳定后，卸去起拱压力。
53.激光加工减弱槽：将膜片固定在激光加工设备上，设定激光加工功率、扫描速率、加工路线等，对膜片开展刻痕的加工，加工的刻痕形式为十字型刻痕。
54.刻痕剩余厚度测量：采用光学设备，对刻痕深度进行测量，选取深度值最大、最小值的加工件，开展批次抽典试验进行验证。
55.(3)上下挡圈加工
56.上、下挡圈采用机加成型，挡圈的表面一侧为密封面，另一侧与膜片直接接触，因此，对挡圈的表面粗糙度有着较高的要求，应保证表面粗糙度不低于0.8。
57.(4)整体焊接
58.将膜片与挡圈结构对中安装在焊接工装结构上，轴向施加一定的预紧力作用，在确定安装到位后，设置焊接电流、焊接速率，对结构进行整体焊接。
59.完成焊接后，对产品进行抽检，对产品性能进行检验。
60.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。