大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法技術

本發明專利技術公開了一種大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，包括：將一塊圓形板狀的坯料旋壓成端面帶有翻邊的半球殼體，熱處理后加工端面的平面基準，以平面基準加工外球面基準，以外球面基準加工內球面、翻邊外球面及最大外圓面，以平面基準加工外球面及翻邊的內球面。本發明專利技術相對傳統的沖壓成型而言，采用旋壓成型可大幅度節省原材料，使用較薄的坯料就可以進行成型加工，設計制造專用工裝夾具及采用真空吸盤進行吸附等手段，成功解決大尺寸變曲率薄壁件的厚度控制與裝夾難題，通過球形的工裝和零件的內外球面精密配合，有效防止薄壁零件加工時的變形問題。

【技術實現步驟摘要】
大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法
本專利技術涉及機械制造領域，具體的涉及用于一種大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型的加工工藝。
技術介紹
2018年，全球航天運輸領域的發射活動十分活躍，首次超過100次發射紀錄，共執行114次發射任務。在衛星需求端，十四五是中國衛星發射爆發期，中大型液體火箭將是最佳選擇。姿軌控推進系統在各類航天器中起著重要作用，即維持航天器軌道與姿態的穩定。貯箱作為動力系統中最為核心的關重件之一，其制造與加工質量直接影響整個推進系統的服役性能。隨著航天技術的迅速發展，要求衛星等航天器延長在軌工作時間，使得航天器內液體燃料大量增加。以前主要采用囊式貯箱，但橡膠囊與推進劑的相容性無法保證推進劑的長期貯存。金屬膜片貯箱作為一種新型貯箱，不僅耐腐蝕性能好，可長期貯存，而且剛性膜片在氣體的擠壓作用下緊貼液面，消除了推進劑的晃動。目前國外先進的貯箱技術可使姿軌控動力系統滿足一次加注15年長期貯存要求，極大提高了航天器在軌飛行的可靠性。而國內由于受到金屬膜片貯箱特別是膜片的設計制造技術瓶頸的制約，尚不能滿足姿軌控動力系統發展需求，亟待突破該項技術。為滿足航天產品減重的迫切需要，貯箱材料逐漸從傳統不銹鋼材料過渡到鋁合金、鈦合金(包括工業純鈦)材料為主，而鈦合金(包括工業純鈦)由于具有較高的比強度及良好的耐高溫性能而越來越受到人們的關注，對以內壓為主要設計工況的貯箱選擇鈦合金(包括工業純鈦)是最適宜的。貯箱膜片成型制造的質量直接關系到膜片的的翻轉試驗的成功與否，進一步關系到貯箱的制造成功與否，而貯箱膜片屬于典型的大尺寸變曲率薄壁構件，由于厚度薄且漸變，精度要求高，加工過程中易變形，尺寸精度難以保證，旋壓成型及機械加工中還需要控制溫度，故貯箱膜片的加工難度極高。經過國內外相關文獻資料的檢索可知，目前貯箱及膜片材料以鋁合金居多，且專利文獻中多以加工貯箱上下殼體為主，如專利申請號CN111203689A為制造貯箱上下殼體的，材料為鋁合金的，壁厚為3.9mm，且為均勻的，采用原材料厚板多次沖壓成型的，不僅需要消耗較多的原材料，效率極其低下，而且多次沖壓拉伸成型易產生加工硬化現象而極易拉裂。而針對大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片成型，膜片的材料為純鈦，厚度從1.8mm逐漸變到1mm左右，對這種厚薄不均勻變曲率的球形加工件，其成型加工難度遠遠大于厚度均勻且厚度相對較厚的上下殼體的制造難度，加工中逐漸減薄極易產生振紋、變形及裝夾變形，甚至會開裂，同時成型加工中溫度升高會導致材料變脆從而進一步加劇開裂，采用傳統的方法難以實現成型、測量及裝夾等。
技術實現思路
本專利技術的所要解決的技術問題是是：為解決大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片的成型加工工藝難題，突破大型復雜變曲率薄壁結構件的整體精密成型、低成本及工程化應用的技術瓶頸，克服普通方法難以實現的成型、測量及裝夾難點。本專利技術的技術方案是：一種大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，包括：將一塊圓形板狀的坯料旋壓成端面帶有翻邊的半球殼體，熱處理后加工端面的平面基準，以平面基準加工外球面基準，以外球面基準加工內球面、翻邊外球面及最大外圓面，以平面基準加工外球面及翻邊R7的內球面。采用激光切割圓形板狀的坯料，旋壓前通過銑削加工對坯料的表面進行處理。根據預先計算好的坯料尺寸，采用波長為10.6μm的CO2激光器進行切割，采用高純氬氣作輔助氣體，完成旋壓坯料的下料，對切割好的坯料進行銑削去掉毛刺、表面劃痕及所肉眼所看到的一些微小缺陷等，保證坯料的表明光潔度，以滿足工業純鈦的旋壓要求。旋壓時對坯料進行加熱并控制加熱溫度在200攝氏度以下，坯料安裝在旋壓模具上旋轉，兩個旋壓輪與坯料成45°的傾斜角靠近進行正面旋壓，旋壓得到半球形的半成品坯件套上翻邊模具進行翻邊旋壓，得到膜片半成品。加熱的目的是提高延伸率，但又要防止坯料吸氫或氧等而變脆。熱處理是把膜片半成品裝夾在熱處理凹模和熱處理凸模之間，在真空爐中采用真空去應力退火工藝，退火溫度為500℃～550℃，退火時間為30～60min。熱處理主要是消除應力、恢復晶粒及提高延伸率，防止機加工時產生較大的變形及裂開。平面基準加工是采用金屬粘合劑把膜片半成品與工裝粘合起來,加工膜片半成品翻邊部分作為平面基準。以膜片半成品底部翻邊部分為平面加工基準來加工外球面及翻邊R7的內球面，該平面基準加工的難點為不易裝夾，易變形，基準加工不準確的話對后續膜片半成品的加工精度和圓度影響很大，采用金屬粘合劑把膜片半成品與工裝粘合起來，不使用外力對膜片半成品與工裝進行固定，減小對膜片半成品基準面加工時在常規裝夾緊固而產生的變形，從而保證其精度。以膜片半成品的翻邊部分為平面基準對外球面進行加工，將膜片半成品的平面基準面放置在平臺上，壓緊翻邊部分對外球面進行車加工。沿翻邊部分圓周至少6點進行對角對稱均勻壓力來壓緊膜片半成品，對外球面先進行粗車，粗車完畢后再松開翻邊部分26至48個小時，待應力充分釋放后再壓緊翻邊部分精車外球面。每試車一刀或幾刀要松開壓板，讓加工應力得到充分釋放后再壓緊再加工。以外球面作為定位基準對內球面、翻邊外球面及最大外圓面加工，將外球面緊貼在凹模工裝的內腔，調平并固定后利用專用測厚儀對膜片半成品的各個要求不等厚的環帶進行厚度測量，根據所測數據，在保證0.5mm左右的加工余量留給精加工的前提下，采用粗車加工，每粗車一刀，就測量一次厚度，直到滿足有0.5左右的加工余量留給精加工為止。粗車加工完畢，再進行精車，每精車完一次需要測量厚度一次，以確保不等厚各個環帶的厚度滿足圖紙尺寸精度要求，直到尺寸精度滿足圖紙要求為止。把內球面加工完畢的膜片半成品的內球面緊貼在凸模工裝的外腔，以翻邊部分為平面基準對外球面及翻邊R7的內球面進行加工，同時以內球面及翻邊外球面分別作為厚度基準。采用真空吸附的方式將膜片半成品的外球面或內球面固定在球形的凹模工裝或凸模工裝中。為防止膜片在加工過程中出現真空失壓，造成膜片與工裝貼合不良而導致膜片在工裝上松動后產生加工報廢，需要在加工前進行72個小時的保壓試驗。本專利技術的有益效果是：(1)本專利技術相對傳統的沖壓成型而言，采用旋壓成型可大幅度節省原材料，使用較薄的坯料就可以進行成型加工，成型效率高，經過旋壓1～2個道次就獲得膜片半成品了，由于旋壓道次少，不易產生加工硬化而導致的開裂；而沖壓一般需要5倍以上厚度的旋壓坯料，要經過多次沖壓成型，效率極其低下，而且多次沖壓拉伸成型易產生加工硬化現象而極易拉裂。(2)本專利技術采用專用測厚儀、設計制造專用工裝夾具及采用真空吸盤進行吸附等手段，成功解決大尺寸變曲率薄壁件的厚度控制與裝夾難題，通過球形的工裝和零件的內外球面精密配合，有效防止薄壁零件加工時的變形問題。(3)本專利技術通過對大尺寸變曲率薄壁構件貯箱膜片成型加工關鍵工藝的研究，突破大型復雜薄壁結構件的整體精密成型、低成本及工程化應用的技術瓶頸、解決了成型加工工藝難題，掌握貯箱膜片制造的關鍵技術，確保產品研制成功。貯箱膜片圓度達到0.1mm，球面輪廓度可達0.2m本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于包括：將一塊圓形板狀的坯料旋壓成端面帶有翻邊的半球殼體，熱處理后加工端面的平面基準，以平面基準加工外球面基準，以外球面基準加工內球面、翻邊外球面及最大外圓面，以平面基準加工外球面及翻邊的內球面。/n

