[发明专利]大型高模数椭球型面铝合金贮箱半球壳体的成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天用大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，属于贮箱成形技术领域。所述的大型高模数薄壁椭球型面中的“大型”是指椭球型面的最大直径不小于Φ1300mm；高模数是指椭球型面长轴与短轴的比值不小于2，薄壁是指椭球型面的壁厚不大于5mm。

背景技术

针对内径>Ф1300mm，壁厚<5mm的大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体，若将原材料直接成形为目标构件较为困难，且壁厚精度不易控制；比较合理的成形路径是先将原材料成形为毛坯、然后再加工减薄。

大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯成形有两种工艺方法比较适合，即冲压成形或旋压成形。较厚的板材冲压需要较大吨位的设备，而且冲压过程需要的工序、模具较多，冲压后的毛坯壁厚不均匀且不易控制。而旋压过程是逐点变形，单位压力高，对于高强度难变形材料的旋压所需总变形力较小，设备吨位大幅降低。旋压后的材料晶粒显著细化并具有纤维状特征，强度和硬度均获得提高。与冲压工艺相比，采用旋压工艺还可以大幅简化工序和模具，经旋压工序后的毛坯壁厚均匀且容易控制。因此，对于大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体毛坯成形，旋压工艺比冲压更为适合。

国外采用旋压工艺整体成形大型薄壁贮箱半球类壳体毛坯已有一些相关报道，如美国的Ares-I火箭燃料贮箱箱底的直径为Ф5500mm，是世界上采用整体旋压工艺制造的尺寸最大的箱底，其采用了凹面净近成形技术，无需中间热处理及后续的机械加工；日本的H-2B火箭燃料贮箱箱底直径为Ф5200mm，采用预成形+旋压终成形的工艺方案实现整体成形，旋压工序之间需要反复进行热处理、机械加工等辅助工序，最终精加工为高强度贮箱箱底。相对美国Ares-I贮箱箱底的成形工艺，日本H-2B贮箱箱底的成形工艺其工序较为复杂。

目前国内的超大型贮箱(Ф2250mm、Ф3350mm、Ф5000mm)半球类壳体一般采用瓜瓣拼焊成形；直径为Ф1000mm～Ф2000mm的贮箱半球壳体则一般采用预成形+旋压终成形工艺路径，由铝合金平板直接整体旋压成形为直径>Ф1300mm的航天用高模数椭球型面贮箱半球壳体还很少见，主要难点是直接旋压变形时抗力较大，旋压过程易出现“反背”缺陷且一旦产生就难以校正，板料不易贴胎；另外椭球型面构件其靠近椭球长轴位置曲率变化较大，直接旋压变形时此区域易出现壁厚减薄量过大而导致后续加工余量不足的情况，影响构件精度甚至导致构件直接报废。现有技术的经验是采用圆板多道次冲压或旋压预成形，再进行旋压终成形，中间还要进行退火热处理等工序。这种方法工序较多，增加了制造成本，同时反复装卡后构件中心错位，变形严重，精度不可避免有所下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，该方法能够克服现有技术中的工序较多、增加成本而且精度下降的问题。本发明采用直接将等壁厚的铝板旋压成形为椭球型面半球壳体毛坯、然后再机械加工为贮箱半球壳体的工艺路线；无需预成形及中间热处理等辅助工序，直接由铝板整体旋压成形。

本发明的技术方案为：

一种大型高模数薄壁椭球型面铝合金贮箱半球壳体成形方法，该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心椭球；空心椭球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状；

(5)热处理，从旋压模具上卸下通过步骤(4)成形的铝合金旋压件，然后对铝合金旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到椭球型面铝合金贮箱半球壳体。

以该半球壳体的中心作为原点建立坐标系，该半球壳体在XZ方向的半径相等，该半球壳体在XY、YZ方向的半径不相等，且X、Z方向为椭球型面的长轴方向、Y方向为椭球型面的短轴方向，X、Z方向椭球型面的最大直径为椭球长轴、Y方向椭球型面的最大直径为椭球短轴，椭球型面的模数不小于2。