【技術特征摘要】
1.一種大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于包括：將一塊圓形板狀的坯料旋壓成端面帶有翻邊的半球殼體，熱處理后加工端面的平面基準，以平面基準加工外球面基準，以外球面基準加工內球面、翻邊外球面及最大外圓面，以平面基準加工外球面及翻邊的內球面。


2.根據權利要求1所述的大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于：采用激光切割圓形板狀的坯料，旋壓前通過銑削加工對坯料的表面進行處理。


3.根據權利要求2所述的大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于：旋壓時對坯料進行加熱并控制加熱溫度在200攝氏度以下，坯料安裝在旋壓模具上旋轉，兩個旋壓輪與坯料成45°的傾斜角靠近進行正面旋壓，旋壓得到半球形的半成品坯件套上翻邊模具進行翻邊旋壓，得到膜片半成品。


4.根據權利要求3所述的大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于：熱處理是把膜片半成品裝夾在熱處理凹模和熱處理凸模之間，在真空爐中采用真空去應力退火工藝，退火溫度為500℃～550℃，退火時間為30～60min。


5.根據權利要求3所述的大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于：平面基準加工是采用金屬粘合劑把膜片半成品與工裝粘合起來,加工膜片半成品翻邊部分作為平面基準。


6.根據權利要求5所述的大尺寸變曲率薄壁貯箱膜片精密成型方法，其特征在于：以膜片半成品底部翻邊部分為平面基準對外球面及翻...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張書權，譚樂，王欽偉，趙源，鐘文凱，劉邦森，戈軍委，周之貴，符書豪，羅鑫，
申請(專利權)人：貴州航天天馬機電科技有限公司，
類型：發明
國別省市：貴州;52